1UNIDADE INTEGRADA SESI/SENAI DE NIQUELÂNDIA EDSLEI PAES LANDIN MAYKON BRAGA DE OLIVEIRA NATALIA DE SOUZA ALMEIDA WEDER RIBEIRO DA SILVA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA DA UNIDADE INTEGRADA SESI/SENAI DE NIQUELÂNDIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA NIQUELÂNDIA-GO 2 AGOSTO DE 2010 BANCA EXAMINADORA APROVADO EM ____/____/____ Professor: (orientador) Professor: (membro) Professor: 3 (membro) EDSLEI PAES LANDIN MAYKON BRAGA DE OLIVEIRA NATALIA DE SOUZA ALMEIDA WEDER RIBEIRO DA SILVA Energia solar fotovoltaica, Niquelândia 2010. (SENAI, técnico, Eletrotécnica, 2010). Trabalho de conclusão de curso – Unidade Integrada SESI SENAI Niquelândia 4 AGRADECIMENTOS Ao Orientador, professor Glauber Alves dos Santos, pela atenção e dedicação prestada nas diversas fases do trabalho. Aos professores do curso de Técnico em Eletrotécnica que transmitiram seus conhecimentos valiosos. Aos nossos amigos, pelos ótimos momentos vividos durante o curso. A todos que diretamente ou indiretamente ajudaram na realização e conclusão deste estudo. 5 RESUMO Resumo do trabalho de conclusão de Curso apresentado à Unidade Integrada SESI/SENAI de Niquelândia como parte dos requisitos necessários para a obtenção do titulo de técnico em Eletrotécnica. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Edslei Paes Landin Maykon Braga de Oliveira Natalia de Souza Almeida Weder Ribeiro da Silva Agosto de 2010 Orientador: Glauber Alves Curso: Técnico em Eletrotécnica. O trabalho a ser apresentado relata a conversão de a luz solar em energia elétrica, a descrição e funcionamento de todos os equipamentos envolvidos nesse sistema. A energia solar também chamada de energia fotovoltaica é pouco aproveita no Brasil (possuindo características favoráveis a esse sistema), e muito utilizada em países Europeus que não é tão propício a radiação solar desenvolvem essa tecnologia cada vez mais. É um sistema simples, uma vez que sua montagem consiste em: painel solar, coletor da energia; um controlador de carga possuindo a finalidade de proteger e não deixar faltar ou exceder alimentação no sistema; uma bateria para armazenamento dessa energia. A bateria é essencial para que o sistema funcione também durante a noite e em dias nublados. Como todos os sistemas de energia, o solar não possui apenas pontos positivos também há os negativos, mas irrelevantes se comparados ao bem que esse trás ao planeta. 6 ABSTRACT Summary conclusion work submitted to the Course Unit Integrated SESI / SENAI Niquelândia as part of the requirements for obtaining the title of technician in Electrical Engineering. PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY Almeida, Natalia de Souza Landin, Edslei Paes Oliveira, Maykon Braga de Silva, Weder Ribeiro da Agost 2010 Advisor: Santos, Glauber Alves Course: Technician in Electrotechnics. The work to be presented report the conversion of sunlight into electrical energy, the description and operation of all equipment involved in this system. Solar energy also called photovoltaics is little advantage in Brazil (having characteristics suitable to this system), and widely used in European countries is not as conducive to solar radiation develop this technology more and more. It is a simple, once its assembly consists of: solar panel, energy collector, a charge controller having the purpose of protecting and not let missing or exceed the power system, a battery to store that energy. The battery is essential to make the system work well at night and on cloudy days. Like all power systems, solar does not just have good points there are also negative, but irrelevant when compared to well that behind the planet. 7 OBJETIVO O trabalho a ser apresentado tem como objetivo o incentivo a implantação do sitema de energia eletrica fotovoltaica, seja ele ligado á rede, autonomo ou hibrido; a divulgação de seus benéficios; melhorar as informações e compreenção desse sistema de geração de energia. 8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1- Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) 19 Figura 2- Inclinação dos painéis ..................................................................................... 25 Figura 3-Associação de células em série ........................................................................ 28 Figura 4- Associação de células em paralelo.................................................................. 28 Figura 5- Princípio de funcionamento da bateria ........................................................... 37 Figura 6-Mapa de índice de insolação no Brasil ............................................................ 41 ÍNDICE DE FIGURAS Tabela 1- Espessura de fio para sistema solar a 12 Vdc................................................. 27 Tabela 2- Aplicações do inversor considerando a potencia ........................................... 33 Tabela 3- Relação de consumo e Wats ........................................................................... 40 9 LISTAGEM DE SIGLAS Material Tipo P= Positivo Material Tipo N= Negativo HF=high frequency (Alta freqüência) BF = Baixa freqüência Wp = Watt de pico Wh = Watt hora Ap = Ampère de pico Ah = Ampère hora V = Volt A = Ampère W = Watt FP = Fator de Potencia Vcc = Tensão Corrente continua Vdc = Tensão Corrente continua Vca = Tensão Corrente alternada CIGS = Cobre-Índio-Gálio-Selênio LDRs = Resistores dependentes de luz c-Si = Silício Cristalino m-Si = Silício Monocristalino p-Si = Silício Policristalino a-Si = Silício Amorfo GaAs = Arsenieto de Gálio CdTe = Telureto de Cádmio ABNT = Associação Brasileira de Normas e Técnicas MPP = Ponto de Potencia Máxima SO4H2 = Ácido sulfúrico H2O = Água PbO2 = peróxido de chumbo Pb = chumbo metálico 10 ÍNDICE 1.02.03.0INTRODUÇÃO..................................................................................... 12 CONCEITO DE ENERGIA SOLAR...................................................... 12 CARACTERISTICAS DA LUZ SOLAR ................................................ 13 3.13.24.0Vantagens da Energia Solar...................................................... 13 Desvantagens da energia Solar ................................................ 14 MODULOS SOLARES......................................................................... 15 4.14.2Teoria e construção ................................................................... 15 Células Fotoelétricas ................................................................. 16 4.2.1- Efeito Fotovoltaico ........................................................................... 18 4.34.4Principais tipos de células fotoelétricas ..................................... 20 Aplicações dos Paineis Solares ................................................ 22 4.4.1- Aplicações de Baixa Potência ......................................................... 22 4.4.2- Painéis solares no espaço ............................................................... 23 4.54.6Características técnicas dos módulos ....................................... 23 Instalação .................................................................................. 24 4.6.1- Associação de células ............................................................... 