EB50-CI-03.002

Brasão das Armas Nacionais da República Federativa do Brasil

MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
ESTADO-MAIOR DO EXÉRCITO

 Brasão das Armas Nacionais da República Federativa do Brasil

PORTARIA – DOM/DEC/C E x Nº 061, DE 13 DE JANEIRO DE 2023


O CHEFE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E CONSTRUÇÃO, no uso das atribuições que lhe confere os incisos I e VIII do art. 3º, do Regulamento do Departamento de Engenharia e Construção (EB10-R-04.001), 1ª Edição, aprovado pela Portaria do Comandante do Exército nº 1.586, de 10 de setembro de 2021, em consonância com o inciso II do Art. 12 e Art. 44 das Instruções Gerais para as Publicações Padronizadas do Exército (EB10-IG-01.002), 1ª Edição, 2011, aprovadas pela Portaria do Comandante do Exército nº 770, de 7 de dezembro de 2011, resolve:

Art. 1º Aprovar o Caderno de Instrução sobre Orientações Práticas para Dimensionamento de Geração de Energia Fotovoltaica em edificações militares.

Art. 2º Estabelece que este Caderno de Instrução entra em vigor na data de sua





SUMÁRIO

CCAPÍTULO I .......................... 9
INTRODUÇÃO .......................... 9
1.1 APRESENTAÇÃO .......................... 9
1.2 LEGISLAÇÃO, REGRAS E MANUAIS DE REFERÊNCIA .......................... 9
CAPÍTULO II ......................... 10
FUNDAMENTOS FOTOVOLTAICOS .......................... 10
2.1. EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA .......................... 10
2.2. VISÃO GERAL DO SISTEMA .......................... 11
2.3. PRINCIPAIS DEFINIÇÕES .......................... 12
2.3.1 HORAS DE SOL PICO (PSH) .......................... 12
2.4 TIPOS DE SISTEMA .......................... 14
CAPÍTULO III .......................... 15
COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO .......................... 15
3.1 SISTEMAS DE MONTAGEM .......................... 15
3.2 MÓDULO FOTOVOLTAICO .......................... 17
3.4. INVERSOR .......................... 19
3.5 COMPONENTES COMPLEMENTARES .......................... 20
3.6. CONTROLADOR DE CARGA .......................... 22
CAPÍTULO IV .......................... 24
LEVANTAMENTO DO LOCAL PARA PROJETO .......................... 24
4.1 LOCALIZAÇÃO E SOMBRA .......................... 24
4.2 DADOS DE IRRADIAÇÃO LOCAL DO SOL .......................... 26
4.3 ESPECIFICAÇÃO DO TIPO DE SISTEMA DE MONTAGEM .......................... 27
4.4 SISTEMA DE ATERRAMENTO .......................... 28
5.2 DEFINIÇÃO DO INVERSOR .......................... 33
5.3 MATRIZ DE MÓDULOS .......................... 35
5.4 CÁLCULO DO CABEAMENTO .......................... 36
5.5 SELEÇÃO DE DISPOSITIVOS ELÉTRICOS .......................... 37
5.5 PERDAS DE ENERGIA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS .......................... 38
5.6 VIABILIDADE ECONÔMICA .......................... 40
CAPÍTULO VI .......................... 43
PROJETO FOTOVOLTAICO OFF-GRID .......................... 43
6.1 ESTIMATIVA DE ENERGIA ELÉTRICA .......................... 43
6.2 MODELO DE MÓDULO E MATRIZ FV .......................... 44
6.3 SELEÇÃO DO INVERSOR E DO CONTROLADOR DE CARGA .......................... 47
6.4 DIMENSIONAMENTO E GERENCIAMENTO DA BATERIA .......................... 50
CAPÍTULO VII .......................... 52
PREPARO PARA INSTALAÇÃO .......................... 52
7.1 SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO .......................... 52
7.2 DOCUMENTAÇÃO, PLANO LOGÍSTICO E COMISSIONAMENTO .......................... 53
7.3 PREOCUPAÇÕES DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO (O&M) .......................... 54
REFERÊNCIAS .......................... 56




LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática de uma célula fotovoltaica simples .......................... 10
Figura 2 – Evolução das Pesquisas em células fotovoltaicas .......................... 11
Figura 3 - Perda de energia direta devido ao desalinhamento do painel solar .......................... 11
Figura 4 - Gráfico do ponto de potência máxima (vermelha – corrente de curto-circuito; azul – potência). .......................... 13
Figura 5 - Gráficos de Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA) .......................... 13
Figura 6 – Diagrama sistema fotovoltaico isolado .......................... 14
Figura 7 – Diagrama de sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica .......................... 15
Figura 8 - Diagrama fotovoltaico híbrido .......................... 15
Figura 9 - Tipos de montagem de estrutura metálica solar .......................... 16
Figura 10 - Componentes principais da estrutura de montagem .......................... 16
Figura 11- Estrutura solar com rastreamento .......................... 17
Figura 12 - Camadas de um módulo fotovoltaico típico. .......................... 17
Figura 13 - Gráfico com principais informações sobre a folha de dados do painel fotovoltaico .......................... 19
Figura 14 - Amostra de algumas proteções elétricas. .......................... 21
Figura 15 - Terminal tipo agulha para conectar as proteções do quadro (a) e conector MC4 para conectar o cabeamento externo dos módulos fotovoltaicos (b). .......................... 21
Figura 16 - Terminal universal e terminal de olhal para cabo de conexão .......................... 22
Figura 17 - A chave seletora na frente do painel elétrico .......................... 22
Figura 18 - Irradiância solar em Brasília-DF (Estudo de Caso 01) .......................... 27
Figura 19 - Irradiância solar em São Gabriel da Cachoeira - AM (Estudo de Caso 02) .......................... 27
Figura 20 - Sistema de aterramento adotado .......................... 28
Figura 21 - Caixa de inspeção do sistema de aterramento e conector da haste de aterramento .......................... 29
Figura 22 - Painel unifilar dos componentes básicos PV na rede .......................... 30
Figura 23 - Painel fotovoltaico com duas strings paralelas e string-box (caixas de conexão) .......................... 36
Figura 24 - Amostra de componentes fotovoltaicos off-grid em diagrama unifilar .......................... 43
Figura 25 - Conexões do painel serial/paralelo (Estudo de Caso 2) .......................... 46
Figura 26 - Diagrama multilinha de interligação de componentes (estudo de caso 2) .......................... 48
Figura 27 - Diagrama unifilar de interligação de componentes com painel multicluster .......................... 49
Figura 28 - Diagrama unifilar de interligação de componentes com inversor híbrido .......................... 49
Figura 29 - Marcação de carga com módulos fotovoltaicos .......................... 54




LLISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Eficiência geral dos módulos fotovoltaicos (disponíveis no mercado) .......................... 18
Tabela 2 - Características de desempenho do Painel Fotovoltaico (NOCT e STC) .......................... 19
Tabela 3 - Comparação de tipos de bateria .......................... 23
Tabela 4 - Folha de Dados das Condições de Teste Padrão (STC) do modelo de painel escolhido de 260Wp .......................... 31
Tabela 5 - Média mensal da Irradiância solar diária em Brasília (Brasil) .......................... 32
Tabela 6 - Folha de dados do modelo de inversor de 15kW .......................... 34
Tabela 7 - Estimativa de perdas em sistemas fotovoltaicos .......................... 39
Tabela 8 - Produção média mensal de energia em Brasília (Brasil) .......................... 40
Tabela 9 - Variáveis de restrições aplicadas ao cálculo do payback .......................... 40
Tabela 10 - Planilha proposta para cálculo do payback .......................... 41
Tabela 11 - Estudo de Caso 01 Planilha proposta para cálculo do payback .......................... 41
Tabela 12 - Tabela de estimativa de consumo de energia .......................... 44
Tabela 13 - Tabela de estimativa de consumo de energia do Estudo de Caso 2 .......................... 44
Tabela 14 - Características de desempenho do Módulo Fotovoltaico (Estudo de Caso 2) .......................... 45
Tabela 15 - Capacidade da bateria (Ah) da ficha técnica de fábrica .......................... 51
Tabela 16 - Plano de procedimentos de manutenção .......................... 55


