UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Sumário
1. Sistemas Fotovoltaicos
a) Isolados
b) Híbridos
c) Conectados à Rede
2. Sistemas Fotovoltaicos Isolados
3. AVISO – Aula prática
4. Novo Horário de Atendimento
5. Nova Regra Prova Substitutiva
6. Bibliografia
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Sistemas Fotovoltaicos
Os Sistemas Fotovoltaicos (SFV) podem ser classificados em duas categorias principais: isolados e conectados à rede. Em ambos os casos, podem operar a partir apenas da fonte fotovoltaica ou combinados com uma ou mais fontes de energia, quando são chamados de híbridos. A utilização de cada uma dessas opções depende da aplicação e/ou da disponibilidade dos recursos energéticos.
Cada um deles pode ser de complexidade variável, dependendo da aplicação em questão e das restrições específicas de cada projeto. Isto pode ser facilmente visualizado, por exemplo, quando se considera a utilização de um sistema híbrido diesel-fotovoltaico. Neste caso, a contribuição de cada fonte poderá variar de 0 a 100 %, dependendo de fatores como: investimento inicial, custo de manutenção, dificuldade de obtenção do combustível, poluição do ar e sonora, etc.
Sistemas Fotovoltaicos
Sistemas isolados, puramente fotovoltaicos ou híbridos, em geral, necessitam de algum tipo de armazenamento. O armazenamento pode ser em baterias, quando se deseja utilizar aparelhos elétricos nos períodos em que não há geração fotovoltaica, ou em outras formas de armazenamento de energia. A bateria também funciona como uma referência de tensão CC para os inversores formadores da rede isolada.
Em um sistema de bombeamento de água, onde esta é armazenada em tanques elevados, a energia é geralmente armazenada na forma de energia potencial gravitacional. Sistemas de irrigação podem ser exemplos de sistemas isolados sem armazenamento, quando toda a água bombeada é imediatamente usada, ou com armazenamento, quando a água bombeada é armazenada em um reservatório.
Sistemas Fotovoltaicos
Além das baterias e da energia gravitacional mencionadas acima, existem outras formas de armazenar a energia gerada, como o ar comprimido, o volante de inércia, a produção de hidrogênio, etc.
Os sistemas isolados de geração de energia contam também com uma unidade responsável pelo controle e condicionamento de potência composta por inversor e controlador de carga. A Figura 1 mostra o esquema de um Sistema Fotovoltaico Isolado básico.
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Figura 1a – Configuração básica de um Sistema Fotovoltaico Isolado.
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Figura 1b – Configuração básica de um Sistema Fotovoltaico Isolado.
Sistemas Fotovoltaicos
Conforme mencionado anteriormente, chamam-se sistemas híbridos àqueles em que existe mais de uma forma de geração de energia como, por exemplo, grupo gerador a diesel, aerogeradores (turbinas eólicas) e geradores fotovoltaicos.
Estes sistemas são mais complexos e necessitam de algum tipo de controle capaz de integrar os vários geradores, de forma a otimizar a operação para o usuário. Existem várias configurações possíveis, assim como estratégias de uso de cada fonte de energia. A Figura 2 apresenta uma destas possibilidades.
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Figura 2b – Exemplo de sistema híbrido.
Sistemas Fotovoltaicos
Em geral, utilizam-se sistemas híbridos para o atendimento a cargas em corrente alternada (CA) necessitando-se, portanto, de um inversor. Devido à maior complexidade e multiplicidade de opções e o constante aperfeiçoamento dessas unidades, a forma de otimização desses sistemas é, ainda hoje, tema de estudos.
Além disso, há de se considerar que a utilização de sistemas híbridos traz uma complexidade operacional e de manutenção do sistema que é uma questão muito desvantajosa para empreendimentos em regiões remotas.
Sistemas Fotovoltaicos
Sistemas conectados à rede (SFCR) são aqueles em que a potência produzida pelo gerador fotovoltaico é entregue diretamente à rede elétrica. Para tanto, é indispensável que se utilize um inversor que satisfaça às exigências de qualidade e segurança, para que não degrade a qualidade do sistema elétrico ao qual se interliga o gerador fotovoltaico. Alguns tipos de formas de onda são vistos na Figura 3a.
As Figuras 3b e 3c mostram o esquema de um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede. Atualmente a regulamentação não permite a operação ilhada desses sistemas, ou seja, em caso de falta de energia na rede de distribuição, o SFCR para de funcionar.
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Figura 3a – Tipos de formas de onda da tensão e corrente
de um inversor.
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Figura 3b – Sistema fotovoltaico conectado à rede.
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Figura 3c – Sistema fotovoltaico conectado à rede.
