Universidade do Minho
Escola de Engenharia
PROJECTO DE UMA INSTALAÇÃO
FOTOVOLTAICA DE 1,5 MW
UMinho|2009
Isidro Nuno Da Cruz Vilaça PROJECTO DE UMA INSTALAÇÃO FOTOVOLTAICA DE 1,5 MW
Isidro Nuno Da Cruz Vilaça
Outubro de 2009
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Isidro Nuno Da Cruz Vilaça
PROJECTO DE UMA INSTALAÇÃO
FOTOVOLTAICA DE 1,5 MW
Dissertação de Engenharia Eletronica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Outubro de 2009
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO PARCIAL DESTA TESE APENAS PARA EFEITOS
DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE
COMPROMETE;
Universidade do Minho, ___/___/______
Assinatura: ________________________________________________
Dedicatória
Aos meus pais e irmãos, por
proporcionem-me
educação
e
a
formação
vida,
básica
necessárias para chegar até aqui;
À minha mulher por se privar da
minha presença e carinho durante
muitas noites e fins-de-semana;
i
Agradecimentos
Indeclinavelmente, as minhas primeiras palavras de agradecimento são dirigidas à administração da
empresa Bragalux - Montagens Eléctricas, S.A., que tornou possível a realização deste trabalho, na
pessoa do Exmo. Eng.º Bruno Rodrigues pelo apoio concedido durante a elaboração do mesmo.
Pelo apoio e ajuda na realização deste trabalho, cumpre-me assim agradecer designadamente
aos Exmos. Eng.º Luis Romero e ao Eng. Isidoro Lillo pelo acompanhamento na execução da planta solar.
Por último cumpre-me ainda agradecer ao Eng.º António Ferreira, pela disponibilidade e
acompanhamento que mostrou em todo o período de execução, nas inúmeras viagens a Sevilha.
Gostaria também de agradecer de maneira particular ao Professor Doutor João Luiz Afonso,
pela cooperação imprescindível que demonstrou no esclarecimento de dúvidas na elaboração deste
trabalho e, por se disponibilizar como orientador deste trabalho na Universidade do Minho.
Finalmente, não poderia deixar de agradecer à minha família e à minha mulher, que muito me
apoiaram ao longo desta dissertação.
A Todos a minha gratidão.
iii
Resumo
O aquecimento global tem vindo a preocupar a comunidade científica cada vez mais, já
que o uso de combustíveis fósseis e outros processos a nível industrial, levam à acumulação na
atmosfera de gases propícios ao Efeito de Estufa, tais como o Dióxido de Carbono, o Metano, o
Óxido de Azoto e os CFCs. Este facto poderá originar graves problemas, com custos naturais e
económicos irrecuperáveis e intransponíveis, tornando-se assim necessário tomar medidas
drásticas de forma a diminuir as emissões de gases de Efeito de Estufa.
Posto isto, urge a necessidade de produzir energia sem que para isso se polua o planeta,
contribuindo também para o desenvolvimento da economia do País.
Esta dissertação apresenta como objectivo o Projecto de uma Instalação Fotovoltaica
para a Produção de Energia Eléctrica, com Potência de 1,5 MW.
O presente trabalho tem por base a realização de um Projecto de uma Instalação
Fotovoltaica Ligada à Rede, com o objectivo da sua implementação e verificação final,
esperando com isto contribuir não só para o desenvolvimento da tecnologia, mas também
para a qualidade do meio ambiente. As suas principais características são:
Utilização de módulos fotovoltaicos de silício.
Utilização de inversores, para converter energia contínua DC em alternada AC1.
Utilização de protecções nos equipamentos e linhas de distribuição.
Produção de Energia Eléctrica, sem utilização de combustíveis fósseis.
Elaboração de um projecto de modo a maximizar a produção, minimizando os seus
custos.
Após a elaboração do respectivo projecto, foi disponibilizado às entidades certificadoras
locais, que depois da sua análise e aprovação, foi dada autorização para a sua implementação.
O projecto permitiu a implementação de toda a instalação de uma forma simples e
eficaz, uma vez que os cálculos utilizados neste, consistiam em dados muito próximos dos
reais. Sendo assim, foi possível implementar todo o Parque Fotovoltaico dentro dos prazos
previstos, não permitindo o surgimento de indefinições de projecto que poderiam
comprometer todo este investimento.
Palavras-Chave:
Projecto
de
Instalação
Solar
Fotovoltaica,
Inversor,
Módulos
Fotovoltaicos, MPPT (Maximum Power Point Tracker – circuito seguidor
do ponto de máxima potência), Radiação Solar, Protecções.
1
AC/DC (Alternating Current / Direct Current): Corrente alternada / Corrente Contínua.
v
Abstract
Global warming has increasingly been concerning the scientific community, since the use
of fossil fuels and other processes at industrial level, leading to the accumulation of gases in
the atmosphere conducive to the Greenhouse Effect, such as carbon dioxide, methane,
nitrogen oxide and chlorofluorocarbon. This may lead to serious problems, with natural and
economic costs sunk and impassable, making it necessary to take drastic measures to decrease
emissions of greenhouse gases.
With that being said, there is an urgent need to produce energy without having to
pollute the planet, and also contribute to the growth of the country.
This dissertation presents the description of a Photovoltaics Installation for the
Production of Electricity, with power of 1,5 MW.
The present task is based on the realization of a project of a Photovoltaic Installation
attached to a power grid, with the objective of its implementation and final verification,
hoping with this not only contribute to the development of technology, but also to the quality
of the environment. Its main characteristics are:
• Use of photovoltaic silicon models.
• Use of inverters to convert DC2 power continuously in alternating AC power.
• Use of protective equipment and distribution lines.
• Production of Electric Energy, without the use of fossil fuels.
• Preparation of a project in order to maximize production while minimizing costs.
After the elaboration of the project, it was sent to local certified entities, for their review
and approval which after was given permission for its implementation.
The project permitted the implementation of the entire installation in a simple and
effective way, due to the fact of the calculations used, being accurate and approximate to the
real data. Thus, it was possible to implement all the Photovoltaic Park on schedule, not
allowing the emergence of project uncertainties that could compromise all this investment.
Keywords:
Solar Photovoltaic Installation Project, Inverter, Photovoltaic Models, MPPT
(Maximum Power Point Tracker - circuit follower from the point of maximum
power), Solar Radiation, Protection.
2
AC/DC (Alternating Current / Direct Current): Corrente alternada / Corrente Contínua.
vii
viii
Índice
DEDICATÓRIA ................................................................................................................ I
AGRADECIMENTOS...................................................................................................... III
RESUMO .......................................................................................................................V
ABSTRACT ...................................................................................................................VII
LISTA DE FIGURAS....................................................................................................... XII
LISTA DE TABELAS.......................................................................................................XV
CAPÍTULO 1 .................................................................................................................. 1
Introdução ............................................................................................................................................. 1
1.1 Identificação do Problema ........................................................................................................ 1
1.2 Motivações do Trabalho............................................................................................................ 2
1.3 Objectivos e Resultados do Trabalho......................................................................................... 3
1.4 Organização da Tese ................................................................................................................. 3
CAPÍTULO 2 .................................................................................................................. 5
Panorama da Energia Solar Fotovoltaica ................................................................................................ 5
2.1 Situação da Energia Solar Fotovoltaica em Portugal................................................................... 5
2.2 Situação da Energia Fotovoltaica no Mundo .............................................................................. 8
2.3 Custos do investimento........................................................................................................... 10
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................ 13
Tecnologia Solar Fotovoltaica .............................................................................................................. 13
3.1 Funcionamento de uma Célula Solar Fotovoltaica ................................................................... 13
3.1.1
Células Solares Fotovoltaicas ......................................................................................... 14
3.2 Características Eléctricas das Células Solares ........................................................................... 15
3.2.1
Circuito Equivalente das Células Solares ......................................................................... 16
3.2.2
Parâmetros e Curvas Características da Célula Solar Fotovoltaica ................................... 17
3.2.3
Rendimento das Células e dos Módulos Solares Fotovoltaicos ........................................ 18
3.2.4
Sensibilidade Espectral .................................................................................................. 19
3.2.5
Massa de Ar (AM) .......................................................................................................... 20
3.2.6
Condições de Teste Standard (CTS) ................................................................................ 21
3.3 Tipos de Células Fotovoltaicas................................................................................................. 22
3.3.1
Células de Silício Monocristalino .................................................................................... 22
3.3.2
Células de Silício Policristalino........................................................................................ 22
3.3.3
Células de Silício Amorfo................................................................................................ 23
3.3.4
Comparação Entre os Diferentes Tipos de Células Solares .............................................. 23
3.4 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos .............................................................................................. 24
3.4.1
Sistemas Autónomos ..................................................................................................... 25
ix
3.4.2
Sistemas Ligados à Rede ................................................................................................ 27
3.5 Caracterização da Localização de um Sistema Fotovoltaico...................................................... 28
3.5.1
Equipamentos para Medição da Radiação Solar ............................................................. 29
3.6 Colocação dos Painéis Solares ................................................................................................. 31
3.6.1
Geometria Solar - Declinação ......................................................................................... 31
3.6.2
Posição Solar ................................................................................................................. 32
3.7 Radiação Solar ........................................................................................................................ 34
3.7.1
Distribuição da Radiação Solar ....................................................................................... 34
3.7.1.1
Radiação Solar Directa .......................................................................................... 36
3.7.1.2
Radiação Solar Difusa ........................................................................................... 37
3.7.1.3
Radiação Solar Reflectida...................................................................................... 38
3.7.2
Radiação Solar em Superfícies Inclinadas Fixas ............................................................... 39
3.7.3
Radiação Solar em Superfícies Orientadas ...................................................................... 40
3.8 Sombras ................................................................................................................................. 42
3.8.1
Análise de Sombras........................................................................................................ 42
3.8.1.1
Tipos de Sombras. ................................................................................................ 43
3.8.1.2
Cálculo das Sombras ............................................................................................. 43
3.8.1.3
Sombras Produzidas pela Própria Instalação. ........................................................ 44
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................ 47
Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico ................................................................................. 47
4.1 Módulos Fotovoltaicos............................................................................................................ 47
4.1.1
Constituição .................................................................................................................. 47
4.1.2
Parâmetros e Características dos Módulos ..................................................................... 48
4.1.2.1
Parâmetros do Módulo ......................................................................................... 48
4.1.2.2
Características Eléctricas de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos ............................. 49
4.1.2.3
Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos de Película Fina .................... 50
4.1.2.4
Díodos de Derivação ............................................................................................. 51
4.1.3
Interligação Entre Módulos Fotovoltaicos ...................................................................... 52
4.1.4
Modelo Matemático para a Célula Fotovoltaica ............................................................. 52
4.1.4.1
Pontos de Funcionamento .................................................................................... 54
4.1.4.2
Potência Eléctrica, Rendimento e Factor de Forma................................................ 54
4.1.4.3
Deduções do Modelo Matemático ........................................................................ 55
4.2 Quadro Geral, Díodos de Bloqueio e Fusíveis........................................................................... 57
4.3 Inversor .................................................................................................................................. 59
4.3.1
Funcionamento ............................................................................................................. 59
4.3.1.1
MPPT.................................................................................................................... 59
4.3.2
Tipos de Inversores ........................................................................................................ 60
4.3.3
Parâmetros e Curvas Características dos Inversores ....................................................... 60
4.4 Controladores de Carga .......................................................................................................... 61
4.5 Cabos ..................................................................................................................................... 62
4.6 Interruptor DC ........................................................................................................................ 62
4.7 Equipamento de Protecção e Medida em AC ........................................................................... 63
4.8 Acumuladores......................................................................................................................... 63
4.8.1
Constituição e Funcionamento das Baterias de Ácido de Chumbo .................................. 64
4.8.2
Tipos de Baterias de Ácido de Chumbo........................................................................... 64
CAPÍTULO 5 ................................................................................................................ 67
Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaico com Ligação à Rede Eléctrica ............................................ 67
5.1 Procedimentos Iniciais ............................................................................................................ 67
5.2 Configuração da Instalação ..................................................................................................... 67
5.3 Selecção e Especificação dos Equipamentos. ........................................................................... 68
5.3.1
Inversor ......................................................................................................................... 68
5.3.1.1
Local da Instalação do Inversor. ............................................................................ 70
5.3.2
Módulos Fotovoltaicos................................................................................................... 70
5.3.2.1
Verificação das Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos .................... 71
x
5.3.2.2
Influência da Temperatura e da Radiação nos Módulos Fotovoltaicos ................... 71
5.4 Cálculos Justificativos das Instalações Fotovoltaicas ................................................................ 72
5.4.1
Ligação do Sistema Fotovoltaico ao Inversor .................................................................. 72
5.4.1.1
Número Máximo de Módulos Ligados em Série..................................................... 73
5.4.1.2
Número Mínimo de Módulos Ligados em Série ..................................................... 74
5.4.1.3
Número Máximo de Séries de Módulos Ligadas em Paralelo ................................. 75
5.4.2
Constituição do Sistema Fotovoltaico............................................................................. 76
5.5 Dimensionamento dos Cabos .................................................................................................. 76
5.5.1
Dimensionamento do Cabo de Corrente Contínua.......................................................... 77
5.5.1.1
Cabos entre o Sistema Fotovoltaico e os QE 1.1 e QE 1.2....................................... 77
5.5.1.2
Cabos entre os QE1.1, QE 1.2 e os QE 2 ................................................................ 79
5.5.1.3
Cabos entre o QE 2 e o Inversor ............................................................................ 80
5.5.2
Dimensionamento dos Cabos de Corrente Alternada ..................................................... 81
5.6 Selecção das Caixas de Junção do Sistema Fotovoltaico e Dimensionamento do Interruptor DC
82
5.7 Protecção Contra Descargas Atmosféricas, Sobre-Tensões e Ligação à Terra ........................... 83
5.8 Estimativa da Energia Produzida ............................................................................................. 84
5.9 Resultados .............................................................................................................................. 87
CAPÍTULO 6 ................................................................................................................ 91
Conclusões e Sugestões ....................................................................................................................... 91
6.1 Conclusões ............................................................................................................................. 91
6.2 Sugestões de Trabalho Futuro ................................................................................................. 92
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 95
ANEXOS ........................................................................................................................ 1
Peças Desenhadas............................................................................................................................... A1
Anexo 1............................................................................................................................................... A3
Anexo 2............................................................................................................................................... A5
Anexo 3............................................................................................................................................... A7
Anexo 4............................................................................................................................................... A9
Anexo 5..............................................................................................................................................A11
Anexo 6..............................................................................................................................................A13
Anexo 7..............................................................................................................................................A15
Anexo 8..............................................................................................................................................A17
Anexo 9..............................................................................................................................................A19
Anexo 10............................................................................................................................................A21
xi
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Células fotovoltaicas em satélites.
Figura 2.2 – Potência instalada acumulada em sistemas fotovoltaicos em Portugal no final de
2007.
Figura 2.3 – Repartição percentual entre as aplicações isoladas e as aplicações ligadas à rede
nos países da IEA-PVPS no final de 2007.
Figura 3.1 – Estrutura cristalina do silício e processo de auto-condução.
Figura 3.2 – Constituição de uma célula solar cristalina.
Figura 3.3 – Balanço energético de uma célula solar cristalina.
Figura 3.4 – Curva característica corrente-tensão do díodo de silício.
Figura 3.5 – Circuito eléctrico equivalente de uma célula fotovoltaica.
Figura 3.6 – Curva corrente - tensão característica de uma célula Solar de silício cristalino.
Figura 3.7 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da irradiância.
Figura 3.8 – Sensibilidade espectral dos diferentes tipos de células Solares.
Figura 3.9 – Valores de AM para alturas solares diferentes.
Figura 3.10 – Célula monocristalina.
Figura 3.11 – Célula policristalina.
Figura 3.12 – Células amorfas.
Figura 3.13 – Tipos de Instalações fotovoltaicas.
Figura 3.14 – Iluminação Solar para pavimentos.
Figura 3.15 – Bicicleta Solar.
Figura 3.16 – Princípio de funcionamento de um sistema fotovoltaico autónomo.
Figura 3.17 – Estrutura Principal de um sistema fotovoltaico com ligação à rede.
Figura 3.18 – Sistema fotovoltaico ligado à rede, instalado num telhado.
Figura 3.19 – Grande sistema fotovoltaico com ligação à rede, no Solo.
Figura 3.20 – Distribuição global da irradiação Solar em kWh/m² no plano horizontal.
Figura 3.21 – Radiação global anual em Portugal – Plano Horizontal e Óptimo.
Figura 3.22 – Piranómetro.
Figura 3.23 – Sensor radiação Solar.
Figura 3.24 – Pireliometro.
Figura 3.25 - Medição da radiação difusa.
Figura 3.26 – Trajecto do Sol em determinados dias das estações.
Figura 3.27 – Representação dos ângulos de inclinação Solar.
xii
Figura 3.28 – Representação de um painel segundo a latitude do local.
Figura 3.29 – Representação de um painel segundo a latitude do local.
Figura 3.30 – Ângulo horário.
Figura 3.31 – Luz Solar. Tipos de radiação.
Figura 3.32 – Ângulo de incidência da radiação Solar sobre um painel virado a sul.
Figura 3.33 – Ângulo de incidência da radiação Solar sobre um painel em qualquer posição.
Figura 3.34 – Energia incidente diária média para o centro de Portugal (kWh/m²).
Figura 3.35 – Sistema de orientação solar.
Figura 3.36 – Irradiância para duas situações: situação fixa e orientação a 2 eixos (Para uma
instalação com uma potência de 5 kWp).
Figura 3.37 – Painel orientável segundo um eixo.
Figura 3.38 – Painel orientável segundo dois eixos.
Figura 3.39 – Altura solar e do azimute de um obstáculo.
Figura 3.40 – Distancias entre filas para evitar sombras.
Figura 4.1 – Símbolo para células, módulos ou sistemas solares fotovoltaicos.
Figura 4.2 – Constituição de um módulo fotovoltaico.
Figura 4.3 – Curvas I-V e Pmáx-V de um módulo para diferentes radiâncias, a 25°C.
Figura 4.4 – Comportamento da Voc, Isc para 1.000 W/m² a diferentes temperaturas de célula.
Figura 4.5 – Caixa de junção do módulo com díodos.
Figura 4.6 – Duas células solares fotovoltaicas ligadas em série.
Figura 4.7 – Duas células solares fotovoltaicas ligadas em paralelo.
Figura 4.8 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica.
Figura 4.9 – Quadro DC do gerador fotovoltaico.
Figura 4.10 – Diferentes tipos de fusíveis DC.
Figura 4.11 – Símbolo eléctrico do inversor.
Figura 4.12 – Diagrama eléctrico do inversor com MPPT.
Figura 4.13 – Curva de rendimento do inversor SB 3800.
Figura 4.14 – Controlador de carga/descarga com indicador LCD.
Figura 4.15 – Cabos Solares de diferentes cores.
Figura 4.16 – Interruptor principal DC.
Figura 4.17 – (a) Interruptor; (b) Caixa para contador de Energia AC.
Figura 4.18 – Bateria utilizada em sistemas solares fotovoltaicos.
Figura 5.1 – Local para a Instalação Solar Fotovoltaica.
Figura 5.2 – Inversor IF-100.
Figura 5.3 – Inversor IF-100.
Figura 5.4 – Painel Fotovoltaico.
xiii
Figura 5.5 – Radiação média mensal incidente em painéis fixos com inclinação igual à latitude.
Figura 5.6 – Temperatura média mensal ambiente.
Figura 5.7 – Produção de Energia da Instalação Fotovoltaica.
Figura 5.8 – Comparação da Produção / Previsão de Energia.
Figura 5.9 – Curva de Produtividade.
Figura 5.10 – Produção mensal por cada 100 kW (€).
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Potência instalada acumulada em sistemas fotovoltaicos em Portugal no final de
2008.
Tabela 2.2 – Potência instalada cumulativa em sistemas fotovoltaicos nos países da IEA-PVPS
no final de 2007.
Tabela 2.3 – Produção de material fotovoltaico (células e módulos) nos países da IEA-PVPS no
final de 2007.
Tabela 2.4 – Preços indicativos de sistemas instalados no final de 2007.
Tabela 3.1 – Relação entre a irradiação Solar e a altura do Sol.
Tabela 3.2 – Máxima eficiência fotovoltaica.
Tabela 3.3 – Albedo para diferentes superfícies.
Tabela 3.4 – Ângulo de inclinação dos painéis.
Tabela 4.1 – Factores de forma típicos de módulos fotovoltaicos
Tabela 4.2 – Comparação entre inversores com e sem transformador.
Tabela 5.1 – Características do Inversor JEMA 100 kW.
Tabela 5.2 – Características do Módulo Sunteck / STP-175M.
Tabela 5.3 – Verificação dos parâmetros da instalação.
Tabela 5.4 – Queda de Tensão das Filas.
Tabela 5.5 – Queda de Tensão entre os QE1.1 e 1.2 e QE2.
Tabela 5.6 – Queda de Tensão entre os QE2 e Inversores.
Tabela 5.7 – Queda de Tensão entre os Inversores e PT’s.
Tabela 5.8 – Resultados obtidos através da radiação, temperatura e módulo seleccionado.
Tabela 5.9 – Energia mensalmente produzida por cada 100 kW.
Tabela 5.10 – Energia mensalmente produzida por cada módulo (real - ideal).
Tabela 5.11 – Produção mensal por cada 100 kW.
xv
Capítulo 1 – Introdução
Capítulo 1
Introdução
1.1
Identificação do Problema
Sendo cada vez mais confundido o futuro com a energia, vale a pena parar e pensar no
que é necessário para a sociedade. Com o número de consumidores a aumentar e as metas
ambientais por cumprir, só resta uma alternativa, produzir energia de uma forma limpa, já que
cada vez mais é maior a preocupação em preservar o meio ambiente.
Portugal é um país com escassos recursos energéticos próprios, nomeadamente no que
respeita às fontes de energia mais vulgares, as chamadas fontes não-renováveis, uma vez que
não dispõe de poços de petróleo, minas de carvão ou depósitos de gás. Tal situação de
escassez conduz a uma elevada dependência energética do exterior (82,9% em 2007) [1],
nomeadamente das importações de fontes primárias de origem fóssil, tornando-se deste
modo necessário aumentar a contribuição das energias renováveis, tais como: hídrica, eólica,
solar, geotérmica, biogás e lenhas e resíduos.
No entanto, e no que respeita às fontes de energia renováveis o país tem um enorme
potencial que pode e deve ser explorado, não só numa óptica de reduzir a dependência
energética externa mas também do ponto de vista ambiental, no sentido de não aumentar
demasiado, ou inclusivamente de reduzir, o consumo de energias que acarretam emissões de
gases poluentes, tal como previsto no protocolo de Quioto, de forma a combater as alterações
climáticas. Com efeito, Portugal apresenta uma rede hidrográfica relativamente densa, uma
elevada exposição Solar média anual, e dispõe de uma vasta frente marítima que beneficia dos
ventos atlânticos, o que lhe confere a possibilidade de aproveitar o potencial energético da
água, luz, das ondas e do vento. Estas condições únicas permitem ao país o aproveitamento de
formas de energia alternativas ao consumo de combustíveis fósseis.
