A nossa economia, actualmente, tem uma elevada dependência de energias tradicionais. Estas têm um impacto que é prejudicial ao equilíbrio ecológico do planeta.
Os preços do petróleo, carvão e gás natural não param de subir, uma vez que as reservas destes estão cada vez mais a diminuir. O nosso país gasta imenso dinheiro na importação de energia, o que faz com que não invista noutras áreas que são muito mais benéficas para o país.
A Energia Fotovoltaica é sem dúvida uma alternativa a este problema, dado que o país possui em abundância de energia solar, eólica, biomassa e ondas. Com a utilização equipamentos de energias alternativas, apenas advém custos de manutenção, instalação e compra de equipamentos.
No caso do solar fotovoltaico, esta é uma fonte de energia, que através das suas células, converte directamente a radiação solar em energia eléctrica. Esta fonte de energia, (tendo como base as células fotovoltaicas) para produção de electricidade, apresenta as seguintes vantagens:
* É uma fonte de energia renovável e inesgotável;
* Não é poluidora;
* É economicamente competitiva e permite períodos de retorno investimento rápidos;
* Contribui para a redução da dependência energética externa de Portugal;
* A tecnologia existente no mercado já está suficientemente madura e fiável;
* Não exige grandes manutenções;
* Etc.
Neste artigo pretendo apresentar, passo-a-passo, como se deve proceder a um correcto dimensionamento de um sistema autónomo para uma habitação.
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas isolados
Os sistemas fotovoltaicos podem-se classificar em dois tipos:
* Sistemas de ligação à rede de distribuição eléctrica nacional.
* Sistemas isolados
Sistemas isolados
Os sistemas isolados são sistemas constituídos por um conjunto de painéis, um regulador de carga, uma ou mais baterias e um inversor. Os reguladores de carga são os responsáveis pelo controlo da carga das baterias. Por sua vez as baterias deverão ter capacidade suficiente para alimentar as cargas durante a noite ou durante dias com baixos valores de radiação.
Aos sistemas isolados podemos ter associada outra fonte de energia, e nesse caso estamos perante um sistema híbrido. Esta energia é considerada muita das vezes como uma energia de apoio.
A grande desvantagem destes sistemas para grandes potências reside na utilização de imensas baterias, o que vai elevar o custo da instalação e também da própria manutenção das mesmas.
Os módulos solares fotovoltaicos produzem energia eléctrica em corrente contínua, a partir da energia obtida pela exposição solar. A tensão contínua a utilizar deverá ser escolhida tendo em conta a potência do sistema.
De seguida é apresentado uma tabela que indica qual o valor da tensão a utilizar no sistema em função da potência total a instalar.
Tabela - Tensão num sistema FV em função da potência a instalar
| Potência do Consumo (W) | Tensão do Sistema Solar FV (V) |
| <1500 | 12 |
| 1500 - 5000 | 24 ou 48 |
| > 5000 | 120 ou 300 |
Antes de mais devemos analisar as condições de instalação dos locais onde vai ser instalado o sistema FV. Nesta análise deve-se ter em conta o seguinte:
* Qual a área disponível para o gerador FV
* Se existem obstáculos e sombreamentos
* Qual o tipo de terreno ou edifício onde irá ser instalado.
* Se o telhado onde será instalado, será plano ou inclinado
* Se a localidade onde é instalado, tem uma boa radiação solar
No dimensionamento de sistemas autónomos, temos de ter dados concretos, para podermos realizar um correcto dimensionamento.
Devemo-nos socorrer ao seguinte:
* Software disponível na internet.
* Dados sobre que tipo e quais as características dos equipamentos vai alimentar.
Vamos então proceder ao dimensionamento do sistema FV autónomo para iluminação externa de uma moradia unifamiliar, por exemplo, na região de Famalicão.
1.º - Vamos determinar a energia que é necessária diariamente a fornecer aos consumos das cargas (Wh)
Para procedermos a um levantamento das necessidades com alguma precisão, necessitamos dos seguintes dados:
* Quantidade de equipamentos;
* Potência dos mesmos;
* Tempo de funcionamento de cada equipamento.
Depois de retirados estes dados, podemos proceder ao somatório das energias parciais previsíveis que os diversos aparelhos irão consumir. No final, a energia necessária para a alimentação do sistema autónomo, será o somatório das energias parciais.
O valor da energia para alimentação do sistema autónomo é dada por:
De seguida apresenta-se uma tabela de consumos para implementação de um sistema autónomo.
| Equipamentos | Quantidade | Horas de uso/dia | Potência (W) | Energia Diária (Wh/Dia) |
| Equipamento rádio em Stand-by | 1 | 12 | 1 | 12 |
| Frigorífico | 1 | 10 | 100 | 1000 |
| TV | 1 | 6 | 150 | 900 |
| PC | 1 | 3 | 90 | 270 |
| Lâmpada da sala | 4 | 3 | 11 | 132 |
| Lâmpada dos Quartos (3) | 3 | 1 | 9 | 27 |
| Lâmpada da Cozinha | 1 | 4 | 36 | 144 |
| Microondas | 1 | 0,5 | 800 | 400 |
| Totais | 1197 | 2885 |
2.º - Calcular a capacidade de produção energia WFV (Wh) do gerador FV
Como é óbvio, o gerador FV é o que vai alimentar as cargas, mas também, como em qualquer sistema eléctrico, existem perdas. Estas podem ocorrer nas cablagens e no inversor.