CADERNO DE INSTRUÇÃO SOBRE ORIENTAÇÕES PRÁTICAS PARA DIMENSIONAMENTO DE GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA EM EDIFICAÇÕES MILITARES





CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO





1.1 APRESENTAÇÃO

1.1.1 Este caderno de instrução foi elaborado pela Diretoria de Obras Militares (DOM) com o objetivo de fornecer os requisitos mínimos para o projeto de Geração de Energia Fotovoltaica para instalações militares.

1.1.2 A energia solar considerada neste documento é apenas para produção de eletricidade por fenômeno fotovoltaico, caso contrário, fins de aquecimento ou energia solar concentrada não são o objetivo deste documento.

1.1.3 A tecnologia de energia solar fotovoltaica está em constante desenvolvimento, e a cada ano mais materiais e equipamentos estão se tornando mais eficientes e confiáveis. Neste cenário, este manual pretende servir como suporte técnico básico para dimensionar esses sistemas, independentemente de como estão avançadas as soluções no mercado.

1.1.4 Deve-se notar que algumas questões não foram abordadas com grande profundidade. Assim, no caso de dimensionamento de sistemas de complexidade considerável, o projetista pode ter que se aprofundar neste assunto com outras referências da literatura técnica.

1.2 LEGISLAÇÃO, REGRAS E MANUAIS DE REFERÊNCIA

As principais referências técnicas que abordam a questão da energia elétrica, principalmente aquela gerada por sistemas fotovoltaicos, são apresentadas a seguir.

1.2.1 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR 16.149 - Sistemas Fotovoltaicos (PV) - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição. Rio de Janeiro, 2014

1.2.2 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR 16.274 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede - requisitos mínimos para documentação, testes de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho. Rio de Janeiro, 2014.

1.2.3 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR 10.899 - Energia Solar Fotovoltaica - Terminologia. Rio de Janeiro, 2013.

1.2.4 Programa Luz para Todos, Decreto nº 4.873, de 11 de novembro de 2003. Objetivo: Garantir o acesso à energia elétrica em todo o meio rural brasileiro em 2008 (Lei 10.438/2002 - Universalização dos Serviços de Energia Elétrica).

1.2.5 Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), REN 482/2012: Condições Gerais de Acesso à Mini e Microgeração Distribuída.





CAPÍTULO II

FUNDAMENTOS FOTOVOLTAICOS



2.1. EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA

2.1.1 O efeito fotovoltaico pode ser definido como sendo o aparecimento de uma diferença de potencial (tensão) entre duas camadas de uma fatia de semicondutor em que as condutividades são opostas, ou entre um semicondutor e um metal, sob o efeito de um feixe de luz.

2.1.2 Esse princípio de produção de eletricidade a partir da radiação solar foi observado pela primeira vez em 1839 por Alexandre Edmond Becquerel, um cientista francês. Os resultados indicaram que a eficiência energética do selênio sólido foi de apenas 1% a 2%.

2.1.3 Em 1950, foi desenvolvido o silício cristalino com alta pureza; em 1954, a célula fotovoltaica de silício com eficiência de conversão de 4% foi desenvolvida na Bell Labs; mais tarde, a eficiência foi melhorada para 11%. Neste momento, o efeito fotovoltaico criou uma nova era de geração de energia solar

2.1.4 Após o processo de purificação do silício, outras tecnologias foram pesquisadas e desenvolvidas, como Thin-film e células multijunção. A Figura 2 mostra a evolução da escala de tempo de diferentes tipos de tecnologia de acordo com o National Renewable Energy Laboratory (NREL), fornecidos dentro de famílias de semicondutores.

2.2. VISÃO GERAL DO SISTEMA

2.2.1 O local mais adequado para instalação de painéis solares depende da posição sem sombras e módulos fotovoltaicos com inclinação direcionada para o hemisfério oposto à latitude do sistema.