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Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Os sistemas isolados podem ser individuais ou em minirredes. No primeiro caso a geração é exclusiva para atendimento de uma única unidade consumidora, enquanto que no caso da minirrede, a geração é compartilhada entre um pequeno grupo de unidades consumidoras que estão geograficamente próximas umas das outras.
Os sistemas isolados foram regulamentados inicialmente pela Resolução Aneel Nº 83/2004 (editada, posteriormente, pela RN 493/2012), a qual teve um papel importante na inserção dos sistemas fotovoltaicos nos programas de eletrificação rural no país.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
1. Sistemas isolados individuais
A eletrificação com Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares consiste no atendimento, mediante energia solar, de domicílios individuais, permitindo aos moradores beneficiados ampliar seu leque de atividades, incluindo educação, lazer e produção, dentre outras.
Os elementos fundamentais que o caracterizam são a própria carga e o gerador fotovoltaico. Em geral, um sistema tão simples somente permitiria consumos proporcionais à radiação solar, isto é, durante as horas do dia e, especialmente, em dias ensolarados. Como regra geral, o sistema deve possuir um acumulador, que permita dissociar o horário de consumo do horário da geração, como mostram as Figuras 4 e 5.
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Figura 4 – Diagrama unifilar de um sistema fotovoltaico domiciliar em CC.
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Figura 5 – Diagrama simplificado do sistema fotovoltaico domiciliar em CC.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Para conseguir uma boa adaptação entre as características do acumulador e do gerador fotovoltaico, aumentando o rendimento do conjunto e prolongando a vida útil do primeiro, deve-se instalar um controlador de carga, que evite carga e descarga excessivas no acumulador.
No caso da eletrificação rural de domicílios, a RN 493/2012 exige das concessionárias que o atendimento seja realizado em corrente alternada, na tensão nominal de 127 ou 220 volts, de acordo com os níveis de tensão de distribuição predominantes no município.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Esta exigência tem o objetivo de oferecer mais possibilidades de utilização de aparelhos eletrodomésticos comercialmente disponíveis e equiparar o serviço com o atendimento convencional disponível nos centros urbanos. Esta RN também introduz a possibilidade de utilização de sistemas mistos CC e CA.
A Figura 6 apresenta um Sistema Fotovoltaico Domiciliar (SFD) com potência de 285 Wp (3 x 85 Wp) e banco de baterias 12 V/300 Ah (2 x 150 Ah), cuja disponibilidade mínima é de 13 kWh/mês (SIGFI13), instalado pela Eletrobras Distribuição Acre em um domicílio de comunidade extrativista no município de Xapuri, no âmbito do Programa Luz para Todos.
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Figura 6 – SFD no município Xapuri, na comunidade extrativista Dois Irmãos, no Acre.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Para os SFDs podem ser adotadas basicamente três configurações: atendimento exclusivamente em CC, atendimento misto CC/CA, e atendimento exclusivamente em CA.
O atendimento exclusivamente em CC encontra-se difundido em países da África e da América do Sul, particularmente para sistemas de pequena potência (abaixo de 100Wp). Contudo, apresenta limitações evidentes quanto ao uso de equipamentos eletrodomésticos convencionais de usos finais.
No Brasil, a regulamentação da Aneel não permite que as distribuidoras utilizem sistemas puramente CC para atendimento de energia elétrica, embora projetos deste tipo venham sendo implantados no país há muitos anos por diversas outras instituições ou mesmo por conta própria dos proprietários.
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Figura 7 – Esquema unifilar de SFD com atendimento exclusivamente em CC.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Nos projetos mistos de SFDs, adota-se a configuração apresentada na Figura 8, que consiste em um circuito em CC, para iluminação e/ou refrigeração, e um circuito em CA a partir de um inversor, para alimentação de TVs e outras pequenas cargas em CA. Esta configuração apresenta a vantagem de manter o fornecimento de energia aos equipamentos CC e à iluminação, se ocorrer falha no inversor.
Como desvantagens tem-se a maior complexidade no gerenciamento da instalação quanto à definição de interrupção de atendimento, os custos da instalação associados com o circuito CC, a maior dificuldade do usuário no entendimento do funcionamento do sistema e equipamentos com dois tipos e níveis de tensão.
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Figura 8 – Esquema unifilar de SFD com atendimento CC e CA.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
A configuração da Figura 9 requer um único circuito de distribuição em CA e utiliza, em relação à instalação exclusivamente em CC, cabeamento de menor diâmetro e equipamentos elétricos de maior disponibilidade no mercado, além de melhor qualidade e eficiência, tanto de controle quanto de consumo.
Além disso, permite utilizar os padrões de entrada convencionais, no ponto de fornecimento. O principal inconveniente do sistema puramente CA está associado à eficiência do inversor, que durante parcela significativa do tempo, trabalha em condições de carregamento parcial, muito embora os inversores mais modernos já possam ser encontrados no mercado com eficiências aceitáveis para situações de baixa demanda.
