5. ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONOMICA PARA IMPLANTAÇÃO
5.2. DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES
5.2.1 Dimensionamento dos painéis fotovoltaicos
Para dimensionar o painel fotovoltaico de um sistema fotovoltaico considera-se: as cargas instaladas, a disponibilidade de energia solar da região e também as características do modelo do equipamento escolhido para formar o arranjo fotovoltaico. Além do mais devem ser levados em conta os níveis de tensão do sistema, as perdas nos componentes do sistema, bem como, a área disponível para a instalação (SEGUEL, 2009).
Após conhecer os dados de potências requerida pelas cargas, determinou-se o consumo diário médio. Logo após, compara-se a tensão do sistema escolhida com a tensão de operação das cargas (CC e CA), para discernir a necessidade ou não do uso de conversores de potência, para se atingir as tensões desejadas. Valores de eficiência são levados em conta quando há necessidade da utilização dos mesmos.
Para calcular o consumo das cargas considerando as perdas relativas às eficiências dos conversores de potência (ηConvPot), foi utilizado valores de eficiência padrão sugeridos por GTES 2014 (ηConversores (CC/CC)=0,85 e ηInversores (CC/CA)=0,80) nas equações (1) e (2) a seguir.
C`diárioCC[Wh
dia] = CdiárioCC[Wh/dia]
ηConversores (CC/CC) (1)
C`diárioCC[Wh
dia] = 572
0,85= 672,94 Wh
dia (1.1)
C`diárioCA[Wh
dia] = CdiárioCA[Wh/dia]
ηInversores (CC/CA) (2)
C`diárioCA[Wh
dia] = 162
0,80= 202,05 Wh
dia (2.1)
Partindo dos valores apresentados calcula-se o consumo médio diário total de energia do sistema a partir da equação (3) abaixo.
CTotalCargas[Wh
dia] = C`diárioCC[Wh
dia] + C`diárioCA[Wh
dia] (3)
CTotalCargas[Wh
dia] = 672,94 [Wh
dia] + 202,05 Wh
dia = 874,99Wh
dia (3.1)
Segundo GTES 2014 é também necessário levar em consideração as perdas que são relativas à fiação (ηf) e à eficiência da bateria (ηb). Nestes casos, também serão utilizados os valores padrões (ηf=0,98 e ηb=0,95). Portanto é possível estimar o valor do consumo de energia das cargas corrigido (CTotCorr) a partir da equação (4).
CTotCorr[Wh
dia] = CTotalCargas[Whdia]
ηf∗ ηb (4)
CTotCorr[Wh
dia] = 874,99[
Wh dia]
0,98∗ 0,95 = 939,84 [Wh
dia] (4.1)
É necessário que seja calculado o consumo de corrente (CTotCorr) em Ampère-hora por dia), dividindo-se pela tensão nominal escolhida para o sistema, o qual é dado pela expressão (5) a seguir para posteriormente calcular a corrente de projeto (IProjeto) do arranjo fotovoltaico. Para este dimensionamento, a tensão nominal de geração do painel fotovoltaico será de 12 Volts.
CTotCorr[Ah
dia] = CTotalCorr[
Wh dia]
Vnom[V] (5)
CTotCorr[Ah
dia] = 939,84[
Wh dia]
12[V] = 78,32 [Ah
dia] (5.1)
É preciso então, calcular o número de horas de Sol Pleno (SP), grandeza essa que representa o número de horas em que a radiação solar deve permanecer constante e igual a 1 kW/m², de modo que a energia resultante seja equivalente à energia acumulada ao longo de um dia (GTES, 2014). Assim, graças aos valores de radiação solar apresentados no item 4.3, deve-se utilizar o valor de SP para o mês com menor irradiação solar média em no local de navegação do veleiro (Hmín=4,53 kWh/m²), como apresentado pela equação (6).
SP [horas
dia ] = H𝑀í𝑛[
KWh 𝑚2.dia] 1[KW
𝑚2] (6)
SP [horas
dia ] = 4,53[
KWh 𝑚2.dia] 1[KW
𝑚2] = 4,53 [horas
dia ] (6.1)
É possível, a partir das duas equações anteriores, calcular a corrente de projeto do painel fotovoltaico, utilizando-se a equação (7).