2.2.2 As especificações de montagem de estruturas para fixação de módulos solares são muito importantes para proteção contra vento, chuva e corrosão. A inclinação dos módulos fotovoltaicos é responsável por proporcionar maior produção de energia conforme alinhamento ao ângulo de incidência solar (Figura 3).

2.2.3 A incidência solar nos módulos fotovoltaicos gera energia em corrente contínua no circuito fechado. Por isso, é necessário proteger os módulos e os fios contra sobrecargas e eventos de curto circuito para evitar maiores perdas ou danos.

2.2.4 Geralmente é necessário utilizar um equipamento chamado inversor para converter tensão corrente-contínua (CC) em corrente-alternada (CA), que pode ser utilizado normalmente em aplicações convencionais conectadas à rede elétrica. A maioria dos aparelhos elétricos opera em CA e seu nível de tensão de funcionamento, geralmente, fica entre 110 e 220 Volts (V). O inversor tem duas funções principais: converter tensão CC em CA e amplificar o nível de tensão de acordo com a carga (ou rede).

2.2.5 Em sistemas autônomos (off-grid), além dos equipamentos mencionados anteriormente, as baterias para armazenamento de energia e controladores de carga ou inversores off-grid são utilizados para alimentação de carga elétrica isolada.

2.3. PRINCIPAIS DEFINIÇÕES

2.3.1 HORAS DE SOL PICO (PSH)

Horas equivalentes de radiação em condições padrão (1000 W/m2) de tal forma que a energia recebida sobre uma superfície seria igual à energia recebida durante um dia.

Exemplo de horas de sol pico (PSH):

5 kWh/m2 dia = 5 h · 1 kW/m2

Produção do módulo fotovoltaico: 5 h · Pp (Wp), então 5 kWh/m2 dia = 5 PSH (Hora do Sol de Pico)

2.3.2 NOCT - A Temperatura de Operação Nominal da Célula (dada em °C) é definida como a temperatura obtida por células em circuito aberto dentro de um módulo nas seguintes condições: 800 W/m2 de irradiância na superfície da célula; 25°C temperatura do ar; Velocidade do vento de 1 m/s e montagem traseira aberta.

2.3.3 BASE DE DADOS DE INFORMAÇÕES

· Global Solar Atlas fornece potencial solar clicando no mapa (https://globalsolaratlas.info/map);

· Bancos de dados climáticos:

- NASA (https://power.larc.nasa.gov/) parâmetros de inclinação especialmente PV na busca de

- NASA (https://nsrdb.nrel.gov/data-sets/international-data) parâmetros de inclinação especialmente PV na busca de ponto único; e

- Base de dados NRSB (https://nsrdb.nrel.gov/data-sets/international-data), fornecidos pelo NREL, e também os Arquivos Climáticos fornecidos pelo EnergyPlus.

2.3.4 PROFUNDIDADE DE DESCARGA (DoD) - indica a porcentagem da bateria que foi descarregada em relação à capacidade total da bateria. É definida como a capacidade que é descarregada de uma bateria totalmente carregada, dividida pela capacidade nominal da bateria.

Exemplo:

se uma bateria de 100 Ah é descarregada durante 20 minutos com uma corrente de 50 A, a profundidade de descarga é de 50 * (20 / 60) / 100 = 16,7 %.

2.3.5 EFICIÊNCIA DO MÓDULO SOLAR – é a relação entre a potência máxima do módulo (W) e a área do módulo solar (m2) no STC, irradiância 1000W/m2.

2.3.6 RASTREAMENTO DO PONTO DE POTÊNCIA MÁXIMO (MPPT) - é um algoritmo incluído nos inversores usados para extrair a potência máxima disponível do módulo fotovoltaico sob certas condições. A tensão na qual o módulo fotovoltaico pode produzir potência máxima é chamada de ponto de potência máxima (ou tensão de potência de pico). A potência máxima varia com a radiação solar, temperatura ambiente e temperatura da célula solar.

