Dimensionamento de Sistema Solar

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AULA 1 
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA 
SOLAR FOTOVOLTAICO
Prof. Fausto Batista Felix Silva 
 
 
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TEMA 1 – INTRODUÇÃO À ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 
A energia elétrica sempre teve como um dos principais objetivos fornecer 
energia para consumidores residenciais, comerciais e industriais pela geração 
centralizada e transmitida por longas distâncias para posteriormente ser 
distribuída. Por meio de uma perspectiva crescente demanda de energia, as 
fontes renováveis de energia vêm como uma solução inovadora quando se trata 
de aspectos ambientais. Diante disso, os sistemas fotovoltaicos vêm crescendo 
em importância e aplicação em todo mundo como uma solução para produção de 
energia limpa. 
A energia solar pode ser aplicada de duas formas, primeiramente por meio 
da energia foto térmica, que consiste na captação da irradiação solar e na 
conversão direta em calor com o objetivo de aquecer a água utilizando 
diretamente o calor do sol, sem a necessidade da utilização de outros recursos 
como é possível observar na Figura 1 abaixo. 
Figura 1 – Energia solar térmica 
Crédito: Alef Ribeiro/Shutterstock. 
Também é possível a utilização da energia solar fotovoltaica consistindo na 
conversão direta da luz em energia elétrica pelo efeito fotovoltaico. O que difere 
as duas aplicações de energia solar é que, ao contrário do sistema foto térmico 
 
 
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que é empregado para aquecimento, os sistemas fotovoltaicos têm a capacidade 
de captar diretamente a luz solar e produzir diferença de potencial por meio de 
módulos fotovoltaicos fixos em telhados e fachadas, processada por dispositivos 
controladores e conversores, podendo ser armazenada em baterias ou utilizada 
diretamente em sistemas conectados à rede elétrica, conforme Figura 2 abaixo. 
Figura 2 – Energia solar fotovoltaica 
 
Crédito: Slavun/Shutterstock. 
TEMA 2 – ENERGIA SOLAR 
2.1 Conceito sobre energia solar 
Dentre as muitas aplicações da energia solar, a geração direta de 
eletricidade por meio do efeito fotovoltaico se apresenta como uma das mais 
eficientes formas de gerar potência elétrica para o consumo próprio (Rüther, 
2004). 
Entretanto, além de sua aplicação na geração de energia elétrica por meio 
dos módulos fotovoltaicos, a energia solar pode ser aproveitada também para 
conversão térmica aquecendo água podendo ser aplicada na geração de energia 
elétrica por meio de usinas heliotérmicas, também chamada de geração solar 
 
 
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térmica concentrada através do efeito fotovoltaico, conforme é apresentada na 
Figura 3. 
Figura 3 – Usina solar heliotérmica 
 
Crédito: Nataliia Budianska/Shutterstock. 
A energia solar não é um recurso renovável devido sua energia ser 
consequência das reações de fusão nuclear dos átomos de hidrogênio para 
formar hélio, contudo, considerando a escala de tempo da vida no planeta Terra, 
pode-se afirmar que a energia proveniente do Sol é inesgotável (Tiepolo et al., 
2017). 
2.2 Comparação entre potenciais solares 
O Caderno setorial ETENE apontou em 2020 que a capacidade instalada 
de geração solar fotovoltaica no Brasil corresponde a 4,5 GW, onde 2,5 GW em 
projetos centralizados e 2,0 GW em geração distribuída (dados de 31/12/2019). O 
Nordeste sedia 61,9% dos projetos centralizados e 16,4% da geração distribuída. 
A Bahia destaca-se por deter 31,5% da geração centralizada do Brasil, e o Ceará 
com 3,3% da geração distribuída do país (Bezerra, 2020). 
 