27 4.6.1.1- Associação série ...................................................................... 28 4.6.1.2- Associação paralela ................................................................. 28 4.7- Manutenção dos Painéis ........................................................... 28 5.0INVERSORES ..................................................................................... 29 5.1Forma de onda dos Inversores .................................................. 29 5.1.1- Tecnologia clássica, onda quadrada ................................................... 29 5.1.25.1.35.26.0Tecnologia HF, onda semi-senóidal ............................................. 30 Tecnologia mista, onda semi-senóidal.......................................... 31 Como escolher o seu inversor ................................................... 32 CONTROLADORES DE CARGA ........................................................ 33 6.1Instalação .................................................................................. 34 7.0- BATERIAS ESTACIONÁRIAS ............................................................. 34 7.1Princípio de funcionamento das Baterias .................................. 37 8.0- DIMENCIONAMENTO DE SISTEMAS BÁSICOS ............................... 39 8.1Dimensionamento do Painel Solar ............................................ 41 11 8.28.38.4- Dimensionamento do Controlador de Carga ............................. 43 Dimensionamento de baterias ................................................... 44 Dimensionamento dos inversores ............................................. 44 CONCLUSÃO................................................................................................... 46 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 47 12 1.0- INTRODUÇÃO A crise energética e a busca por energias renováveis têm reacendido o debate sobre fontes alternativas de energia. Nesses debates a energia solar vem ganhando cada vez mais espaço, uma vez que é de facil implantação, possui custo de manutenção baixo, é uma fonte renovavel e ideal para locais onde as radiações solares são abundantes.Mas no Brasil, país que pela área, geografia e localização, entre outros fatores, é potencialmente favorável para o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos, existe um atraso nesta área em relação a outros países. O avanço da tecnologia vem trazendo inovações na fabricação de produtos para sistemas de energia solar contribuindo para que o preço desses produtos diminua e a energia solar se torne mais acessível. A radiação solar, juntamente com outros recursos secundários de alimentação, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na terra. Apenas uma minúscula fração da energia solar disponível é utilizada. A energia captada do Sol e devidamente acondicionada para sua utilização é uma das tecnologias mais importantes para o desenvolvimento sustentável. Sua utilização é de altíssimo interesse para aqueles que visam um mundo equilibrado, ecologicamente correto, sem agressão à natureza. 2.0- CONCEITO DE ENERGIA SOLAR Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1 410 W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é 13 refletido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. 3.0- CARACTERISTICAS DA LUZ SOLAR A geração de energia elétrica através da luz se dá através do uso de células fotossensíveis ou comumente chamadas de células solares, que agrupadas em módulos ou painéis compõem os painéis solares fotovoltaicos. Um sistema composto pelo painel, controlador de carga, acumulador e acessórios, é denominado como Gerador Fotovoltaico. Os geradores fotovoltaicos são muito seguros e simples, não necessitam do controle humano funcionam automaticamente e uma vez adequadamente instalados, não causam acidentes que possam trazer danos. Geram energia na presença da luz; Necessariamente não precisam da incidência direta da luz solar, mas é recomendável para se obter o melhor rendimento do painel. Isto significa que há geração elétrica mesmo em dias nublados; O rendimento se altera, conforme há maior ou menor intensidade da luz. A geração só se interrompe na redução quase total de luz. (ex.: à noite). A corrente gerada é de forma contínua e pode ser guardada em acumuladores elétricos (baterias), para uso quando necessário. O sistema é modular, ou seja, vários módulos podem ser conectados entre si, fornecendo a quantidade de energia necessária para o uso, podendo ser expandida, reduzida ou transferida de local conforme uma nova necessidade. Não há limite da capacidade de geração. 3.1- Vantagens da Energia Solar • A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente. • As centrais necessitam de manutenção mínima. 14 • Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável. • A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão. • Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na transmissão. 3.2- Desvantagens da energia Solar • Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele. • • Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia. Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia. • Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade. • As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energia hidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja). 15 À semelhança de outros países do mundo, em Portugal desde Abril de 2008 um particular pode produzir e vender energia elétrica à rede elétrica nacional, desde que produzida a partir de fontes renováveis. Um sistema de microprodução ocupa cerca de 30 metros quadrados e permite ao particular receber perto de 4 mil euros ano. 4.0- MODULOS SOLARES Painéis ou módulos solares fotovoltaicos são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz do Sol. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz (seja do Sol ou não). As células solares contam com o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazem a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas. 4.1- Teoria e construção O silício cristalino e o arsenieto de gálio são os materiais mais frequentemente utilizados na produção de células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são produzidos especialmente para usos fotovoltaicos, mas os cristais de silício tornam-se uma opção mais economica, até porque são também produzidos com vista à sua utilização na indústria da microeletrônica. O silício policristalino tem uma percentagem de conversão menor, mas comporta custos reduzidos. O cristal depois de crescido e dopado com boro, é cortado em pequenos discos, polidos para regularizar a superfície, a superfície frontal é dopada com fósforo, e condutores metálicos são depositados em cada superfície: um contacto em forma de pente na superfície virada para o Sol e um contacto extenso no outro lado. Os painéis solares são construídos 16 dessas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e danos ao manusear pela aplicação de uma capa de resina ou vidro de alta transparência com resistência a intempéries: tempestade, neve, granizo, salinidade, umidade e poeira, e cimentada num substrato (seja um painel rígido ou um flexível).Costumeiramente são fornecidos emoldurados em perfil de alumínio e contém terminais de conexão. As conexões elétricas são feitas em série e em paralelo, conforme se queiram obter maior tensão ou intensidade. A capa que protege deve ser um condutor térmico, pois a célula aquece ao absorver a energia infravermelha do Sol, que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência de operação é desejável reduzir este calor. O resultante desta construção é chamado painel solar. A energia proveniente do painel é em corrente contínua (CC) e pode alimentar diretamente equipamentos que utilizam desta propriedade, carregando baterias simultaneamente. 