2.3.7 CORRENTE ALTERNADA (CA) E CORRENTE DIRETA (CC) - quando a magnitude e direção da corrente elétrica variam ciclicamente é chamada de Corrente Alternada (CA), quando a corrente elétrica permanece constante é chamada de Corrente Direta ou Corrente Contínua (CC).

2.3.8 PROTEÇÃO ANTI-ILHAMENTO – é a capacidade do inversor on-grid desconectar a alimentação elétrica da rede em caso de blecaute. A proteção anti-ilhamento é uma maneira de o inversor detectar quando a rede elétrica está com problemas ou falhou. Em seguida, o inversor para de fornecer energia de volta à rede.

2.4 TIPOS DE SISTEMA

A energia produzida pelos módulos fotovoltaicos flui para o dispositivo conversor CC-CA (inversor) para conectar-se à carga elétrica CA. No caso de sistemas grid-tie, este inversor precisa de sincronia CA com o fornecedor da rede elétrica. Sobre os sistemas autônomos (off-grid), como não possui um fornecedor de rede de energia, é necessário um banco de energia para fornecer energia à carga elétrica enquanto a irradiância solar for baixa ou nula.

2.4.1 Os sistemas de geração de energia fotovoltaica são dimensionados com base nas características climáticas (temperatura, irradiação solar, eólica) e físicas (área disponível, área sem sombreamento, métodos de fixação, níveis de tensão, entre outras variáveis).

2.4.2 Existem dois tipos de geradores fotovoltaicos: sistemas conectados à rede elétrica (on-grid) e sistemas desconectados da rede ou isolados (off-grid). Em ambos os casos, é necessário ter informações sobre a demanda ou consumo de energia para dimensionar o sistema a ser implementado.

i) Para os edifícios desconectados da rede (off-grid), onde não há registro de consumo de energia, é necessário estimar uma procura utilizando o projeto de instalações elétricas ou instalar um registro de equipamentos de energia para medir o consumo elétrico real.

ii) Para edifícios conectados à rede (on-grid), basta ter a fatura de energia para poder estimar um sistema fotovoltaico on-grid

Nota: De acordo com algumas necessidades do projeto, há uma variação de sistemas on-grid, caso haja um armazenamento acoplado ao PV on-grid, o sistema é chamado de híbrido.





CAPÍTULO III

COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO





3.1 SISTEMAS DE MONTAGEM

3.1.1 A estrutura para rack de painéis fotovoltaicos (também chamada de rack de módulo solar) é uma parte substancial do sistema fotovoltaico e requer material resistente à corrosão. Sua fixação pode ser realizada em qualquer tipo de cobertura (fibrocimento, metálica, cerâmica, shingle ou laje de concreto) e também no solo.

3.1.2 Não é aconselhável usar outro tipo de material para estrutura sem considerar a resistência ao vento, temperatura, chuva e corrosão.

3.1.3 Os principais componentes da estrutura de montagem são mostrados na Figura 10 e de acordo com o tipo de cobertura, existem muitas soluções de rack propostas pelas empresas fabricantes:

3.1.4 Alguns sistemas de montagem são desenvolvidos para rastreamento de raios solares, a fim de melhorar a produção de energia e requer processo de automação e estrutura metálica específica para sua execução.

3.2 MÓDULO FOTOVOLTAICO

3.2.1 O principal elemento para geração fotovoltaica é a célula fotovoltaica. No entanto, o uso desse tipo de energia, em escala comercial, é realizado com a ajuda de outros componentes. Primeiramente, as células são agrupadas, conectadas entre si e revestidas para formar o módulo fotovoltaico.

3.2.2 Os módulos são associados em série e paralelo para formar os arranjos de geração com a tensão e corrente desejadas.

3.2.3 Cada uma das camadas ilustradas é descrita abaixo:

• Moldura: parte estruturante externa do módulo, geralmente em alumínio. É através disso que o módulo é fixado.

• Selante: composto adesivo utilizado para unir as camadas internas do módulo à moldura. Deve impedir a entrada de gases e umidade, além de proteger o interior de vibrações e choques mecânicos.