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Figura 9 – SFD constituído por um único inversor alimentando todas as cargas da instalação.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
2. Sistemas isolados em minirrede
Em algumas localidades isoladas no Brasil se utilizam sistemas com minirredes de distribuição para o fornecimento de eletricidade, onde a fonte de geração de energia elétrica mais comumente difundida é o grupo gerador a diesel.
No entanto, este tipo de sistema apresenta um alto custo operacional, em função da manutenção do grupo gerador e do consumo e transporte do óleo diesel, que ainda é maximizado quando as comunidades atendidas localizam-se em áreas extremamente afastadas dos centros urbanos, convivendo com condições precárias de acesso. Devido a esse alto custo operacional, muitos desses sistemas operam em condições precárias de manutenção e fornecimento do combustível.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Outras desvantagens relacionadas aos grupos geradores a diesel são de caráter socioambiental, associadas ao transporte do óleo diesel, a possíveis vazamentos, à emissão de gases poluentes e à produção de ruído. Alguns aspectos negativos do fornecimento de energia elétrica através de grupos geradores a diesel são minimizados e outros são eliminados com a utilização de recursos energéticos locais.
Neste contexto é que são aplicados os sistemas fotovoltaicos ou híbridos de geração de energia elétrica. Esses sistemas visam fornecer energia elétrica de forma confiável e, ao mesmo tempo, diminuir a dependência de recursos externos. As fontes renováveis de energia mais comumente utilizadas neste tipo de sistema são a eólica e a fotovoltaica.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
O dimensionamento adequado dos geradores de energia elétrica através de fontes renováveis, do banco de baterias, e a utilização de uma estratégia de operação que otimize os recursos disponíveis, deve ter como objetivo minimizar ou eliminar a utilização do grupo gerador a diesel e maximizar a vida útil do banco de baterias, diminuindo os custos de operação e manutenção do sistema.
A Figura 10a mostra os painéis fotovoltaicos e a edificação onde ficam os inversores, controladores, baterias e equipamentos de monitoramento do sistema fotovoltaico de 13,5 kWp, que atende a 19 unidades consumidoras da comunidade de Sobrado, no município de Novo Airão, no Amazonas.
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Figura 10a – Sistema fotovoltaico da comunidade de Sobrado no Amazonas.
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Figura 10b – Outros tipos de sistemas isolados em minirede.
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Sistemas Fotovoltaicos Isolados
3. Sistemas de Bombeamento de Água
Um sistema fotovoltaico de bombeamento é constituído por gerador fotovoltaico, dispositivo de condicionamento de potência (inversor, controlador de bomba), conjunto motobomba e reservatório de água, conforme ilustra a Figura 11.
Diferentemente dos sistemas domiciliares de geração de energia elétrica, geralmente não são utilizadas baterias para o armazenamento de energia, exceção feita nos casos em que a bomba é uma carga a mais de um SFI convencional (com baterias). Como regra geral, a água é bombeada e armazenada em reservatórios, para sua posterior utilização, os quais são dimensionados para determinado número de dias de autonomia (da mesma forma que um banco de baterias).
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Figura 11a – Diagrama esquemático de um sistema fotovoltaico de abastecimento de água.
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Figura 11b – Sistema fotovoltaico de bombeamento de água.
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Sistemas Fotovoltaicos Isolados
4. Sistemas de Telecomunicações e Monitoramento Remoto
Desde o início de suas aplicações terrestres, os SFV são usados para fornecer energia para a área de telecomunicações, devido à sua simplicidade e reduzida manutenção. A confiabilidade das fontes de energia para a maioria das aplicações nesta área deve ser bastante alta.
Geralmente, esses sistemas necessitam de baixa potência e são instalados em áreas remotas com acesso limitado e, frequentemente, com severas condições climáticas (vento, maresia), como mostra a Figura 12. Com relação à energia necessária para atender determinada carga, esta varia de acordo com o modo de operação e o tempo de utilização dos equipamentos.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
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Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Algumas vezes, para reduzir o custo inicial, especialmente se a demanda da potência máxima é muito maior do que a demanda média, utilizam-se sistemas híbridos. As aplicações mais comuns dos sistemas fotovoltaicos na área de telecomunicações são:
Estações remotas de rádio;
Estações repetidoras de TV;
Auxílio à navegação;
Estações base de telefone celular;
Telefones de emergência em estradas.
Equipamentos para monitoramento remoto e comunicação de dados necessitam de uma fonte de energia confiável, de forma a evitar a interrupção ou a perda de dados.
Sistemas Fotovoltaicos Isolados
5. Outras Aplicações
Outras aplicações para os sistemas fotovoltaicos ainda podem ser apresentadas, tais como: Proteção Catódica, Cerca Elétrica e Dessalinização.