4.2- Células Fotoelétricas Células fotoelétricas ou fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotoelétrica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa. Células geradoras de energia são chamadas também de "células solares", por se aproveitarem principalmente da luz solar para gerar energia elétrica. Atualmente, as células solares comerciais ainda apresentam uma baixa eficiência de conversão, da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas de arsenieto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial. 17 Por não gerar nenhum tipo de resíduo, a célula solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa ao redor do mundo. A luz solar produz até 1.000 Watts de energia por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético. A primeira geração fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície p-n díodo de junção, capaz de gerar energia eléctrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando placas de silício. A primeira geração de células constituem a tecnologia dominante na sua produção comercial, representando mais de 86% do mercado. A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de filmes finos de semi-condutores. A vantagem de utilizar estes filmes é a de reduzir a quantidade de materiais necessárias para as produzir, bem como de custos. Atualmente (2006), existem diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício poli-cristalino ou micro-cristalino, telureto de cádmio e CobreÍndio-Gálio-Selênio ("CIGS"). Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos de manufactura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido por watt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os texteis, plásticos ou integração direta nos edifícios. A terceira geração fotovoltáica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores quer dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoelectroquímicas e células de nanocristais. Ao conjunto de células fotoeléctricas chama-se Placa Fotovoltaica cujo uso hoje é bastante comum em lugares afastados da rede elétrica 18 convencional. Existem placas de várias potências e tensões diferentes para os mais diversos usos. Em residências rurais algumas empresas concessionárias de distribuição usam placas de 75 W de pico e 12 V para guardar energia em baterias de 100 Ah. Este sistema fotovoltaico gera energia suficiente para iluminar uma residência com 3 lâmpadas de 9W e uma tomada para rádio ou TV de 6". O termo "célula fotoelétrica" também é usado para componentes eletrônicos capazes de medir a intensidade luminosa, traduzindo-a em uma corrente elétrica proporcional. Incluem-se nesta categoria os fotodiodos, fototransistores, LDRs (resistores dependentes de luz, à base de sulfeto de cádmio), fotocélulas de selênio e outros. Uma aplicação típica destes sensores de luz é em fotômetros, usados para medir a iluminação de uma cena a ser fotografada. 4.2.1- Efeito Fotovoltaico O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotoelétricas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. Os módulos são compostos de células solares fabricadas com material semicondutores de eletricidade, na maioria das vezes utilizam o silício, que possui características intermédias entre um condutor e um isolante. O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui eletrons livres e portanto é um mau condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denominase dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com eletrons livres ou material com portadores de carga negativa 19 (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtêm-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver Figura 1). Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo elétrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Figura 1- Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fotons que a integram chocam-se com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união PN, os elétrons são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de elétrons (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continua a incidir na célula, o fluxo de elétrons manter-se-á. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. 20 Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contem o fluxo, de modo que quando um elétron abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro elétron entra na primeira célula a partir da bateria. É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eléctrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo. Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia eléctrica. 4.3- Principais tipos de células fotoelétricas As principais tecnologias de fabricação de células fotoelétricas utilizadas atualmente. • Silício Cristalino (c-Si) É a tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de 95% do mercado de células fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células; painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%. • Silício Monocristalino (m-Si) O silício monocristalino é o material mais usado na composição das células fotovoltaicas, atingindo cerca de 60% do mercado. A uniformidade da estrutura molecular resultante da utilização de um cristal único é ideal para 21 potenciar o efeito fotovoltaico. As células monocristalinas foram as primeiras a serem elaboradas a partir de um bloco de silício cristalizado num único cristal. Apresentam-se sob a forma de placas redondas, quadradas ou pseudo quadradas Contudo, apresentam dois inconvenientes: · Preço elevado; · Elevado período de retorno do investimento. • Silício Policristalino (p-Si) O silício policristalino, constituído por um número muito elevado de pequenos cristais da espessura de um cabelo humano, dispõe de uma quota de mercado de cerca de 30%. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de elétrons e encorajam a recombinação com as lacunas, o que reduz a potência de saída. O processo de fabricação é mais barato do que o do silício cristalino. • Silício Amorfo (a-Si) As células amorfas são compostas por um suporte de vidro ou de outra matéria sintética, na qual é deposta uma camada fina de silício (a organização dos átomos já não é regular como num cristal). O rendimento deste tipo de células é mais baixo do que nas células cristalinas mas, mesmo assim, a corrente produzida é razoável. A sua gama de aplicações são os pequenos produtos de consumo como relógios, calculadoras, mas podem também ser utilizadas em instalações solares. Apresentam como vantagem o fato de reagirem melhor à luz difusa e à luz fluorescente e, portanto, apresentarem melhores desempenhos a temperaturas elevadas. Participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%. 