Para calcular o valor da capacidade produção energia no gerador FV, temos de ter em conta os seguintes pontos:
* Energia diária para alimentar as cargas (n.º anterior) - Wh/Dia;
* Perdas no sistema, em que lhe poderemos chamar K1, em que:
- O factor de perdas nas cablagens - KCAB. = 1 - PPERDASCAB.
- O factor de perdas conversão - KPERDAS CONV. = 1 - ηCONV.
Como foi referido anteriormente sobre as cablagens nos sistemas FV, as perdas podem chegar a 3% nos sistemas isolados.
Nota: Como apenas num pequeno espaço de tempo poderemos ter a radiação máxima no módulo FV e por conseguinte a potência máxima (teoricamente no dia 21 Junho), por conseguinte as perdas globais efectivas do nosso sistema FV serão sempre inferiores a 1%.
Perdas nas cablagens - PPERDASCAB. = 3% ------> KCAB. = 1 - PPERDASCAB. = 1 - 0,03 = 0,97
Perdas de conversão - ηCONV. = 85%------> KPERDAS CONV. = ηCONV. = 0,85
Estas perdas são denominadas como o primeiro factor de correcção, K1.
K1 = KCAB. x KINV. = 0,97 x 0,85 = 0,83
Para além destas perdas, existem também outros factores que influenciam o rendimento final do nosso sistema FV.
Uma questão que se pode colocar é a seguinte: "Mas a radiação é sempre a mesma ao longo do ano?"
Claro que não é, pois essa radiação solar varia muito ao longo do ano. Sendo assim, para que radiação se vai dimensionar o nosso gerador FV?
Vamos então determinar um novo factor (K2), que diz respeito ao número de horas equivalentes à radiação padrão de 1000W/m2 (valor médio de radiação solar) para efeito de cálculos.
Para efectuar este dimensionamento, podemos utilizar o software disponibilizado no seguinte site:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php#
Com este software, podemos determinar o valor da radiação em Famalicão nos meses de Junho e Dezembro, determinando assim o número de horas equivalentes à radiação de 1000W/m2.
* Factor de correcção, K2:
Radiação solar no local com um ângulo óptimo, GOPT. Ou HOPT:
No Verão (Agosto - 6520 Wh/m2) -----> K2 = 6,52 h/dia (a 1000Wh/m2)
No Inverno (Dezembro - 2510 Wh/m2) -----> K2 = 2,51 h/dia (a 1000Wh/m2)
Para prosseguirmos com o dimensionamento, temos de optar por alguma opção. Como normalmente os sistemas autónomos são dimensionados para funcionar durante todo o ano, vamos optar pelo mês mais desfavorável que é Dezembro.
Ao optarmos por este mês estamos a sobredimensionar o gerador FV para o mês de Agosto e não só, mas atingirá a sua produção máxima. Esta prática é a mais utilizada.
* Temos então o factor de correcção, K2 = 2,59.
3.º - Dimensionamento da potência do gerador FV
Para calcularmos o valor da potência do nosso gerador FV, existe uma fórmula que poderá ser utilizada para esse cálculo. De seguida é apresentada essa fórmula.
formula
A potência que terá de ter o nosso gerador FV, isto é, as 2 séries de 11 painéis, Ligadas em paralelo será de 1385Wp.
De acordo com este valor de potência, podemos optar por módulos FV da Sunset Solar - AS120, com as seguintes características (neste caso):
o UMPP = 16.9 V
o IMPP = 7.1 A
o PMPP = 120 W
Vamos utilizar um gerador FV com:
* 12 Módulos
* Seis fileiras de 2 módulos em série
Para aumentarmos o rendimento do nosso gerador FV, podemos utilizar seguidores que tornariam a instalação mais rentável.
4.º - Dimensionamento das baterias de acumuladores
No dimensionamento das baterias deve-se ter em conta, que estas tornam a instalação mais cara, devido não só ao seu preço de custo bem como a sua manutenção.
Tendo em conta as razões apresentadas anteriormente, não se deve sobredimensionar o valor da possível carga a armazenar nas baterias.
Para efectuarmos um correcto dimensionamento devemos ter dados concretos, tais como:
* Consumo diário em Ah;
* No dimensionamento de uma bateria de acumuladores dever-se-á saber:
* Profundidade de descarga máxima, KDESC. BAT. (DOD);
* Qual a eficiência da bateria
* Tipo de módulos FV que irão ser utilizados, isto é, o valor da tensão que o módulo tem, para podermos ter um igual valor tanto no painel e na bateria;
* Indicar o número de dias, ND, de reserva de carga.