Assim, Portugal encontra-se numa posição privilegiada não só para compensar o défice
natural de fontes de energia não renováveis mas também para ser pioneiro na diminuição da
dependência energética em fontes de energias não renováveis e poluentes, colocando-se na
vanguarda da procura de um desenvolvimento sustentável.
Consciente das suas potencialidades no que toca à produção de energia a partir de
fontes renováveis, o país assumiu um compromisso corajoso perante as demais nações da
União Europeia definindo uma meta ambiciosa no que respeita à redução da dependência
energética nos combustíveis fósseis. Com efeito, Portugal propôs-se em 2010 atingir as metas
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 1 de 96
Capítulo 1 – Introdução
individuais para a produção de energia limpa a partir das diferentes fontes renováveis,
objectivos estes que foram revistos em 2005 quando foi apresentada a Estratégia Nacional
para a Energia aprovada pela Resolução do Conselho de Ministros nº 169/2005 [2], de 24 de
Outubro.
Com o intuito de impulsionar o desenvolvimento económico, reduzir a dependência do
exterior e combater as alterações climáticas, na referida Estratégia está previsto o reforço das
energias renováveis para o seguinte [3]:
A produção de electricidade com base em energias renováveis passa de 39% para
45% do consumo em 2010, com uma aposta forte em todas as fontes de energia;
Os biocombustíveis utilizados nos transportes aumentam de 5,75% dos combustíveis
rodoviários para 10% em 2010;
5 a 10% do carvão utilizado nas centrais de Sines e do Pego será substituído por
biomassa ou resíduos até 2010;
Até 2015 serão implementadas medidas de eficiência energética equivalentes a 10%
do consumo energético.
Perante esta situação e face aos compromissos assumidos, as Instalações Solares
Fotovoltaicas enquadram-se perfeitamente no auxílio da resolução deste problema,
permitindo minimizar a dependência de combustíveis fosseis, e dar-se o exemplo a Europa e o
Mundo de como produzir de forma renovável e não poluente.
As Instalações Solares Fotovoltaicas apresentam enormes vantagens perante as
restantes formas de produção de energia renovável, apresentando uma excelente fiabilidade
devido a não possuírem elementos móveis, o que é muito útil em aplicações em locais
isolados. Possuem também uma fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos, permitindo
montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas, podendo ser utilizados em
aplicações de alguns miliwatts ou de Megawatts. O custo de operação é reduzido já que a
manutenção é quase inexistente, não necessitando de combustível, transporte, nem
trabalhadores altamente qualificados.
1.2
Motivações do Trabalho
O desenvolvimento do presente trabalho justifica-se pela falta de elementos nesta área,
nomeadamente ao nível do Projecto de Instalações Fotovoltaicas de Potência Elevada Ligadas
à Rede Eléctrica.
O interesse na execução deste trabalho é disponibilizar uma experiência que possa vir a
ser utilizada não apenas em grandes instalações fotovoltaicas, mas também em indústrias,
prédios e vivendas, para minimizar a dependência de combustíveis fosseis na obtenção de
produção da energia eléctrica.
Pag. 2 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 1 – Introdução
É de salientar que esta energia é produzida quando é mais precisa, ou seja, durante o
dia, comparativamente por exemplo com a energia eólica, que a energia é produzida na
realidade quando existir vento.
1.3
Objectivos e Resultados do Trabalho
O principal objectivo deste trabalho está no desenvolvimento de um relatório para o
projecto de um Sistema Fotovoltaico de grande potência, para produção de energia, ligado à
Rede Eléctrica, capaz de simplificar o método de cálculo, e que permita uma maior e melhor
familiarização com este tipo de tecnologia.
Apresentam-se de seguida os principais objectivos estabelecidos para este trabalho:
Levantamento da situação fotovoltaica em Portugal e no Mundo.
Estudo das características da radiação solar, apresentando formas de a medir, de a
estimar e de como utilizá-la para o aproveitamento fotovoltaico.
Estimativa da radiação Solar incidente em planos com inclinações distintas.
Projecto de uma Instalação Fotovoltaica ligada à Rede Eléctrica.
Desta forma, este trabalho tem como finalidade auxiliar o cálculo de instalações
eléctricas que utilizem a tecnologia fotovoltaica. Os resultados aqui obtidos poderão ajudar
instaladores de sistemas fotovoltaicos, no esclarecimento e aplicação dos equipamentos mais
adequados às necessidades da instalação.
Esta dissertação tem ainda como propósito poder ser utilizada como um manual de
referência, de rápido acesso, voltado àqueles que desejem iniciar-se nesta área temática, ou
que necessitem de informações específicas sobre o dimensionamento, instalação e utilização
de Sistemas Fotovoltaicos ligados à Rede Eléctrica.
1.4
Organização da Tese
O capítulo 1 descreve sucintamente a preocupação existente na procura de novas
Soluções para produção de energia, assim como faz a apresentação das motivações e
objectivos para o desenvolvimento deste trabalho.
O capítulo 2 apresenta a situação nacional e mundial da produção de electricidade
através de sistemas fotovoltaicos, isolados e ligados à Rede Eléctrica, assim como os custos
que lhe estão associados.
No capítulo 3 são apresentados os princípios básicos de funcionamento dos sistemas
para produção de energia com recurso à tecnologia fotovoltaica e suas principais
características. Faz-se a apresentação dos diferentes tipos de células Solares e respectivas
aplicações, na qual as diferentes formas de radiação Solar são também aqui expostos.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 3 de 96
Capítulo 1 – Introdução
No capítulo 4 faz-se a apresentação e respectiva descrição dos vários componentes a
aplicar numa instalação Solar fotovoltaica.
No capítulo 5 é desenvolvido o projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica de 1,5 MW
ligada à Rede Eléctrica. São apresentados os cálculos justificados de toda a instalação,
nomeadamente as associações de módulos, número de módulos em série e numero de
módulos em paralelo, assim como as quedas de tensão existentes nos cabos eléctricos que
interligam os diferentes equipamentos da instalação eléctrica.
No capítulo 6 são descritas as conclusões mais importantes deste trabalho, obtidas a
partir dos estudos, simulações e resultados dos ensaios realizados.
Pag. 4 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
Capítulo 2
Panorama da Energia Solar Fotovoltaica
Este capítulo é provido de uma breve apresentação da situação da Energia Solar
Fotovoltaica em Portugal e no Mundo, abordando ainda os custos que estão associados a esta
tecnologia.
2.1
Situação da Energia Solar Fotovoltaica em Portugal
O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Alexandre Edmund
Becquerel, observou que a tensão que aparecia entre dois eléctrodos imersos num electrólito
dependia da intensidade da luz que incidia sobre eles. O mesmo efeito foi observado mais
tarde, por volta do ano de 1870, por dois inventores norte americanos, Adams e Day, mas
desta vez utilizando um elemento sólido: o selénio.
Só em 1954 é que Chapin, produziu a primeira célula solar fotovoltaica de silício [4]. A
partir de então, trabalhou-se na obtenção de um sistema realizável e de longa duração para
sistemas de alimentação de satélites, já que foi no programa espacial norte-americano que a
tecnologia fotovoltaica encontrou a sua principal aplicação, como se verifica na Figura 2.1.
Figura 2.1 – Células fotovoltaicas em satélites.
Fonte: NASA (http://www.nasa.gov/topics/shuttle_station/)
Devido ao seu grande sucesso, as células fotovoltaicas rapidamente passaram a ser a
escolha preferida para a alimentação de satélites, permanecendo assim até aos nossos dias. A
partir dos anos 70, o preço das células fotovoltaicas para aplicações espaciais tem caído,
incentivando a um menor custo para a produção de electricidade em larga escala sobre o
planeta. A melhoria da eficiência das células fotovoltaicas tem sido continua e actualmente
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 5 de 96
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
situa-se entre os 8 e 19%, entre módulos de película fina, policristalinos e monocristalinos, já
para aplicações comerciais.
Estudos recentes referem que Cientistas do Laboratório de Energias Renováveis do
Estados Unidos apresentaram um dispositivo capaz de converter a luz solar em electricidade
com uma eficiência entre 45 – 50% [5], recorrendo à técnica de inverter o processo de
crescimento do cristal fotovoltaico, provocando assim uma melhoria na estrutura dos
átomos dos materiais utilizados para assim obter os fotões da luz solar e libertar os
electrões para gerar a electricidade.
Relativamente à situação em Portugal, no que diz respeito a potência fotovoltaica total
instalada, pode ser avaliada através de dados estatísticos publicados pela Agencia
Internacional de Energia (International Energy Agency - IEA)3.
Através da Tabela 2.1, é apresentada a potência instalada em sistemas fotovoltaicos em
Portugal desde 1995 até ao final de 2008.
Tabela 2.1 – Potência instalada em sistemas fotovoltaicos em Portugal no final de 2008.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/)
Para uma melhor avaliação, a AIE organiza os dados que publica de acordo com a
seguinte classificação para os sistemas fotovoltaicos:
Sistemas isolados (Off-Grid);
Sistemas ligados à rede (On-Grid).
Na Tabela 2.1 pode-se observar que em Portugal a potência total instalada em sistemas
fotovoltaicos ascendia no final de 2008 a quase 68 MWp4.
3
IEA-PVPS – A PVPS (Photovoltaic Power Systems) é o departamento da IEA (International Energy Agency) para a energia
fotovoltaica.
4
Wp (Watt-pico) – unidade que mede a potência de pico, potência máxima nas condições de referência, isto é, radiação incidente
igual a 1.000 W/m2 , temperatura da célula de 25 °C e com AM=1,5 (Ver Ponto 3.2.5).
Pag. 6 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
As aplicações fotovoltaicas ligadas à rede eléctrica têm vindo a ganhar cada vez mais
importância, como se pode verificar na Figura 2.2. No final de 2007 este tipo de aplicações
representava mais de 80% do total das instalações fotovoltaicas.
Figura 2.2 – Potência instalada acumulada em sistemas fotovoltaicos em Portugal no final de 2007.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/)
De realçar que em Março de 2007 foi inaugurada em Brinches, concelho de Serpa, uma
central fotovoltaica de 11 MWp, com 52.000 módulos dispostos ao longo de uma área de 60
ha (600.000 m²).
No final de 2008, entrou em operação da central da Amareleja, concelho de Moura. Esta
central terá instalados 45,6 MWp, ocupando uma área de 114 ha. Hoje é considerada a maior
central fotovoltaica do mundo.
Segundo a Direcção-Geral de Energia e Geologia, foram já aprovados pedidos de
informação prévia para instalação de sistemas fotovoltaicos que totalizam cerca de 128 MWp,
o que praticamente esgota a meta de 150 MWp estabelecida pelo Governo para o horizonte
temporal de 2010. De entre as instalações já aprovadas merecem destaque, para além de
Moura, Ourique (2 MWp), Albufeira (10 MWp), Lisboa (6 MWp) e Freixo de Espada à Cinta (2
MWp).
Tendo por objectivo fazer um enquadramento do interesse desta tecnologia para
Portugal, é de salientar que a seguinte directiva veio fortalecer a implantação desta tecnologia:
a Directiva 2001/77/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 27 de Setembro de 2001,
constituiu um inequívoco reconhecimento por parte da União Europeia, no que se refere à
actual prioridade para a produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável
(FER) no espaço Europeu.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 7 de 96
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
No âmbito desta Directiva, e a título indicativo, Portugal apresentou o compromisso de
ter como meta em 2010, 39% de energia eléctrica produzida a partir de fontes de energia
renováveis, no contexto do consumo bruto nacional de electricidade.
Assim, para 2010, em que é estimado para o Continente um consumo bruto de energia
eléctrica da ordem dos 62 TWh, isto implicará que a produção de energia eléctrica a partir de
FER deverá ser superior a 24,2 TWh.
Por ultimo e através do Decreto-Lei n° 2007/363 de 2 de Novembro de 2007, foi dado
um grande impulso, tanto a nível tecnológico como mediático à energia fotovoltaica,
estabelecendo-se aqui as bases gerais de organização e funcionamento do Sistema Eléctrico
Nacional (SEN), classificando a produção de electricidade em regime ordinário e em regime
especial. Ao regime especial corresponde a produção de electricidade com incentivos à
utilização de recursos endógenos e renováveis ou a produção combinada de calor e
electricidade, designadas por unidades de microprodução, enquanto que o regime ordinário
corresponde à produção de electricidade com base em fontes tradicionais não renováveis e
em grandes centros electroprodutores hídricos.
2.2
Situação da Energia Fotovoltaica no Mundo
A situação dos sistemas fotovoltaicos no mundo, no que diz respeito à potência total
instalada, pode ser avaliada através de dados estatísticos publicados pela Agência
Internacional de Energia (AIE - IEA-PVPS).
A AIE organiza os dados que publica de acordo com a seguinte classificação para os
sistemas fotovoltaicos:
Sistemas isolados domésticos (Off-Grid domestic): Para pequenas cargas em locais
isolados.
Sistemas isolados não domésticos (Off-Grid non-domestic): Sistemas que fornecem
energia eléctrica a serviços, tais como, telecomunicações, bombagem de água,
frigoríficos médicos, navegação aérea e marítima, estações meteorológicas,
equipamentos militares, etc.
Sistemas distribuídos ligados à rede eléctrica (Grid-connected distributed): Sistemas
que fornecem energia eléctrica essencialmente a edifícios (comerciais ou industriais),
sendo que a energia excedente é enviada para a rede eléctrica.
Sistemas centralizados ligados à rede eléctrica (Grid-connected centralized): Sistemas
que fornecem exclusivamente energia eléctrica à rede.
Na Tabela 2.2 pode-se observar, que nos países representados na IEA-PVPS a potência
total instalada em sistemas fotovoltaicos, ascendia no final de 2007 a quase 7.900 MWp.
Pag. 8 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
Tabela 2.2 – Potência instalada cumulativa em sistemas fotovoltaicos nos países da IEA-PVPS no final de 2007.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/products/download/rep1_17.pdf)
Pode-se verificar a clara predominância da Alemanha e do Japão no quadro acima
apresentado.
As aplicações ligadas à rede eléctrica têm vindo a ganhar cada vez mais importância,
como se pode verificar na Figura 2.3. No final de 2007 este tipo de aplicações representava
cerca de 90% do total das instalações fotovoltaicas.
Figura 2.3 – Repartição percentual entre as aplicações isoladas e as aplicações ligadas
à rede nos países da IEA-PVPS no final de 2007.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/)
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 9 de 96
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
Relativamente à produção de materiais fotovoltaicos, na Tabela 2.3 pode-se verificar
mais uma vez a clara predominância da Alemanha e do Japão.
Tabela 2.3 – Produção de material fotovoltaico (células e módulos) nos países da IEA-PVPS no final de 2007.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/)
2.3
Custos do investimento.
Os custos do investimento de sistemas fotovoltaicos é normalmente expresso em €/Wp
(custo por watt de pico), em que a potência de pico é o valor correspondente à máxima
potência que o painel pode fornecer nas condições de referência (STC)5, com uma radiação de
1000 W/m² , temperatura da célula de 25°C e com um espectro de AM 1,56.
No custo apresentado (€/Wp) está incluído tanto os módulos propriamente ditos, como
também os dispositivos de interface e regulação entre os módulos fotovoltaicos e a carga ou a
rede. Estes equipamentos são tipicamente os módulos e a respectiva estrutura, as baterias, o
regulador de carga, a caixa com protecções, a cablagem e o inversor, no caso de existirem
cargas AC ou de se tratar de sistemas ligados à rede eléctrica.
Segundo a IEA como se verifica na Tabela 2.4, em Portugal pode-se considerar como um
custo de referência os seguintes valores:
5 €/Wp para sistemas ligadas à rede,
9 €/Wp para instalações isolados.
5
6
STC – Standard Test Conditions
AM – Air Mass – Ver Ponto 3.2.5
Pag. 10 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
Tabela 2.4 – Preços indicativos de sistemas instalados no final de 2007.
Fonte: IEA-PVPS (http://www.iea-pvps.org/)
Relativamente à repartição dos custos inerentes a uma instalação fotovoltaica completa,
pode-se afirmar que cerca de 60% destes custos referem-se aos módulos fotovoltaicos,
enquanto que a restante instalação representa 40%.
Os custos de operação e manutenção (O&M) pode estimar -se que se situem, em média,
em cerca de 1 a 2% do investimento total, durante a vida da instalação.
O período de vida de uma instalação fotovoltaica é normalmente considerada como
tendo 20 a 25 anos de vida útil.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 11 de 96
Capítulo 2 – Panorama da Energia Fotovoltaica
Pag. 12 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Capítulo 3
Tecnologia Solar Fotovoltaica
Neste capítulo é abordado o funcionamento atómico das células solares fotovoltaicas,
assim como a sua constituição e principais características. Também aqui são apresentados os
vários tipos de sistemas solares fotovoltaicos, os diversos tipos de radiações solares e
respectivas sombras.
3.1
Funcionamento de uma Célula Solar Fotovoltaica
Para que uma célula solar fotovoltaica produza energia eléctrica a partir da radiação
solar é necessário que aconteça 3 efeitos físicos intimamente ligados e simultâneos, sendo
eles, a absorção da luz pelo material, a transferência de energia dos fotões (luz) para as cargas
eléctricas e a criação de corrente eléctrica.
O semicondutor mais usado para o efeito é o silício que é caracterizado por possuir
átomos com quatro electrões. Ao adicionarem-se átomos com cinco electrões de ligação,
como o fósforo por exemplo, haverá um electrão em excesso que não poderá ser emparelhado
e que ficará "sozinho", fracamente ligado ao seu átomo de origem. Isto faz com que, com
pouca energia térmica, este electrão se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que
o fósforo é um dopante doador de electrões e denomina-se dopante n ou impureza n.
Na Figura 3.1 poderá ser visualizado o principio de funcionamento de um célula solar
fotovoltaica.
Figura 3.1 – Estrutura cristalina do silício e processo de auto-condução.
Fonte: engineering (http://www.engineering.com)
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três electrões de ligação, como é
o caso do boro, haverá falta de um electrão para satisfazer as ligações com os átomos de
silício. Esta falta de um electrão é denominada buraco ou lacuna e mesmo com pouca energia
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 13 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
térmica, um electrão próximo pode passar para esta posição. Diz-se portanto, que o boro é um
aceitador de electrões ou um dopante p.
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro numa metade e de
fósforo na outra, será formado o que se chama junção p-n. O que ocorre nesta junção é que os
electrões livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto
faz com que sejam acumulados electrões no lado p, tornando-se negativamente carregados
levando a uma redução de electrões do lado n, que os tornam electricamente positivos. Estas
cargas dão origem a um campo eléctrico permanente que dificulta a passagem de mais
electrões do lado n para o lado p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo
eléctrico forma uma barreira capaz de parar os electrões livres remanescentes no lado n.
Se esta junção for exposta a fotões com energia capaz de vencer o equilíbrio alcançado,
as cargas serão aceleradas, criando assim, uma corrente através da junção, originando uma
diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se os dois lados forem
interligados fisicamente por um condutor, existirá uma circulação de electrões [6].
3.1.1
Células Solares Fotovoltaicas
Os materiais capazes de converter a energia contida num fotão7 em tensão e corrente
eléctricas são os semicondutores. Para esta conversão são normalmente utilizados materiais
semi-condutores tais como, o silício, o arsenieto de gálio, telurieto de cádmio ou disselenieto de
cobre e índio.
Actualmente, cerca de 95 % das células solares cristalinas fabricadas são de silício, já que
este apresentam uma disponibilidade quase ilimitada, sendo o material mais abundante na
crosta terrestre, depois do oxigénio.
Para a obtenção do silício, em primeiro lugar é necessário separar o oxigénio não
desejado do dióxido de silício, processo que se baseia no aquecimento da areia de sílica,
fundida num recipiente, junto com pó de carvão. Durante este processo é criado o silício
metalúrgico, com uma pureza de 98%. No entanto, 2% de impurezas no silício é demasiado para
aplicações electrónicas, sendo apenas admissível um bilionésimo por cento. Por este motivo, o
silício em estado bruto é ainda purificado através de um processo químico. Este último é
destilado em várias e sucessivas etapas, durante as quais é reduzida a percentagem de
impurezas em cada etapa da destilação. Chegado a este ponto, o silício de elevada qualidade
está em condições de ser utilizado em diferentes aplicações, como por exemplo para produzir
células monocristalinas ou células policristalinas.
Através da Figura 3.2 pode-se aferir as diferentes camadas constituintes de uma célula
solar fotovoltaica, onde a camada mais externa, normalmente do tipo n, deve ser muito mais
7
Os fotões são geralmente associados à luz visível.
Pag. 14 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
fina que a camada interna, de modo a permitir que toda a luz seja absorvida pela camada do
tipo p.
Contacto frontal (-)
Camada anti-reflexo
Camada tipo n
Junção p-n
Camada tipo p
Contacto posterior (+)
Figura 3.2 – Constituição de uma célula solar cristalina.
Fonte: engineering (http://www.uni-chem.net/en/photovoltaic/pv_value_chain.asp)
Quando a célula solar fotovoltaica é exposta à luz solar, para além de gerar uma corrente
eléctrica, padecerá também de perdas ocasionadas pela recombinação, pela reflexão e pelo
sombreamento provocado pelos contactos frontais. Para além disso, uma grande proporção da
energia de radiações de onda longa e curta não pode ser aproveitada, como exemplo, as perdas
de transmissão conforme é ilustrado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Balanço energético de uma célula solar cristalina [7].
3.2
Características Eléctricas das Células Solares
Neste ponto será apresentada a resposta das células Solares fotovoltaicas em vários
cenários, assim como a respectiva análise gráfica e circuito equivalente.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 15 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
3.2.1
Circuito Equivalente das Células Solares
Tal como já apresentado no ponto 3.1, uma célula solar fotovoltaica é composta por
camadas de silício contaminado por impurezas do tipo p e do tipo n, tendo como princípio de
funcionamento o mesmo de um díodo comum de silício. Quando o díodo é ligado de modo a
que o potencial seja positivo no ânodo e negativo no cátodo, o díodo está directamente
polarizado e a curva característica corresponde ao 1° Quadrante representada na Figura 3.4. No
entanto, a corrente só circula quando a diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo atingir
a tensão limiar de condução de cerca de 0,7 V aproximadamente, já que se trata de silício.
Quando o díodo é polarizado inversamente, a corrente é impedida de circular nesta direcção.
Neste caso aplica-se a curva característica do 3° quadrante. O díodo apenas se torna condutor
quando se ultrapassar a tensão de bloqueio, que no caso deste díodo corresponde a 150 V, tal
como pode verificar na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Curva característica corrente-tensão do díodo de silício.