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Sistemas Fotovoltaicos Isolados
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AVISO
ESTÁ PREVISTA UMA AULA PRÁTICA NO DIA
10/09, ÀS
12:00 (TURMA A) E ÀS 13:00 (TURMA B)
, SOBRE O
TEMA DE ENERGIA FOTOVOLTAICA (
AULA PRÁTICA 1
,
QUE JÁ ESTÁ NO SITE DA DISCIPLINA).
EM FUNÇÃO DAS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS
, A AULA
PODERÁ SER CANCELADA
. UM AVISO CONFIRMANDO
OU NÃO A AULA, SERÁ COLOCADO NO SITE ATÉ AS
11:00 DO REFERIDO DIA.
AVISO
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120900054 Ademir Granato Pereira Marinho 130950041 Alisson Passos Resende Milagres 140950050 Ana Carolina Rodrigues Almeida 130950122 Andre Luiz Leal da Costa Junior 130950019 Andre Siqueira Barros
150950098 Ayslan Bedeschi Lopes da Silva 140950092 Bernardo Caetano de Barros Freitas 140950058 Bruna Caroline Ferreira
150950009 Caio Rocha de Souza Prado 150950127 Carolina Maria Lopes
130950097 Dario Henrique Mota Losqui 140950094 Diogo Augusto Constantino 120950056 Edgar Vanier Luiz Batista 90950073 Eduardo de Almeida Motta 130950015 Fabio Gomes Vieira Filho 110950056 Filipe Augusto Nardy Paiva 140950067 Flavia de Carvalho Oliveira 160900056 Gabriel Barbosa Santos 140950134 Gabriel Percinio Costa
130900027 Gabriel Ronan Rodrigues Neto 130950055 Janayna Botega
120950010 Joao Marcos Nascimento Bernardo 130900004 Joao Pedro Santos Correa
150900013 Joao Victor Aguiar Duarte Machado 140900004 Joao Victor da Silva Ribeiro
AVISO
48
150900035 Joao Vitor Teixeira
140950015 Jonas Marques Campos Sena 120950055 Julia Ferreira de Oliveira
130950032 Lacivia Jordania Rolim dos Santos 140900027 Lara Karoline Alves Ferreira 130950048 Lucas da Silva Cunha
140950070 Luis Eduardo Partichelli Potrich 130950017 Luiz Gustavo Paiva Vilela
150950025 Marcio Alexandre da Fonseca Junior 140950009 Marco Antonio Chaves Soares 120950045 Mariana Carbonaro de Oliveira 130950104 Michel Fernandes Silva
150950017 Paula de Souza Pinto 140950026 Pedro Moreira de Oliveira 120950071 Priscilla Silva Neves 110950095 Ramon Carlos Gargalhone 120950115 Ruben Ferreira Placides Filho 130950044 Suelen Pereira Amorim 130950073 Thiago Takahama 140950036 Vinicius Resende Silva 140950018 Vinicius Siqueira Andriani 160950012 Wallace Jose da Cruz
130950094 Weslley Augusto Gouveia Pereira 140950063 Yorran de Oliveira Barbosa
Novo Horário para Atendimento
Segunda, das 18:30 às 20:30; Terça, das 15:30 às 17h;
Sexta, das 11:30 às 12:30 e 16:30 às 19h, na sala 4.03EL.
Marcar horário por e-mail.
Horário Especial de Atendimento – Sexta-feira das 17h às 19h (não é necessário marcar horário).
Nova Regra Prova Substitutiva
2 provas teóricas – 70% (08/10 e 28/11 – com
atividades avaliativas ao longo do semestre)
Trabalho Final – 30% (21/11 – etapas em 12/09,
17/10 e 14/11)
Prova Substitutiva (substitui a menor nota) – 35%
(03/12)
Bibliografia
1. J.T. Pinho, M.A. Galdino, “Manual de Engenharia para Sistemas
Fotovoltaicos”, Grupo de Trabalho de Energia Solar, CEPEL, Rio de Janeiro, 2014. 2. https://www.neosolar.com.br/images/saiba-mais/energia_solar_fotovoltaica-off-grid.jpg 3. http://www.cedecon.com.br/blog/wp-content/uploads/2017/09/3517281b3ba19989cadcc5f0eba251f8.jpg 4. https://www.neosolar.com.br/images/saiba-mais/energia-solar-fotovoltaica-grid-tie.jpg 5. https://www.greenleafalternativesolutions.co.za/wp- content/uploads/2016/08/Solar-Pump-150BLQ40_Syst_2_28_07-copy-1.jpg 6. http://alternateenergycompany.com/home/wp-content/uploads/2014/03/oil-gas-remote-solar-system.jpg 51