22 • CIGS Nome comercial para células de filme fino fabricadas com Cu(In,Ga)Se2. Participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento de índio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela plana, como LCDs e monitores de plasma. • Arsenieto de Gálio (GaAs) Atualmente é a tecnologia mais eficinte empregada em células solares, com rendimento de 28%. Porém, seu custo de fabricação é extremamente alto, tornando-se proibitivo para produção comercial, sendo usado apenas em painéis solares de satélites artificiais. • Telureto de Cádmio (CdTe) Participação de 1,1% do mercado de células fotoelétricas, é uma tecnologia que emprega filmes finos de telureto de cádmio. Apresenta pouco apelo comercial devida à alta toxicidade do cádmio. 4.4- Aplicações dos Paineis Solares 4.4.1- Aplicações de Baixa Potência Os painéis solares contribuem ainda muito pouco para a produção mundial elétrica, o que atualmente se deve ao custo por watt ser cerca de dez vezes maior que o dos combustíveis fósseis. Tornaram-se rotina em algumas aplicações, tais como as baterias de suporte, alimentação de boias, antenas, dispositivos em estradas ou desertos, crescentemente em parquímetros e semáforos, e de forma experimental são usados para alimentar automóveis em corridas como a World Solar Challenge através da Austrália. Programas em larga escala, oferecendo redução de impostos e incentivos, têm rapidamente 23 surgido em vários países, entre eles a Alemanha, Japão, Estados Unidos e Portugal. 4.4.2- Painéis solares no espaço Provavelmente o uso mais bem sucedido de painéis solares é em veículos espaciais, incluindo a maioria das naves que orbitam a Terra e Marte, e naves viajando rumo a regiões mais internas do sistema solar. Atualmente, a energia solar, além de usada para propulsão, tem sido utilizada em satélites artificiais que orbitam outros planeta s. Como exemplo, as sondas Magellan em órbita de Vénus, e a Mars Global Surveyor, de Marte fazem uso da energia solar, da mesma forma que muitos artefatos que orbitam a Terra, como o Telescópio Espacial Hubble. Para missões futuras, é desejável reduzir a massa dos painéis solares e aumentar a potência gerada por unidade de área. Isto reduzirá a massa total da nave, e possibilitará operações a distâncias maiores do Sol. A sonda espacial Rosetta, lançada em 2 de março de 2004, usará painéis solares nas proximidades de Júpiter (5,25 UA); anteriormente, o uso mais distante de painéis solares foi com a espaçonave Stardust, à distância de 2 UA. 4.5- Características técnicas dos módulos A norma européia Standard EN 50380 especifica quais as características técnicas que os fabricantes devem apresentar nas folhas descritivas das características dos módulos fotovoltaico. Nem todos os fabricantes respeitam esta norma, não fornecendo todas as características técnicas que a norma impõe, que são: · Potência nominal de pico; · Tensão no ponto de potência máxima; · Corrente no ponto de potência máxima; · Tensão em circuito aberto; · Corrente em curto-circuito; 24 · Coeficiente de variação da tensão em função da temperatura; · Coeficiente de variação da corrente em função da temperatura. Estes valores são vitais para se poderem realizar estimativas da quantidade de energia gerada, bem como verificar a compatibilidade de ligação com outros componentes do sistema fotovoltaico. Todos estes valores são obtidos em condições de teste. O coeficiente de temperatura é muito importante porque em dias em que o valor de radiação é elevado, a temperatura nas células aumenta, podendo chegar aos 70ºC, causando uma redução do rendimento. Por outro lado a baixas temperaturas, o valor de tensão em circuito aberto aumenta, colocando em risco o estado da célula fotovoltaica. As características construtivas dos módulos também devem ser evidenciadas, nomeadamente: · Dimensões (Comprimento e largura); · Espessura; · Peso. As características construtivas mencionadas anteriormente são de crucial importância para a realização do projeto, porque estes dados permitemnos escolher as estruturas de suporte e o espaço que os módulos vão ocupar. 4.6- Instalação a) Os painéis devem ser fixados em locais que tenham total exposição à luz solar durante todo o período diurno. b) A fixação deve ser feita em suportes ou perfis preferencialmente metálicos e fortemente fixados para receber ventos e tempestades. Recomenda-se o aterramento do suporte. c) A face de exposição do painel deve estar voltada para o Norte geográfico (no hemisfério sul) e sua inclinação entre 25º a 30º. 25 Figura 2- Inclinação dos painéis d) Não é recomendável inclinações abaixo de 15º para não permitir o acúmulo de sujeira. e) O cálculo de inclinação é: Inclinação = Latitude + (Latitude/3) A precisão não é rigorosa, portanto pode ser ajustado por aproximação. f) Os painéis são fornecidos com a furação adequada para sua fixação. Não faça novos furos para não enfraquecer a estrutura ou permitir a oxidação. A garantia também não cobre painéis adulterados. g) É recomendado deixar um espaço entre a superfície de fixação e o painel para prover de circulação ar. A ventilação é importante para manter temperaturas mais baixas e evitar a condensação de umidade na parte traseira do mesmo. h) Painéis podem ser interligados em série ou paralelo, obedecendo à Lei de Ohm, ou seja, quando interligados dois ou mais unidades em paralelo (pólo positivo com pólo positivo e negativo com negativo) a tensão não se altera, mas a corrente é somada. Quando interligados em série (une-se o pólo positivo de um painel ao pólo negativo do outro e toma-se o pólo negativo de um e o pólo positivo do outro para a saída) a tensão se multiplica e a corrente permanece inalterada. i) Quando ligados em série, todos os painéis devem ter a mesma característica e tipo. Quando ligados em paralelo, esta regra não é rigorosa, porém é recomendável a instalação de diodos para proteção e equalização das cargas. 26 Fiação: a) A fiação deve obedecer às Normas Técnicas da ABNT para instalações elétricas. Utilize sempre seções de fios com diâmetros iguais ou superiores ao recomendado, evitando perdas ou aquecimento que podem provocar curtos e incêndios. b) Para conexão com bateria é sempre recomendável o uso de controladores de carga e descarga. c) Utilize terminais adequados para as conexões. Evite emendas de fios. d) Em corrente contínua um dos fios sempre será positivo e o outro negativo, chamado de polaridade. A inversão destes fios (exceto em ligações em série) sempre gerará problemas ou danos aos equipamentos. Utilize cores diferentes para cada pólo e preste sempre atenção à conexão “+” ou “-“ e à cor dos fios. e) Os painéis acima de 10W são fornecidos com caixa de conexão, utilizadas para a conexão dos fios e de outros painéis. O acesso à parte interno da caixa é feito removendo se os dois parafusos da tampa.Internamente os painéis acima de 46W já possuem diodo de bypass e estão configurados para a tensão de 12 Volts. Não há necessidade de alterar a pré-configuração exceto em aplicações especiais. Os terminais para a conexão dos fios estão polarizados com os sinais “+” e “-“.Há quatro tipos de caixas de conexão para modelos de painéis diferentes. f) Para conectar painéis isolados ao controlador, a