Fonte: ifent (http://www.ifent.org/lecciones/diodo/curva.asp).
Portanto, AB é a zona de condução enquanto que em OC ocorre a corrente inversa de
condução, sendo que a partir de C o díodo poderá ficar destruído.
O circuito eléctrico equivalente de uma célula fotovoltaica é representado na Figura 3.5.
Figura 3.5 – Circuito eléctrico equivalente de uma célula fotovoltaica.
A maior parcela de Rs é causada pela resistência de corpo da junção P-N que compõe a
célula e pela resistência dos contactos eléctricos entre os terminais e o semicondutor. Já Rp é
resultado da dificuldade criada à circulação de corrente através dos defeitos do material. Estes
Pag. 16 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
defeitos são consequências das impurezas presentes na região próxima à junção. Quanto
maior for o valor destas resistências, maior será a diminuição do factor de forma (FF) 8 [4].
3.2.2
Parâmetros e Curvas Características da Célula Solar Fotovoltaica
A Figura 3.6 representa a curva característica onde é reflectida segundo o eixo da tensão.
Esta parte da curva característica é, então, denominada curva característica da célula solar
fotovoltaica.
Figura 3.6 - Curva corrente - tensão característica de uma célula Solar de silício cristalino.
Fonte: engineering (http://www.engineering.com)
Se a luz incidir sobre uma célula Solar desligada da carga, é criada uma tensão
aproximada de 0,6 V. Esta tensão pode ser medida como a tensão de circuito aberto a partir dos
dois contactos da célula. Se ambos os contactos estiverem em curto-circuito através de um
amperímetro, a corrente do curto-circuito poderá ser medida. No intuito de registar
completamente a curva característica da célula Solar, será necessária uma resistência variável
(derivação), um voltímetro e um amperímetro.
A curva é caracterizada basicamente pelos três pontos seguintes:
MPP, Maximum Power Point (Ponto de Máxima Potência, Wp). Para este ponto estão
especificadas a potência P (MPP), a corrente I (MPP) e a U (MPP).
A corrente do curto-circuito, Icc.
A tensão do circuito aberto, Uoc.
Os parâmetros e as curvas características das células de película fina desviam-se, em
certos casos substancialmente, dos equivalentes para as células de silício cristalino. Nas células
amorfas, o ponto MPP está localizado nos 0,4 V e a curva característica é em geral mais
espalmada, já que devido à sua menor eficiência, a corrente produzida é menor. Para atingir a
mesma potência das células cristalinas, é preciso uma maior superfície celular, e como também
8
FF – Verificar ponto 3.2.3.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 17 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
possuem uma menor delimitação do ponto MPP, exige um melhor controlo tecnológico do
inversor e do controlador MPP.
A corrente de curto-circuito depende linearmente da irradiância. Se a irradiância duplicar,
a corrente também duplica. Este facto justifica a linha recta do gráfico que a seguir é
apresentado. A tensão de circuito aberto mantém-se relativamente constante enquanto a
irradiância muda. Apenas quando a irradiância desce abaixo dos 100 W/m², a tensão sofre uma
quebra acentuada. Estas variações estão graficamente representadas na Figura 3.7.
Figura 3.7 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da irradiância.
Fonte: Instalaciones Fotovoltaicas, Manual para uso de Instaladores. DGIEM [vi].
3.2.3
Rendimento das Células e dos Módulos Solares Fotovoltaicos
O rendimento, , das células solares fotovoltaicas é o resultado do quociente entre a
potência de pico entregue pela célula solar, PMPP (Wp), e a irradiação incidente, G (W/m²), pela
área da superfície, A (m²), da célula solar, conforme expressão 3.1.
PMPP
A.G
(3.1)
Nas fichas técnicas dos módulos fotovoltaicos o rendimento é especificado sempre sob
condições de teste standard (STC), sendo, o rendimento dos módulos fotovoltaicos para STC
determinado pela expressão 3.2.
PMPP(STC)
A.1000W/m 2
(3.2)
O rendimento das células Solares depende da irradiância e da temperatura, sendo que
decresce com o aumento de temperatura.
O factor de forma (FF) é um indicador da qualidade das células solares, cujo UMPP (V) e
IMPP (A) correspondem respectivamente à tensão e corrente no ponto de máxima potência. A
UOC (V) e ICC (A) são obtidos através das folhas de características dos fabricantes e
correspondem à tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito, respectivamente. O
factor de forma é definido pela expressão 3.3.
Pag. 18 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
FF
UMPP .IMPP
UOC .ICC
PMPP
UOC .I SC
(3.3) [8]
Para as células cristalinas Solares fotovoltaicas, o factor de forma possui normalmente
um valor entre 0,75 e 0,85, enquanto que para as células Solares amorfas este valor situa-se
entre 0,5 e 0,7.
3.2.4
Sensibilidade Espectral
Conforme o material e a tecnologia utilizada, a célula solar fotovoltaica é mais ou menos
eficaz na conversão das diferentes bandas de cor da luz solar em electricidade. A sensibilidade
espectral define a faixa da radiação solar para a qual a célula solar fotovoltaica funciona de
modo mais eficaz, e influência preponderantemente a eficiência sob as diferentes condições de
radiação a que está exposta.
A maior parcela de aproveitamento da energia solar está concentrada na faixa da luz
visível entre 400 nm e 900 nm.
Enquanto que as células solares cristalinas são particularmente sensíveis à radiação solar
de onda longa, situando-se entre os 600 nm e 900 nm, as células de película fina utilizam
melhor a luz visível ao absorver a radiação de onda curta com maior eficácia, disponível entre os
400 nm e 600 nm, como se pode verificar através da Figura 3.8.
Figura 3.8 – Sensibilidade espectral dos diferentes tipos de células Solares.
Fonte: Spectra – PVCDROM (http://pvcdrom.pveducation.org/APPEND/Am1_5.htm).
Os fotões são caracterizados por duas grandezas:
Comprimentos de onda ou frequências;
Energia.
Estas grandezas são relacionadas pela expressão 3.4.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 19 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
c
E
h.v
h.c
Sendo :
c velocidade da luz (3x10 8 m/s)
v frequência (Hz)
comprimento de onda (nm)
E energia do fotão (J)
(3.4)
h constante de Plank (6,626x10 - 34 J.s)
Posto isto, pode-se verificar qual é o comprimento de onda máximo que deve ter um
fotão para criar um par electrão-lacuna no silício pela expressão 3.5.
h.c
E
6,626x10 34 (J.s).3x10 8 (m/s)
1,12(eV).1,6x10 19 (J/eV)
1,11x10 6 m
(3.5)
Onde a correspondente frequência mínima é:
v
c
2,7x10 14 Hz
(3.6)
Posto isto, pode-se concluir que todos os fotões com comprimento de onda, > 1,11 µm,
correspondem a energia desperdiçada e apenas servem para aquecer a célula fotovoltaica.
Os fotões com < 1,11 µm têm energia a mais para excitar um electrão para a banda de
condução e toda a energia a mais do 1,12 eV é também desperdiçada.
3.2.5
Massa de Ar (AM)
A luz solar toma o percurso mais curto através da atmosfera, quando a posição do Sol é
perpendicular à superfície da Terra. Antes de atingir o solo, as características da radiação Solar
(intensidade, distribuição espectral e angular) são afectadas por interacções com a atmosfera
devido aos efeitos de absorção e difusão. Estas modificações são dependentes da espessura da
camada atmosférica (Massa de Ar - AM), e, portanto, do ângulo de azimute do Sol, bem como
da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas.
A Massa de Ar (factor AM) está relacionada com a posição do Sol ( ) e o Zénite (eixo
vertical da Terra), sendo definida pela expressão 3.7.
AM
1
cos
(3.7)
Neste contexto, AM = 1 quando a posição do Sol é paralela (0°). Isto corresponde à
posição solar no equador ao meio-dia, na Primavera ou no Outono.
Como média anual para a Europa, utiliza-se um valor de Massa de Ar de 1,5 (48,2°), como
se pode verificar na Figura 3.9.
Pag. 20 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.9 – Valores de AM para alturas Solares diferentes.
Fonte: laserfocusworld (www.laserfocusworld.com/articles/286515).
A radiação Solar no espaço, que não é influenciada pela atmosfera, é designada espectro
AM = O.
No seu percurso através da atmosfera, a irradiância é reduzida por:
Reflexão atmosférica.
Absorção pelas moléculas da atmosfera (02, H20, CO2).
Dispersão de Rayleigh (dispersão molecular).
Dispersão de Mie (dispersão por partículas de pó e poluição do ar).
Na Tabela 3.1 mostra a dependência da irradiância com a altura do Sol ( S). A absorção e
a dispersão de Rayleigh, aumentam com a diminuição da altura Solar. A dispersão devida à
poluição do ar (difusão de Mie), varia consideravelmente conforme a sua localização, sendo
maior nas áreas industriais. Influências climatéricas locais como as nuvens, a chuva ou a neve,
levam a uma maior redução da radiação.
Tabela 3.1 – Relação entre a irradiação Solar e a altura do Sol.
3.2.6
Condições de Teste Standard (CTS)
Por forma a se poder comparar diferentes células ou mesmo diferentes módulos
fotovoltaicos, foram criadas condições universais para execução de testes. Deste modo, todos
os dados e curvas características apresentadas dos equipamentos, estão de acordo com as CTS
“Standard Test Conditions”, que são as seguintes:
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 21 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Irradiância E de 1.000W/m²,
Temperatura T na célula de 25°C, com uma tolerância de +- 2°C,
Espectro de luz para uma massa de ar AM = 1,5.
3.3
Tipos de Células Fotovoltaicas
Para além dos variados estudos e desenvolvimentos mundiais nesta área, serão aqui
retratados os principais tipos de células fotovoltaicas comercializas pelo mercado.
3.3.1
Células de Silício Monocristalino
O silício monocristalino é o material mais utilizado na composição das células solares
fotovoltaicas, perfazendo cerca de 60% do mercado. A uniformidade da estrutura molecular
das células de silício monocristalino resultante da utilização de um cristal único, é ideal para
potenciar o seu rendimento, atingindo em laboratório os 25%, mas no entanto na sua
utilização comercial esta é reduzida para cerca de 18%. A produção de silício monocristalino é
cara, sendo esta a principal desvantagem deste tipo de célula solar fotovoltaica. A Figura 3.10
demonstra a homogeneidade da célula de silício monocristalino.
Figura 3.10 – Célula monocristalina.
Fonte: Wikipédia (http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_Solar_fotovoltaica).
As células de silício monocristalino contem uma estrutura homogénea e um aspecto
azul-escuro para preto.
3.3.2
Células de Silício Policristalino
O silício policristalino é constituído por um número elevado de pequenos cristais
extremamente finos, utilizado por cerca de 30% do mercado. A descontinuidade da sua
estrutura molecular dificultam o movimento de electrões, estimulando à recombinação com as
lacunas, afectando a sua potência e respectivo rendimento. Por esta razão os rendimentos em
laboratório e em utilização comercial não excedem os 20% e 13%, respectivamente. Em
contrapartida, o processo de fabrico é mais barato do que o do silício monocristalino.
Possui uma cor azul (com Anti-Reflexão) ou cinza prateada (sem Anti-Reflexão).
A Figura 3.11 demonstra a descontinuidade da estrutura da célula de silício
policristalino.
Pag. 22 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.11 – Célula policristalina.
Fonte: Wikipédia (http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_Solar_fotovoltaica).
3.3.3
Células de Silício Amorfo
As células de silício amorfo não possuem uma estrutura cristalina, apresentando
defeitos estruturais que em princípio, impediriam a sua utilização em células solares
fotovoltaicas, uma vez que estes defeitos potenciam as recombinações dos pares electrão lacuna. No entanto, se ao silício amorfo for adicionado hidrogénio, por um processo chamado
de hidrogenização, os átomos de hidrogénio combinam-se quimicamente de forma a
minimizar os efeitos negativos dos defeitos estruturais. Este processo de fabrico é ainda mais
barato do que o do silício policristalino.
Os equipamentos solares domésticos são habitualmente feitos com células de silício
amorfo, representando cerca de 4% do mercado. Em laboratório é possível obter rendimentos
da ordem de 13%, mas as propriedades conversoras do material deterioram-se em utilização
prática, pelo que os rendimentos descem para cerca de 7%.
As células de silício amorfo contem uma estrutura homogénea e um aspecto castanho
avermelhado a preto. [9]
Na Figura 3.12 é possível visualizar várias formas e aplicações de células de silício
amorfo.
Figura 3.12 – Células amorfas.
Fonte: Alwitra –UniSolar (http://alwitra.org).
3.3.4
Comparação Entre os Diferentes Tipos de Células Solares
Para os sistemas Solares fotovoltaicos com ligação à rede eléctrica geralmente são
utilizadas células Solares de silício monocristalino e policristalino, sendo que, a menor eficiência
do silício policristalino é contrabalançada pelas vantagens que oferece em termos do preço
final.
Os módulos de silício amorfo usam-se fundamentalmente em aplicações de lazer
(pequenas aplicações, campismo, barcos). Recentemente, os resultados conseguidos com testes
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 23 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
demonstraram que as reservas referentes à sua estabilidade e ao seu comportamento ao longo
do tempo eram infundadas, pelo que os módulos amorfos poderão tornar-se cada vez mais
comuns nos grandes sistemas.
Mas o futuro passa pela descoberta de novos materiais, mais baratos e eficientes. Prova
disso é o facto de grande parte dos grandes fabricantes de células fotovoltaicas terem já
abandonado a investigação com base no silício, começando a desenvolver células com novos
materiais. Os materiais mais promissores são o Disselénio de Índio e Cobre e o Telúridio de
Cadmium.
A BP, líder mundial no fabrico de células fotovoltaicas, optou pelo Telúridio de
Cadmium, que, embora não seja o material mais promissor, é bastante mais fácil de trabalhar.
Esta tecnologia foi desenvolvida na Universidade da Califórnia do Sul.
Existem também em desenvolvimento células com múltiplas junções, sendo cada tipo
para capturar diferentes comprimentos de onda do espectro Solar. Os fotões mais energéticos
são capturados pelas camadas do topo e os restantes passam para a camada seguinte, sendo
capturados pela próxima junção, e assim sucessivamente, capturando cada junção os fotões
mais energéticos que consegue, deixando os restantes para a camada seguinte. Na Tabela 3.2
são apresentados os valores de eficiência para alguns tipos de células fotovoltaicas.
Tabela 3.2 – Máxima eficiência fotovoltaica.
3.4
Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos isolados ou em associação com outras fontes de energias
renováveis, são competitivos para alimentação de certos locais onde as soluções alternativas
convencionais (gerador diesel ou rede eléctrica) são claramente inferiores do ponto de vista
económico, para além de apresentarem variados inconvenientes ambientais.
Já no modo de ligação à rede de energia eléctrica, a situação é diferente, os sistemas
fotovoltaicos estão ainda longe de ser competitivos, quer com as fontes de produção
convencionais, quer principalmente com outras fontes de energia renovável. O elevado
investimento e a baixa utilização anual da potência instalada são as principais razões para a
fraca penetração que se verifica nos sistemas ligados à rede. Contudo, com a evolução diária
que esta tecnologia está a sofrer, com o grande aumento da produção mundial de módulos
Pag. 24 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
fotovoltaicos, com o aumento quase exponencial da concorrência, com a redução do custo do
Wp, com tarifas ainda mais competitivas e com a preocupação ambiental sempre presente em
cada projecto que se execute, é de prever que esta tecnologia venha a ser olhada de outra
forma. De realçar, é que a energia produzida por este tipo de sistema é fornecida à rede
quando ela mais necessita, ou seja, durante o dia.
Sendo assim, os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em dois grandes grupos:
Os sistemas ligados à rede;
Os sistemas autónomos.
A Figura 3.13 apresenta os diferentes tipos de ligações das instalações fotovoltaicas, e as
suas variáveis.
Figura 3.13 – Tipos de Instalações fotovoltaicas.
3.4.1
Sistemas Autónomos
Os sistemas autónomos constituíram o primeiro campo de aplicação da tecnologia
fotovoltaica. A aplicação deste tipo de sistemas autónomos, observa-se onde o fornecimento de
energia através da rede pública de distribuição de energia eléctrica não se verifica por razões
técnicas e/ou económicas. Nestes casos, os sistemas fotovoltaicos autónomos podem constituir
alternativas com uma vertente económica de elevado interesse. Este cenário vem ao encontro
do grande potencial para a implementação dos sistemas autónomos, nos países que possuem
grandes áreas sem o fornecimento de energia eléctrica.
No campo das pequenas e notáveis aplicações Solares de fornecimento de energia
eléctrica, também podemos observar consideráveis aplicações: calculadoras electrónicas,
carregadores de pilhas, lanternas e rádios, são alguns dos exemplos conhecidos que utilizam
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 25 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
células solares de reduzida dimensão. As Figuras 3.14 e 3.15 apresentam algumas aplicações de
sistemas autónomos.
Figura 3.14 – Iluminação Solar para pavimentos.
Fonte: Decoralis (www.decoralis.com).
Figura 3.15 – Bicicleta Solar.
Fonte: The Electrobike Pi, Warren McLaren (www.treehugger.com).
Nos sistemas autónomos, o aproveitamento da energia solar precisa ser ajustado à
necessidade, uma vez que a energia produzida não corresponde na maior parte das vezes à
necessidade pontual de energia do consumidor, tornando-se assim fundamental considerar um
sistema de armazenamento (baterias) e meios de apoio complementares de produção de
energia (sistemas híbridos).
Em geral, a utilização de acumuladores obriga a que se torne indispensável a utilização de
um regulador de carga adequado que faça a gestão do processo de carga, de forma a proteger e
garantir uma elevada fiabilidade e um maior tempo de vida útil dos acumuladores. Assim sendo,
pode-se identificar na Figura 3.16 os diferentes equipamentos constantes num sistema
autónomo típico:
Fonte Fotovoltaica: Um ou vários módulos fotovoltaicos.
Regulador de Carga: Efectua a gestão da carga de forma a obter perfis compatíveis
com a radiação disponível e com a capacidade das baterias.
Acumulador: Baterias asseguram o abastecimento nos períodos em que a energia
produzida pela fonte fotovoltaica é insuficiente ou não está disponível; as baterias são
Pag. 26 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
carregadas quando o recurso disponível permite obter uma potência superior à
potência de carga.
Inversor: Requerido caso haja cargas alimentadas em AC.
Cargas.
Regulador de Carga
Carga
Gerador
Fotovoltaico
Acumulador
Figura 3.16 – Princípio de funcionamento de um sistema fotovoltaico autónomo.
3.4.2
Sistemas Ligados à Rede
Nos sistemas ligados à rede de energia eléctrica, que entregam toda a energia que
produzem à rede, é necessário um inversor que serve de elemento de interface entre o painel
fotovoltaico e a rede, de modo a transformar a corrente contínua (DC) do painel fotovoltaico,
em corrente alternada (AC) exigida pela rede.
Um sistema fotovoltaico com ligação à rede é composto geralmente, pelos seguintes
componentes:
Gerador fotovoltaico: constituído normalmente por vários módulos fotovoltaicos
dispostos em série e/ou em paralelo em estruturas de suporte.
Caixa de junção: equipada com dispositivos de protecção e interruptor DC.
Inversor.
Mecanismo de protecção e contagem.
A Figura 3.17 mostra a estrutura principal de um sistema fotovoltaico com ligação à rede
eléctrica.
Módulos Fotovoltaicos
+
Estrutura
Protecções
Inversor
Contador de Energia
Figura 3.17 – Estrutura Principal de um sistema fotovoltaico com ligação à rede.
Fonte: Lassothesun (www.lassothesun.ca).
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 27 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Inicialmente, o local preferencial para a instalação fotovoltaica foi no topo dos telhados
dos edifícios, como apresentado na Figura 3.18, mas a integração dos sistemas fotovoltaicos em
diferentes tipos de prédios (apartamentos, escolas, centros comerciais), tem vindo a ganhar um
espaço cada vez maior na sua aplicação.
Figura 3.18 – Sistema fotovoltaico ligado à rede, instalado num telhado.
Fonte: Labeee (www.labeee.ufsc.br).
Actualmente, os grandes projectos fotovoltaicos que são construídos à superfície do solo
estão em franca expansão, formando grandes centrais fotovoltaicas ligadas à rede eléctrica. Tal
como exposto na Figura 3.19, este tipo de projecto fotovoltaico tem vindo a ser promovido por
empresas operadoras do sector eléctrico e por investidores particulares.
Figura 3.19 – Grande sistema fotovoltaico com ligação à rede, no solo.
Fonte: Serpa (http://energiasrenovaveis.wordpress.com).
3.5
Caracterização da Localização de um Sistema Fotovoltaico
Para maximizar o rendimento de uma célula fotovoltaica, a escolha do local para uma
instalação solar fotovoltaica é fundamental, já que os níveis de radiação solar e condições de
temperatura são pontos preponderantes para uma instalação deste tipo.
Na Europa existe uma grande diferença entre os níveis de radiação solar em função da
estação do ano, com valores extremos no verão e inverno: 1.900 kWh/m² e 700 kWh/m²,
respectivamente.
Na Figura 3.20 pode-se apreciar a distribuição global de irradiação solar, em Portugal e no
resto da Europa.
Pag. 28 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.20 – Distribuição global da irradiação solar em kWh/m² no plano horizontal.
Fonte: JRC (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/).
Em Portugal, estes valores poderão situar-se entre os 1.800 kWh/m² no verão e os 1.300
kWh/m² no inverno.
As diferenças da irradiação solar em Portugal são apresentadas na Figura 3.21,
evidenciando a radiação no plano horizontal e radiação no plano com inclinação óptima,
respectivamente.
Figura 3.21 – Radiação global anual em Portugal – Plano Horizontal e Óptimo.
Fonte: Joint Research Centre (JRC - http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/).
3.5.1
Equipamentos para Medição da Radiação Solar
A medição da radiação Solar pode ser efectuada com piranómetros, com sensores
fotovoltaicos, ou indirectamente através da análise das imagens de satélite.
Os piranómetros são instrumentos de medição de elevada precisão, que medem a
radiação solar num plano horizontal. Compõem-se principalmente de duas semi-esferas de
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 29 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
vidro, um prato de metal preto, que é usado como superfície absorvente, por termo elementos
e por uma concha de metal branco, disposta na Figura 3.22. A radiação solar atravessa o vidro
semi-esférico, incidindo perpendicularmente sobre a superfície absorvente, aquecendo-a. Uma
vez que o aquecimento depende directamente da irradiação, esta pode ser calculada
recorrendo à diferença de temperatura entre o metal branco e a superfície absorvente. A
tensão de saída vai ser proporcional à radiação global.
Figura 3.22 – Piranómetro.
Fonte: isr (www.isr.uc.pt).