 
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O potencial de geração de energia elétrica por fonte solar fotovoltaica no 
estado do Paraná tem sido um tema bastante discutido nos últimos anos, em que 
é apontado e demonstrado em recentes pesquisas realizadas e, diante desse 
cenário, essa fonte de energia foi amplamente impulsionada. 
Fazendo uma comparação com regiões da Europa que são referências na 
aplicação de geração solar fotovoltaica, como Alemanha, Itália, Reino Unido, 
França e Espanha que juntos, esses países representam aproximadamente 28% 
da capacidade instalada global em sistemas fotovoltaicos. É possível evidenciar 
que no estado do Paraná esse potencial é ainda mais evidente (Tiepolo et al., 
2017). A Figura 4 abaixo mostra uma comparação dos dados de irradiação e de 
produtividade estimada anual do Paraná com os da Europa. 
Figura 4 – Mapa de irradiação e produtividade para o Paraná e Europa – valores 
anuais 
 
Crédito: João Miguel A. Moreira. 
TEMA 3 – CONCEITOS DE RADIAÇÃO, IRRADIÂNCIA E IRRADIAÇÃO SOLAR 
3.1 Radiação 
A radiação é o elemento que atinge a superfície horizontal do solo, ela é 
composta pela radiação direta e pela radiação difusa, em que a radiação direta 
corresponde aos raios de sol que chegam diretamente na superfície, e, por sua 
vez, a radiação difusa corresponde aos raios de sol que chegam indiretamente à 
 
 
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superfície devido à poeira, nuvens ou outros possíveis objetos (Villalva; Gazoli, 
2012). O espectro de radiação solar no qual se inclui ondas visíveis e não visíveis 
atinge a superfície terrestre atravessando centenas de milhares de quilômetros 
até chegar à terra (Reis; Philippi, 2016). 
3.2 Irradiância 
A irradiância é uma grandeza que quantifica a densidade de radiação solar 
e, é expressa em W/m² (Potência por Área) (Villalva; Gazoli, 2012). A potência 
solar por unidade de área e tempo radiante na camada acima da atmosfera é de 
1.366 W/m² (denominada de constante solar). Em condições de céu limpo, a 
máxima irradiância medida na superfície terrestre é de 1000 W/m² (Aldabó, 2002). 
3.3 Irradiação 
A irradiação é a grandeza usada para medir a energia solar que incide em 
uma área por ldeterminado tempo (Wh/m²), ela expressa energia por área. Essa 
medida é útil para fazer dimensionamentos dos sistemas fotovoltaicos, pois pode 
definir o recurso solar disponível em uma região específica (Villalva; Gazoli, 2012). 
Parte dessa radiação que entra na atmosfera terrestre é absorvida e 
espalhada, sendo que a radiação direta vem em uma linha direta do sol, enquanto 
que a radiação difusa é espalhada para fora do feixe direto por moléculas, 
aerossóis e nuvens (NREL, 2016). A Figura 5 a seguir ilustra a irradiância assim 
que atinge a atmosfera e seu espalhamento. 
 
 
 
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Figura 5 – Componentes da irradiância solar 
 
Crédito: Eliane Ramos. 
3.4 Sistemas fotovoltaicos 
Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em: sistema fotovoltaico 
conectado à rede de energia elétrica (SFCR) e sistema fotovoltaico isolado da 
rede de energia elétrica (SFVI) onde são regidos pela norma NBR 11704:2008 
intitulada Sistemas Fotovoltaicos (ABNT, 2008). 
 
 
 
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TEMA 4 – SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA (SFCR) 
4.1 Princípio de funcionamento 
O sistema fotovoltaico conectado à rede, é composto essencialmente por 
módulos fotovoltaicos, inversores, string box e medidor bidirecional. Nesse 
sistema não ocorre o armazenamento de energia, então quando ocorre o corte de 
energia elétrica ou tenha algum problema no fornecimento de eletricidade, a 
unidade consumidora fica sem energia. Os medidores bidirecionais são 
equipamentos que servem para contabilizar a energia que não é utilizada e são 
injetadas na rede elétrica, pois os SFCR produzem energia essencialmente nos 
horários de irradiação solar, ou seja, durante o dia, sendo assim o excedente de 
energia volta para a concessionaria convertendo em créditos a serem utilizados 
em até 5 anos (Pojetee, 2020). A Figura 6 abaixo mostra como é a instalação de 
um SFCR. 
Figura 6 – Elementos de um SFVCR 
 
Crédito: Graphixmania/Shutterstock. 
 