uma distância não superior a 10 metros, recomenda-se fiação conforme abaixo: 27 Tabela 1- Espessura de fio para sistema solar a 12 Vdc TABELA DE ESPESSURA DE FIO PARA SISTEMA SOLAR A 12 Vdc Bitola mm2 Corrente (A) 1 2 4 6 8 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 Distância em metros 32 16 8 5 4 3 2 - 51 26 13 8 6 5 3 2 - 81 40 20 14 10 8 5 4 3 2 - 130 64 33 22 16 13 8 6 5 4 3 - 205 102 51 34 26 20 14 10 8 7 6 5 4 3 325 163 81 54 41 33 22 16 13 11 9 8 7 6 517 259 129 86 65 52 34 26 21 17 15 13 11 10 652 326 163 109 82 65 43 33 26 22 19 16 14 13 822 1308 1650 411 205 137 103 82 55 41 33 27 23 20 18 17 654 327 218 164 131 87 65 52 44 37 33 29 26 825 412 275 206 165 110 83 66 55 47 41 37 33 4.6.1- Associação de células Nas condições normalizadas STC (1000W/m² ; 25° ; A M1.5), a C potência máxima para uma célula de silício de 10 cm², é de cerca de 1,25 W que é uma potência demasiado baixa para a maior parte das utilizações domésticas ou industriais. Desta forma, os geradores fotovoltaicos industriais são realizados através de associações série e/ou paralelo de um grande número de células elementares. Estes agrupamentos são apelidados de módulos e, posteriormente, de painéis. A associação de células deverá ser realizada respeitando critérios precisos de forma a que não existam desequilíbrios durante o funcionamento das fotopulhas. Apesar de serem escolhidas células que, teoricamente, são idênticas, as numerosas células que constituem um painel apresentam, forçosamente, pequenas diferenças inevitáveis aos processo de construção e ficarão sujeitas a condições de luminosidade e temperatura não uniformes no seio de um painel. 28 A associação em série de várias células aumenta a tensão aos seus terminais, mantendo a corrente, enquanto que a associação em paralelo aumenta a corrente aos terminais da associação, mantendo a tensão. 4.6.1.1- Associação série Num agrupamento ligado em série, as células são atravessadas pela mesma corrente e a característica resultante deste agrupamento é obtida pela adição das tensões aos terminais das células, para um mesmo valor de corrente. Figura 3-Associação de células em série 4.6.1.2- Associação paralela Num agrupamento ligado em paralelo, as células estão submetidas à mesma tensão e as intensidades de corrente adicionam-se: a característica resultante obtém-se por adição de correntes, para um mesmo valor de tensão. A maior parte dos módulos comercializados para aplicações a 12 V, são compostos por 36 células de silício cristalino ligadas em série. Figura 4- Associação de células em paralelo A maior parte dos módulos comercializados para aplicações a 12 V, são compostos por 36 células de silício cristalino ligadas em série. 4.7- Manutenção dos Painéis Os painéis solares requerem manutenção mínima. Para remover a poeira ou depósito de sólidos acumulado limpe-os somente com água e uma esponja não abrasiva ou pano. Detergente ou sabão neutros podem ser usados 29 para remover substâncias mais contaminastes. É recomendável uma inspeção a cada seis meses ou anual para averiguar terminais e apertos. 5.0- INVERSORES Muitos equipamentos elétricos, principalmente eletrodomésticos, estão disponíveis apenas em corrente alternada, usualmente na faixa de 127 V e 220 V – 60 Hz. O mercado ainda não disponibiliza em corrente contínua toda a gama de equipamentos que podem ser usados em sistemas fotovoltaicos, tais como televisores, DVD, etc. A função do inversor é transformar a energia elétrica contínua das baterias em energia elétrica alternada adequada para estes equipamentos. Usualmente trabalham com tensões de entrada de 12 ou 24 ou 48 Vcc e convertem para 120 ou 240 Vca na freqüência de 60 Hz. Outra vantagem de se trabalhar com inversores é que se eleva o nível de tensão de trabalho reduzindo-se o diâmetro dos cabos elétricos e as perdas ôhmicas já que se trabalha com correntes menores. 5.1- Forma de onda dos Inversores Existem inversores que apresentam na saída uma forma de onda semisenoidal, outros trabalham com uma forma de onda senoidal modificada ou mesmo com onda quadrada. Quanto mais senoidal é a forma da onda maior é a qualidade do inversor, menor o nível de distorção e maior o custo. Permite usar eletrodomésticos e equipamentos industriais a partir de baterias. Pode ser de tecnologia clássica, de tecnologia HF ou mista; pode gerar onda quadrada, semi-senóidal ou senóidal. 5.1.1- Tecnologia clássica, onda quadrada A onda quadrada é a forma mais simples de corrente alternada. Era a única economicamente acessível antes da chegada do transistor e da tecnologia HF. Para inversores 115VCA-60Hz, a corrente passa sem transição de -115V a +115V e vice-versa 60 vezes por segundo (ver gráfico em baixo). É óbvio que o valor máximo da corrente (valor de pico) fica limitado a 115V. 30 Inconvenientes : 1. Peso. Inversores dessa tecnologia usam um transformador BF (baixa freqüência) muito pesado. 2. Não pode alimentar motores. O torque de partida de um motor monofásico depende do valor do pico da onda (162V na onda senóidal de 115VCA). O valor de pico da onda quadrada, limitado a 115V, não permite dar partida a motores. 3. Distorção harmônica (mede,em %, a diferença entre a forma de uma onda e a da senóide pura de mesmo valor). No caso da onda quadrada, a distorção harmônica é máxima. Isso é incompatível com inúmeras aplicações; gera ruídos, aquecimentos e funcionamentos defeituosos. 4. O rendimento é baixo : da ordem de 50%. Com o desenvolvimento da tecnologia HF, na última década, os inversores "quadrados" estão desaparecendo do mercado. 5.1.2- Tecnologia HF, onda semi-senóidal A onda semi-senóidal (também chamada senóide modificada ou quase senóide) tem uma forma intermediária entre a onda quadrada e a onda senóidal pura (ver gráfico em baixo). Todas as vantagens da tecnologia HF vêm da permanência do sinal no valor zero cada vez que o sinal muda de sentido. Isso permite reduzir drasticamente a distorção harmônica, aumentar o valor de pico até o da senóide pura, e aumentar consideravelmente o rendimento. Dessa forma, quase todos os inconvenientes da onda quadrada desaparecem. Os inversores de tecnologia HF (de high frequency = alta freqüência) e de onda semi-senóidal são atualmente os mais populares por ser baratos, leves, 31 de fácil manuseio, e atender a maioria das necessidades domésticas e profissionais de pequeno porte. 5.1.3- Tecnologia mista, onda semi-senóidal A tecnologia mista consista em utilizar a tecnologia BF (com transformador pesado) na entrada do inversor e a tecnologia HF na saída para obter uma onda semi-senóidal. Isso permite mais flexibilidade, mais facilidade técnica e custos menores na hora de fabricar inversores-carregadores. 