Por razões de custo e por simplicidade de utilização, também se aplicam com frequência
os sensores fotovoltaicos. Na maioria dos casos, são utilizados sensores de silício cristalino, que
basicamente consistem numa célula solar, que fornece uma corrente eléctrica proporcional à
irradiância solar.
Contudo, certas partes da radiação solar não são medidas com total precisão devido à
sensibilidade ao espectro. Alcança uma precisão média de medida de 2% a 5% por ano,
conforme a calibragem e a estrutura do sensor. Pode-se atingir uma precisão abaixo de 4% com
a calibragem e a utilização de sensores de radiação laminados para compensar a variação da
temperatura.
Os sensores solares fotovoltaicos são muitas vezes instalados como um instrumento
operacional de controlo nos sistemas fotovoltaicos de maior dimensão, semelhantes ao da
Figura 3.23, permitindo assim avaliar o desempenho do sistema solar fotovoltaico através da
sua comparação. Neste contexto, deve-se salientar que um sensor do mesmo tipo (amorfo,
silício monocristalino e policristalino), aumenta a precisão e simplifica a avaliação.
Figura 3.23 – Sensor radiação solar.
Fonte: Logotronic (www.logotronic.at).
Um pireliometro, como se pode verificar na Figura 3.24, é o instrumento que serve para
medir a intensidade da radiação Solar directa numa superfície perpendicular aos raios Solares.
Pag. 30 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.24 – Pireliometro.
Fonte: isr (www.isr.uc.pt).
Conhecendo o valor da radiação global e da directa, pode-se obter o valor da radiação
difusa, no entanto esta pode ser mensurada utilizando um piranómetro, já anteriormente
apresentado. Para isso coloca-se uma tela semicircular que se opõe à radiação directa,
produzindo sombra durante todo o dia sobre o piranómetro, conforme Figura 3.25. Esta
recebe então a radiação difusa.
Figura 3.25 - Medição da radiação difusa.
Fonte: isr (www.isr.uc.pt).
3.6
Colocação dos Painéis Solares
Para a correcta instalação dos módulos fotovoltaicos, é necessário antecipadamente
conhecer o funcionamento do sistema solar.
3.6.1
Geometria Solar - Declinação
Devido à declinação do eixo da Terra, o Sol não a atinge sempre da mesma forma para a
mesma hora do dia. A Terra descreve uma trajectória elíptica anualmente em torno do Sol num
plano inclinado de aproximadamente 23,45° em relação ao plano equatorial.
Esta declinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação
à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano, tal como representado na
Figura 3.26.
Figura 3.26 – Trajecto do Sol em determinados dias das estações.
Fonte: isel (www.isel.pt) [10].
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 31 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
O ângulo
que os raios solares fazem com o plano equatorial ao meio dia solar é
chamado ângulo de inclinação, representado na Figura 3.27 que pode ser determinado através
da expressão 3.8. Este ângulo varia de 23,45° em 21 Junho a -23,45° em 21 de Dezembro,
sendo igual a zero nos dias 21 de Setembro e 21 de Março. Estes dias correspondem ao início
de cada estação do ano.
23,45.sen
360
n 81
365
, n 1,2,3, ..., 365 (3.8)
Figura 3.27 – Representação dos ângulos de inclinação solar.
Fonte: isel (www.isel.pt).
A Figura 3.28 apresenta a melhor inclinação para colocar um painel solar fotovoltaico,
com o objectivo de maximizar a radiação solar. Normalmente este coloca-se com uma
inclinação igual à da latitude do local.
Figura 3.28 – Representação de um painel segundo a latitude do local.
Fonte: isel (www.isel.pt).
Isto significa que no hemisfério Norte os painéis são colocados virados para sul. Se
desejarmos aproveitar mais radiação no Inverno, devemos colocá-los com uma inclinação
maior do que L e no Verão com uma inclinação inferior a L.
3.6.2
Posição Solar
A posição do Sol pode ser conhecida a qualquer hora do dia em termos do ângulo de
altitude
e o ângulo do seu azimute
S
(onde o índice s significa relativo ao Sol), que é o
ângulo compreendido entre a projecção do Sol sobre o plano do horizonte e a mesma
projecção ao meio-dia local, tal como representado na Figura 3.29.
Pag. 32 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.29 – Representação de um painel segundo a latitude do local.
Fonte: isel (www.isel.pt).
Para determinar o ângulo de altitude , pode-se utilizar a expressão 3.9.
sen
cos L.cos
H
Para determinar o ângulo do seu azimute
sen
S
S
sen L.sen
(3.9)
, pode-se utilizar a expressão 3.10.
cos
cos
H
(3.10)
Onde H é o chamado ângulo horário. Este ângulo representa o número de graus que a
Terra tem de girar até chegar ao meio-dia do seu meridiano local.
Na Figura 3.30 está representado o ângulo horário em função do numero de horas.
H 15 x nº de horas que faltam até ao meio dia solar
(3.11)
Figura 3.30 – Ângulo horário.
Fonte: isel (www.isel.pt).
Para o local do projecto, Sevilha (L = 37°), o ângulo de altitude
S
e o ângulo de azimute
para as 12:00 no Solstício de Junho (n = 172), são determinados pela expressão 3.8.
23,45.sen
360
172 81
365
23,45
H 15 . 0 0
sen
cos 37 .cos 23,45.cos 0
sen
S
cos 23,45.sen 0
cos 76,45
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
sen 37 .sen 23,45
S
76,45
0
Pág. 33 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
3.7
Radiação Solar
É a designação dada à energia radiante pelo Sol, em particular aquela que é transmitida
sob a forma de radiação electromagnética. Cerca de metade desta energia é emitida como luz
visível na parte de frequência mais alta do espectro electromagnético, e o restante na banda
próxima do infravermelho e como radiação ultravioleta.
A radiação electromagnética solar é constituída por partículas designadas por fotões,
que transportam o campo electromagnético. Contudo, o próprio campo electromagnético em
propagação é um fenómeno ondulatório, ou seja, é a propagação de uma onda no espaço. As
ondas electromagnéticas são uma combinação de um campo eléctrico e de um campo
magnético que se propagam através do espaço transportando energia.
O Sol fornece energia na forma de radiação, que é a base de toda a vida na Terra. No
centro do Sol, a fusão transforma núcleos de hidrogénio em núcleos de hélio, em que durante
este processo, parte da massa é transformada em energia.
Devido à grande distância existente entre o Sol e a Terra, apenas uma mínima parte da
radiação solar emitida atinge a superfície da Terra. Esta radiação corresponde a uma
quantidade de energia de 1,5 x 1018 kWh/ano.
De acordo com a evolução da exploração das reservas de petróleo e de gás, é previsto
que as reservas se esgotem nas três primeiras décadas deste século. Mesmo no caso de serem
descobertos novos depósitos, apenas se prolongará a dependência da energia fóssil por mais
algumas décadas.
A quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra corresponde,
aproximadamente, a dez mil vezes à procura global de energia. Assim, para satisfazer a procura
energética total da humanidade tinha-se apenas de utilizar 0,01% desta energia.
3.7.1
Distribuição da Radiação Solar
A intensidade da radiação solar fora da atmosfera, depende da distância entre o Sol e a
Terra, que durante o decorrer do ano pode variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km. Devido a
este facto, a irradiação varia entre 1373 W/m² e 1353 W/m², segundo a World Meteorological
Organization (WMO) e a NASA. O valor designado por constante Solar da irradiação é E0 =
1.367 W/m².
No entanto, apenas uma parte da quantidade total da radiação solar que chega à Terra
atinge a superfície terrestre. A atmosfera reduz a radiação solar devido a:
Reflexão (nuvens);
Absorção (ozono, vapor de água, oxigénio, dióxido de carbono);
Difusão (partículas de pó, poluição).
Pag. 34 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
O nível de irradiância na Terra atinge um total aproximado de 1.000 W/m² ao meio-dia,
em boas condições climatéricas.
A radiação disponível à superfície terrestre é formada por três componentes:
Directa: A que vem directamente desde o disco Solar;
Difusa: A proveniente de todo o céu excepto o disco Solar (principalmente das
nuvens);
Reflectida: A proveniente da reflexão no chão e dos objectos circundantes.
Os diferentes tipos de radiação solar estão apresentados na Figura 3.31.
Figura 3.31 – Luz Solar. Tipos de radiação.
Fonte: Raplus (www.raplus.pt).
A radiação solar que chega à Terra depende, como já foi visto, da hora e dia do ano em
que se encontra. A expressão 3.12 é usada para a determinar.
I0
E 0 . 1 0,034.cos
360
.n , onde E 0
365
1367W/m 2 e n
1,2,3, ..., 365 (3.12) [11]
Os raios solares ao passar pela atmosfera são em grande parte absorvidos de modo que
menos de metade da radiação que chega à atmosfera atinge a superfície da Terra. Com a
expressão 3.13 pode-se determinar a radiação incidente num plano normal ao dos raios
incidentes.
IB
A.e
k.m
(3.13)
Onde,
A
1160 75 . sen
k
0,174
m
1
sen
360
. n 275 ,W/m 2
365
0,035.sen
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
360
. n 100
365
(3.14)
Pág. 35 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Através das expressões 3.14 são determinadas as diferentes variáveis para o local da
instalação, considerando os dados acima apresentados.
90 - L
90
37
1160 75 . sen
k
0,174 0,035.sen
1
sen
76,45
360
. 172 275
365
A
m
23,45
360
. 172 100
365
1
sen 76,45
(3.15)
1087 W/m 2
0,21
1,029
Logo a radiação incidente é:
IB
3.7.1.1
A.e
k.m
0,21.1,029
1087.e
876W/m 2
(3.16)
Radiação Solar Directa
A radiação directa é aquela que alcança a superfície directamente desde o Sol. Nos dias
claros, a componente da radiação directa prevalece, mas no entanto, na maioria dos dias
cobertos de nuvens (especialmente no Inverno), a radiação solar é na sua maioria difusa. Em
Portugal, a proporção da radiação solar difusa durante um ano, é cerca de 40% para 60 % de
radiação directa.
Se o painel não estiver colocado perpendicularmente à direcção dos raios incidentes, a
radiação é dada em função do ângulo de incidência , conforme a Figura 3.32.
Figura 3.32 – Ângulo de incidência da radiação Solar sobre um painel virado a sul.
Fonte: isel (www.isel.pt).
I BC
I B .cos
sendo :
I BC radiação directa
IB
(3.17) [ix]
radiação incidente
Na Figura 3.33 é apresentado o ângulo de incidência , na qual é dado em função da
orientação do painel e dos ângulos de altura
e azimute solar
S,
como demonstra a
expressão 3.18.
cos
Pag. 36 de 96
cos
(
S
C
).sen
sen
(3.18)
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.33 – Ângulo de incidência da radiação Solar sobre um painel em qualquer posição.
Fonte: isel (www.isel.pt).
A radiação directa para o local do projecto, considerando os dados acima determinados
assim como o ângulo de elevação do painel de
n
= 30°,
C=2°
sudeste, é a seguinte:
172
360
172 81
365
23,45.sen
H 15 . 0
sen
sen
cos
23,45
0
cos 37 .cos 23,45.cos 0
cos 23,45.sen 0
cos 76,45
S
cos 76,45 .cos (0
sen 37 .sen 23,45
S
(3.19)
76,45
0
2 ).sen30
sen 76,45 .cos 30
16,4
A radiação directa é:
I BC
3.7.1.2
I B .cos
876.cos16, 4
840 W/m 2
(3.20)
Radiação Solar Difusa
A radiação solar difusa é aquela que é recebida indirectamente, resultante da acção das
nuvens, nevoeiro, poeiras em suspensão e outros obstáculos na atmosfera.
O calculo desta radiação é bastante mais complexa, devido ao facto de ser mais difícil de
estimar. Os modelos usados para a determinar consideram que esta depende da radiação solar
directa. Considerando C o factor de difusão, a radiação difusa pode ser calculada pela
expressão 3.21.
I DH
C
C.I B
0,095 0,04.sen
360
n 100
365
,n
1,2,3, ..., 365
(3.21) [ix]
sendo :
I DH radiação difusa
Com isto, pode-se conhecer quanto desta radiação difusa atinge o painel, que é quando
realmente interessa. A expressão 3.22 determina esse valor para um painel colocado com um
ângulo de inclinação .
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 37 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
I DC
C.I B .
1 cos
2
(3.22)
sendo :
I DC radiação difusa que atige o painel
A radiação difusa para o local do projecto, considerando os dados acima determinados,
é a seguinte:
C
0,095 0,04.sen
360
172 100
365
(3.23)
0,133
A radiação difusa é:
I DC
3.7.1.3
C.I B .
1 cos
2
0,133.876.
1 cos 30
2
109 W/m 2
(3.24)
Radiação Solar Reflectida
A radiação solar proveniente de tudo o que rodeia uma instalação fotovoltaica é a
radiação reflectida, ou seja, é a radiação reflectida pelo solo (albedo) e todos os outros
objectos circundantes.
Entre outros modelos, a radiação solar reflectida pode ser determinada através de um
índice de reflexão , tomando em consideração o local onde o módulo fotovoltaico está
instalado. A radiação solar reflectida incidente num painel colocado num determinado ângulo
de altura
é dada pela expressão 3.25, mas quando o painel está na horizontal,
= 0,
correspondendo a IRC = 0.
I RC
B
. sen
C.
1 cos
2
(3.25) [ix]
sendo :
albedo
IB
radiação incidente
A radiação reflectida é:
I RC
B
. sen
C.
0,25.876. sen 76,45
1 cos
2
1 cos 30
0,133 .
2
(3.26)
16 W/m
2
O albedo varia de acordo com a composição da superfície terrestre, sendo que quanto
maior for o albedo, maior é a reflexão da luz solar (pelo que mais brilhantes ficam as zonas
adjacentes) e a respectiva radiação difusa. Trata-se de um dado inicial Solicitado por alguns
programas de simulação, que pode-se assumir um valor geral de 0,25 para o albedo. No
entanto, na Tabela 3.3 são apresentados alguns valores típicos do albedo para diversas
superfícies.
Pag. 38 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Tabela 3.3 – Albedo para diferentes superfícies.
Fonte: Oke, 1998.
Superfície
Pastos
Relva
Terra
Asfalto
Betão liso
Areal
Neve fresca
Neve velha
3.7.2
Albedo
0,16 - 0,26
0,18 - 0,23
0,17
0,15
0,3
0,15 - 0,45
0,95
0,40
Radiação Solar em Superfícies Inclinadas Fixas
A radiação solar numa superfície perpendicular à direcção da sua propagação é sempre
maior que para a mesma superfície colocada em qualquer outra posição. Como o azimute e a
altura solar varia ao longo do dia e do ano, o ângulo de incidência da radiação solar óptimo
também varia. Para demonstrar este aspecto pode-se verificar na Figura 3.34 a irradiação solar
média que incide numa área de um metro quadrado, em função do azimute e da altura solar.
Figura 3.34 – Energia incidente diária média para o centro de Portugal (kWh/m²).
Fonte: Solterm (www.ineti.pt)
A orientação da instalação solar tem por resultado diferentes níveis de irradiação. Em
Portugal, a orientação óptima de uma instalação é a direcção Sul, com um ângulo de 35° de
inclinação. Neste caso, o nível de irradiação é quinze por cento maior do que para uma área
horizontal.
A instalação de instalações solares fotovoltaicas em telhados inclinados, com orientações
diferentes à da posição óptima, traduz-se numa menor produção de energia eléctrica devido à
redução da radiação. Uma orientação dos telhados para Sudoeste ou Sudeste, ou uma
inclinação entre 20 e 50 do painel fotovoltaico, implicam uma redução de energia eléctrica
produzida de aproximadamente 10%. Para inclinações e orientações com uma variação superior
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 39 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
aos valores referidos, a construção da instalação solar fotovoltaica deverá ser repensada, já que
muito dificilmente esta amortizará o seu investimento.
Desta forma, para um sistema fotovoltaico autónomo de utilização apenas no Verão,
deve ser considerado um pequeno ângulo de inclinação para que se possua um maior
rendimento, enquanto que para sistemas fotovoltaicos ajustáveis, pode-se tomar em
consideração ambas as posições solares ideais, a posição diária e a posição sazonal.
3.7.3
Radiação Solar em Superfícies Orientadas
Normalmente um sistema que siga o Sol é designado por seguidor solar. Este sistema,
conforme ilustração da Figura 3.35, permite aproveitar melhor a radiação solar visto colocar os
painéis solares com uma orientação no sentido de receber os raios solares sempre na
perpendicular. Podem obter-se ganhos consideráveis de radiação através deste movimento. No
verão, nos dias sem nuvens estes ganhos podem atingir 50%, enquanto que no Inverno pode
atingir 30%, quando comparados com uma superfície fixa.
Figura 3.35 – Sistema de orientação solar.
Fonte: Soltec (http://soltec-renovables.com).
Há dois tipos de seguidores solares que permitem o movimento dos painéis de acordo
com a deslocação do Sol: os seguidores que têm dois eixos e os seguidores que têm apenas um
eixo.
Os seguidores com dois eixos focam sempre o Sol na melhor posição, permitindo variar a
regulação da orientação e da inclinação, obtendo com isso um maior aproveitamento da
radiação solar, conduzindo obviamente a uma maior produção de energia eléctrica (Figura
3.36). Este sistema é muito mais caro e possui maiores custos de manutenção,
comparativamente com o sistema fixo.
Os seguidores com um eixo podem ser executados de forma a permitir a regulação da
orientação ou da inclinação, conforme o local e aplicação, conduzindo a uma menor produção
de energia eléctrica relativamente ao sistema com dois eixos. Requer um sistema de controlo
eléctrico mais simples e com menores custos de manutenção.
Pag. 40 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Figura 3.36 – Irradiância para duas situações: situação fixa e orientação a 2 eixos (Para uma
instalação com uma potência de 5 kWp)
Fonte: Joint Research Centre (JRC - http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/).
O seguidor solar normalmente é equipado com um sistema de controlo eléctrico, cuja
alimentação de energia eléctrica terá de ser garantida, reduzindo a eficiência energética global
do sistema.
Caso o sistema de orientação e comando deixe de funcionar correctamente, o sistema
fotovoltaico pode ficar estagnado numa posição desfavorável, o que conduz a uma diminuição
considerável da radiação captada durante o período de estagnação, capaz de produzir bastante
menos energia que um sistema fixo devidamente orientado e inclinado.
A orientação do painel segundo apenas um eixo é normalmente implementada no
sentido Leste – Oeste (E-W), idêntico ao da Figura 3.37.
Figura 3.37 – Painel orientável segundo um eixo.
Fonte: isel (www.isel.pt).
A radiação directa, difusa e reflectida em planos orientáveis segundo um eixo podem ser
determinadas pelas expressões 3.27.
I BC
I B .cos
I DC
C.I B .
I RC
B
1 cos 90
2
. sen
C.
1 cos 90
2
(3.27) [9]
sendo :
albedo
I B radiação incidente
Sendo,
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 41 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
804 W/m 2
I BC
876.cos23,45
I DC
0,133.876.
I RC
0,25.876. sen 76,45
1 cos 90
76,45 23,45
2
1 cos 90
0,133 .
(3.28)
105 W/m 2
76,45
2
23,45
24 W/m 2
A orientação do painel segundo os dois eixos é mais complexa e é feita no sentido E-W e
N-S, idêntico ao da Figura 3.38.
Figura 3.38 – Painel orientável segundo dois eixos.
Fonte: isel (www.isel.pt).
As radiações directa, difusa e reflectida em planos orientáveis segundo dois eixos podem
ser determinadas pelas expressões 3.29.
I BC
IB
I DC
C.I B .
I RC
B
1 cos 90
2
. sen
C.
(3.29)
1 cos 90
2
Sendo,
3.8
I BC
876 W/m 2
I DC
0,133.876.
I RC
0,25.876. sen 76,45
1 cos 90
2
76,45
0,133 .
115 W/m 2
1 cos 90
2
76,45
(3.30)
3 W/m 2
Sombras
Num sistema fotovoltaico é fundamental conhecer as consequências do sombreamento
de um modulo fotovoltaico, e que medidas se podem tomar no sentido de evitar a diminuição
drástica da energia produzida.
3.8.1
Análise de Sombras.
As sombras interferem muito mais sobre a produção de uma instalação solar fotovoltaica
do que sobre as instalações solares térmicas. Numa instalação solar térmica uma sombra de
30% reduz a produção de energia na ordem dos 30%, enquanto que um sombreamento de 30%
numa instalação solar fotovoltaica, pode diminuir a produção de energia na ordem dos 80% a
90% [12].
Pag. 42 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
3.8.1.1
Tipos de Sombras.
As sombras podem-se dividir em sombras temporais, sombras devido à localização e
sombras devido ao próprio edifício.
Sombras temporais
As sombras temporais são causados, por exemplo, devido à neve, ás folhas de
árvores, a excrementos de pássaros, ao pó e a demais sujidades. Em qualquer uma das
circunstâncias, estas sombras não podem ser ignoradas. A auto-limpeza significa que os
elementos que provocam a sombra, dissolvem-se devido à água da chuva, ou à inclinação
dos painéis fotovoltaicos ou à acção do vento. Quando a inclinação dos painéis é menor que
20°, a auto limpeza é baixa, enquanto que para maiores inclinações a auto limpeza pela
chuva e vento é maior. Numa instalação com uma inclinação superior a 25°, as perdas por
sujidade são da ordem de 2 – 5%. Em regiões onde neva muito, devem-se colocar os
módulos na horizontal para que se reduza as perdas devido ás sombras.
Sombras devido à localização
São sombras ocasionadas por edifícios redundantes, árvores, linhas aéreas e também
por edifícios que se encontram entre o horizonte e a instalação. Há que destacar que as
sombras devidas a objectos que se situam muito perto do gerador fotovoltaico são mais
prejudiciais que as devidas a objectos que se situam mais longe.
Sombras devido ao edifício
São devidas ao próprio edifício, por isso são muito próximas e muito prejudiciais. São
originadas por chaminés, pára-raios, antenas, parabólicas, ressaltos do próprio telhado, etc.
Estas sombras podem ser atenuadas com a alteração da localização dos painéis
fotovoltaicos ou com a alteração do elemento causador da sombra.
3.8.1.2
Cálculo das Sombras
Para se conhecer quando é produzido o sombreamento é necessário analisar o local da
instalação em função do meio ambiente, tais como, a queda neve, pó, queda de folhas,
arvores, etc, conforme exemplificação na Figura 3.39.
Figura 3.39 – Altura solar e do azimute de um obstáculo.
Fonte: Instalaciones Fotovoltaicas, Manual para uso de Instaladores.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 43 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
A sombra é geralmente determinada relativamente a um ponto médio do painel solar
fotovoltaico.
A altura solar calcula-se a partir da diferença entre a altura da instalação fotovoltaica,
h1, a altura do objecto que provoca a sombra, h2 e da sua distancia d.
tan
3.8.1.3
h2 h1
(3.31)
d
Sombras Produzidas pela Própria Instalação.
