Unidade 2 Energia Solar Fotovoltaica

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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 
 
Optativa 
 
 
 
 
 
Engº Warley Teixeira Guimarães 
 
Unidade 2 – Sistemas fotovoltaicos isolados 
 
2.1. Conceitos básicos 
2.2. Aplicações dos sistemas isolados 
2.3. Componentes dos sistemas isolados 
2.4. Dimensionamento de sistemas isolados 
 
Conceitos Básicos dos Sistemas Isolados 
 
- Principal característica: é a única fonte de energia local 
e utiliza baterias. 
- O sistema isolado ou autônomo pode ser um simples 
painel alimentando uma carga. 
- Um sistema isolado mais sofisticado possui um 
dispositivo de armazenamento de energia (bateria), um 
controlador de carga e um inversor CC → CA. 
Instalação de um sistema fotovoltaico isolado 
Unidade 2 – Sistemas fotovoltaicos isolados 
 
2.1. Conceitos básicos 
2.2. Aplicações dos sistemas isolados 
2.3. Componentes dos sistemas isolados 
2.4. Dimensionamento de sistemas isolados 
 
Aplicações dos Sistemas Isolados 
 
- Eletrificação de residências rurais 
- Iluminação pública 
- Sistemas remotos de telecomunicações 
- Camping 
- Praia 
- Embarcações 
- Bombeamento de água, e muitas outras aplicações 
 
Aplicações dos Sistemas Isolados 
Aplicações dos Sistemas Isolados 
 
Unidade 2 – Sistemas fotovoltaicos isolados 
 
2.1. Conceitos básicos 
2.2. Aplicações dos sistemas isolados 
2.3. Componentes dos sistemas isolados 
2.4. Dimensionamento de sistemas isolados 
 
Componentes dos sistemas isolados 
 
- Painel fotovoltaico: converte energia solar em energia 
elétrica. 
- Bateria: armazena a energia elétrica. 
- Controlador de carga: evita a sobrecarga da bateria e 
danos pelo mau carregamento. 
- Inversor: converte tensão e corrente contínuas em 
tensão e corrente alternadas. 
Componentes dos sistemas isolados 
Bancos de baterias 
Controladores de carga 
Inversores 
Organização dos sistemas isolados 
 
- Sistemas para alimentação de cargas em CA: painel + 
controlador de cargas + bateria + inversor + cargas. 
- Sistemas para alimentação de cargas em CC: não 
possui o inversor; para aparelhos em 12V ou 24V. 
- Sistemas para carregamento direto da bateria: deve 
ser evitado, pois reduz a vida útil da bateria. 
- Sistemas sem baterias: bombeamento de água com 
motores de corrente contínua. 
Características das baterias estacionárias 
 
- Baterias de chumbo ácido estacionárias: são as mais 
adequadas para fornecer corrente por longos períodos. 
- São projetadas para fornecer correntes limitadas em 
longos períodos de tempo. 
- Descarregam completamente várias vezes. 
- Devem trabalhar em aplicações sem movimento. 
- Vida útil: 2500 ciclos → descarga de 10% 
 1500 ciclos → descarga de 20% 
 500 ciclos → descarga de 50% 
Características das baterias estacionárias 
 
- Final de vida útil → quando a bateria carregada pode 
fornecer apenas 80% da sua capacidade nominal. 
Características dos controladores de carga 
 
- Impede que a bateria seja descarregada por completo, 
desconectando o sistema quando atingir nível crítico. 
- Impede que a bateria seja sobrecarregada, 
desconectando o painel quando atingir o nível máximo. 
- Possuem algoritmo para fazer o carregamento correto. 
- Impede o descarregamento da bateria quanto a tensão 
do painel é menor do que a tensão da bateria. 
- Sem controlador, a vida útil da bateria é muito reduzida. 
Instalação de um controlador de carga 
Tipos de controladores de carga 
 
- Convencionais: de baixo custo, os mais simples, com 
duas funções: desconectar o painel e a bateria. 
- Eletrônicos PWM: mais sofisticados, possuem 
microprocessadores com algoritmo para realizar o perfil 
de carregamento da bateria. 
- Eletrônicos MPPT (maximum power point tracking): 
mais sofisticados, possuem recurso de rastreamento do 
ponto de máxima potência do painel fotovoltaico. 
 Especificações elétricas Preço 
 60A (12V/24V/48V) – PWM, MPPT R$ 1.200,00 
 40A (12V/24V) – Convencional R$ 600,00 
 14A (12V) – Convencional R$ 150,00 
 10A (12V) – PWM R$ 300,00 a R$ 500,00 
Preços médios dos controladores de carga 
Características dos inversores 
 