5.1.1- Tecnologia HF, onda senoidal Senóide pura se diz de uma onda contínua de uma freqüência só, seja : de distorção harmônica nula (gráfico em baixo). É a forma da corrente distribuída pelas redes públicas. Todos os equipamentos elétricos previstos para ser alimentados por essas redes foram projetados de acordo com essa forma de onda. É com inversores de onda senóidal que aparelhos eletro-eletrônicos têm o seu desempenho máximo. Inversores de onda senóidal são altamente sofisticados e, como conseqüência, são mais caros que os de onda semi-senóidal. São destinados mais especificamente à alimentação de aparelhos sensíveis que não funcionam, ou não funcionam corretamente, com onda semi-senóidal, tais como aparelhos de regulação de laboratório, equipamentos aeronáuticos, aparelhos de teste, certos aparelhos de som ou vídeo, entre outros. Inversores de onda senóidal não geram ruídos ou distorções em aparelhos de som, vídeo, DVD e estéreo. É a solução ideal para os mais exigentes. Além disso, proporcionam partidas suaves a motores e evitam aquecimentos indesejáveis ou zumbidos desagradáveis. Também, não geram parasitas eletromagnéticos que poderiam interferir com outros equipamentos, em aeronaves, por exemplo. 32 5.2- Como escolher o seu inversor Sendo definido o tipo de inversor que convém a seu uso, é necessário saber a potência requerida pelos aparelhos que você quer alimentar através do inversor. Os eletrodomésticos geralmente comportam uma etiqueta onde está escrita a potência (em Watt) ou a corrente (em Ampère) que consumem (nesse último caso, basta multiplicar os Ampères pela tensão, 115 ou 230VCA, para saber a potência do aparelho). Também é preciso considerar a potência de entrada do aparelho e não a sua potência de saída, da mesma forma, para alimentar motores monofásicos de indução. Potência (Watt) Aplicações específicas Aplicações gerais 150 / 175 250 / 400 600/700 800 / 1200 TV 14", notebook, celular, lâmpadas PL ou incandescentes, games, instrumentos de música, equipamentos de satélite, barbeador, ventiladores pequenos TV 29", 2 vídeos, computador de mesa+impressora, pequenos ele_ _trodomésticos, furadeira, ferro de soldar, máquina de costura, frigobar (somente o PW 250), eletrodomésticos leves, ferra_ mentas elétricas de mão, aparelhos eletrônicos, refrigerador até 1/8HP, até 3 vídeos, Eletrodomésticos leves/médios, ferramentas elétricas de mão, aparelhos eletrônicos, pequeno forno de micro-ondas, refrigerador e freezer até 1/6HP, linha de até 8 computadores Eletrodomésticos leves : liquidificador, batedeira, ventilador, lâmpadas PL e incandescentes, barbeador, ferro de frisar cabelo, Eletrodomésticos médios : secador de cabelo, máquina de café, torradeira, aspirador de pó, Eletrodomésticos pesados : forno de microondas, refrigerador e freezer grandes, lavadora e secadora de roupas, lavadora de louças, forno elétrico, motores até 1/2HP, ar condicionado até 13500 BTU. Ferramentas elétricas de mão : serra circular e tico-tico, furadeira, lixadeira, esmerilhadeira, politriz, pequeno compressor de ar, 33 1500 / 1750 3000 Eletrodomésticos médios, ferra_ mentas elétricas de mão, aparelhos eletrônicos, forno de micro-ondas comum, refrigerador e freezer até 1/3HP, ar condicionado até 7500 BTU Eletrodomésticos pesados, ferra_ mentas elétricas de bancada, aparelhos eletrônicos cortadeira de grama, Aparelhos eletrônicos: TV, vídeo, som, games, instrumentos musicais, equipamento de satélite, computador, impressora, máquina de fax, máquina de escrever, Tabela 2- Aplicações do inversor considerando a potencia Através de um inversor, é necessário escolher a potência do mesmo de acordo com a potência de pico do motor e não pela potência contínua (motores de indução, os mais comuns, precisam de uma corrente muito alta na partida, durante uma fração de segundo. Se o inversor não conseguir "passar" esse pico, o motor não funciona mesmo se a sua potência nominal contínua - a única revelada pelo fabricante - é bem inferior à potência do inversor). 6.0- CONTROLADORES DE CARGA Quando um equipamento é ligado à bateria, a quantidade de energia elétrica armazenada nela vai diminuindo à medida que o tempo vai se passando. Para evitar que a bateria se descarregue por completo nos períodos longos sem insolação e de grande consumo, ou seja, tenha uma descarga profunda, é conveniente instalar um controlador de carga. Este acessório monitora a carga da bateria e impede que a mesma se descarregue completamente, aumentando a sua vida útil. Já em períodos de grande insolação e pequeno consumo de energia, a bateria tende a se carregar em excesso, aumentando a sua tensão e reduzindo a sua vida útil. O controlador de carga evita este excesso desconectando o módulo. A proteção do painel solar e os equipamentos conectados ao sistema contra curto circuito, inversão de polaridade e falhas que possam ocorrer, onde porventura, pode comprometer o funcionamento de todo o sistema. 34 O controlador de carga mede a tensão da bateria e protege-a contra a possibilidade de sobrecargas. Isto pode ser conseguido através de: 1. Desligar o gerador fotovoltaico quando é ultrapassada a tensão máxima de carga, conforme acontece nos controladores série, ou 2. Estabelecimento de um curto-circuito no gerador fotovoltaico através de um controlador "Shunt" Ou 3. Ajuste da tensão através de um controlador de carga MPP. 6.1- Instalação Recomenda-se a instalação dos controladores o mais próximo possível das baterias, para não provocar perda na fiação e em local à sombra e ventilado. Os controladores fazem a compensação de carga conforme a temperatura do ambiente e se colocados ao sol podem provocar leituras irreais do sistema. Cuidado deve ser tomado com a ligação dos pólos negativo e positivo, para não queimar o fusível de proteção. Os painéis e controladores possuem diodos e componentes de proteção ao circuito, todavia os outros equipamentos conectados podem não ter e estarão sujeitos a danos. 7.0- BATERIAS ESTACIONÁRIAS A tecnologia dos módulos solares pode ser programada para fazer a transformação da energia solar em energia elétrica até mesmo em dias chuvosos ou nublados com o uso de baterias para energia solar. Em dias mais claros de sol intenso, a energia captada será máxima, já em dias nublados, com pouca luminosidade, a captação de energia solar será bem menor, mas em ambos os casos, há produção de energia. 35 As baterias solares armazenam a energia solar para usos posteriores. Somente com o uso das placas solares, a energia solar captada só poderá ser convertida e utilizada no momento em está sendo feita a conversão da energia solar em elétrica. Daí a importância das baterias. Além disso elas mantém o equilíbrio dessa energia, impedindo que fatores climáticos interfiram no uso dessa energia. Por exemplo, impede que variações de energia aconteçam em caso de chuva ou de nuvens passageiras, por exemplo, que sem o uso das baterias provocariam baixas na energia e até o impedimento do uso de aparelhos. Sistemas solares podem utilizar baterias convencionais, todavia, é recomendável o uso de baterias desenvolvidas especificamente para este uso. As vantagens das baterias de descarga profunda são grandes sobre as convencionais: · Regulagem por válvulas · Vida útil maior do que as convencionais, quando aplicadas em sistemas solares. · Alta confiabilidade · Alta densidade de energia · Livres de manutenção · Baixa resistência na recarga · Permitem até 90% de descarga Temperatura de trabalho de - 15º a + 45º C. NÃO É RECOMENDÁVEL: • Instalar sistema solar com baterias automotivas, por estas não serem projetadas para uma descarga contínua e constante. Em geral as baterias automotivas proporcionam alta corrente no inicio e reduzem a potencia rapidamente se a descarga for contínua. A resistência na recarga também é mais alta e a vida útil fica comprometida em caso de descargas profundas. 