Em várias situações as instalações fotovoltaicas são montadas sobre superfícies planas.
Em princípio podia-se montar os módulos na horizontal, já que desta forma não se produziam
sombras. Contudo, visto que na maioria das situações interessa dispor os módulos com uma
certa inclinação sobre a superfície horizontal, então há que procurar que as filas de módulos
não façam sombras umas ás outras.
Geralmente em Portugal utiliza-se para instalações de ligação à rede eléctrica um ângulo
de inclinação de 35°, já que é o ângulo que maximiza a radiação incidente anual.
No caso de instalações desligadas da rede eléctrica, pode-se utilizar uma inclinação na
ordem dos 55–60°, já que favorece a captação nos meses de menor radiação (inverno). Se a
necessidade da produção é para o verão, então a inclinação óptima é da ordem dos 15°–20°.
Para instalar o painel fotovoltaico é necessário estimar a distância entre as estruturas,
pelo que na Figura 3.40, demonstra as variáveis que são usualmente utilizadas.
Legenda:
a – altura do módulo
d – distancia entre filas
d1 – distancia entre estruturas
h – altura da estrutura
- inclinação dos módulos
- ângulo de altura Solar
Figura 3.40 – Distancias entre filas para evitar sombras.
Fonte: Instalaciones Fotovoltaicas, Manual para uso de Instaladores [7].
A distância entre as filas de módulos depende da altura destes assim como da sua
inclinação, , e do ângulo da altura solar, , no local da instalação dada pela expressão 3.32.
d
Pag. 44 de 96
a.
sen 180º
sen
(3.32)
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Em 21 de Dezembro, o ângulo de altura solar, , corresponde ao seu menor valor.
Em Portugal, a distancia mínima entre estruturas, d1, deve ser da ordem de 2,5 vezes a
altura h, já que o ângulo solar ás 12 h do dia 21 de Dezembro é da ordem de 25°:
d1
2,5 . h
(3.33)
Como se pode verificar, a orientação óptima de um painel fixo não é obvia. Na prática
recomenda-se que sejam orientados de modo a que a sua parte frontal fique virada para o Sul
geográfico (ou Norte, quando instalados no hemisfério Sul). Quando o Sol alcançar para o
ponto mais alto da sua trajectória (meio-dia), a sua posição coincide com o Sul geográfico.
Para se conseguir um melhor aproveitamento da radiação solar incidente, os módulos
deverão estar inclinados em relação ao plano horizontal num ângulo que variará com a
latitude do local da instalação, onde se recomendada a tabela 3.4 para a selecção dos ângulos
de inclinação.
Tabela 3.4 – Ângulo de inclinação dos painéis.
Utilização
Verão
Inverno
Anual
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Inclinação dos Painéis
Latitude do Local - 15°
Latitude do Local + 15°
Latitude do Local - 5°
Pág. 45 de 96
Capítulo 3 – Tecnologia Solar Fotovoltaica
Pag. 46 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Capítulo 4
Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Este capítulo faz referência aos diferentes equipamentos constituintes de uma
instalação solar fotovoltaica, que se poderão encontrar nos sistemas isolados da rede eléctrica
e nos sistemas ligados à rede eléctrica.
4.1
Módulos Fotovoltaicos
O módulo fotovoltaico é composto por várias células. A célula é o elemento mais
pequeno do sistema fotovoltaico, produzindo tipicamente potências eléctricas da ordem de 1,5
Wp (correspondentes a uma tensão de 0,5 V e uma corrente de 3 A).
Para se obter potências maiores, as células são ligadas em série e/ou em paralelo,
formando módulos (tipicamente com potências da ordem de 50 a 200 Wp) e painéis
fotovoltaicos (com potências bastante superiores).
O símbolo da Figura 4.1 é representado para identificar uma célula solar fotovoltaica,
uma série de células solares, um módulo fotovoltaico, uma fileira de módulos fotovoltaicos ou
um campo fotovoltaico.
Figura 4.1 – Símbolo para células, módulos ou sistemas solares fotovoltaicos.
4.1.1
Constituição
As células fotovoltaicas, após serem soldadas, são encapsuladas com a finalidade de
isolá-las e protegê-las das intempéries, assim como para assegurar uma maior rigidez ao
módulo. O módulo, como mostra a Figura 4.2, é constituído pelas seguintes camadas:
Vidro de alta transparência e temperado,
Acetato de etil vinila (EVA),
Células,
EVA,
Filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro.
A seguir, é colocado o caixilho em alumínio, para fechar, proteger e facilitar a instalação.
A durabilidade destes módulos é superior a 30 anos e actualmente está determinada pela
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 47 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
degradação dos materiais usados no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das células
Solares de silício cristalino é bastante superior.
Figura 4.2 – Constituição de um módulo fotovoltaico.
Fonte: pucrs (www.pucrs.br/cbsolar/ntsolar/energia.php).
4.1.2
Parâmetros e Características dos Módulos
Serão apresentados de seguida os principais parâmetros e comportamentos dos módulos
fotovoltaicos.
4.1.2.1
Parâmetros do Módulo
Os parâmetros eléctricos dos módulos fotovoltaicos são determinados pelos fabricantes
nas condições de referência CTS (apresentadas no ponto 3.2.6):
A corrente de curto-circuito ISC,
A tensão de circuito aberto UOC,
O índice máximo de potência Pmax ou PMPP, são especificados para os módulos solares
com uma margem de tolerância inferior a 3% aproximadamente.
Estas condições ocorrem muito raramente, já que só em muito poucas circunstâncias
existe uma irradiância de 1000W/m² e uma temperatura igual ou inferior a 25°C. Por este
motivo é muitas vezes especificada a temperatura nominal de funcionamento da célula do
módulo (NOCT) 9. Esta temperatura da célula é determinada para um nível de irradiância de 800
W/m², uma temperatura ambiente de 20°C e para uma velocidade do vento de 1 m/s.
Nos módulos standard o valor do NOCT está compreendido entre 42°C e 47°C.
Junto das características nominais (CTS), são frequentemente especificados nas fichas
técnicas dos módulos fotovoltaicos, os coeficientes da tensão e da corrente em função da
temperatura (mV ou mA por °C). Isto permite calcular o desempenho eléctrico para qualquer
temperatura.
De salientar que as fichas técnicas devem contemplar as seguintes normas:
DIN EN 50380: Descrição das fichas técnicas e informação da placa dos módulos
fotovoltaicos, que entre outras tem de ser de classe 2;
9
NOCT - Normal Operating Cell Temperature - Temperatura normal de funcionamento da célula. Valor dado pelo fabricante e que
representa a temperatura atingida pela célula nas condições normais de funcionamento Ta =20°C e I=800 W/m².
Pag. 48 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
IEC 62145: Características eléctricas para baixos níveis de radiação (para
condições NOCT, com 800 W/m² e 20 °C) e corrente inversa máxima admissível.
4.1.2.2
Características Eléctricas de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos
O desempenho e as curvas características dos módulos fotovoltaicos dependem
fundamentalmente da temperatura das células e da irradiação incidente. A intensidade da
corrente que atravessa o módulo é praticamente proporcional à variação da irradiância ao
longo do dia. Por outro lado, a tensão MPP permanece relativamente constante com as
variações da radiação solar, considerando que a temperatura se mantém constante.
Na Figura 4.3 pode-se observar como a diminuição da irradiância afecta a diminuição da
tensão no MPP, supondo que a temperatura do módulo se mantém constante.
Para um módulo de 175 Wp a diminuição da irradiância de 1000 W/m² para 600 W/m²
provoca uma alteração da tensão no MPP em cerca de 2 V.
Figura 4.3 – Curvas I-V e Pmáx-V de um módulo para diferentes radiâncias, a 25°C.
Fonte: Suntech (http://www.suntech-power.com/products/docs/STP175S_24Ab-1BLK.pdf).
Pode-se concluir que quando a irradiância desce para metade, a energia eléctrica
produzida reduz-se também para cerca de metade.
A temperatura do módulo varia constantemente ao longo do dia devido à influência de
factores tais como, a irradiância incidente, a temperatura ambiente, a velocidade e direcção do
vento, as propriedades térmicas do módulo e das condições do local.
Ao aumentar a temperatura do módulo reduz-se a tensão de circuito aberto e a tensão
de máxima potência, enquanto que a corrente permanece praticamente constante.
No dimensionamento de instalações fotovoltaicas, deve-se ter em atenção as tensões
máximas e mínimas que se produzem à saída dos painéis fotovoltaicos, devido às temperaturas
que se alcançam no local da instalação.
De forma a minimizar a perda de potência por temperatura, os módulos fotovoltaicos
devem ser instalados de modo a que possuam uma boa ventilação natural pela parte frontal e
posterior, tal como se pode verificar através da Figura 4.4.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 49 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 4.4 – Comportamento da Voc, Isc para 1.000 W/m² a diferentes temperaturas de célula.
Fonte: Suntech (http://www.suntech-power.com/products/docs/STP175S_24Ab-1BLK.pdf).
Em resumo, pode-se afirmar que em face das diferentes condições de irradiância e de
temperatura um sistema fotovoltaico raramente produz a sua potência nominal, sendo que na
maioria das ocasiões fornece uma potência muito menor (na ordem dos 20%).
Em conclusão pode-se ainda afirmar que com a variação da irradiação varia a corrente,
com a variação da temperatura varia a tensão.
4.1.2.3
Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos de Película Fina
Para além da eficiência, os módulos cristalinos e de película fina diferem em termos da
dependência à intensidade da radiação e à temperatura, da resposta espectral e da tolerância
ao sombreamento.
O processo de degradação do material amorfo por acção da radiação solar provoca a
redução da eficiência do módulo durante os primeiros 6 a 12 meses de operação, mas
decorrido esse período, estabiliza no valor especificado pelo fabricante como sendo a potência
nominal. Isto significa que os módulos de silício amorfo são na realidade fornecidos com uma
potência superior à potência nominal. Este facto deverá ser tido em conta durante o período de
dimensionamento de determinados equipamentos do sistema, tais como os inversores.
Há que realçar que a curva de corrente-tensão dos módulos de película fina é mais plana,
o que leva a uma menor definição do MPP na implica a necessidade de uma regulação mais
precisa. O abatimento das curvas I-U dos módulos de película fina resulta em menores factores
de forma do que para os módulos cristalinos.
Na Tabela 4.1 pode-se encontrar alguns valores dos Factor de Forma, para alguns tipos de
módulos. A qualidade do módulo solar fotovoltaico pode ser avaliado pelo valor do factor de
forma que apresenta, já que quanto maior for, melhor é o módulo.
Pag. 50 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Tabela 4.1 – Factores de forma típicos de módulos fotovoltaicos
No entanto, os módulos de película fina são geralmente mais flexíveis em termos de
dimensões geométricas. Nos módulos cristalinos, as dimensões do módulo são determinadas
pela geometria da pastilha de silício usada, em que a tensão nominal do módulo é por sua vez
um múltiplo das tensões das células individuais ligadas em série. Na tecnologia de película fina,
as células consistem fundamentalmente em tiras de células. Os fabricantes de células e
módulos de película fina têm maior liberdade de escolha no que respeita ao comprimento e
número de tiras celulares interligadas, pelo que é o desenho do módulo que determina a
potência e, consequentemente, a corrente e tensão do mesmo.
Em comparação com os módulos cristalinos, os módulos de película fina comportam-se
melhor na presença de sombras. Nos módulos standard de pastilhas individuais de silício, o
facto de existir uma célula completamente sombreada acarreta a falha de metade do módulo.
Pelo contrário, a forma das células individuais dos módulos de película fina, permite evitar que
as células fiquem completamente sombreadas. Consequentemente, a potência apenas é
reduzida de forma proporcional à área sombreada, pelo que as perdas ocasionadas pelo
sombreamento são frequentemente muito menores do que aquelas que ocorrem com módulos
de silício cristalino.
Normalmente, os módulos de película fina não são sensíveis aos aumentos de
temperatura, isto faz, que a tecnologia de película fina, apresente um bom comportamento
nas aplicações de integração em edifícios onde normalmente é difícil garantir uma boa
ventilação do módulo e um sombreamento mínimo.
4.1.2.4
Díodos de Derivação
A necessidade da colocação de díodos de derivação numa instalação fotovoltaica ocorre
fundamentalmente para reduzir o efeito do sombreamento sobre os módulos fotovoltaicos.
Na Figura 4.5 são assinalados os díodos de derivação, assim como a sua disposição no
interior da caixa de derivação integrada no módulo solar fotovoltaico.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 51 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Díodos
Figura 4.5 – Caixa de junção do módulo com díodos.
4.1.3
Interligação Entre Módulos Fotovoltaicos
Para conhecer o funcionamento de um módulo fotovoltaico, é necessário ter presente
que estes são formados por associações de células. Portanto, o comportamento eléctrico do
módulo vai depender do comportamento que cada uma das células possuírem e de que forma
estejam associadas. Nesse sentido temos duas possibilidades, a interligação de células em série
ou em paralelo.
O número de módulos ligados em série perfaz a tensão do sistema, que por sua vez
determina a tensão de entrada do inversor. Nesta associação deve-se ter bastante atenção à
tensão de circuito aberto da fileira de módulos, já que poderão ser ultrapassadas as tensões de
entrada admissíveis dos inversores.
O número de módulos ligados em paralelo perfaz a corrente do sistema, que por sua vez
determina a corrente do inversor.
Na Figura 4.6 e na Figura 4.7, estão representadas as associações série e paralela de 2
células, respectivamente.
Figura 4.6 – Duas células solares fotovoltaicas ligadas em série.
Figura 4.7 – Duas células solares fotovoltaicas ligadas em paralelo.
4.1.4
Modelo Matemático para a Célula Fotovoltaica
O modelo representado na Figura 4.8 esquematiza o circuito eléctrico equivalente de
uma célula fotovoltaica, como um díodo de três parâmetros. A fonte de corrente IS, representa
a corrente gerada pelo feixe de radiação luminosa constituída por fotões. Esta corrente
eléctrica unidireccional é constante para uma dada radiação incidente. A corrente ID,
Pag. 52 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
representa a troca de electrões na junção P-N, que pode ser representada por um díodo,
devido a ser uma corrente interna unidireccional, que depende da tensão V aos terminais da
célula.
Figura 4.8 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica.
A corrente no díodo, ID é traduzida pela expressão 4.1,
ID
I0 . e
V
m.VT
(4.1)
1
Onde,
ID – Corrente unidireccional
IO – Corrente inversa máxima de saturação do díodo
VT – Tensão aos terminais da célula
m – factor de idealidade do díodo (díodo ideal m = 1, díodo real m > 1)
Através da expressão 4.2,determina-se o valor da tensão aos terminais da célula,
K.T
q
VT
(4.2)
Onde,
K – Constante de Boltzman (1,38x10-23 J/°K)
T – Temperatura absoluta da célula em Kelvin (0°C = 273,16°K)
q – Carga eléctrica do electrão (1,6x10-19)
A corrente na carga é,
I IS
I0
I I s - I0 . e
V
m.VT
1
(4.3)
Pode-se observar o valor do factor de idealidade (díodo ideal m = 1 e díodo real m > 1)
explicitando-o na expressão 4.4 indicada.
V r max - V r ca
m
V r T .ln 1
onde, m '
I r max
I r cc
m
NSM
(4.4)
, sendo :
NSM - o nº de células ligadas em série
V r max
V
r
ca
Tensão max de referência da célula fotovoltaica
Tensão de circuito aberto de referência da célula fotovoltai ca
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 53 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
4.1.4.1
Pontos de Funcionamento
Existem dois pontos de funcionamento para a célula fotovoltaica:
Curto-circuito:
V
I0
0
0
I
(4.5)
Is
I CC
A corrente de curto-circuito, ICC, é o valor máximo da corrente de carga, igual à corrente
gerada por efeito fotovoltaico. O seu valor é característico da célula, sendo um dado fornecido
pelo fabricante para as condições STC.
Circuito aberto:
V
VCA
I
0
V
0 I s - I 0 . e m.VT
V
Is
I0
ln
1
e m.VT
Is
I0
VCA
(4.6)
1
1
Is
I0
m.VT .ln
1
A tensão de circuito aberto VCA é o maior valor que a tensão toma aos terminais da
célula, o seu valor é característico da célula e é fornecido pelo fabricante para condições
standard de radiação e temperatura.
4.1.4.2
Potência Eléctrica, Rendimento e Factor de Forma
Sendo a potência para uma célula fotovoltaica dada pela expressão 4.7.
V
P V.I V. I CC - I 0 e m.VT
(4.7)
1
A potência máxima obtém-se para dP/dV = 0. Então igualando a zero e derivando a
expressão 4.7, tem-se:
V
dP
V. I CC - I 0 e m.VT
dV
V
m.VT
I CC
I0 . e
1
I CC
I 0 . 1 - e m.VT
V. I 0 .e
V
Pag. 54 de 96
1
0
V
m.VT
.
m.VT
m.VT
2
0
(4.8)
V
.
V
.e m.VT
m.VT
0
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
A solução da equação 4.8, estando na forma implícita em V, só pode ser obtida
recorrendo ao uso de métodos iterativos, como por exemplo, Newton-Raphson.
O ponto de potência máxima, corresponde a:
Vmax .Imax (4.9)
Pmax
Ao considerar a expressão 4.9, tem-se para as condições de referência:
r
r
r
r
r
V = V max ; I = I max e P = P max
r
Sendo os valores de V ca ; I cc e P max característicos da célula e fornecidos pelo fabricante.
r
r
Normalmente a maioria dos fabricantes também fornece os valores de V max e I max. De acordo
com o exposto o rendimento da célula fotovoltaica, será dado pela expressão 4.10.
r
P r max
A.G r
(4.10)
Onde,
r
P max – Potência máxima (W)
r
G – Radiação incidente (W/(m2)
A – Área da célula (m2)
Para outro ponto de funcionamento da célula solar fotovoltaica o rendimento é dado
pela expressão 4.11.
Pmax
A.G
(4.11)
O Factor de Forma da célula solar fotovoltaica é dado pela expressão 4.12.
FF
P r max
(4.12)
V r CA . I r CC
r
r
Para células do mesmo tipo os valores de V ca e I cc são praticamente constantes, mas a
forma da curva I – V pode variar consideravelmente. Os painéis em uso comercial apresentam
factores de forma que variam entre 0,7 e 0,85.
4.1.4.3
Deduções do Modelo Matemático
Na situação mais comum os fabricantes de células fotovoltaicas fornecem os valores de
r
r
r
V ca ; I cc e P max, onde desta forma se pode definir o factor de idealidade do díodo, m e a
r
corrente inversa de saturação I 0. 10
V
I I s - I r 0 . e m.V
10
r
T
1
(4.13)
Fonte: isel (www.isel.pt) [3].
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 55 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Curto-circuito:
I
I r CC
Is
(4.14)
Circuito aberto:
I r CC
Ir0
(4.15)
V r CA
r
e m.V T
1
Com as expressões 4.13, 4.14 e 4.15 e substituindo na corrente I que percorre a carga do
modelo, tem-se a expressão 4.16.
V -V r CA
I I
r
r
CC
(4.16)
. 1 e m.V T
Pode-se observar que, m, factor de idealidade, constitui um parâmetro de ajuste da
curva característica corrente-tensão.
r
r
Ao conhecer-se os valores de V max e I max, fornecidos pelos fabricantes das células, podese considerar três pontos de funcionamento do circuito: circuito aberto, curto-circuito e
potência máxima (todos nas condições de referência STC).
Curto-circuito:
Ir s
I r CC
(4.17)
Circuito aberto:
V r CA
0 I
r
s
r
-I 0. e
m.V r T
1 (4.18)
Ponto de potência máxima:
V r max
I
r
max
I
r
s
r
r
- I 0 . e m.V T
1
(4.19)
r
r
Se na expressão 4.19 forem substituídos os valores de I S e I 0, obtidos através dos
pontos de funcionamento em circuito aberto e em curto-circuito, obtém-se a expressão 4.20.
V r max -V r CA
I
r
max
I
r
CC
.1 e
m.V r T
(4.20)
Onde se pode observar o valor do factor de idealidade, explicitando-o na expressão
4.21.
m
m'
Pag. 56 de 96
V r max - V r ca
I r max
V r T .ln 1
I r cc
(4.21)
m
NSM
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Assim, obtido o valor do factor de idealidade do díodo, pode-se agora obter o valor da
corrente inversa de saturação, nas condições de referência, através das equações 4.17 e 4.18,
correspondentes aos pontos de circuito aberto e curto-circuito.
I r CC
Ir0
(4.22)
V r CA
r
e m.V T
1
A corrente inversa de saturação pode ser calculada, tendo em conta as propriedades do
material de que a célula é fabricada, por exemplo o silício.
3
T
I 0. r
T
r
I0
.e
1 1
.
m ' VTr VT
(4.23)
Onde,
IO – Corrente inversa máxima de saturação do díodo
D – Constante
– Hiato do silício (1,12 eV)
m’ – factor de idealidade equivalente
m – factor de idealidade do díodo (díodo ideal m = 1, díodo real m > 1)
NSM – nº de células ligadas em série
VT – Tensão aos terminais da célula
T – Temperatura absoluta da célula em Kelvin (0°C = 273,16 K)
A tensão máxima que se poderá atingir em cada instante é dada pela expressão 4.24.
I ccr
Vmax
r
I max
.
m.VT .ln
Ir 0.
T
Tr
3
.e
m'
G
Gr
.
1
1
VTr
VT
(4.24)
No que respeita à determinação das correntes de referência, podem-se utilizar as
seguintes deduções matemáticas.
r
Vmax
Vcar
I r max
I
4.2
I r cc . 1 e
max
m.VTr
G r
I max
Gr
(4.25)
(4.26)
Quadro Geral, Díodos de Bloqueio e Fusíveis
As fileiras individuais são ligadas entre si no quadro geral do gerador fotovoltaico, assim
como o cabo principal DC para ligação ao Inversor.
Normalmente no quadro geral do gerador fotovoltaico pode-se encontrar, aparelhos de
corte, fusíveis, díodos de bloqueio, descarregador de sobre tensões, interruptor principal DC,
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 57 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
barramentos, bornes de ligação e condutores. Este deve possuir IP 54, ser de classe II, e possuir
os terminais positivos e negativos claramente separados e identificados no interior da caixa.
Na Figura 4.9 está representado um quadro DC, equipado com os seus respectivos
aparelhos de corte e protecção.
Descarregador
Sobretensões
Interruptor
Seccionador
Fusível
Figura 4.9 – Quadro DC do gerador fotovoltaico.
Para proteger os módulos e os cabos das séries de sobrecargas, são colocados fusíveis em
todos os condutores activos (positivos e negativos). Deve-se garantir que estes fusíveis são
concebidos para funcionar em DC, tais como os representados na Figura 4.10.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.10 – Diferentes tipos de fusíveis DC.