- Converte eletricidade de corrente contínua para 
corrente alternada, invertendo a polaridade da tensão. 
- Potência nominal: é a potência máxima que o inversor 
pode fornecer em operação normal. Ex.: 500W 
- Tensão de entrada/saída: 12V/220V (ou 127V). 
- Forma de onda de saída: onda senoidal pura, senoidal 
modificada, quadrada. 
- Distorção harmônica: 0% ideal → onda senoidal. 
Características dos inversores comerciais 
 
- Inversor de onda senoidal modificada: baixo custo e 
baixa qualidade, está proibido de ser comercializado na 
maioria dos países – tende a ser banido do Brasil. 
- Inversor PWM de onda senoidal pura: produzem 
tensões senoidais, ideais para todos os tipos de cargas. 
- No Brasil, em breve serão implantadas normas para 
fabricação, importação e comercialização de inversores 
de onda senoidal pura. 
Unidade 2 – Sistemas fotovoltaicos isolados 
 
2.1. Conceitos básicos 
2.2. Aplicações dos sistemas isolados 
2.3. Componentes dos sistemas isolados 
2.4. Dimensionamento de sistemas isolados 
 
Dimensionamento de sistemas isolados 
 
- Levantamento do consumo: é o primeiro passo para 
dimensionar um sistema fotovoltaico – quais aparelhos 
serão usados e durante quantas horas diárias. 
- Cálculo da energia necessária (Wh): a partir da 
potência de cada aparelho e nº de horas diárias de uso. 
- Dimensionamento do banco de baterias: é função da 
energia para consumo diário, do nº de dias sem 
insolação, e da profundidade de descarga das baterias. 
Tabela de consumos dos aparelhos elétricos 
Aparelhos Elétricos 
Dias 
Estimados 
Média 
Consumo 
Médio 
Mensal 
Uso/mês 
Utilização 
diária 
(Kwh) 
APARELHO DE BLU RAY 8 2 h 0,192 
APARELHO DE DVD 8 2 h 0,24 
APARELHO DE SOM 3 EM 1 20 3 h 6,6 
AQUECEDOR DE AMBIENTE 15 8 h 193,44 
AQUECEDOR DE MAMADEIRA 30 15 min 0,75 
AQUECEDOR DE MARMITA 20 30 min 0,6 
AR CONDICIONADO TIPO JANELA MENOR OU IGUAL A 9.000 BTU 30 8 h 128,8 
AR CONDICIONADO TIPO JANELA DE 9.001 A 14.000 BTU 30 8 h 181,6 
AR CONDICIONADO TIPO JANELA MAIOR QUE 14.000 BTU 30 8 h 374 
AR CONDICIONADO TIPO SPLIT MENOR OU IGUAL A 10.000 BTU 30 8 h 142,288 
AR CONDICIONADO TIPO SPLIT DE 10.001 A 15.000 BTU 30 8 h 193,76 
AR CONDICIONADO TIPO SPLIT DE 15.001 A 20.000 BTU 30 8 h 293,68 
AR CONDICIONADO TIPO SPLIT DE 20.001 A 30.000 BTU 30 8 h 439,2 
AR CONDICIONADO TIPO SPLIT MAIOR QUE 30.000 BTU 30 8 h 679,2 
ASPIRADOR DE PÓ 30 20 min 7,17 
Tabela de consumos dos aparelhos elétricos 
BATEDEIRA 8 20 min 0,4 
BOILER ELÉTRICO DE 200 L 30 24 h 346,75 
BOMBA D'ÁGUA 1/2 CV 30 30 min 7,2 
BOMBA D'ÁGUA 1/3 CV 30 30 min 6,15 
CAFETEIRA ELÉTRICA 30 1 h 6,565 
CAFETEIRA EXPRESSO 30 1 h 23,82 
CHALEIRA ELÉTRICA 30 1 h 28,23 
CHURRASQUEIRA ELÉTRICA 5 4 h 76 
CHUVEIRO ELÉTRICO - 4500 W 30 32 min 72 
CHUVEIRO ELÉTRICO - 5500 W 30 32 min 88 
COMPUTADOR 30 8 h 15,12 
ENCERADEIRA 2 2 h 1,8 
ESPREMEDOR DE FRUTAS 20 10 min 0,187 
EXAUSTOR FOGÃO 30 2 h 9,96 
FAX MODEM EM STAND BY 30 24 h 2,16 