 
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4.1 Células fotovoltaicas 
O Efeito Fotovoltaico é um fenômeno físico onde há conversão da luz solar 
em eletricidade que ocorre quando, a luz ou radiação eletromagnética do sol que 
é composta de fótons incide em uma célula que possui em sua composição 
materiais semicondutores, que geralmente são de silício tipo N e tipo P. 
Intercalando estes, cria-se uma junção P-N e um campo elétrico.Quando estes 
dois semicondutores são intercalados, os elétrons em excesso do tipo N fluem 
para o semicondutor do tipo P, e os elétrons que deixaram o tipo N criam então 
lacunas no mesmo. Pelo fluxo de elétrons e lacunas, os dois semicondutores 
agem como uma bateria e criam um campo elétrico na junção P-N. É este campo 
que faz com que os elétrons fiquem disponíveis para o circuito elétrico. No mesmo 
instante, as lacunas se movem para a direção oposta, para a superfície positiva 
onde elas esperam elétrons livres (Zilles et al., 2012). 
A Figura 7 abaixo mostra a estrutura de uma célula fotovoltaica composta 
por um material semicondutor com camadas P e N. 
Figura 7 – Estrutura de uma célula fotovoltaica 
 
Crédito: Eliane Ramos. 
 
 
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Atualmente existem diversas tecnologias e materiais para a fabricação de 
células e módulos fotovoltaicos, sendo as mais comuns as células de silício, filme 
fino e também como uma solução para propiciar melhor versatilidade na captação 
de energia as células feitas a partir de material orgânico. 
4.2 Características elétricas de módulos fotovoltaicos 
Um dos parâmetros elétricos de maior relevância do módulo fotovoltaico, é 
a potência nominal do módulo, cuja unidade é o Watt-pico (Wp) e é fornecida pelos 
fabricantes em que é válida sob as condições padrão de teste (ou STC, do inglês 
Standard Test Conditions), que correspondem a 1000 W/m² de irradiância, 25ºC 
de temperatura da célula e AM = 1,5 para a massa de ar, entretanto para levantar 
o valor da potência nominal em condições de instalação em campo, é necessário 
levantar algumas grandezas que também fazem parte do módulo como a corrente 
de curto-circuito (ISC) que é a máxima corrente que se pode obter e é medida na 
célula fotovoltaica, quando a tensão elétrica em seus terminais é igual a zero, 
também a tensão de circuito aberto (VOC) que é a máxima tensão que uma célula 
fotovoltaica pode produzir sem a presença de corrente elétrica circulando, o fator 
de forma (FF) definido como sendo a razão entre a máxima potência da célula e 
o produto de curto circuito com a tenção de circuito aberto, e também outro 
parâmetro importante é a eficiência (η) que mostra a efetividade do processo de 
conversão de energia solar em energia elétrica (Zilles et al., 2012). 
Os módulos fotovoltaicos possuem diferenças em suas dimensões e peso, 
porém, o que a princípio diferencia um módulo do outro em relação a sua 
capacidade de geração de energia são a quantidade e tamanho das suas células 
fotovoltaicas que podem variar de acordo com o modelo do inversor. A Figura 8 a 
seguir demonstra um módulo fotovoltaico monocristalino que contém 144 células 
com potências de 380W e 385W e também um datasheet com as características 
elétricas de potência (Pmáx), corrente de curto-circuito (Isc), tensão de circuito 
aberto (Voc) entre outros parâmetros apresentados nesse tema. 
 