Para além dos díodos colocados nas caixas de junção dos módulos fotovoltaicos, pode-se
também encontrar em projectos, díodos no Quadro Geral. Estes díodos tem por finalidade
promover o desacoplamento entre as séries dos módulos, para que caso ocorra um curtocircuito ou o sombreamento de uma fileira, as restantes possam continuar a funcionar
normalmente. A tensão de bloqueio destes díodos deverá ser igual ao dobro da tensão de
circuito aberto da fileira fotovoltaica sob condições STC.
Devido a ser mais um elemento inserido na instalação, este díodo, para além de provocar
perdas na ordem dos 0,5 – 2,0 % na produção de energia, devido à sua queda de tensão,
também poderá provocar a falha de toda a fileira associada se um díodo for danificado. Isto
poderá ser problemático, já que a sua detecção e reparação não será imediata.
Por este motivo, nos sistemas sombreados, a produção energética para sistemas que
usem díodos de bloqueio, não é substancialmente maior à dos sistemas que não possuem
díodos de bloqueio. As perdas devido às correntes inversas são compensadas pelas perdas
originadas pelas quedas da tensão aos terminais dos díodos. Por esse motivo, os díodos de
Pag. 58 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
bloqueio de cada série não são necessários, mas deve-se ter em consideração os seguintes
aspectos:
Os módulos devem ser do mesmo tipo;
Os módulos devem ter protecção de classe II;
Os módulos devem ser certificados para suportar 50% da corrente nominal de curtocircuito quando polarizados inversamente;
A tensão de circuito aberto entre as diferentes fileiras do campo fotovoltaico não deve
ser superior a 5 %.
4.3
Inversor
O inversor é normalmente representado conforme a Figura 4.11, tendo como principal
tarefa converter a corrente contínua do gerador fotovoltaico em corrente alternada, ajustando
para a frequência e o nível de tensão da rede eléctrica a que está ligado.
Figura 4.11 – Símbolo eléctrico do inversor.
4.3.1
Funcionamento
Enquanto que nos sistemas isolados a necessidade de um inversor só existe caso haja
cargas AC, nos sistemas fotovoltaicos ligados à rede essa questão não se coloca, já que o
inversor é fundamental para entregar à rede toda a potência que produz em cada instante.
Para além da principal função do inversor que é converter a potência produzida de DC em AC,
normalmente também está equipado com um MPPT11 (item 4.3.1.1), como representado no
diagrama da Figura 4.12.
Figura 4.12 – Diagrama eléctrico do inversor com MPPT.
Fonte: SMA (www.sma.de).
4.3.1.1
MPPT
A potência máxima produzida pelo sistema fotovoltaico varia com as condições
ambientais tais como a temperatura e a radiação, sendo naturalmente desejável o
11
MPPT - Maximum Power Point Tracker - Seguidor do Ponto de Potência Máximo.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 59 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
funcionamento sempre à máxima potência. De forma a colocar o módulo fotovoltaico no
ponto de operação correspondente à potência máxima (MPP)12, os inversores fotovoltaicos
são equipados com um sistema electrónico designado por seguidor de potência máxima.
O MPPT consiste num conversor electrónico DC/DC que, de acordo com as condições
ambientais de temperatura, radiação e as condições impostas pela rede, ajusta a tensão de
saída do painel de modo a que o seu ponto de tensão corresponda à máxima potência gerada.
Relativamente ao rendimento do MPPT, existe no mercado múltiplas soluções que
apresentam valores acima dos 94% [13].
4.3.2
Tipos de Inversores
Dependendo da aplicação, custo e regulamentação, existem no mercado inúmeros
modelos de inversores, que essencialmente se diferenciam pela sua aplicação, existindo os
inversores utilizados nos sistemas com ligação à rede (inversores de rede) e nos sistemas
autónomos (inversores autónomos).
Inversores de Ligação à Rede:
Inversor Comutado pela Rede;
Inversor Auto-Controlado;
Inversor Sem Transformador.
Inversor Autónomo:
Inversores de onda sinusoidal;
Inversores trapezoidais;
4.3.3
Parâmetros e Curvas Características dos Inversores
A eficiência da conversão caracteriza as perdas originadas pela conversão da corrente DC
em AC. Nos inversores, estas perdas compreendem as perdas ocasionadas pelo transformador
(nos que possuem transformador), pelos comutadores electrónicos, pelo controlador, pelos
dispositivos de registo de dados operacionais, etc.
CONV
PAC
PDC
(4.29)
Sempre no intuito de transformar a máxima potência solar num sinal AC, o inversor tem
de fixar e controlar automaticamente o ponto de máxima potência (MPP), conforme curva de
rendimento apresentada na Figura 4.13.
12
MPP - Maximum Power Point - Ponto de Potência Máximo
Pag. 60 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 4.13 – Curva de rendimento do inversor SB 3800.
Fonte: SMA 3800 (www.sma.de).
A qualidade da capacidade de ajuste do inversor ao ponto de máxima potência é
traduzida pela eficiência do seguimento (MPPT), segundo a expressão 4.30.
PDC
PPV
MPPT
(4.30)
O rendimento total do inversor é obtido pelo produto da eficiência de conversão e de
controlo apresentada em 4.31.
CONV
.
MPPT
(4.31)
Ou por:
PAC
U max .I max
Os
inversores
autónomos
normalmente
(4.32)
apresentam
rendimentos
inferiores
relativamente aos inversores de ligação à rede eléctrica, podendo variar entre os 80 a 95% [14].
4.4
Controladores de Carga
Num sistema autónomo, o controlador de carga como o da Figura 4.14, é o equipamento
mais importante entre o módulo fotovoltaico e a bateria. Este tem a responsabilidade de
manter a bateria carregada em qualquer momento, de forma eficiente e segura.
Figura 4.14 – Controlador de carga/descarga com indicador LCD.
Fonte: ISOLER D, ISOFOTON (http://www.isofoton.com/).
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 61 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Quando uma carga é ligada, a quantidade de energia armazenada na bateria vai
diminuindo durante o período de ligação. Para evitar que a bateria seja demasiadamente
descarregada nos longos períodos sem radiação e de grande consumo, é necessário instalar
um controlador de carga/descarga. Este equipamento faz a monitorização da carga da bateria
e impede que a mesma descarregue completamente, aumentando assim a sua vida útil. Em
períodos de grande radiação e pouco consumo de energia, o controlador desliga os módulos
fotovoltaicos, para evitar que as baterias sejam carregadas em excesso, reduzindo a sua
vida útil.
Para prevenir a descarga da bateria através do sistema fotovoltaico, quando a tensão
fotovoltaica é inferior à tensão da bateria, são utilizados díodos de bloqueio no sistema
fotovoltaico, normalmente integrados no controlador de carga.
4.5
Cabos
Na instalação eléctrica de um sistema solar fotovoltaico apenas devem ser usados cabos
que cumpram os requisitos para esta aplicação. Devem ser utilizados cabos denominados como
“cabos solares”, já que possuem características que, entre outras se destacam a resistência aos
raios ultra-violetas, a temperaturas extremas, ao ozono e à absorção de água, semelhantes ao
da Figura 4.15.
Por razões associadas à protecção contra falhas de Terra e curto-circuitos, é
recomendável o uso de cabos mono condutores isolados para as linhas positivas e negativas.
Figura 4.15 – Cabos Solares de diferentes cores.
Fonte: General Cable (www.generalcable.pt/).
4.6
Interruptor DC
Todos os quadros eléctricos a prever na instalação solar fotovoltaica, deverão estar
providos de um interruptor DC, não só para ser utilizado como corte da energia eléctrica, mas
também para serem operados em trabalhos de manutenção e de reparação. Através do
interruptor principal DC podemos isolar o inversor dos painéis fotovoltaico, como exemplo da
Figura 4.16.
Figura 4.16 – Interruptor principal DC.
Pag. 62 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
O interruptor principal DC deve ter suficiente poder de corte para permitir a abertura do
circuito DC, em boas condições de segurança. Deve estar também dimensionado para a tensão
máxima em circuito aberto do gerador fotovoltaico (à temperatura de -10°C), bem como para a
corrente máxima de curto-circuito (em condições CTS).
4.7
Equipamento de Protecção e Medida em AC
Para protecção da instalação AC, normalmente são utilizados os seguintes
equipamentos:
Disjuntor - Para caso ocorra uma sobrecarga ou um curto-circuito. Estes dispositivos
automáticos são frequentemente usados como interruptores AC.
Disjuntores diferenciais - Para analisar a corrente que percorre os condutores do
circuito eléctrico. Este dispositivo disparará se ocorrer uma falha de isolamento, ou um
contacto directo ou indirecto à terra.
Relativamente aos aparelhos de medida, estes devem permitir a contagem bidireccional
de toda a energia eléctrica produzida para ser entregue à rede eléctrica pública. A contagem
bidireccional é estritamente necessária para evitar e prevenir que o Distribuidor de Energia seja
lesado na alimentação de equipamentos de consumo. Este contador não só regista toda a
energia que é vendida à rede pública, mas também regista toda a energia que o campo
fotovoltaico poderá consumir. Na Figura 4.17 pode-se visualizar os equipamentos referidos.
(a)
(b)
Figura 4.17 – (a) Interruptor; (b) Caixa para contador de Energia AC.
4.8
Acumuladores
O armazenamento de energia eléctrica é um tema central no aproveitamento da energia
solar fotovoltaica nos sistemas autónomos, dado que a produção e o consumo de energia não
coincidem, quer ao longo do dia quer ao longo do ano, sendo por este motivo necessário
armazená-la.
Nas instalações de energia solar fotovoltaica, as baterias de ácido de chumbo, são os
elementos mais comuns para os armazenamentos de curta duração. Estas baterias têm a
melhor relação custo–benefício, e podem assegurar elevadas ou reduzidas correntes de carga
com uma boa eficiência.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 63 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Outros tipos de baterias actualmente comercializadas são as baterias de níquel-cádmio,
hidreto metálico de níquel e de iões de lítio, com preços ainda nada competitivos.
4.8.1
Constituição e Funcionamento das Baterias de Ácido de Chumbo
As baterias de ácido de chumbo compreendem várias células individuais, cada uma delas
com uma tensão nominal de 2 V. Quando são instaladas, são ligadas entre si em série ou em
paralelo, criando diferentes níveis de tensão e capacidades.
Na Figura 4.18 é mostrado um modelo de bateria utilizada nos sistemas solares
fotovoltaicos.
Figura 4.18 – Bateria utilizada em sistemas solares fotovoltaicos.
Fonte: Tudor (www.tudor.pt).
Quando o sistema fotovoltaico recarrega a bateria com uma tensão superior à tensão dos
terminais da bateria, os electrões circulam na direcção contrária (do pólo positivo para o pólo
negativo). Verifica-se então a inversão do processo químico que ocorreu durante a descarga. O
processo não é completamente reversível, já que pequenas quantidades de sulfato de chumbo
não se voltam a dissolver (sulfatação).
Em resultado do processo de carga/descarga, a capacidade da bateria diminui. Esta perda
de capacidade é maior quanto maior for a profundidade da descarga. Se for utilizada apenas
uma parte da capacidade da bateria, então a diminuição é relativamente pequena, pelo que a
vida da bateria aumenta, assim como o seu número de ciclos.
4.8.2
Tipos de Baterias de Ácido de Chumbo
As baterias de ácido de chumbo podem ser divididas em diferentes tipos, de acordo com
a tecnologia da placa e o tipo de electrólito que utilizam. Nas instalações Solares são
normalmente utilizadas baterias húmidas de electrólito fluido (conhecidas por baterias Solares),
baterias de gel, baterias estacionárias de placa tubular e baterias de bloco.
Baterias Húmidas
É a bateria mais comum nas instalações solares fotovoltaicas, já que devido ao
seu intenso uso como bateria de arranque nos automóveis, é fabricada em largas
Pag. 64 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
quantidades, conseguindo-se com valores inferiores. Atinge em média um ciclo de vida
de apenas 400 ciclos para uma profundidade de descarga até 50%
Baterias de gel (Baterias VRLA) 13: 14
A bateria de gel de chumbo constitui uma versão melhorada da normal bateria
de ácido de chumbo.
Para as baterias de gel de chumbo é possível obter um número de 1.000 ciclos de
carga/descarga, para uma profundidade de descarga máxima de 50 %. As baterias de
gel têm um maior período de vida, mas são mais caras do que as baterias húmidas. O
campo de aplicação para estas baterias vai, claramente, no sentido de uma utilização
permanente, para vários anos de vida útil.
Baterias estacionárias com placas tubulares (tipo OPzS e OPzV):
Para operações permanentes em grandes instalações fotovoltaicas autónomas,
as baterias estacionárias são a escolha acertada. Estas baterias são uma das mais
robustas soluções de armazenamento de energia, com uma tecnologia comprovada
em utilização á varias décadas em aplicações que requerem uma bateria fiável com um
longo período de vida útil
O menor peso, volume, e custo da instalação, bem como os preços comerciais
que podem ser duas a três vezes superiores aos restantes tipos de baterias, são as
principais características desta solução.
O ciclo de vida das baterias OPzS e OPzV é significativamente maior do que nos
restantes tipos de baterias. Para uma profundidade de descarga até 50 %, as baterias
OPzS e OPzV têm um ciclo de vida útil de aproximadamente 3.500 ciclos, atingindo os
5.000 ciclos quando a profundidade de descarga não ultrapassa 45 % da sua capacidade
nominal [15].
13
VRLA - Valve-regulated lead-acido
14
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 65 de 96
Capítulo 4 – Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Pag. 66 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Capítulo 5
Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaico com Ligação à Rede Eléctrica
Depois de apresentados os vários equipamentos e suas principais características nos
capítulos anteriores, neste capítulo será levado à pratica todas essas demonstrações e
apresentações.
Este capítulo apresenta um projecto de um sistema solar fotovoltaico com ligação à rede
eléctrica, onde expõe a configuração geral da instalação solar fotovoltaica, selecções e
especificações dos equipamentos, assim como os respectivos dimensionamentos.
5.1
Procedimentos Iniciais
Durante a visita ao local da instalação do sistema fotovoltaico deve-se especificar o
sistema quanto à orientação, inclinação, área disponível, tipo de montagem, sombreamento,
comprimento de cabos e localização do inversor, segundo a Figura 5.1. Com estas
especificações, será determinado posteriormente o número de módulos que podem ser
instalados na área disponível. Este número permitirá determinar de forma aproximada a
potência total do sistema fotovoltaico, que aproximadamente equivale a 1 kWp por cada 10 m²
de área fotovoltaica.
Figura 5.1 – Local para a Instalação Solar Fotovoltaica.
5.2
Configuração da Instalação
O presente trabalho tem como objectivo o projecto de todas as instalações e obras
necessárias para uma planta solar fotovoltaica, com uma configuração de um campo Solar de
1,848 MWp no sistema fotovoltaico em condições standard e de 1,5 MW nos inversores, de
acordo com o RD 661/2007, que regula a actividade de produção de energia eléctrica em
regime especial em Espanha.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 67 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
O projecto proposto está composto por 15 instalações de 123,2 kWp de potência
sistema fotovoltaico em condições standard e 100 kW de potência nominal no inversor, sito
em Sevilha. A razão pela qual existe 15 inversores de 100kW para perfazer os 1,5MW
atribuídos, é que a tarifa fotovoltaica em Espanha é mais atractiva para instalações até 100kW.
Esta instalação será ligada a uma subestação junto da mesma, por meio de uma linha aérea de
média tensão (MT), através de 5 transformadores de 630 kVA.
As 15 instalações fotovoltaicas serão iguais, com potência de 123,2 kWp no sistema
fotovoltaico, compostas por 704 módulos fotovoltaicos de 175 Wp cada um, todos eles em
posição fixa, inclinados 30° relativamente à horizontal e orientados a Sul.
As 15 instalações distribuem-se da seguinte forma:
6 Instalações de potencia de 123,2 kWp no sistema fotovoltaico estão ligadas a dois
transformadores de 630 kVA (plantas 10 a 15), no lado Este do terreno,
9 Instalações de potencia de 123,2 kWp no sistema fotovoltaico estão ligadas a três
transformadores de 630 kVA (plantas 1 a 9) no lado oeste do terreno.
Os valores acima apresentados serão todos calculados e justificados nos itens
apresentados a seguir.
5.3
Selecção e Especificação dos Equipamentos.
Este ponto será talvez o mais controverso e complexo de toda a instalação fotovoltaica,
não pela escolha per si, mas pela pesquisa de preços e prazos de entrega dos fornecedores que
se adequassem ao pretendido.
5.3.1
Inversor
Relativamente aos inversores, serão instalados 15 inversores de 100 kW da marca JEMA,
com seguimento do ponto de máxima potência e protecção contra sobretensões. Disporão de
transformador de isolamento e protecções da saída contra a variação de tensão (entre 0,85 e
1,1 vezes a tensão nominal) e variação de frequência (entre 49-51 Hz), com certificado
acreditado. Este está homologado para funcionamento em instalações de ligação à rede
eléctrica.
Foram seleccionados estes inversores devido ás suas características se adequarem ao
pretendido, assim como também prescreverem os requisitos mínimos que se impuseram, que
foram os seguintes:
Inversor de potencia nominal de 100 kW. Homologado para ligação à rede em
Espanha.
Potência máxima recomendada de 120 kWp.
Rendimento mínimo de pelo menos 90%.
Funcionamento correcto entre as temperaturas -5 °C +45 °C.
Pag. 68 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Interruptor de rearme automático, por variação da tensão e frequência, segundo
RD1663/00 15.
Função de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT) e ligação directa à rede.
Vigilância de isolamento da média tensão (MT), com desligamento automático.
Transformador de isolamento.
Possibilidade de desligamento manual da rede.
Ecrã LCD de 2 x 16 caracteres e teclado para monitorização frontal.
Protecção contra sobretensões na entrada e saída.
Cada inversor e as suas protecções, sistema de Terras e queda máxima de tensão,
cumprem com a ITC-BT-40 16.
Os inversores serão instalados em edifícios pré-fabricados, podendo ser comuns às outras
instalações. A temperatura no interior dos edifícios pré-fabricados não excederá os 45°C, às
quais serão equipados com ventilação forçada controlados através de um termóstato instalados
no interior destes e um isolamento térmico adicional na cobertura.
No mínimo, devem ser dadas a conhecer as seguintes informações:
Curva de rendimento do Inversor para vários níveis de tensão.
Curva de rendimento do inversor relativamente à temperatura.
Protecções do inversor relativamente às sobrecargas.
Corrente máxima de entrada do inversor.
As características dos inversores seleccionados para cada instalação solar fotovoltaica são
as apresentadas na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Características do Inversor JEMA 100 kW.
Fonte: JEMA (www.grupojema.com).
Fabricante
Tipo
Máx. Potência DC
Potência Nominal DC
Máxima Eficiência
Eficiência Europeia
Min. Tensão Umpp
Max. Tensão Umpp
Max. Tensão Uoc
Max. Corrente DC
JEMA
IF-100
125 kW
100 kW
96,15 %
95,12 %
410 V
750 V
900 V
250 A
O aspecto exterior do inversor IF-100 [16] é apresentado na Figura 5.2, onde se pode
visualizar o painel de visualização e comando, interruptor geral e botoneira de corte
geral.
15
RD 1663/00 - Real Decreto, de 29 de Setembro, sobre a ligação de instalações fotovoltaicas à rede eléctrica de baixa tensão.
16
ITC-BT-40 – Regulamento das Instalações de baixa tensão.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 69 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Figura 5.2 – Inversor IF-100.
5.3.1.1
Local da Instalação do Inversor.
As distâncias entre o sistema fotovoltaico, o inversor e o contador devem ser as mais
curtas possíveis, com o objectivo de reduzir as perdas de energia que ocorrem através dos
cabos principais DC, assim como para reduzir os custos de instalação.
É necessário que o inversor esteja protegido em relação ás condições ambientais
desfavoráveis, como a temperatura, chuva e a radiação solar directa. O ruído electromagnético
produzido pelo inversor deverá ser tido em atenção quando instalado numa zona habitacional,
já que este não é desprezável.
5.3.2
Módulos Fotovoltaicos
Os módulos fotovoltaicos seleccionados para a instalação fotovoltaica, possuem todos
eles 175 Wp, sendo do tipo STP-175M da SUNTECH, possuindo as características da Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Características do Módulo Sunteck / STP-175M.
Fonte: Sunteck (www.suntech-power.com).
Fabricante
Tipo
Potência
Tecnologia
Umpp
Impp
Uoc
Isc
Coef. de temperatura (Isc)
Coef. de temperatura (Uoc)
Tensão máx. do sistema
Dimensões
NOCT
Suntech Power
STP-175M
175W (+- 3%)
Silício
monocristalino
36,2 V
4,85 A
43,9 V
5,30 A
0,053%/°C
-156mV/°C
1000 V
1580x808mm
45+- 2°C
Na Figura 5.3 pode-se visualizar o módulo solar fotovoltaico seleccionado [17], onde é
possível visualizar as suas 72 células solares monocristalinas assim como a sua
distribuição.
Pag. 70 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Figura 5.3 – Inversor IF-100.
5.3.2.1
Verificação das Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos
Considerando o módulo fotovoltaico escolhido para a instalação, verificam-se de seguida
as características eléctricas fornecidas pelo fabricante, para condições STC, onde:
O rendimento máximo é dado pela expressão 5.1:
r
P r MPP
A.G r
175
1,277.1000
0,137
13,7%
onde, A c.l 1,580.0,808 1,277m 2
Parâmetros apresentados no Capitulo 2.
(5.1)
O factor de forma é dado pela expressão 5.2:
FF
5.3.2.2
P r MPP
U r OC .I r SC
175
43,9.5,3
0,75
75%
(5.2)
Influência da Temperatura e da Radiação nos Módulos Fotovoltaicos
Tal como já referido no item 3.5, a radiação solar e a temperatura da célula são factores
que influenciam de forma determinante o funcionamento da célula fotovoltaica. Apresenta-se
de seguida a forma como as grandezas características da célula fotovoltaica são afectadas pela
temperatura e radiação.
Temperatura
Com o aumento da temperatura da célula fotovoltaica constatam-se as seguintes
alterações:
A potência de saída da célula decresce;
A tensão em vazio, VCA, decresce;
A corrente de curto-circuito, ICC, varia muito pouco.
Radiação
Com o aumento da radiação Solar incidente no modulo constatam-se as seguintes
alterações:
A potência de saída da célula aumenta.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 71 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
A tensão em vazio, VCA, varia muito pouco (desprezável).
A corrente de curto-circuito, ICC, varia linearmente.
5.4
Cálculos Justificativos das Instalações Fotovoltaicas
Dentro deste item serão abordados todos os cálculos necessários para execução do
projecto e respectiva instalação fotovoltaica.