Tendo em conta os módulos FV anteriormente escolhidos, optaram-se pelas seguintes características das baterias a utilizar no sistema autónomo:
* Tensão da bateria - U = 24V;
* Consumo diário em WD (Ah) = WWD / U = 2885 / 24 ˜ 120 Ah
* Número de dias de reserva, ND = 3
* Bateria Pb/ácido com:
* KD = 0,6 (DOD);
* Eficiência - KBAT. = 0,65
A bateria poderá ser então dimensionada da seguinte forma:
Vamos precisar de uma bateria com 923 Ah de capacidade. Se sobredimensionarmos o valor do nosso gerador FV, no Verão, poderemos ter um maior valor de armazenamento de energia na bateria.
Tendo em conta os valores e características definidos anteriormente, podemos optar pela seguinte composição:
* Baterias Pb/ácido em módulos de 12V, ligadas em séries de 24V;
* Capacidade - CAh = 200Ah (por exemplo)
* Quantidade - 10 baterias
* Baterias do tipo C100;
* A capacidade total da nossa bateria de acumuladores será de 1000 Ah.
Quando se dimensiona o gerador FV, por norma não incluímos o factor de perdas (rendimento) da bateria, isto porque, quando se sobredimensiona a potência do gerador FV, que é o caso, não incluímos esse valor.
De notar que em certas instalações, dever-se-á incluir o factor de perdas da bateria quando for feito o dimensionamento do gerador FV.
5.º - Dimensionamento do regulador de carga
Ao dimensionarmos o regulador de carga, devemos escolhê-lo para que suporte o valor da corrente nominal IMÁX.DC do circuito. Sendo assim, vem:
IMÁX.DC = 6 x IFILEIRA = 6 x IMPP = 6 x 7,1 = 42,6A
O regulador de carga a utilizar na instalação deverá suportar um valor de corrente nominal, IN = 50AA.
Aqui poderemos utilizar um regulador de carga da STECA PR3030 com ecrã LCD e uma corrente nominal de 30A.
6.º - Dimensionamento do inversor para o sistema autónomo
Antes de ser feito o dimensionamento do inversor para este sistema convém frisar o seguinte:
Não devem ser utilizados inversores de rede em instalações autónomas, pois as características das cargas podem influenciar o funcionamento do referido equipamento. Caso as cargas não sejam resistivas, por exemplo, os inversores de onda quadrada comutados pela rede, não são indicados para este tipo de instalações.
Portanto devemos ter em conta a escolha do inversor, em função das suas características e também do tipo de cargas.
Para o dimensionamento do inversor, vamos determinar qual o valor da potência máxima que pode ocorrer ao alimentar as respectivas cargas.
Partindo do pressuposto que todos os equipamentos poderão estar ligados ao mesmo tempo, isto é, pelo pior caso (deve ser sempre utilizado), vamos considerar um factor de simultaneidade igual a 1.
Sendo assim, teremos o seguinte valor de potência mínima para alimentação das cargas:
P = 1197W (Valor obtido na tabela - Somatório das potências de cada equipamento)
O inversor a utilizar deverá ter as seguintes características:
* P = 1200W = 1,2kW
* U = 12 - 24 / 230V
Aqui poderemos utilizar o inversor da Studer SI 1224.
Nota: Este sistema autónomo tem uma potência que não é muito significativa, mas se estivéssemos perante uma instalação com potências em jogo mais elevadas, deveríamos ter em conta o factor de simultaneidade da utilização dos equipamentos.
Assim a utilização de inversores de baixa potência só para as cargas reduzidas, para que o inversor principal da instalação, não funcionasse nessas situações, o que poderia baixar o seu rendimento.
A utilização de inversores por equipamentos também é uma boa opção, fazendo com que este só funcione caso a carga também não esteja a consumir (exemplo: máquina lavar loiça). Quando não houver consumo por parte da carga o inversor desligar-se-á (sem tensão).
Nos sistemas isolados devemos ter em conta a secção das cablagens, pois se a distância aumentar, deveremos aumentar também a sua secção. A forma como se poderão dimensionar é idêntica à utilizada aquando do dimensionamento no sistema FV de ligação à rede.
Aquando do dimensionamento de um sistema FV isolado, recomendo ao leitor o uso do site indicado neste sistema ou a utilização do software PVSOL.
Em resumo poderei indicar ao técnico e/ou projectista, que cada caso é um caso. Não existe uma metodologia que se deva seguir ao pormenor, pois nesta área existem várias soluções para o mesmo caso.
12 MÓDULOS SOLARES BP 4180T - 180W 24V
1 REGULADOR OUTBACK FM 60 - 150VDC
8 BATERIAS B.ROLLS 963Ah/100h 6V 6CS21P
1 INVERSOR VFX 3048 E
1 MATE OUTBACK - Controlo LCD
1 ETATRACK active 1500 F.F. (Single Axis, máx.15m2) - Para aumentar o rendimento do sistema pelo menos em 20%.
Obs: o autor é de Portugal. Por esse motivo os exemplos de cálculos levam em conta a insolação na latitude daquele país.
Filipe Pereira
Engenheiro Electrotécnico (ISEP)
www.prof2000.pt/users/fasp.esds1 Página 14