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴] = CTotCorr[
Ah dia]
SP[horasdia ] (7)
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴] = 78,32[
Ah dia] 4,53[horas
dia ]= 17,29[𝐴] (7.1)
Por fim, a corrente de projeto será a corrente requerida para que o painel fotovoltaico gere a energia para a alimentação das cargas utilizadas no veleiro, sem deter modificação no modo de operação dos equipamentos. Com a corrente de projeto calculada é possível agora dimensionar o painel fotovoltaico
Segundo GTES 2014, devido a perdas de campo no sistema precedente de acúmulos de poeira e degradação com o tempo é necessário considerar um fator de correção do modulo fotovoltaico (ηMódulo). Valores esses padrões que dependem do tipo de modulo a ser utilizado. Caso o modulo a ser utilizado for do tipo cristalino considera-se um fator de ηMóduloCristalino=0,90 e caso for do tipo amorfo ηMóduloAmorfo=0,70. Assim corrige-se a corrente de projeto pela equação (8) abaixo.
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴] = I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴]
ηMódulo (8)
Atualmente no mercado existem diversos fabricantes de módulos com potências nominais distintas destinados à aplicação em embarcações. A seguir são
apresentados alguns modelos e fabricante de módulos fotovoltaicos, como mostra a Tabela 5.
Tabela 5 - Dados Técnicos dos Módulos Fotovoltaicos.
Dados Técnicos dos Módulos Fotovoltaicos
Fabricante
Seraphi n Solar
Yingli Solar
Komae s Solar
Komae
s Solar ReneSola 3T Solar
Himin Solar
Modelo
Modelo
SRP-6PA
YL150P -17B
KM 120 (6)
KM(P) 150
RS-SL150TU
-18P
140W p
HM140 P
Tipo de células
Silício Poli
Silício Poli
Silício Mono
Silício Poli
Silício Poli
Silício Poli
Silício Poli Dimensões
Altura [mm] 1640 1485 1300 1480 1485 1482 1482
Largura [mm] 992 660 680 680 668 676 676
Espeçura [mm] 40 40 35 35 35 35 35
Peso [Kg] 19 12 10,4 12,3 12,6 11,7 11,7
Características elétricas Máxima
potência [W] 265 150 120 150 150 140 140
Tensão de Máxima Potência [V]
31.1 18,1 18,3 18,28 18,61 18,1 18
Corrente de Máxima Potência [A]
8.53 8,3 6,56 8,21 8,06 7,74 7,72
Eficiência [%] 15,5 15 16,5 17,1 15,12 14 - Corrente de
Curto-Circuito [A]
8.83 8,87 7,8 8,93 8,62 8,44 8,45
Preço [R$] 689,99 425,99 358,00 412,00 385,50 350,00 359,99 Fonte: Autoria própria, com base nos dados da Seraphim Solar System Co., Ltd. 2017; Yingli Green Energy do brasil s.a 2017; Komaes Solar Technology 2017; RENESOLA Global 2017;
3T Solar 2017; Himin Solar Energy 2017.
É imprescindível que a escolha do painel fotovoltaico seja feita de forma cautelosa de tal forma que todas as informações disponíveis pelos fabricantes sejam analisadas. Como nosso objeto de estudo é um veleiro o peso da instalação precisa ser o menor possível para não atrapalhar o rendimento da embarcação enquanto navega. Neste caso, analisado o peso, dimensões, potência e eficiência dos painéis, o módulo fotovoltaico escolhido foi o Yingli Solar YL150P-17B.
Sabendo que o modelo escolhido possui células do tipo silício policristalino calcula-se a corrente de projeto corrigida baseada na equação (8).
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴] = 17,290,9 = 19,21[𝐴] (8.1)
É possível determinar a quantidade de módulos fotovoltaicos que serão utilizados no sistema e, sabendo assim, a área necessária para fixar os painéis. Para isso, calcula-se o número de módulos a serem utilizados, em paralelo, aplicando a corrente do modulo de acordo com a equação (9).
N𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴]
I𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜[𝐴] (9)
N𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 19,21
8,3 ≈ 2 (9.1)
Em seguida, calcula-se o número de módulos instalados em série, para que se alcance a tensão necessária para carregar as baterias (12V) quando estiverem operando em temperaturas mais elevadas do que o esperado, o que significa 20%
acima do valor da tensão do sistema (14,4V), conforme apresentado na equação (10).
N𝑆é𝑟𝑖𝑒= 𝑉𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝐵𝑎𝑡[𝑉]
V𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙[𝑉] (10)
N𝑆é𝑟𝑖𝑒= 14,4
18,1≈ 1 (10.1)
Sendo assim será necessário a utilização de dois módulos conectados em paralelo entre si para atingira a corrente e tensão necessárias. Como cada modulo
fotovoltaico possui uma superfície com área de 0,98m2 (1,485m x 0,66m), será ocupada uma área de 1,96m2 pelos módulos.
Sabendo que serão utilizados dois módulos fotovoltaicos e sabendo suas características elétricas pode ser feito o caminho inverso do que foi feito até agora e encontrar a energia media gerada pelos painéis.
N𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴]
I𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜[𝐴] → 2 =I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴]
8,3[𝐴] → I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴] = 16,6[𝐴] (9.2)
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜𝐶𝑜𝑟𝑟[𝐴] = I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴]
ηMódulo → 16,6[𝐴] = I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴]
0,9 → I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴] = 14,94[𝐴] (8.2)
Agora, para substituir o valor encontrado da corrente de projeto na equação (7) precisamos considerar um valor para a quantidade de horas de Sol Pleno. Como este valor depende do mês em que está sendo avaliado, foi escolhido agora o mês com a maior quantidade de Sol Pleno.
I𝑃𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜[𝐴] = CTotCorr[
Ah dia] SP[horas
dia ] → 14,94[𝐴] =CTotCorr[
Ah dia] 5,58[horas
dia ] → CTotCorr[Ah
dia] = 83,36 [Ah
dia] (7.2)
CTotCorr[Ah
dia] = CTotalCorr[Wh dia]
Vnom[V] → 83,36 [Ah
dia] = CTotalCorr[Wh dia] 12[V]
→ CTotalCorr[Wh
dia] = 1000,38 [Wh
dia] (5.2)
Por fim, para finalizar o cálculo da energia gerada pelos painéis, basta multiplicar o valor encontrado pelas devidas perdas de condução (𝜂𝑐𝑜𝑛𝑑), do conversor (𝜂𝑐𝑜𝑛𝑣), do inversor (𝜂𝑖𝑛𝑣) e do banco de baterias (𝜂𝑏𝑎𝑡) consideradas previamente.
Ldiário[Wh
dia] = 1000,38 [Wh
dia] ∗ 0,98 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,80 = 633,32 [Wh
dia] (11) Conclui-se então que no mês de fevereiro no qual há uma maior média de radiação diária, a máxima energia que pode ser gerada pelos painéis fotovoltaicos é de 633,32Wh/dia com o sistema operando em 12 Volts e levando em consideração todas as perdas envolvidas.
5.2.1.1 Posicionamento dos Painéis Fotovoltaicos
A instalação de painéis fotovoltaicas em um veleiro precisa ser feita de maneira consciente para que não atrapalhe a tripulação durante a navegação, não podendo ser instalado em locais onde os velejadores precisem trimar as velas, timonear e fazer as manobras. Tampouco pode-se instalar painéis fotovoltaicos em posições desfavoráveis quanto a radiação solar por conta dos sombreamentos das velas.
Sendo assim restam apenas as extremidades do veleiro, a proa e a popa.
Normalmente os painéis são acomodados na popa, pelo fato da proa possuir um formato afinalado, como indica a Figura 9.
Figura 9 – Desenho da parte interna de um veleiro Delta. Fonte: Delta Yachts, 2017.
Com o objetivo de não atrapalhar o embarque e desembarque de tripulantes que normalmente é feito pela popa, é comum a utilização de estruturas metálicas para que as placas fiquem suspensas na popa do veleiro, assim o se reduz o risco de danificação dos painéis. Um exemplo dessa estrutura sendo instalada pode ser observado na figura 10.
Figura 10 – Estrutura suporte dos painéis fotovoltaicos. Fonte: Cruising World, 2017.