5.4.1
Ligação do Sistema Fotovoltaico ao Inversor
Conhecendo as tensões de entrada do inversor, dadas pelo circuito do seguimento do
ponto de máxima potencia, e que neste caso se situam entre os 410V e 750V para o inversor
de 100 kW, determina-se o Número de Módulos em Serie (NMS), onde, para qualquer que seja
a situação, nunca estes parâmetros devem ser ultrapassados:
VMAX > NMS > VMIN
Ou seja,
(5.3)
750 V > NMS > 410 V
Onde VMIN e VMAX são as tensões mínimas e máximas que um painel poderá alcançar em
Sevilha.
As temperaturas máximas e mínimas dos módulos observadas em Sevilha, ocorrem para
temperaturas ambientais de 45°C e -10°C, é determinada para os níveis de irradiância de 1000
W/m² e 100 W/m².
Nestas condições, a temperatura do módulo é determinada mediante a expressão
aproximada 5.4:
TP
Ta
I.
TONC 20
800
(5.4)
Onde TP é a temperatura do módulo (°C), Ta é a temperatura ambiente (°C) e I é a
irradiância (W/m²).
Posto isto, e depois de consultar o valor do NOCT17, pode-se determinar a temperatura
máxima e mínima do módulo para as temperaturas ambientais de 45°C e -10°C
respectivamente, de acordo com as expressões 5.5 e 5.6:
TMod min
TModmax
10
45
45 20
.100
800
6,88º C
(5.5)
45 20
.1000
800
76,25º C
(5.6)
17
NOCT - Temperatura normal de funcionamento da célula. Valor dado pelo fabricante e que representa a temperatura atingida
pela célula nas condições normais de funcionamento Ta =20°C e I=800 W/m².
Pag. 72 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
5.4.1.1
Número Máximo de Módulos Ligados em Série
O valor máximo da tensão de entrada do inversor corresponde à tensão de circuito
aberto do sistema fotovoltaico, quando a temperatura do módulo é mínima. A temperatura
mínima do módulo ocorre com a temperatura ambiente mínima, que pode corresponder ao
inverno e que para climas como o de Sevilha, pode chegar a -10°C, para uma irradiância mínima
de 100 W/m².
Caso o inversor seja desligado num dia com Sol e frio, a tensão do circuito aberto poderia
ser demasiadamente elevada para se poder voltar a ligar o sistema em segurança. Desta forma,
esta tensão deve ser menor do que a tensão DC máxima admissível do inversor, caso contrário
este inversor poderá ficar danificado. Desta forma, o número máximo de módulos ligados em
série, à temperatura de -10°C, é dada pela expressão 5.7:
nmax
UmaxDC(INV)
UOC(Módulo
(5.7)
10ºC)
A tensão de circuito aberto dos módulos à temperatura de -10°C, nem sempre vem
especificada nas fichas técnicas fornecidas pelos fabricantes. No seu lugar é especificada a
variação da tensão U (%/°C). Este coeficiente de temperatura é sempre acompanhado de um
sinal negativo, visto que quanto maior a temperatura menor é a tensão.
A expressão seguinte permite calcular a tensão de circuito aberto do módulo fotovoltaico
à temperatura de -10 °C, nas condições de referência CTS ( UOC (STC)):
Quando o U é dado em %/°C, utiliza-se a expressão 5.8 ou 5.9:
UOC(
1
10º C)
UOC(T mod min)
1
100
.UOC(CTS)
(5.8)
(TMod min 25). U
.UOC(CTS) (5.9)
100
Quando o U é dado em mV/°C, utiliza-se a expressão 5.10:
UOC(T mod min)
UOC(STC)
U
UOC(T mod min)
UOC(STC)
(TMod min
25). U
Sendo :
UOC(T mod min)
Tensão circuito aberto para temperatura do modulo minimo
UOC(STC)
Tensão circuito aberto para STC
TMod min
Temperatura do modulo minimo
(5.10)
Para o módulo seleccionado, o U é dado em mV/°C, portanto:
UOC(T mod min)
43,9 (-6,88 25).(-156m)
38,93V
(5.11)
Posto isto, pode-se calcular o número máximo de módulos em série através da expressão
5.12:
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 73 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
UmaxDC(INV)
nmax
UOC(Módulo
10º C)
750
38,93
19,26
(5.12)
Logo, no máximo serão utilizados 19 módulos em série.
5.4.1.2
Número Mínimo de Módulos Ligados em Série
O numero mínimo de módulos por fileira está limitado pela tensão mínima da entrada do
inversor, que é conseguido quando a temperatura do módulo é máxima.
Através de um bom sistema de ventilação, pode-se estimar uma temperatura máxima de
70°C para os painéis solares fotovoltaicos em Sevilha.
Para os elevados níveis de radiação do Verão, um sistema fotovoltaico terá uma tensão
aos seus terminais inferior àquela que se verifica para as condições de referência CTS, devido às
elevadas temperaturas a que está sujeito.
A expressão 5.13 permite calcular o número mínimo de módulos (à temperatura de 70°C)
que é possível ligar em série numa fileira:
UminDC(INV)
nmin
(5.13)
UMPP(Módulo70ºC)
Se a tensão do módulo no MPP a 70°C não for especificada na folha de dados do
fabricante, esta poderá ser calculada a partir da tensão no MPP nas condições de referência CTS
(UMPP (STC)), como se segue:
Quando U é dado em %/°C, utiliza-se a expressão 5.14 ou 5.15:
U MPP(70º C)
U MPP(70º C)
1
1
100
.UMPP(CTS)
(5.14)
(TMod max 25). U
.UMPP
100
(5.15)
Quando o U é dado em mV/°C, utiliza-se a expressão 5.16 ou 5.17:
U MPP(70º C)
U MPP(70º C)
U MPP(CTS)
UMPP(CTS)
(5.16)
(TMod max
25).
(5.17)
- Para o módulo seleccionado, o U é dado em mV/°C, portanto:
U MPP(70º C)
36,2 (76,25 25).(-156m)
28,2 V
(5.18)
Posto isto, pode-se calcular o número mínimo de módulos em série pela seguinte
expressão:
nmin
Pag. 74 de 96
U minDC(INV)
U MPP(70º C)
410
28,2
14,5
(5.19)
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Ou seja,
15
NPS
19
Logo, segundo o resultado do item 5.4.1.1. e este, pode-se concluir que através das
tensões e temperaturas máximas e mínimas, o numero máximo de módulos em série será 19 e
o numero mínimo de módulos em série será 15.
5.4.1.3
Número Máximo de Séries de Módulos Ligadas em Paralelo
O número máximo de fileiras deverá ser igual ao quociente entre os valores máximos da
corrente do inversor e da série de módulos, sendo que a corrente do sistema fotovoltaico nunca
poderá ultrapassar o limite máximo da corrente de entrada do inversor.
NMP
Imax(INV)
N Fileiras
N Fileiras
(5.20)
I SC (mod)
250
5,3
47
(5.21)
Para determinar a configuração final dos painéis em Número de Módulos em Paralelo
(NMP) e Número de Módulos em Série (NMS), devem ser considerados números inteiros e
cumprir as seguintes equações:
15 NMS 19
NMP 47
Sendo esta instalação solar fotovoltaica localizada numa planície, as sombras que
poderão existir são bastantes conhecidas e facilmente calculadas. Posto isto, é o momento de
seleccionar a série de máximo rendimento que corresponde ao número máximo de módulos
em série que se possam colocar. Então,
NMS
16
Onde, o número total de painéis é calculado da seguinte forma:
NTM
NTM
NMS.NMP
16.44 704 módulos
NMP = 44, para 100 kW
A Figura 5.4 demonstra a disposição dos módulos solares fotovoltaicos sobra a estrutura
metálica.
Figura 5.4 – Painel Fotovoltaico.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 75 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
5.4.2
Constituição do Sistema Fotovoltaico
Concluídos os cálculos, pode-se verificar a composição final do sistema fotovoltaico para
cada 100 kW, do seguinte modo:
N° Módulos: 704
N° Módulos em serie: 16
N° Filas em paralelo: 44
Potencia total dos painéis solares: 123,20 kWp
Umpp: 579,20 V (tensão do ponto de máxima potência)
Superfície de painéis: 899 m2
Temperatura máxima: 85°C
Temperatura mínima: -40°C
Os parâmetros da instalação fotovoltaica, podem ser verificados na Tabela 5.3, onde se
constata que foram cumpridos todos os valores limites dados pelo fabricante do inversor.
Tabela 5.3 – Verificação dos parâmetros da instalação.
Parâmetros
Máx. Tensão MPP
Mín. Tensão MPP
Max. Tensão em Curto Circuito
Máx. Potência DC
Mín. Potência DC
Máx. Corrente DC
Máx. Tensão sistema
Instalação
579,2 V
451,2 V
702,4 V
123,2 kW
123,2 kW
233,2 A
702,4 V
Limites
750 V
410 V
900 V
125 kW
80 kW
250 A
1000 V
Resultado
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
Posto isto, e dentre outras Soluções possíveis, a disposição dos equipamentos vai ser
constituída por 44 painéis com 16 módulos cada, que serão divididos por 4 filas. Assim temos
11 painéis por cada fila. Devido à distância de cada fila, vão ser instalados dois quadros
eléctricos (QE1.1 e QE1.2 em anexo) por fila de modo a que as perdas pelo comprimento dos
cabos seja o menor possível. Ao QE 1.1 vão ser ligadas as filas 1 a 6 e ao QE 1.2 vão ser ligadas
as filas 7 a 11.
Para fazer a associação destes quadros eléctricos (QE) (quatro QE 1.1 e quatro QE 1.2),
temos necessidade de criar mais um QE, sendo denominado por QE 2. Este vai ser ligado
directamente ao Inversor.
5.5
Dimensionamento dos Cabos
O dimensionamento da instalação eléctrica foi efectuado tendo em conta o Regulamento
de Baixa Tensão e Instruções Técnicas Complementares, aprovado pelo Real Decreto 842/2002,
de 2 de Agosto, e especialmente foram seguidas as instruções marcadas pela ITC-BT-30:
Instalações em locais húmidos, e pela ITC-BT-40.
Conforme a ITC-BT-40, os cabos de ligação serão dimensionados para uma intensidade
não inferior a 125% da intensidade do sistema produtor de energia.
As máximas quedas de tensão permitidas para os diferentes troços são as seguintes:
Entre o Sistema Fotovoltaico e o Inversor: < 1%.
Pag. 76 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Entre o Inversor e o Quadro de Saída: < 0,5%.
Entre o Quadro de Saída e a Rede de Distribuição: < 1%.
5.5.1
Dimensionamento do Cabo de Corrente Contínua
Para calcular a secção dos cabos respeitantes à corrente contínua, tem-se que garantir
que a queda de tensão máxima seja inferior a 1% da tensão nominal. Com a expressão 5.22,
pode-se calcular a secção dos cabos, considerando 1% para cada ramal:
S DC
2.LDC .I CC(STC)
1%.U PMP(STC) .k
Sendo :
(5.22)
LDC - Comprimeno do cabo
ICC(CTS) - Corrente de curto circuito em STC
U PMP(STC) - Tensão no ponto de máxima potência STC
k - Resistivid ade do tipo de cabo
Os cabos de corrente contínua estendem-se, entre os módulos fotovoltaicos e o
respectivo inversor.
5.5.1.1
Cabos entre o Sistema Fotovoltaico e os QE 1.1 e QE 1.2
Concluída toda a implantação dos equipamentos, pode-se medir todos os troços para
determinar a secção da cablagem para a respectiva ligação, pela expressão 5.23.
S DC
2.LDC .I CC(CTS)
1%.UPMP(CTS) .k
(5.23)
Sendo 36 m a distancia entre o painel 1 e o QE 1.1, e depois de consultar a ficha de
características do módulo pode-se considerar que, UMPP = 36,2 . 16 = 579,2 V, ICC = 5,3 . 125%=
6,625 A e k = 56 (cobre), então:
S DC
2.36.6,625
e%.579,2.56
(5.24)
Como os módulos fotovoltaicos já são fornecidos com cabos de ligação com uma secção
de 4 mm2, propõe-se inicialmente também a mesma secção, verificando-se se esta secção
cumpre com o previsto. Então:
e%
2.36.6,625
S DC .579,2.56
2.36.6,625
4.579,2.56
0,37%
1%
(5.25)
Posto isto, pode-se concluir que está cumprido o limite da queda de tensão para este
troço. Para os restantes troços, apresenta-se a tabela 5.4.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 77 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Tabela 5.4 – Queda de Tensão das Filas.
GENERADOR FOTOVOLTAICO DE 100 KW
2
De
Para
L (m)
I (A)
Id(A) 125%
Sadop (mm )
e(%)
Série 1 – Fila 1
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 2 – Fila 1
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 3 – Fila 1
QE1.1
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 4 – Fila 1
QE1.1
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 5 – Fila 1
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 6 – Fila 1
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 7 – Fila 1
QE1.2
31
5,3
6,625
4
0,3166
Série 8 – Fila 1
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 9 – Fila 1
QE1.2
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 10 – Fila 1
QE1.2
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 11 – Fila 1
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 1 – Fila 2
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 2 – Fila 2
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 3 – Fila 2
QE1.1
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 4 – Fila 2
QE1.1
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 5 – Fila 2
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 6 – Fila 2
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 7 – Fila 2
QE1.2
31
5,3
6,625
4
0,3166
Série 8 – Fila 2
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 9 – Fila 2
QE1.2
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 10 – Fila 2
QE1.2
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 11 – Fila 2
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 1 – Fila 3
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 2 – Fila 3
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 3 – Fila 3
QE1.1
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 4 – Fila 3
QE1.1
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 5 – Fila 3
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 6 – Fila 3
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 1 – Fila 1
QE1.2
31
5,3
6,625
4
0,3166
Série 2 – Fila 1
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 3 – Fila 1
QE1.2
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 4 – Fila 1
QE1.2
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 5 – Fila 1
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 6 – Fila 1
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 7 – Fila 1
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 8 – Fila 1
QE1.1
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 9 – Fila 1
QE1.1
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 10 – Fila 1
QE1.1
33
5,3
6,625
4
0,3370
Série 11 – Fila 1
QE1.1
36
5,3
6,625
4
0,3677
Série 1 – Fila 2
QE1.2
31
5,3
6,625
4
0,3166
Série 2 – Fila 2
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Série 3 – Fila 2
QE1.2
18
5,3
6,625
4
0,1838
Série 4 – Fila 2
QE1.2
21
5,3
6,625
4
0,2145
Série 5 – Fila 2
QE1.2
28
5,3
6,625
4
0,2860
Pag. 78 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Onde,
L é o comprimento do cabo
I é a intensidade de cada série
Id é a intensidade calculada para 125%, segundo o regulamento
Sadop é a secção adoptada para o condutor
e é a queda de tensão em % de cada fila
A tensão de cada fila é de 579,2 V e a potencia é de 2800 W. Todas as filas serão
interligadas com condutores RZ1-K 0,6/1 kV de cobre (www.generalcable.pt/), instalados em
calha de PVC.
5.5.1.2
Cabos entre os QE1.1, QE 1.2 e os QE 2
Para uniformizar a cablagem a aplicar é calculada a queda de tensão no ponto mais
desfavorável da instalação. Para esta determinação utiliza-se o QE1.1, sendo o que suporta mais
séries e o que está mais distante do QE 2. Para esta situação tem-se os seguintes parâmetros:
Distancia: 52 m
UMPP = 36,2 . 16 = 579,2 V (16 módulos em série)
P = 16800 W ( 6 séries de 16 módulos de 175 W)
I
16800
. 1,25
579,2
36,26 A (6
séries
afectadas
com
125%,
conforme
regulamento)
Conforme a situação exposta e substituindo na expressão 5.23, tem-se:
S DC
2 . 52 . 36,26
e% . 579,2 . 56
(5.26)
Depois de várias tentativas para diferentes tipos de secções, optou-se por utilizar a
secção de 25 mm2 para o troço em questão. Como se pode verificar, a secção seleccionada
cumpre com o previsto. Desta forma,
e%
2 . 52 . 36,26
S DC . 579,2 . 56
e
2 . 52 . 36,26
(5.27)
25 . 579,2 . 56
0,46%
1%
Posto isto, pode-se concluir que está cumprido o critério para a queda de tensão para
este troço. Para os restantes troços, apresenta-se a Tabela 5.5.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 79 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Tabela 5.5 – Queda de Tensão entre os QE1.1 e 1.2 e QE2.
QE1.1 e Q1.2 ao QE 2
De
QE1.1 - Fila 1
Para
QE2
L (m)
52
P(W)
16.800
I (A)
29,01
Id(A) 125%
36,26
Sadop (mm2)
25
Iadm (A)
196
e(%)
0,4650
QE1.2 - Fila 1
QE2
52
14.000
24,17
30,21
25
196
0,3875
QE1.1 - Fila 2
QE2
42
16.800
29,01
36,26
25
196
0,3756
QE1.2 - Fila 2
QE2
42
14.000
24,17
30,21
25
196
0,3130
QE1.1 - Fila 3
QE2
35
16.800
29,01
36,26
25
196
0,3130
QE1.2 - Fila 3
QE2
35
14.000
24,17
30,21
25
196
0,2608
QE1.1 - Fila 4
QE2
25
16.800
29,01
36,26
25
196
0,2236
QE1.2 - Fila 4
QE2
25
14.000
24,17
30,21
25
196
0,1863
Todos os quadros serão interligadas com condutores RV 0,6/1 kV de cobre, instalados
em valas e tubos de PEAD18 de 90 mm.
5.5.1.3
Cabos entre o QE 2 e o Inversor
Enquanto que até aqui todas as distâncias e respectivas secções eram idênticas, nesta
interligação isto já não acontece. A distância entre as diversas 15 instalações varia consoante a
sua localização no terreno. Assim sendo, calculou-se a queda de tensão para o ponto mais
desfavorável de todas as 15 instalações. Para esta situação tem-se os seguintes parâmetros:
Distância: 385 m
UMPP = 36,2 . 16 = 579,2 V (16 módulos em série)
P = 123200 W ( 4 associações de 6 séries de 16 módulos de 175 W e 4
associações de 5 séries de 16 módulos de 175 W)
I
123200
. 1,25
579,2
265,9 A
Conforme a situação exposta e substituindo na expressão 5.23, tem-se:
S DC
2 . LDC . I CC(CTS)
1% . U PMP(CTS) . k
S DC
(5.28)
2 . 385 . 265,9
e% . 579,2 . 56
Depois de várias tentativas para diferentes tipos de secções, optou-se por utilizar 4 cabos
em paralelo com uma secção de 240 mm2 para o troço em questão. Como se pode verificar, a
secção seleccionada cumpre com o previsto. Dessa forma:
e%
2 . 385 . 265,9
S DC . 579,2 . 56
e
2 . 385 . 265,9
(4 . 240) . 579,2 . 56
(5.29)
0,66% 1%
Posto isto, pode-se concluir que está cumprida a queda de tensão para este troço. Para
os restantes troços, apresenta-se a Tabela 5.6.
Pag. 80 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Tabela 5.6 – Queda de Tensão entre os QE2 e Inversores.
QE2 aos INVERSORES
2
De
Para
L (m)
P(W)
I (A)
Id(A) 125%
Ncond
Sadop (mm )
Iadm (A)
e(%)
QE2 - FV1
Inversor 1
70
123.200
212,71
265,88
1
240
355
0,4782
QE2 - FV2
Inversor 2
70
123.200
212,71
265,88
1
240
355
0,4782
QE2 - FV3
Inversor 3
149
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,5089
QE2 - FV4
Inversor 4
149
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,5089
QE2 - FV5
Inversor 5
228
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,7788
QE2 - FV6
Inversor 6
228
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,7788
QE2 - FV7
Inversor 7
306
123.200
212,71
265,88
3
240
355
0,6968
QE2 - FV8
Inversor 8
306
123.200
212,71
265,88
3
240
355
0,6968
QE2 - FV9
Inversor 9
385
123.200
212,71
265,88
4
240
355
0,6575
QE2 - FV10
Inversor 10
295
123.200
212,71
265,88
3
240
355
0,6717
QE2 - FV11
Inversor 11
215
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,7343
QE2 - FV12
Inversor 12
215
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,7343
QE2 - FV13
Inversor 13
136
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,4645
QE2 - FV14
Inversor 14
136
123.200
212,71
265,88
2
240
355
0,4645
QE2 - FV15
Inversor 15
61
123.200
212,71
265,88
1
240
355
0,4167
Todas estas interligações serão executadas com condutores RV 0,6/1 kV de cobre,
instalados em valas e tubos de PEAD de 200 mm.
5.5.2
Dimensionamento dos Cabos de Corrente Alternada
Para o cálculo da secção dos cabos de alimentação AC assume-se uma queda de tensão
máxima admissível de 3% relativamente à tensão nominal da rede.
A secção é calculada da seguinte forma:
S AC
3 . L AC . I nAC . cos
3% . Un . K
(5.30)
, onde K é a condutividade (Cu= 56, Al=34), Un é 400V e cos
entre 0,8 e 1.
Como 9 instalações vão ser ligadas aos postos de transformação do lado Oeste e 6
instalações vão ser ligadas do lado Este, vai-se determinar a queda de tensão para o ponto mais
desfavorável das duas. Para esta situação tem-se os seguintes parâmetros:
Distancia: 198 m
U = 400 V
P = 100000 W (Inversor) - P
I
P
3 . U . cos
3 .U.I.cos
100000
3 . 400 . 0,8
180,42 A
Conforme a situação exposta e substituindo na expressão já apresentada, depois de
várias tentativas com diferentes tipos de secções, optou-se por utilizar 2 cabos de alumínio em
18
PEAD - Tubo Corrugado, em Polietileno de Alta Densidade.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 81 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
paralelo, com uma secção de 240 mm2 para o troço em questão. Como se pode verificar, a
secção seleccionada cumpre com o previsto. Então:
3 . L AC . I nAC . cos
S AC . Un . K
e%
e%
(5.31)
3 . 198 . 180,42 . 0,8
(2 . 240) . 400 . 34
0,76%
1%
Posto isto, pode-se concluir que está cumprido o critério para a queda de tensão para
este troço. Para os restantes troços, apresenta-se a Tabela 5.7.
Tabela 5.7 – Queda de Tensão entre os Inversores e PT’s.
Inversor ao PT
2
De
Para
L (m)
P(W)
I (A)
Ncond
Sadop (mm )
Iadm (A)
e(%)
Inversor 1
PT 1
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 2
PT 1
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 3
PT 1
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 4
PT 2
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 5
PT 2
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 6
PT 2
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 7
PT 3
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 8
PT 3
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 9
PT 3
198
100.000
180,42
2
240
467,7
0,7583
Inversor 10
PT 4
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Inversor 11
PT 4
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Inversor 12
PT 4
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Inversor 13
PT 5
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Inversor 14
PT 5
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Inversor 15
PT 5
168
100.000
180,42
2
240
648
0,6434
Todas estas interligações serão executadas com condutores RV 0,6/1 kV de alumínio,
instalados em valas e tubos de PEAD de 200 mm.
