Aula PV compilada

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Sistema Solar Fotovoltaico
Sistema Solar Fotovoltaico
Prof. Jorge Lewis
Universidade do Sul de Santa Catarina 
Prof. Jorge Lewis
Índice
• Introdução
• O Recurso Solar
• Painel Solar – Tecnologias e Métodos de Fabricação
• Sistemas Autônomos e Conectados a Rede Elétrica
• Instalação
• Legislação
• Dimensionamento
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Introdução
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Introdução
Why Solar Electricity?
“Solar electric systems are a great source of clean, 
reliable electricity. The fuel (sunlight) is free and
abundant and it’s not under the control of some 
powerfull multinational coorporation. 
Solar electric system requires minimal maintenance. In 
addition, they operate quietly. Solar electric systems are 
modular , which means that you can install them
incrementally.”
(Dan Chiras, 2008)
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Introdução
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Since 1958
Introdução
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World PV module from 2005 to 2019 – Taxa anual de crescimento médio 10 anos 65%
PV Status Report 2019, European Comission
Introdução
Brasil possui aproximadamente 1.992 MWp GD + 2.473 MWp Centralizado instalados.
– Outubro de 2014 – 1º Leilão – 1.000 MW – R$ 220/MWh
– Agosto de 2015 – 2º Leilão - 830 MW – R$ 301/MWh
– Novembro de 2015 – Leilão Reserva - 920 MW – R$ 297/MWh
– Novembro de 2017 – LEN – 153 MW - R$ 145/MWh
– Janeiro de 2018 – LEN – 170 MW - R$ 118/ MWh
– Janeiro de 2019 – LEN – 52,74 MW - R$ 70/MWh 
– Março de 2019 – LEN – 195 MW - R$ 85/MWh 
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http://www2.aneel.gov.br/scg/Consulta_Empreendimento.asp
Totalizando 
4.465 MWp
Introdução
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Price - experience curve for solar modules - data source Bloomberg New Energy Finance
Introdução
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Custo do dinheiro x LCOE - Arnulf Jager Waldau, European Comission Renewables Unit
Introdução
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Evolução do preço do sistema solar residencial
Arnulf Jager Waldau, European Comission Renewables Unit
Introdução
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Evolução do preço do sistema solar residencial
Arnulf Jager Waldau, European Comission Renewables Unit
R$ 3,50 a R$ 9,50 / Wp
Introdução
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41%
9%
20%
20%
10%
Energia Solar
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Energia Solar
“Em apenas 6 horas os desertos da terra 
recebem energia suficiente para abastecer 
toda a humanidade por 1 ano”
Gerhard Knies
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Energia Solar
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Banco de dados de irradiação:
https://globalsolaratlas.info/map
http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&
https://globalsolaratlas.info/map
http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&
Energia Solar
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O3
H20, O2
H20, CO2
H20
Constante Solar 1366 W/m²
Energia Solar
Definições:
Irradiância Direta – Irradiância solar incidente em uma 
superfície sem ter sido espalhada pela atmosfera, podendo ser 
normal ou horizontal. “Gdir”(W/m²).
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Energia Solar
Definições:
Irradiância Difusa – potencia radiante do céu, recebida em 
uma unidade de área em uma superfície horizontal, excluída a 
Irradiância direta. “Gdif”(W/m²).
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Energia Solar
Definições:
Irradiância Global – potencia radiante solar recebida em 
uma unidade de área em uma superfície horizontal, sendo igual a 
Irradiância direta mais a Irradiância difusa. “GHor” (W/m²).
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Energia Solar
Albedo
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Energia Solar
Definições:
Irradiância Total – potencia radiante solar total com as 
componentes direta, difusa e de albedo. “GTot” (W/m²).
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Energia Solar
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Declinação Solar
Energia Solar
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Declinação Solar
– Varia entre -23,45 e + 23,45
Energia Solar
Azimute - Sombreamento
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Energia Solar
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Energia Solar
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http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.php
Energia Solar
Vista lateral da usina
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α
Norte
Energia Solar
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Vista superior
Norte
γ
d
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α
Análise do Recurso
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Análise do Recurso
Piranômetros
• Medem a radiação global.
– Dois tipos:
• Termopilha
• Fotocélula 
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Estação Solarimétrica
Análise do Recurso
Piranômetros 
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Análise do Recurso
Piranômetros 
Termopilha
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Análise do Recurso
Piranômetros 
Fotocélula
Vantagens
• Menor preço
• Maior disponibilidade no mercado
Desvantagens:
• Não mede todo espectro solar
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Análise do Recurso
Pireliômetro
Mede a radiação solar direta.