36 • Que baterias trabalhem com menos de 50% de sua carga (exceto as de tecnologia spirall-cell) e quando há este risco, o numero de baterias deve ser aumentado. • NUNCA INSTALE BATERIA em painel solar SEM O CONTROLADOR DE CARGA, sob o risco de perda da bateria e perigo de explosão e/ou incêndio. É RECOMENDÁVEL: • Na instalação é recomendável o uso de fusíveis, disjuntores ou diodos para proteção. • Trabalhe com baterias de descarga de ciclo profundo, com sistema de vasos selados onde o vapor é recuperado e recirculado no acumulador. • Combinar baterias da mesma marca e capacidade. Sistemas solares podem utilizar baterias convencionais, todavia, é • altamente recomendável o uso de baterias desenvolvidas especificamente para este uso. As vantagens das baterias de descarga profunda são grandes sobre as convencionais: Regulagem por válvulas Vida útil maior do que as convencionais, quando aplicadas em sistemas solares. Alta confiabilidade Alta densidade de energia Livres de manutenção Baixa resistência na recarga Permitem até 90% de descarga Temperatura de trabalho de - 15º a + 45º C. 37 7.1- Princípio de funcionamento das Baterias O elemento básico de uma bateria é um conjunto de duas placas, de composições diferentes, mergulhadas num líquido apropriado ( o eletrólito ) e mantidas afastadas uma da outra por um separador de material isolante porém poroso de modo que deixasse passar os íons SO4 e H2 e conseqüentemente a corrente elétrica. O material ativo da placa positiva é o peróxido de chumbo PbO2. O material ativo da placa negativa é o chumbo metálico Pb sob forma esponjosa. O eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico SO4H2 e água H2O. A dissimetria química entre as duas placas de materiais diferentes gera uma tensão( voltagem ) de aproximadamente 2 Volts. Figura 5- Princípio de funcionamento da bateria A. Grelha A grelha é uma alma metálica retangular, usada para suportar os materiais ativos da bateria e a conexão que permite a passagem da corrente para o circuito externo ( o chumbo esponjoso e o peróxido de chumbo não têm resistência mecânica ). Existem duas famílias de grelhas, dependendo do material usado para sua fabricação : 38 - grelha chumbo/antimônio : usada nas baterias automotivas, provoca um consumo de água significativo, - grelha chumbo/cálcio : mais moderna. A grande vantagem da grelha chumbo/cálcio é a redução drástica do consumo de água, permitindo assim a construção de baterias seladas ( que não requerem água ). B. Placas Uma grelha empastada com o material ativo torna-se uma “placa”. A ligação íntima da grelha e do material ativo é uma operação bastante difícil mas extremamente importante, já que a vida da bateria depende muito da sua qualidade. As placas positivas são “carregadas” com peróxido de chumbo, uma pasta de cor marrom. As placas negativas são carregadas com chumbo esponjoso, de cor cinza. C. Elementos O elemento é a unidade de base da bateria. Vários elementos, sempre em número par, constituem uma bateria. Uma bateria 12V é composta por 6 elementos ligados em série, uma bateria 24V de 12 elementos ligados em série. Um elemento é constituído pelo mesmo número de placas negativas e positivas alternadas. Para evitar que as placas de polaridade diferente entrassem em curto, cada placa é separada das demais por um separador de material isolante, porém poroso para permitir a circulação do eletrólito e dos íons. Todas as placas da mesma polaridade são ligadas entre se por um conector que, ligado ao conector da polaridade oposta do elemento vizinho, constituirá afinal um pólo da bateria (ligação em série). Sendo as placas ligadas em paralelo, a tensão de um elemento é 2 Volts. O que varia em relação ao sistema inicial de duas placas é a capacidade em Ampères, que depende do número de placas dentro do elemento. Uma bateria automotiva, cuja função principal é gerar uma corrente de alta intensidade ( amperagem, até 500A ) para dar partida ao motor, 39 necessitará muito mais placas por elemento que uma bateria de serviço destinada a gerar algumas dezenas de Ampères. Daí os dois tipos de bateria mais comuns : a bateria automotiva e a bateria de reserva de energia. D. Caixa A caixa da bateria, geralmente de polietileno, está dividida em células independentes, cada uma para um elemento de 2V. A tampa evidencia os dois pólos ( POS + e NEG - ) e os orifícios para completar o nível do eletrólito em cada célula. As baterias seladas não têm esses orifícios mas sim uma válvula para a saída ocasional de hidrogênio e vapor de água. E. Eletrólito A composição do eletrólito ( bateria carregada) é a seguinte : – ácido sulfúrico SO4H2 : 36% em peso – água H2O : 64% em peso sendo a densidade 1,27. 8.0- DIMENCIONAMENTO DE SISTEMAS BÁSICOS O dimensionamento do sistema solar é simples quando se aplica uma voltagem e alguns pontos de consumo. O conhecimento básico de alguns valores e grandezas são necessários para tal: • • • Volt (V) é usado para medir Tensões. Ampère (A) é usado para medir Corrente. Watt (W) é utilizado para medir a potência e é o resultado da multiplicação de tensão pela corrente: W=VxA Desta forma, tendo dois valores de grandeza, poderemos calcular o terceiro. Outras medidas encontradas em sistemas solares são: • Wp = Watt de pico: é a máxima potência obtida em condições ideais. 40 • Wh = Watt hora: a potencia gerada ou consumida por hora. É normal em geração de energia se determinar o total gerado em um período de tempo. • • Ap = Ampère de pico: é a corrente máxima obtida em uma condição ideal. Ah = Ampère hora: a corrente máxima obtida ou consumida em uma hora. Faça a relação de todos os equipamentos, luzes, etc..., que pretende ligar ao sistema, verifique o consumo em Watts e a quantidade de horas que cada um ficará ligado por dia. Multiplique os valores totais de consumo pelas horas de uso. Some os resultados e obtenha a demanda diária de energia, ou seja, o valor em Watt x dia. Exemplo1: Relação de consumo em Watts Consumo W Qt Equipamento unitário total 10 Lâmpadas dicróicas 20 Lâmpadas externas 1 1 Televisor Geladeira 1 8 120 220 10 160 120 220 10 12 6 8 100 1920 720 1760 4500 Tabela 3- Relação de consumo e Wats horas de uso/dia Consumo W por dia Total do consumo W/dia Conclui-se que o sistema deverá gerar um mínimo de 4.500 Watts por dia para a aplicação. Quando o consumo não for regular, tais como residências de final de semana, é preferível trabalhar com o valor de demanda mensal e depois dividir por 30. 41 8.1- Dimensionamento do Painel Solar A escolha do painel solar é feita através de sua capacidade de geração em Ah. Com o valor da potencia exigida em Watts por dia, divida o valor pela tensão do sistema (ex.:12 ou 24 V) e obterá a corrente/dia necessária: A = W / 12 ou 24 O resultado deve ser novamente dividido pelo tempo médio de insolação. (Ex.: 6 horas é a média para a posição geográfica do Brasil). Figura 6-Mapa de índice de insolação no Brasil Com o valor em Ah encontrado, escolha o painel que se iguala ou supera este valor na tabela de painéis. Para se obter uma quantidade alta de energia, utiliza-se da associação de vários painéis que, uma vez interligados, fornecem a potencia necessária de geração elétrica. A escolha do painel solar deve ser feita escolhendo-se um ou mais painéis semelhantes que, sozinho ou reunido darão a potencia maior e mais próxima do valor Watt / dia encontrado. 