5.6
Selecção das Caixas de Junção do Sistema Fotovoltaico e Dimensionamento do
Interruptor DC
O sistema fotovoltaico dispõe de vários tipos de caixas de ligação, sendo no projecto
apresentado denominadas por QE 1.1 e QE 1.2, permitindo a ligação dos pólos positivos e
negativos das diversas séries, assim como o QE 2 que tem por função fazer a associação de
todos os QE 1.1 e QE 1.2 de uma instalação de 100 kW.
As principais características que as caixas de junção devem possuir são as seguintes, ter
um IP 54, resistentes aos raios ultravioletas (UV) e possuir um grau de protecção de classe II.
Para além de possuírem tais características, para a instalação das caixas de junção
recomenda-se a escolha de um local que as proteja da chuva e da irradiação Solar directa. Para
Pag. 82 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
a protecção contra sobre-tensões, os descarregadores de sobre-tensões são ligados na caixa de
junção.
No que concerne ao interruptor DC, deve-se dar especial atenção ao seu
dimensionamento, já que este tem por função isolar o cabo DC e prevenir a ocorrência de
contactos directos devido a uma activação acidental do aparelho de corte. Este deverá ser
dimensionado para a tensão máxima de circuito aberto do sistema solar à temperatura de -10°C
(UOC (PV -10°C)) e para 125% da corrente máxima do sistema (ICCPV), conforme é exigido na norma
europeia IEC 60364-7-712.
Conforme se pode verificar no item 5.4.2.2, a UOC(T mod min) = 38,93 V, portanto a tensão
máxima estimada aos seus terminais é (com 16 módulos em série):
U DC
16 .UOC(T mod min)
16 . 38,93
622,9 V (5.32)
Relativamente à corrente que se pode esperar a percorrer o interruptor, é dada pela
expressão 5.33.
I DCIC
I DC
1,25 . ICC(PV)
1,25 .
123200
579,2
(5.33)
265,9 A
Findas as diversas suposições e determinações, conclui-se que é necessário aplicar um
interruptor capaz de operar com estas duas premissas. Sendo assim, é aplicado um interruptor
geral de 400 A e 1000 V num quadro eléctrico denominado no esquema do Anexo 1, como
Q.E.3.
Findas estas deduções e conclusões, estão criadas todas as condições para efectuar a
implantação de todos os equipamentos em projecto.
5.7
Protecção Contra Descargas Atmosféricas, Sobre-Tensões e Ligação à Terra
No presente projecto estão disponíveis 3 sistemas de ligação à Terra, sendo que uma
interliga as partes metálicas do lado AC, outra interliga as Terras da parte DC, e outra interliga
o neutro de saída do inversor. O neutro do inversor estará ligado ao condutor do neutro da
instalação eléctrica do distribuidor.
As estruturas metálicas dos módulos fotovoltaicos, o aro do módulo, os envolventes dos
quadros DC, os bornes de Terra de protecção DC do inversor, etc, serão ligados à rede de
Terras de corrente continua, para evitar descargas de origem atmosférica e falhas de
isolamento.
O valor da resistência de terra deverá ser inferior a 83,3
para a instalação relativa à
corrente alternada, já que a tensão limite convencional de contacto está limitada a 25 V e será
aplicado um diferencial de 300 mA, assim como deve ser inferior a 200
para a instalação
relativa à corrente contínua, já que a tensão limite convencional de contacto está limitada a 60
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 83 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
V, conforme previsto no regulamento [18]. Em obra deve-se aumentar ou diminuir o número
de chapas de cobre utilizadas para o sistema de ligação à terra, até que seja atingido um valor
de resistência inferior a este.
As terras das cabines prefabricadas dos inversores e postos de transformação serão
independentes das anteriores. As ligações à Terra serão efectuadas através de chapas de
cobre, devido ás condições do terreno.
Todos os inversores devem ter protecção à sua entrada e saída contra sobretensões,
mediante descarregadores.
Todos os condutores serão de cobre nu de 35 mm2 de secção.
5.8
Estimativa da Energia Produzida
Para que seja possível determinar a estimativa da energia produzida pelos módulos
fotovoltaicos, é necessário dispor dos valores da radiação incidente e da temperatura
ambiente do local da instalação.
Para o calculo da estimativa da energia produzida durante um intervalo de tempo
t), é utilizada a expressão 5.34.
E
Para
o
local
em
Pmax G,
questão
e
. t Wh
através
(5.34)
do
site
disponível
na
Internet,
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/19, obtiveram-se os valores para a radiação incidente e para a
temperatura ambiente.
A Figura 5.5 apresenta a distribuição da radiação média mensal incidente em painéis
fixos com inclinação igual à latitude, obtida através site acima indicado para a local da
instalação solar fotovoltaica.
Figura 5.5 – Radiação média mensal incidente em painéis fixos com inclinação igual à latitude.
Fonte: JRC (http://re.jrc.ec.europa.eu).
19
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ - Joint Research Centre European Commission Photovoltaic Geographical Information
System: Centro de Investigação da Comissão Europeia.
Pag. 84 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Na Figura 5.6 pode ser visualizado a distribuição da temperatura média mensal
ambiente ao longo do ano, obtida através site acima indicado para a local da instalação solar
fotovoltaica.
Figura 5.6 – Temperatura média mensal ambiente.
Fonte: JRC (http://re.jrc.ec.europa.eu).
Depois de obtidos os valores para a radiação solar apresentados na Figura 5.1 e para a
temperatura ambiente apresentados na Figura 5.2, será possível estimar a energia anualmente
produzida pelos módulos seleccionados. Para determinar a energia máxima que o módulo
seleccionado poderá produzir para os valores de radiação e temperatura locais, foram utilizadas
as expressões apresentadas no item 4.1.4, originando a potência máxima constante na Tabela
5.8.
Tabela 5.8 – Resultados obtidos através da radiação, temperatura e módulo seleccionado.
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
G(w/m2)
385,00
411,00
524,00
503,00
580,00
576,00
571,00
565,00
527,00
479,00
360,00
Qa
11,24
12,88
16,37
18,41
21,99
26,76
28,91
28,64
25,05
20,87
15,28
Qc
23,3
25,7
32,7
34,1
40,1
44,8
46,8
46,3
41,5
35,8
26,5
VT
0,02557
0,02578
0,02638
0,02650
0,02702
0,02742
0,02759
0,02755
0,02714
0,02665
0,02585
VT ref
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
0,02572
m
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
121,4091
Io ref
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
4E-06
Vmax
33,55
33,29
32,73
32,34
31,67
30,78
30,37
30,42
31,09
31,86
32,72
Imax ref
4,856436872
4,847319757
4,821018587
4,815788857
4,793128371
4,775435859
4,767841233
4,769591511
4,787810166
4,809336848
4,844299746
Imax
1,87
1,99
2,53
2,42
2,78
2,75
2,72
2,69
2,52
2,30
1,74
Pmax
62,73
66,32
82,68
78,33
88,05
84,66
82,69
81,99
78,46
73,39
57,06
Dez
333,00
12,21
22,6
0,02551
0,02572
121,4091
4E-06
33,22
4,85885863
1,62
53,76
Afectando os valores da Tabela 5.8 pelas diferentes perdas nos troços da instalação, já
apresentados no item 6.5.1, obteve-se a Tabela 5.9, onde NDM o número de dias do mês e
NMP o número total de módulos por 100kW.
As perdas entre os módulos fotovoltaicos e o Q.E.1 (Mod – QE1), as perdas entre os Q.E.1
e Q.E.2 (QE - QE), as perdas entre os Q.E.2 e o inversor (QE - Inv) e as perdas do Inversor (Inv)
estão também apresentadas na Tabela 5.9.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 85 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Tabela 5.9 – Energia mensalmente produzida por cada 100 kW.
Pmax
Perdas
HSP
QE – QE
0,9968
QE - Inv
0,9952
Inv
0,9512
NDM
Ereal(Wh)
NMP
Ereal total(Wh)
Jan
62,73
Mod – QE1
0,9970
9,2
31
15.161,4
704
10.673.650,3
Fev
66,32
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 10,2
28
16.051,2
704
11.300.010,2
Mar
82,68
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512
12
31
26.066,4
704
18.350.730,2
Abr
78,33
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 12,3
30
24.495,5
704
17.244.843,5
Mai
88,05
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512
13
31
30.072,4
704
21.170.971,0
Jun
84,66
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 13,2
30
28.410,4
704
20.000.898,1
Jul
82,69
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 13,2
30
27.750,1
704
19.536.090,2
Ago
81,99
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512
13
31
28.001,1
704
19.712.767,7
Set
78,46
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 12,2
30
24.335,4
704
17.132.119,7
Out
73,39
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512 10,5
31
20.243,8
704
14.251.629,9
Nov
57,06
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512
10
30
14.506,5
704
10.212.600,1
Dez
53,76
0,9970
0,9968
0,9952
0,9512
9,5
31
13.416,7
704
9.445.353,5
Total
189.031.664,4
A partir da expressão 5.34, determinou-se a energia anualmente produzida por cada
instalação de 100 kW.
E
Pmax G,
. HSP . NDM . NMP
189 MWh
(5.35)
Para avaliar a qualidade da instalação é determinada a razão de produção PR pela
expressão 5.36, onde relaciona a energia realmente produzida pelo sistema fotovoltaico (Ereal) e
a energia teoricamente expectável (Eideal).
PR
E real
E ideal
(5.36)
Através desta razão pode-se comparar diferentes instalações fotovoltaicas em distintos
locais. O PR de produção de uma instalação fotovoltaica convencional, sem sombras, pode
variar entre 0,6 e 0,95.
Os valores representados na Tabela 5.10, indicam a energia idealmente produzida por
cada módulo, assim como a energia real produzida por cada módulo mensalmente.
Tabela 5.10 – Energia mensalmente produzida por cada módulo (real - ideal).
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Total
Pag. 86 de 96
Ereal (kWh)
15,2
16,0
26,1
24,5
30,1
28,4
27,8
28,0
24,3
20,2
14,5
13,4
268,5
Eideal (kWh)
17,9
18,9
30,8
28,9
35,5
33,5
32,7
33,0
28,7
23,9
17,1
15,8
316,8
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Através da expressão 5.36, pode-se determinar o PR previsto para a instalação em causa.
PR
5.9
E real
E ideal
268 . 5kWh
316 . 8kWh
0,85
(5.37)
Resultados
O Parque Solar Fotovoltaico começou a produzir energia a partir do inicio de Outubro de
2008, mas devido a vários problemas na linha de ligação à rede eléctrica, só a partir de Janeiro
serão apresentados, conforme Figura 5.7.
Produção de Energia Mensal
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Mês
Produção Mensal
Figura 5.7 – Produção de Energia da Instalação Fotovoltaica.
Através dos valores apresentados na tabela 5.9 e na Figura 5.7,é determinado o gráfico
da Figura 5.8, sendo a comparação entre os resultados obtidos da produção mensal e previsão
mensal.
Figura 5.8 – Comparação da Produção / Previsão de Energia.
Com estes dados é possível determinar a produtividade mensal do sistema fotovoltaico,
que é dado por kWh/kWp. Os valores da produtividade são apresentados na Figura 5.9.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 87 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Produtividade
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Mês
Produtividade Real
Produtividade Prevista
Figura 5.9 – Curva de Produtividade.
Sendo a produtividade a quantidade de energia eléctrica produzida em função da
potência instalada, existe uma real variação entre a potência produzida e a potência prevista,
em que as principais causas para esta diferença poderão ser:
O desempenho dos módulos pode não ser o descrito pelo fabricante ao nível da
potência nominal e do desempenho quando sujeito a altas temperaturas.
Os valores da irradiação fornecidos não corresponderem aos valores reais.
O rendimento do inversor poderá ser inferior ao apresentado pelo fornecedor.
Contudo, de um modo geral pode-se deduzir que os resultados obtidos estão dentro das
expectativas criadas.
No que respeita a resultados económicos, pode-se verificar na Tabela 5.11 a produção
mensal inerente a cada 100 kW da instalação solar fotovoltaica, na qual servirá de base de
cálculo para a Tabela 5.11.
Tabela 5.11 – Produção mensal por cada 100 kW.
Ereal Total (kWh)
Pag. 88 de 96
Eideal Total (kWh)
Jan
10700,8
12601,6
Fev
11264,0
13305,6
Mar
18374,4
21683,2
Abr
17248,0
20345,6
Mai
21190,4
24992,0
Jun
19993,6
23584,0
Jul
19571,2
23020,8
Ago
19712,0
23232,0
Set
17107,2
20204,8
Out
14220,8
16825,6
Nov
10208,0
12038,4
Dez
9433,6
11123,2
Total
189024,0
222956,8
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Com o produto dos dados da tabela 5.11 com a tarifa actualmente aplicada de cerca de
0,40 €/kW, pode-se determinar o gráfico da Figura 5.10.
Figura 5.10 – Produção mensal por cada 100 kW (€).
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 89 de 96
Capítulo 5 – Projecto de um Sistema Solar Fotovoltaicos com Ligação à Rede
Pag. 90 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões
Capítulo 6
Conclusões e Sugestões
6.1
Conclusões
No momento em que o mundo se encontra vulnerável face à crise do petróleo, com
preços do barril a aumentarem todos os dias, a necessidade de estudar e implementar fontes
de energia alternativas tornou-se urgente.
Com a realização desta dissertação, nomeadamente no que respeita à situação geral das
energias renováveis em Portugal e no Mundo, é de salientar que muito já foi executado mas
ainda falta fazer muito mais, tendo em vista as fontes de energias renováveis disponíveis que
não estão a ser aproveitadas ou transformadas, para que possamos estar cada vez mais
independentes do petróleo e dos seus derivados.
Paralelamente ao desenvolvimento do principal objectivo, além das questões sociais,
técnicas e económicas, também foi apresentada uma visão geral do contexto mundial da
energia solar fotovoltaica através de diferentes análises, nas quais foram apresentadas as
evoluções da tecnologia e panoramas futuros.
Assim, este relatório propôs-se demonstrar a viabilidade técnica e a facilidade de
instalação de sistemas fotovoltaicos com ligação à rede eléctrica, consolidando que a forma
limpa de produção de energia eléctrica é o caminho a seguir. Esta consolidação é facilmente
visível por análise aos dados da União Europeia que, no ano de 2007, a potência total instalada
em sistemas fotovoltaicos ascendia a quase 7.900 MWp.
Esta dissertação, teve como principal objectivo o desenvolvimento de um manual de
fácil utilização no dimensionamento adequado de um sistema fotovoltaico ligado à rede, com
a execução de um projecto de 1,5 MW, constituído por 15 inversores de 100 kW e 10560
módulos fotovoltaicos. Foi apresentado uma sequência de passos visando o projecto de um
sistema solar fotovoltaico com ligação à rede, utilizando módulos fotovoltaicos
monocristalinos.
Para que o dimensionamento de um sistema fotovoltaico seja mais preciso é necessário
não somente avaliar o índice de radiação solar local, mas também levar em bastante
consideração a temperatura que a instalação solar fotovoltaica estará sujeita. Relativamente à
especificação dos equipamentos, deve-se ser bastante rigoroso e criterioso nos contractos que
são assumidos perante ambas as partes, já que o mercado fotovoltaico assim como muitos
outros, são muito versáteis.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 91 de 96
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões
No desenvolvimento da dissertação verificou-se que a avaliação do equipamento é
fulcral na verificação da viabilidade de se implantar num determinado local um sistema solar
fotovoltaico, tendo em conta fundamentalmente o comportamento dos equipamentos ás
condições ambientais do local. Estes dados podem ser conhecidos através de equipamentos de
medição ou obtidos através mapas de insolação, obtendo-se assim as características
necessárias para estudar o desempenho dos módulos fotovoltaicos, assim como efectuar os
cálculos necessários para dimensionar os equipamentos a utilizar, de modo a minimizar que os
efeitos ambientais afectem de um modo comprometedor o funcionamento de todos os
equipamentos da instalação solar fotovoltaica.
No que respeita à implementação e execução da instalação fotovoltaica, deve-se
registar que aposta em condutores de boa qualidade e secção adequada, é um óptimo
investimento numa instalação deste género, já que são responsáveis por evitar perdas
excessivas dependendo da secção utilizada. Relativamente à decisão dos equipamentos a
instalar, nunca se deve vulgarizar qualquer décima no valor do seu rendimento em detrimento
de outro, devido a interesses económicos ou de marcas, mas sim deve-se optar pelo que
apresenta melhor condições e garantias de produção, já que é um investimento de longo prazo
e todas as decisões são muito importantes.
Ao longo deste trabalho, foi demonstrada evidência suficiente para que cada vez mais o
investimento na produção de energia através de painéis fotovoltaicos não seja uma miragem
mas sim uma realidade. Os sistemas fotovoltaicos têm potencial suficiente para criar uma nova
realidade no contexto da nacional e mundial.
Esta dissertação apresenta um resumo das principais características da utilização
energética da radiação rolar e da sua transformação fotovoltaica, dando ênfase à instalação de
sistemas fotovoltaicos ligados à rede.
6.2
Sugestões de Trabalho Futuro
Com a elaboração desta dissertação, apurou-se que algumas tarefas ficaram por
concluir, podendo servir como sugestão para futuros estudos.
Na elaboração do Capítulo 2, foi verificada a existência de poucos estudos realizados
sobre o comportamento da radiação solar em Portugal, sugerindo-se que sejam
realizados estudos sustentados em leituras reais através das estações meteorológicas
ao longo do pais, disponibilizando-as na Internet.
Acompanhamento de uma instalação solar fotovoltaica com o intuito de maximizar a
sua produção, através do levantamento da influência das variações climatéricas e
sujidade na produção de energia eléctrica.
Pag. 92 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões
Fazer o levantamento da eficiência média mensal dos inversores por meio da
medição da produção diária de energia eléctrica, comparando-as com os valores
obtidos através de um Piranómetro. e caso sejam encontrados valores discrepantes,
verificar a sua causa.
Fazer a medição da irradiância e comparar com os valores utilizados nesta
dissertação e, se necessário, recalcular os valores previstos.
Verificar a necessidade e frequência da limpeza dos módulos fotovoltaicos, que possa
influenciar a produção de energia eléctrica.
Verificar a viabilidade económica na implementação de um sistema fotovoltaico
isolado com o auxilio de baterias, para a alimentação dos serviços comuns do parque
fotovoltaico.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 93 de 96
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões
Pag. 94 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Bibliografia
Bibliografia
[1]
Direcção Geral de Energia e Geologia - Estratégia Nacional para a Energia , disponível
em www.dgge.pt, Julho de 2009.
[2]
DIÁRIO DA REPÚBLICA—I SÉRIE-B, Resolução do Conselho de Ministros nº 169/2005,
de 24 de Outubro de 2005.
[3]
Ministério da Economia, Inovação e Desenvolvimento, Livros de Energia, Política
Energética, Estratégia Nacional para a Energia, disponível em http://www.mineconomia.pt/document/Energia_Alteracoes.pdf, Abril de 2009.
[4]
Antonio Marti, Fundamentos de la Conversión Fotovoltaica: La Célula Solar, Instituto
de Energia Solar, Universidade Politécnica de Madrid, CIEMAT, pag. 4-5, 2004.
[5]
Consulta
em
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=celula-Solarmais-eficiente-ja-fabricada-atinge-50-eficiencia&id=010115090729, Julho de 2009.
[6]
Consulta em www.domus-solaris.com, Fevereiro de 2009.
[7]
Instalaciones Fotovoltaicas, Manual para uso de Instaladores. Direccion General de
Industria, Energia y Minas, 2002.
[8]
Eduardo Lorenzo, Sistemas de generación y acondicionamiento de ptencia, Instituto
de Energia Solar, Universidade Politécnica de Madrid, CIEMAT, pag. 6-7, 2004.
[9]
Castro, Rui, “Introdução à Energia Fotovoltaica”, Energias Renováveis e Produção
Descentralizada, DEEC / Secção de Energia, Instituto Superior Técnico, Universidade
Técnica de Lisboa, 2002.
[10]
INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA, DEEA – Secção de Economia e
Gestão, GESTÃO DE ENERGIA, ENERGIA SOLAR, Cristina Camus e Eduardo Eusébio,
Março de 2006.
[11]
ENERGIA SOLAR, Luis Jutglar, Editorial Ceac, ISBN: 8432910635 ISBN-13:
9788432910630, 2005.
[12]
Radiación Solar, J. Bilbao, A. De Miguel,Departamento de Física Aplicada. Universidad
de Valladolid, 2002.
[13]
Ignacio Cruz, Inversores conectados a red y autónomos, Departamento de Energias
Renovables, CIEMAT, pag. 27-27, 2004.
[14]
Consulta
em
http://www.sma-america.com/en_US/products/off-grid-
inverters/sunny-island-4248u.html2, Agosto de 2009.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Pág. 95 de 96
Bibliografia
[15]
Energia Fotovoltaica, Manual sobre Tecnologias, Projecto e Instalação – GREENPRO,
Fevereiro de 2002.
[16]
Consulta em http://www.grupojema.com/cas/catalogo/inversorfotovoltaicoserieif/,
Dezembro de 2008.
[17]
Consulta
em
http://www.suntech-power.com/images/August24/EN/STP
180S_24_Ad_BlackLabel_EN.pdf, Dezembro de 2008.
[18]
Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão - Decreto-Lei n.º
226/2005, de 28 de Dezembro, MINISTÉRIO DA ECONOMIA E DA INOVAÇÃO, alínea
481.3.1.
Pag. 96 de 96
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexos
Peças Desenhadas
Os anexos apresentam as 10 peças desenhadas de um projecto de 1,5MW, localizado
em Sevilha, Espanha.
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 1
Anexos
A-2
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 1
IE-01 - Planta de Implantação
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 3
Anexos
A-4
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 2
IE-02 - Trabalhos de Construção Civil
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 5
Anexos
A-6
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 3
IE-03 - Planta Tipo – 100 kW
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 7
Anexos
A-8
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 4
IE-04 - Esquema Eléctrico – Planta Tipo 100 kW
Esquema Unifilar
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 9
Anexos
A - 10
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 5
IE-05 - Esquema Eléctrico – Planta 1,5MW
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 11
Anexos
A - 12
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 6
IE-06 - Esquema Eléctrico – Planta 1,5MW
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 13
Anexos
A - 14
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 7
IE-07 - Iluminação de Segurança e Sistema de CCTV
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 15
Anexos
A - 16
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 8
IE-08 - Ramal de Baixa Tensão
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 17
Anexos
A - 18
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 9
IE-09 - Prefabricados para Inversores e Centro de Comando
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 19
Anexos
A - 20
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
Anexos
Anexo 10
IE-10 - Pormenor Construção Civil - Portinholas
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica
A.- 21
Anexos
A - 22
Projecto de uma Instalação Solar Fotovoltaica