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Análise do Recurso
Banco de Dados
Swera
Banco de dados integrados de diferentes institutos nacionais e 
internacionais.
https://globalsolaratlas.info/map
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Análise do Recurso
Banco de Dados
Radiasol
Ferramenta que através de algoritmos pré determinados calculo a 
irradiação no plano inclinado.
http://www.solar.ufrgs.br/
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Análise do Recurso
Banco de Dados
CRESESB
O Centro de referencia para energia solar e eólica Sérgio Brito, 
oferece dados solarimétricos, bem como disponibiliza cópias de atlas solar e 
eólicos do Brasil.
http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&
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Análise do Recurso
Banco de Dados
SONDA
Sistema Nacional de Organização de Dados Ambientais, 
disponibiliza dados de 20 estações anemométricas e solarimétricas em todo 
o Brasil.
http://sonda.ccst.inpe.br/
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Tecnologia
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Tecnologia
Semicondutores
1. Fótons da luz solar atingem o painel e 
são absorvidos pelo material 
semicondutor
2. Elétrons são excitados, com esta energia 
tendem a se movimentar graças as 
características do material são 
direcionados em um caminho.
3. Os elétrons são encaminhados aos 
condutores, responsáveis por capturá-
los e direcioná-los para a carga.
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Energia Solar
Semicondutores
Quando um fóton atinge o semicondutor, 3 possibilidades:
1. Atravessar o material (fóton de baixa energia)
2. Ser refletido
3. Ser absorvido, gerando um par elétron − lacunaUniversidade do Sul de Santa Catarina 
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Tecnologia
A célula solar
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Tecnologia
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Cada célula com aprox. 5W e 0,8V
Tecnologia
Principais tecnologias: 
– Silício 
» Monocristalino
» Policristalino
» Amorfo
– Segunda Geração
» CdTe
» HCPV
» CIGS (Copper Indiun Gallium Diselenide)
– Orgânicos 
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Tecnologia
Silício Cristalino
– Painéis mais utilizados e estudados.
– Correspondem por mais da metade dos painéis fabricados e 
comercializados no mundo.
– Tiveram imenso avanço devido aos microprocessadores
– Band gap 1.17 eV
– Pureza do Silício 99.999999%
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Tecnologia
Silício Cristalino
– Espessura 120 m - 80 m
– Eficiência 14% - 18%
– Os painéis monocristalinos apresentam maior 
eficiência, porem o gasto energético para 
produção é muito superior.
– O silício não é azul.
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Surface Texturing
Tecnologia
Thin film Cadmiun Telluride (CdTe)
– Excelente correlação com o espectro solar
– 1.5 eV
– Alta absorção de luz
– Filmes de até 2 m
– Eficiência 10% - 16%
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CdTe/CdS Solar cell
Tecnologia
Thin film Cadmiun Telluride (CdTe)
– Melhor comportamento em regiões tropicais
– Módulo de 80 W ocupa uma área de 0,72m²
– 110 W/m²
O Cádmio é uma substancia tóxica.
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Tecnologia
High Concentration Photovoltaics (HCPV)
– Indicado para áreas com alta irradiação direta
– Utilizam lentes e espelhos para concentrar a luz
– Concentração standard de 400 sóis 
– Painéis de alta eficiência 29% - 43%
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Tecnologia
Multi-junction CIGS
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– Conhecidas como multi-junction estas células 
tem sido utilizadas em conjunto com 
concentradores.
– Uma célula multi-junção pode receber uma taxa 
de concentração de irradiação de até 2000 vezes.
– Eficiência até 36%
– Processo de fabricação em desenvolvimento.
Tecnologia
Multi-junction GaInP/GaAs/Ge
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– Fabricantes:
» Sandia/Entech
» Soitec/FSE
» Heliotrop
Tecnologia
Organic Solar Cells
• Conhecidos também como plastic solar cells
• Utiliza polímeros eletrônicos
• Células mais baratas do mercado
• Podem ser transparentes
• São flexíveis e leves
• São degradadas pelo tempo
• Eficiência 7%
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Tecnologia
Organic Solar Cells
– Fabricantes:
» BASF
» Solarmer
» Konarka
Organic solar cells (BASF)
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A linha de produção tipo “gráfica”
../Videos/4 Faces of Chemistry Organic solar cells (BASF) - Video 2 (14 ).mp4
Tecnologia
Neste cenário como fica a reposição?