 
 
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Figura 8 – Módulo AS-6M-HC (Amerisolar) 
 
Fonte: Datasheet Amerisolar [S.d.]. 
4.3 Inversores 
O inversor é um equipamento que realiza conversão da energia de corrente 
contínua (CC) dos módulos fotovoltaicos em energia de corrente alternada (CA) 
responsável em alimentar as cargas. A tensão CA de saída deve ter amplitude, 
frequência e conteúdo harmônico adequado às cargas a serem alimentadas e, a 
tensão de saída do inversor deve ser sincronizada com a tensão da rede, no caso 
de sistemas conectados à rede elétrica. De acordo com a configuração do sistema 
fotovoltaico, conectado à rede elétrica ou isolado, o inversor é dimensionado, pois 
os inversores para SFVCR possuem características específicas para atender às 
exigências das concessionárias de distribuição em termos de segurança e 
qualidade de energia a ser injetada na rede (Urbanetz, 2010). 
Os inversores utilizados em residências são instalados perto do quadro de 
luz, em um local abrigado do sol, do calor e da água. O tipo de inversor solar mais 
utilizado é conhecido como "inversor grid tie", esses são os inversores utilizados 
para conectar o sistema fotovoltaico de energia solar na rede elétrica. A potência 
(kW) necessária para esse tipo de inversor depende da demanda da potência dos 
módulos fotovoltaicos instaladas no sistema de geração de energia, mas é 
 
 
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importante também observar se o projeto prevê o aumento de demanda, pois se 
existir essa previsão o inversor deve ser dimensionado para que suporte o 
aumento da demanda. Geralmente projetos de SFVCR em que os inversores 
utilizados são de até 5kW tem saída monofásica, e, a partir dessa potência é mais 
comum a utilização de inversores com saída trifásica. A Figura 9 a seguir mostra 
um inversor conectado em um painel fotovoltaico protegido por uma cobertura 
evitando assim chuva e irradiação solar diretamente no inversor. 
Figura 9 – Inversor solar 
 
Crédito: Zoomik/Shutterstock. 
4.4 String box 
A string box é o equipamento de proteção que isola a parte CC do sistema 
fotovoltaico. Ela conecta os cabos vindos dos módulos fotovoltaicos ao inversor, 
enquanto fornece proteção contra sobretensão e sobrecorrente e permite o 
seccionamento do circuito. Mesmo em inversores que possuem elementos de 
proteção alguns integradores utilizam a string box como redundância para 
proteger todo o sistema fotovoltaico. Para o dimensionamento da string box deve-
se considerar os valores de tensão e corrente em cada entrada. 
A Figura 10 a seguir mostra uma instalação contendo uma string box 
fazendo a interligação do painel fotovoltaico e o inversor. 
 
 
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Figura 10 – Instalação de SFV com inversor e string box 
 
Crédito: Oleksandr Tsymbaliuk/Shutterstock. 
TEMA 5 – SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO DA REDE DE ENERGIA 
ELÉTRICA (SFVI) 
5.1 Princípio de funcionamento 
O sistema isolado é uma solução para atender a uma aplicação específica, 
a energia gerada pelos painéis de captação de luz solar é direcionada à 
alimentação dos aparelhos elétricos da propriedade e armazenada em baterias. 
Quando o sistema fotovoltaico não é conectado à rede de distribuição elétrica 
convencional, a existência de baterias para armazenamento é indispensável, pois 
são elas que garantem a autonomia do sistema. 
 
 
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 Esse sistema pode ser individual ou em mini redes e aplicados em 
comunidades isoladas da rede elétrica, alimentação de baterias de veículos 
elétricos, postes de iluminação, bombas d’água, geladeiras para armazenar 
vacinas, entre outros. 
Os SFVI são compostos basicamente pelo módulo fotovoltaico, o 
controlador de carga, o inversor (off grid) e a bateria conforme é demonstrado na 
Figura 11 abaixo (Urbanetz Junior, 2010). 
Figura 11 – Componentes de um SFVI 
 
Crédito: Golden Sikorka/Shutterstock. 
 