FERRO ELÉTRICO AUTOMÁTICO A SECO - 1050 W 12 1 h 2,4 
FERRO ELÉTRICO AUTOMÁTICO A VAPOR - 1200 W 12 1 h 7,2 
FOGÃO ELÉTRICO - COOK TOP (POR QUEIMADOR) 30 1 h 68,55 
FORNO ELÉTRICO 30 1 h 15 
Tabela de consumos dos aparelhos elétricos 
FORNO MICRO-ONDAS - 25 L 30 20 min 13,98 
FREEZER VERTICAL/HORIZONTAL 30 24 h 47,55 
FREEZER VERTICAL FROST FREE 30 24 h 54FRIGOBAR 30 24 h 18,9 
FRITADEIRA ELÉTRICA 15 30 min 6,81 
FURADEIRA 4 1 h 0,944 
GELADEIRA 1 PORTA 30 24 h 25,2 
GELADEIRA 1 PORTA FROST FREE 30 24 h 39,6 
GELADEIRA 2 PORTAS 30 24 h 48,24 
GELADEIRA 2 PORTAS FROST FREE 30 24 h 56,88 
GRILL 10 30 min 3,205 
HOME THEATER - 350 W 8 2 h 5,6 
IMPRESSORA 30 1 h 0,45 
LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA - 11 W 30 5 h 1,65 
LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA - 15 W 30 5 h 2,25 
LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA - 23 W 30 5 h 3,45 
LÂMPADA INCANDESCENTE - 40 W 30 5 h 6 
LÂMPADA INCANDESCENTE - 60 W 30 5 h 9 
LÂMPADA INCANDESCENTE - 100 W 30 5 h 15 
LAVADORA DE LOUÇAS 30 40 min 30,86 
LAVADORA DE ROUPAS 12 1 h 1,764 
Tabela de consumos dos aparelhos elétricos 
LIQUIDIFICADOR 15 15 min 0,806 
MÁQUINA DE COSTURA 10 3 h 3 
MODEM DE INTERNET 30 8 h 1,92 
MONITOR 30 8 h 13,2 
MONITOR LCD 30 8 h 8,16 
MULTIPROCESSADOR 20 1 h 8,56 
NEBULIZADOR 16 2,5 h 1,68 
NOTEBOOK 30 8 h 4,8 
PANELA ELÉTRICA 20 1 h 22 
PRANCHA (CHAPINHA) 20 30 min 0,33 
PROJETOR 20 1 h 4,78 
RÁDIO ELÉTRICO PEQUENO 30 10 h 1,5 
RÁDIO RELÓGIO 30 24 h 3,6 
ROTEADOR 30 8 h 1,44 
SANDUICHEIRA 30 10 min 3,348 
SCANNER 30 1 h 0,27 
SECADOR DE CABELO - 1000 W 30 10 min 5,215 
SECADORA DE ROUPA 8 1 h 14,92 
TANQUINHO 12 1 h 0,84 
TELEFONE SEM FIO 30 24 h 2,16 
Tabela de consumos dos aparelhos elétricos 
TORNEIRA ELÉTRICA - 3250 W 30 30 min 48,75 
TORRADEIRA 30 10 min 4 
TV EM CORES - 14" (TUBO) 30 5 h 6,3 
TV EM CORES - 29" (TUBO) 30 5 h 15,15 
TV EM CORES - 32" (LCD) 30 5 h 14,25 
TV EM CORES - 40" (LED) 30 5 h 12,45 
TV EM CORES - 42" (LCD) 30 5 h 30,45 
TV PORTÁTIL 30 5 h 7,05 
VENTILADOR DE MESA 30 8 h 17,28 
VENTILADOR DE TETO 30 8 h 17,52 
VIDEOGAME 15 4 h 1,44 
Para calcular o consumo médio (kWh) de um equipamento de acordo com o seu real hábito 
de uso, procure a potência do aparelho no manual do fabricante. Em seguida, faça o cálculo 
da seguinte forma: 
Potência do equipamento (W) x Número de horas utilizadas x Número de dias de uso ao 
mês, dividido por 1.000 
Para achar o custo mensal em reais, multiplique o consumo médio em kWh pelo valor da 
tarifa cobrada pela concessionária local. 
Dimensionamento de sistemas isolados 
 
- Cálculo da capacidade do banco de baterias: 
 
 Capacidade = Earmazenada / Tensão da bateria / Pciclo 
 
 Capacidade = capacidade de carga da bateria (Ah) 
 Earmazenada = energia a ser armazenada (Wh) 
 Tensão da bateria = 12V, por exemplo 
 Pciclo = profundidade do ciclo de descarga (%) 
Dimensionamento de sistemas isolados 
 