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Tecnologia
Célula Solar
Eficiência:
η =
𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐸 .𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙
Onde:
η Eficiência Condições STC – Standard Test Conditions
Pmax Potencia máxima produzida E =1000 W/m²
E Radiação incidente Tmódulo = 25°C
Acell Área da célula
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Tecnologia Solar
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Tecnologia
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Tecnologia
Estado da Arte
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Soitec/FHG Concentrator
Equivalente a 508 Sóis
Sistemas Isolados
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Sistemas Ongrid e Offgrid
“Solar electricity is something of a paradox: it is by
far the most expensive means by wich we humans generate
electricity, yet is it one of the most popular choices of the
poorest people in the poorest nation.” Dan Chiras (2006)
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Sistemas Ongrid e Offgrid
Os sistemas fotovoltaicos podem ser 
agrupados em 3 categorias:
– Sistemas isolados
– Sistemas conectados a rede elétrica
– Sistemas conectados a rede elétrica com 
backup
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ABNT NBR 11704 2008
Sistemas Isolados
Fortaleza Santo Antônio de Ratones
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Potencia: 4,7 kWp
76 módulos policristalinos
32 baterias 10 Ah
Consumo de diesel anterior 1200l/mês 
Sistemas Isolados
Ilha do Arvoredo
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Potencia: 13,2kWp
176 módulos policristalinos
90 baterias de 300 Ah
6 inversores
Primeira ilha do Brasil abastecida com Energia 
Solar - 200
Sistemas Isolados
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Estação Anemométrica Laguna 1
Potencia: 40W
1 módulo
1 bateria 18 Ah
Controlador de Carga
Existem mais de 2.000 torres meteorológicas 
autônomas no Brasil
Sistemas Isolados
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Barco Amazônia
Potencia: 4,4 kWp
46 baterias 66 Ah
Sistema Isolados
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Sistema Isolados
Controlador de Carga
• Responsável pelo controle de carga e descarga de um
sistema isolado.
• Monitora corrente e tensão de carregamento
• Monitora tensão do banco de baterias e evita overflow
Tipos
• PWM (Pulsed width Modulation)
• MPPT (Maximum Power Point Tracking)
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Sistema Isolados
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Controlador de Carga
PWM Steca
MPPT Epever
Sistema Isolados
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Controlador de Carga
Sistemas Isolados
• Topologia de Controladores de Carga
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Sistemas Isolados
Inversor de Frequência
• Responsável por transformar a energia DC 
em AC para o consumo
• Dependendo do modelo pode funcionar 
como controlador de carga
• Pode ser Onda Pura ou Onda Modificada
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Sistemas Isolados
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Inversor Onda 
Modificada Hayonic
Inversor Onda Pura 
SMA
Sistemas Isolados
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➢ O inversor de onda modificada pode não
funcionar com determinados
equipamentos.
➢ Tv’s e rádios podem gerar ruído.
➢ Os inversores de onda modificada
podem ser de alta ou baixa frequência,
os de baixa frequência são mais
indicados.
➢ Deve ser observado a potencia de
partida de máquinas elétricas rotativas.
Sistemas Isolados
Baterias
• São responsáveis por armazenar o excesso 
de energia gerada
• Entregar energia para as cargas quando os 
painéis não estão produzindo
• Principais tecnologias:
– Chumbo ácido
– Lítio ( íons ou fosfato de ferro)
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Sistemas Isolados
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Bateria estacionária 
Freedom
Bateria FeLiO4P 
Sonnen
Sistemas Isolados
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Sistemas Isolados
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Energia = Tensão (V) x Amperes.hora (Ah) x capacidade de descarga (%)
Sistemas Isolados
Vantagens:
– Comparado com o custo da construção de uma linha 
de distribuição e das melhorias na rede a instalação 
de um sistema fotovoltaico pode ser uma solução 
mais econômica. 
Na Califórnia uma linha de distribuição com 1 km
custariaaproximadamente USD 50,000.
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Sistemas Isolados
Vantagens:
– Independência energética, com este tipo de 
sistema o consumidor nunca precisará se 
preocupar com os aumentos “unilaterais” 
da energia elétrica.
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Sistemas Isolados
– Em um sistema isolado o uso de equipamentos CC é
uma boa alternativa.
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Freezer Phocos
Lampada LED 9W 24V
Sistemas Conectados a 
Rede Elétrica
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Usina Cidade Azul 3 MWp
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Quadro CC - String box
• Tem como principal objetivo proteger o inversor de 
curtos e descargas e possibilitar a desconexão do 
sistema através de chave seccionadora
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Inversor de Frequência Ongrid
• É o equipamento que conecta o sistema 
fotovoltaico DC a rede elétrica AC.