 
 
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5.2 Controlador de carga 
O controlador de carga é o equipamento responsável em controlar e 
monitorar a carga e/ou descarga do banco de baterias, evitando sobrecargas e 
descargas profundas e, aumentando assim, a vida útil do banco de baterias. 
5.3 Inversores off grid 
O inversor off grid também converte a tensão contínua, proveniente do 
módulo em tensão alternada, porém é projetado para alimentar às cargas, 
retirando energia diretamente de um banco de baterias, gerando o sinal elétrico 
de corrente alternada e fornecendo a potência elétrica diretamente a carga 
consumidora. Alguns modelos de inversores já vêm com o controlador de carga 
acoplado no próprio inversor. A Figura 12 abaixo mostra um modelo de inversor 
que tem como característica ter o controlador de carga integrado no inversor. 
Figura 12 – Inversor solar off grid 
 
Crédito: Jefferson Schnaider. 
 
 
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5.4 Baterias 
A bateria estacionária foi projetada especialmente para aplicações em 
sistemas fotovoltaicos isolados da rede de energia elétrica, que necessitam de 
armazenamento de energia para a alimentação de equipamentos elétricos e 
eletrônicos. Pode ser usada por um longo tempo e pode serdescarregada até 
atingir uma porcentagem menor de sua carga máxima sem se danificar. Os 
bancos de bateria mais utilizados são os que utilizam baterias de chumbo ácido, 
porém as baterias de lítio vem sendo cada vez mais utilizadas para esse sistema. 
As baterias automotivas não são utilizadas pois são projetadas para oferecer 
grande intensidade de corrente elétrica por um curto período de tempo, diferente 
das necessidades do SFVI. 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
ABNT. NBR 11704 - Sistemas Fotovoltaicos - Classificação, Associação Brasileira 
de Normas Técnicas, Norma Brasileira, 2008. 
ABREU, S.; TIEPOLO, G.; PEREIRA, S; SOUZA, J. Atlas Brasileiro de Energia 
Solar. São José dos Campos: INPE, 2017. Disponível em: 
. Acesso em: 24 mar. 2021 
ALDABÓ, R. Energia Solar. São Paulo: Artliber, 2002. 
BEZERRA, F. D. Energia solar. [S.l], [s.n], 2020. 
NREL. Glossary of Solar Radiation Resource Terms: National Renewable 
Energy Laboratory, 2016. Disponível em: 
. Acesso em 24 mar. 2021. 
REIS, L. B.; PHILIPPI, A. Energia e sustentabilidade. Barueri: Manole, 2016. 
RÜTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos: O Potencial da Geração Solar 
Fotovoltaica Integrada a Edificações Urbanas e Interligada à Rede Elétrica Pública 
no Brasil. Florianópolis: Labsolar, 2004. 
TIEPOLO, G.; PEREIRA, E.; URBANETZ, J.; PEREIRA, S.; GONCALVES, A.; 
LIMA, F.; ALVES, A. Atlas de Energia Solar do Estado do Paraná. Curitiba: 
UTFPR, 2017. 
URBANETZ JUNIOR, J. Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Redes de 
Distribuição Urbanas: sua influência na qualidade da energia elétrica e análise 
dos parâmetros que possam afetar a conectividade. 2010. 189 p. Tese de 
Doutorado em Engenharia Civil – UFSC, Florianópolis – SC, 2010. 
VILLALVA, M. G.; GAZOLI, J. R. Energia Solar Fotovoltaica: Conceitos e 
Aplicações. São Paulo: Editora Érica, 2012. 
ZILLES, R.; MACÊDO, W. N.; GALHARDO, M. A. B.; OLIVEIRA, S. H. F. 
Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica. São Paulo: Oficina de 
Textos, 2012.