- Escolha dos painéis: deve ser baseada na produção de 
energia elétrica do local, considerando o nº de horas 
diárias de Sol ou a taxa média de radiação solar local. 
• 1º método – Controlador de carga com MPPT: usar a 
taxa de radiação solar média ou a taxa máxima diária 
multiplicada por 5 horas (1000W/m² x 5h) 
• 2º método: Controlador de carga sem MPPT: a 
energia produzida dependerá da tensão da bateria 
Dimensionamento de sistemas isolados 
 
- Cálculo da energia produzida por um painel LG com 
135W quando a taxa de radiação é de 1000 W/m²: 
 1º método: controlador com MPPT 
 E = 5000 Wh/m²/dia x 1m² x 14% = 630 Wh/dia 
 
 2º método: controlador sem MPPT 
 Pot = Vbat x Isc = 12V x 8,41A = 100W 
 E = 100W x 5h = 500 Wh/dia 
Dimensionamento de sistemas isolados 
 
- Cálculo da quantidade de painéis: 
 
 Nº painéis = Econsumida / Eproduzida 
 
- Escolha dos painéis: depende da tensão da bateria – 
 12V → painéis de 36 ou 40 células 
 12V, 24V ou 48V → arranjos de painéis em série 
Obs.: a tensão do painel deve ser maior que a da bateria. 
Exemplo de cálculo de um sistema isolado 
 
Dimensionar um sistema para atender o consumo diário 
de um residência com o seguinte consumo: 
• 2 lâmpadas de 60W - ligadas durante 5 horas por dia 
• 1 televisor de 200W - ligado 4 horas por dia 
• 1 refrigerador de 200W - ligado 10 horas por dia 
(tempo médio de funcionamento do compressor). 
Características do sistema: 
 
• Usa baterias de 12V, energia apenas para uso diário 
• Usa controlador de carga sem MPPT (baixo custo) 
• Fator de 80% para a taxa de radiação (dias nublados) 
• Descarga máxima de 50% das baterias (>durabilidade) 
• Painéis LG de 135W (Vmp = 17,25V; Imp = 7,9A; Voc = 
21,8V; Isc = 8,41A) 
• Insolação: 5 horas por dia, no norte do Esp. Santo 
• Tensão de alimentação é de 127V 
Solução – Levantamento do consumo 
 
- Energia necessária diariamente: 
 2 x 60W x 5h = 600 Wh 
 1 x 200W x 4h = 800 Wh 
 1 x 200W x 10h = 2000 Wh 
 ---------------------------------------- 
 Total = 3400 Wh 
 
Econsumo = 3400 Wh (energia consumida diariamente) 
Solução – Número de painéis 
 
- Potência do painel: P = 12V x 8,41A = 100,92W 
 
- Considerando o fator de segurança de 80% para dias 
nublados/chuvosos, poluição e sujeira: 
 P = 100,92W x 80% = 80,736W 
 
- Energia produzida pelo painel será: 
 Ep = 80,74W x 5h = 403,68 Wh 
Solução – Número de painéis 
 
- Então, o número de painéis necessários será: 
 Np = 3400 Wh / 403,68 Wh = 8,42 painéis 
 
- Conclusão: optar por 8 painéis neste sistema. 
 
- A seguir, dimensionaremos o banco de baterias e o 
controlador de carga. 
Solução – Banco de baterias 
 
- Precisamos da seguinte energia armazenada: 
 Earmazenada = 3400 Wh / 12V = 283 Ah 
 
- A profundidade de descarga será de até 50%, então: 
 Capacidade = 283 Ah / 50% = 566 Ah 
 
- Conclusão: optar por 4 baterias de 150 Ah, totalizando 
600 Ah, instaladas em paralelo, mantendo tensão de 12V. 
Solução – Controlador de carga 
 
- Neste sistema, empregamos 8 painéis com 8,41A cada. 
Devemos dimensionar o controlador para suportar uma 
corrente mínima de 8 x 8,41A = 67,28A. 
- Em geral, recomenda-se fator de 30% acima da 
corrente máxima do painel: 67,28A x 1,30 = 87,46A. 
- Conclusão: escolher controlador de 80A (corrente alta), 
ou optar por um arranjo diferente de painéis e baterias, 
de modo a reduzir a corrente do controlador. 
Solução – Organização do sistema 
 
- Opção 1: banco de baterias de 12V (dificuldade de 
encontrar um controlador de carga para a corrente alta). 
Controlador de 
carga 80A / 12V 
Inversor 500W 
12V / 127V 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 baterias em paralelo 
 
8 painéis em paralelo 
Solução – Organização do sistema 
 
- Opção 2: banco de baterias de 24V (para facilitar a 
escolha do controlador de carga). 
Controlador de 
carga 40A / 24V 
Inversor 500W 
24V / 127V 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2 baterias em série, 
2 grupos em paralelo 
2 painéis em série, 
4 grupos em paralelo