• Deve atender a pré-requisitos normativos:
– Harmônicos e distorção de forma de onda
– Fator de Potencia
– Frequência e Tensão
– Anti-ilhamento
• Norma ABNT NBR 16149:2013, 16150:2013 e 
62116:2012.
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
• Topologia de Inversores:
– Inversor Central
– Inversor por string
– Inversor multistring
– Micro Inversor
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Inversor Central
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Inversor Central
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Growatt CP1260 1MW
Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Inversor multi string
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Sistemas Conectados a Rede Elétrica
Micro Inversor
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Micro Inverter ABB 260W
Sistemas Conectados a Rede Elétrica
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Central Inverter
Menor custo de Instalação do inversor
Menor custo do inversor
Custo do cabeamento AC menor
Custo do cabeamento DC maior
Trabalho de engenharia majorado
Com problema a usina toda para
String Inverter
Menores perdas por mismatching
Projeto de Engenharia simplificado
Custo instalação DC menor
Custo cabeamento AC maior
Custo Instalação dos Inversores maior
Maior investimento
Solar fotovoltaica - UFSC
Dimensionamento
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Dimensionamento
Dimensionamento
➢ Irradiação no plano
➢ Potencia instalada
➢ Layout da usina
➢ Energia Gerada 
➢ Cálculo de perdas (sombreamento, mismatching, poeira, ohmicas...)
➢ Projeto Elétrico
➢ Projeto Estrutural
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Dimensionamento
Dimensionamento
➢ Irradiação no plano
➢ Potencia instalada
➢ Layout da usina
➢ Energia Gerada 
➢ Cálculo de perdas (sombreamento, mismatching, poeira, ohmicas...)
➢ Projeto Elétrico
➢ Projeto Estrutural
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Dimensionamento
Dimensionamento
Para definição do projeto de “Engenharia Fotovoltaica” softwares 
auxiliam o projetista na obtençao de resultados precisos.
» PVSyst
» SAM
» Homer Energy
» Valentine
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Dimensionamento
Dimensionamento
– PVSyst
» Necessário Licença
» Ótimo banco de dados
» Possibilidade de realizar cálculo de sombreamento
» Software completo para cálculo de usinas
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Dimensionamento
Dimensionamento
– SAM System Advisor Model
» Software Livre
» Permite integrar diferentes tipos de fontes (biomassa, diesel , 
baterias...)
» Análises completas
» Banco de dados
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Dimensionamento
Dimensionamento
– Valentine
» Necessário Licença e aplicativos gratuitos
» PV SOL, T SOL, GeoT Sol
» Possibilita configuração completa de instalações residenciais a usinas
» APP com utilidade limitada
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Dimensionamento
“Thumb rule”
– Irradiação direta/plano de instalação
– Consumo de Energia
– Perdas 
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Dimensionamento
Perdas
– Conversão (0,05%)
– Sombreamento (0 - 100 %)
– Temperatura (2%)
– Mismatching
– Desvio da potencia nominal (95% -105%))
– Ôhmicas
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Dimensionamento
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Dimensionamento
𝑃𝑝 =
𝐸
𝐺𝑝𝑥𝑥𝑃𝑅
𝑥 𝑃𝑢
Onde:
𝑃𝑝 Potencia Pico (kW)
𝐸 Energia Mensal Consumida (kWh/mês)
𝐺﷮𝑝 Irradiação no plano inclinado kWh/m².mes
𝑃𝑅 Performance Ratio
 Eficiência da Célula 
𝑃𝑢 Potencia da célula por metro quadrado (kW/m²)
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Dimensionamento
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Dimensionamento
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Dimensionamento
𝑉𝑜𝑐
′ = 𝑉𝑜𝑐 + ∆𝑇𝑥 𝛽𝑣𝑜𝑐𝑥𝑉𝑜𝑐
𝑉𝑚𝑝𝑝
′ = 𝑉𝑚𝑝𝑝 + ∆𝑇𝑥 𝛾𝑥𝑉𝑚𝑝𝑝
𝐼𝑠𝑐
′ = 𝐼𝑠𝑐 + ∆𝑇𝑥 𝛼𝑖𝑠𝑐𝑥𝐼𝑠𝑐
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Dimensionamento
N – Número de módulos em série
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𝑀𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑝𝑝 = 𝑉𝑚𝑝𝑝
′ 𝑥 𝑁
Dimensionamento
Estimativa para uma UC com consumo de 
20.000 kWh/médio mês.
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Dimensionamento
• http://pvsol-online.valentin-software.com
• http://www.fronius.com/froniusdownload/tool.html
• http://www.stringsizer.abb.com/
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http://pvsol-online.valentin-software.com/
http://www.fronius.com/froniusdownload/tool.html