42 A associação de painéis é recomendada somente para painéis com potencia e características elétricas semelhantes. Como respondem à Lei de Ohm, com a associação obtemos: • A cada painel adicionado, a soma das correntes [I], se conectarmos um painel a outro em PARALELO (positivo com positivo e negativo com negativo). • A soma das tensões [V] em cada painel adicionado, quando conectamos um painel a outro em SÉRIE (positivo com negativo). Consequentemente podemos associar e ter um sistema em múltiplos de tensões (12V / 24V / 48V ... 96V, 108V, etc.); E com múltiplos de corrente. Quanto a instalação é recomendável que o local não tenha sombreamento durante todo o dia e esteja o mais próximos do local de consumo. Os painéis podem ser fixados em telhados, lajes, postes, etc. e preferencialmente utilizando suportes específicos para isso. Sua direção deve sempre estar voltado para o Norte geográfico. Não utilize uma inclinação inferior a 10º para não acumular sujeira no painel. Os painéis solares geram eletricidade em corrente contínua (igual ao que é gerado em automóveis) e fornecem a energia polarizada, ou seja, um pólo é POSITIVO (+) e o outro pólo é NEGATIVO (-}. Em sua grande maioria, são fabricados para atender a uma tensão de 12 ou 24 Volts nominal. Exemplo: Estando na média de 6h de insolação: 4500 Watts / 6 = 750Wh 43 Será necessário gerar 750 Watts por hora para suprir o consumo de um dia. Seu sistema deverá ter no mínimo tal capacidade. 8.2- Dimensionamento do Controlador de Carga O controlador de carga é definido pela tensão de trabalho dos módulos e pela corrente a ser exigida no sistema. A capacidade do controlador deve superar a corrente dos painéis ou do consumo, naquele que for maior: Verifique a tabela do painel solar e sua corrente. Obtenha o total, levando em consideração a associação dos painéis, uma vez conectados. Verifique a corrente máxima exigida pelos equipamentos que serão ligados ao sistema solar. Defina o controlador pelo maior valor encontrado (painel ou consumo). Caso a corrente total supere a capacidade do controlador, considere a possibilidade de dividir a sua instalação em duas ou mais linhas de fornecimento de energia, executando o mesmo principio de balanceamento de carga de uma instalação elétrica convencional. Exemplo: Supondo que o consumo diário representasse 750W hora/pico, divide-se este valor pela tensão do sistema (Ex.: 12 ou 24 Volts) e obtém-se a corrente pico necessário para escolher o controlador: 750 W / 12 = 62,5A 750W / 24 = 31,25 A Como se vê, em uma instalação de 12V será necessário a divisão da carga em três controladores de 30A + 20A +20A = 70A; Ou em 24 Volts, uma possível composição seria controlador de 20A e outro de 30A = 50A. 44 Não é recomendável instalar sistemas que trabalhem em alta corrente, exceto em aplicações específicas; Tais sistemas são exponencialmente mais caros e requer muito mais cuidado com equipamentos, segurança e são potencialmente perigosos. Utilize o balanceamento de carga, dividindo a potencia total em barramentos, no padrão semelhante ao utilizado em edificações. 8.3- Dimensionamento de baterias Some a corrente (Ampère) produzida pelo(s) painel(is), respeitando a regra da associação (Lei de Ohm). Multiplique pelas horas diária de insolação e utilize um fator de segurança de 50% a mais. Deste valor encontrado, escolha a bateria ou o arranjo de baterias que acumulem essa energia. Quanto maior a quantidade de baterias, maior será a autonomia de seu sistema. É conveniente ter a energia excedente acumulada para dias chuvosos ou nublados. Exemplo: no caso de 12Volts, temos : 4500W/dia / 12V = 375A 375 + 50% = 562,5 A Se escolhermos baterias de 115Ah: 562 / 115 = 4,8 ou seja 5 baterias. Multiplique o valor de consumo diário de corrente por 3 (três). 8.4- Dimensionamento dos inversores Inversores são utilizados para energizar equipamentos em corrente alternada. Procure saber qual a condição de onda os equipamentos podem ser ligados. 45 Estes equipamentos possuem um fator de eficiência ou potência (FP) que é dado em proporção à perda do próprio circuito. Calcule o consumo em Wh e compare com a capacidade REAL do inversor (Capacidade em W x FP). O inversor deve ter capacidade superior ao consumo. 46 CONCLUSÃO O consumo de energia é cada vez maior e sua produção crescentemente diversificada assim concluiu que a energia elétrica é uma dessas diversidades que atenda a requisitos ecológicos. O geradores solares geralmente não produzem altos níveis de tensão ou corrente, cujo valor depende da quantidade de módulos expostos, da forma que são expostos e do tipo de material que compõem as células dos painéis.Dessa forma pode se concluir que o sistema de energia solar autônomo não trás vantagens a sistemas com grande demanda tais como: industrias ,hospitais e demais sistemas.O sistema ligado a rede é uma forma de economizar energia de concessionárias e em caso de racionamento pode amenizar os efeitos, e a energia excedente das cargas muitas vezes são introduzidas a concessionárias aumentando o fluxo energético.No sistema híbrido a energia solar atuando em conjunto com outras fontes energéticas aumenta também o fluxo energético dos sistemas no qual estão implantados. Por fim conclui-se que o sistema de energia solar é um investimento com retorno em longo prazo, uma alternativa vantajosa para locais isolados, onde não chega a rede de transmissão das hidroelétricas, mas o mais importante é a contribuição para o desenvolvimento sustentável. 47 BIBLIOGRAFIA http://www.sunlab.com.br/dimensionamento.htm Pesquisado as: 13:30 13/06/2010 http://www.slideshare.net/Voltaicas/energia-solar-fotovoltaica Pesquisado as: 13:25 13/06/2010 http://www.portal-energia.com/dimensionamento-de-sistemas-solaresfotovoltaicos/ Pesquisado as: 13:50 13/06/2010 http://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2010/01/energia-solarfotovoltaica-e-tema-de-curso-em-sao-paulo/1193 Pesquisado as: 13:55 13/06/2010 http://www.pipesystem.com.br/Download/download.html Pesquisado as: 16:00 13/06/2010 http://www.censolar.es/censol40.htm Pesquisado as: 16:10 13/06/2010 http://www.ruadireita.com/energias-renovaveis/info/bateria-para-energia-solar/ Pesquisado as: 08:55 26/06/2010 http://rrenergy.pt/index_ficheiros/pvtexto.pdf Pesquisado as: 20:05 01/08/2010 http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar Pesquisado as: 21:35 01/08/2010 http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica Pesquisado as: 16:38 02/08/2010 http://www.sunlab.com.br/ http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_solar.htm http://www.cmseixal.pt/ameseixal/municipe/energiasRenovaveis/documentos/EnergiaSolarFot ovoltaica.pdf http://www.projetabrasil.com.br/fotovoltaico/EnergiaSolar.pdf http://permacoletivo.files.wordpress.com/2008/05/curso-energia-solarfotovoltaica.pdf 48 www.solenerg.com.br/bateria.htm http://www.sunlab.com.br/manuais/Manual%20de%20Instalacao%20para%20P aineis%20Solares.pdf
Comments
Report "Energia Solar Fotovoltaica (Relatorio TCC)"