• Vidro: amada externa rígida que protege as células e os condutores do ambiente enquanto permite que a luz seja convertida em eletricidade. É um vidro especial, com baixo teor de ferro, com camada antirreflexo e superfície texturizada, que impede o reflexo da luz que incide no vidro.

• Encapsulante: película que envolve as células, protegendo-as da umidade e de materiais externos, além de otimizar a condução elétrica. O encapsulante mais utilizado é o EVA (Ethyl Vinyl Acetate).

• Células Fotovoltaicas: componente eletrônico responsável pela conversão direta de energia eletromagnética em energia elétrica. Os diferentes tipos de células serão detalhados abaixo.

• Backsheet: parte inferior do módulo que impede a entrada de umidade e protege as células de elementos externos. Além disso, oferece isolamento elétrico adicional. Tedlar® é o material base mais utilizado para a confecção de backsheet.

• Caixa de junção: tem a função de trazer as conexões elétricas do módulo fotovoltaico para o exterior. Contém os diodos de proteção para sombras e os cabos para a conexão dos painéis em campo. Ao escolher a caixa de junção é necessário prestar atenção à qualidade do plástico, à qualidade da vedação, ao tipo de conexão da fita e à qualidade dos diodos de by-pass (de passagem). Nestes anos também nasceram caixas com diodos especiais de baixa perda ou integrados com micro inversores. O preço dessas soluções ainda não permitiu uma distribuição em massa, embora a potencialidade seja interessante.

3.2.4 Apesar da evolução tecnológica estar presente em toda a cadeia de equipamentos de geração fotovoltaica, o desenvolvimento de células mais eficientes, baratas e compatíveis para as mais diversas aplicações continua sendo o principal objetivo de pesquisadores de todo o mundo. Na tabela abaixo, serão comparados os principais tipos de células fotovoltaicas existentes usadas em sistemas fotovoltaicos:

3.2.5 Os principais dados descritos na ficha técnica incluem as seguintes informações:

Um modelo de ficha técnica de painel fotovoltaico é apresentado na Tabela 2 - Características de Desempenho do Painel Fotovoltaico (NOCT e STC) (modelo VERTEX TSM-DEG19C.20 530-550W) e possui as seguintes características técnicas e está sob condições STC e NOCT:

3.4. INVERSOR

Este tipo de dispositivo tem a função de converter a corrente contínua dos módulos solares em corrente alternada de carga e sua função secundária é garantir a segurança do sistema como um todo e, na maioria dos modelos, medir a energia produzida pelos módulos solares.

3.4.1 Existe outra classificação de inversor solar de acordo com a conexão à carga: on-grid, híbrido e offgrid

3.4.2 Os inversores on-grid são equipamentos de alta eficiência (até 98%) e podem ser classificados basicamente em três tipos principais de acordo com o tamanho do sistema: inversores string, microinversores e inversores com otimizador de potência

- Os inversores string (monofásicos ou trifásicos) são os mais utilizados em instalações residenciais e comerciais, reunindo um grupo de módulos (string) em cada inversor (até 125 kw); e para sistemas de grande escala, um inversor central é usado principalmente em usinas fotovoltaicas com potências da ordem de centenas de kW a MW, onde várias matrizes de módulos fotovoltaicos estão conectadas a ele.

- Microinversores são inversores individuais, projetados para serem acoplados a poucos módulos fotovoltaicos em uma instalação. Ao trabalhar com esses dispositivos, a saída de cada módulo é maximizada. Além disso, os efeitos de sombreamento ou defeitos nos módulos são isolados por meio dos microinversores, sem prejudicar a produção de todo o arranjo, como ocorreria se fosse utilizado um inversor convencional. Como os microinversores não estão sujeitos a altas potências e temperaturas de operação como nos inversores centrais, eles também tendem a ter garantias mais longas (20-25 anos).

- Inversor com otimizadores de potência combina um inversor de string na parede, mas possui otimizadores de energia sob os módulos, o que permite ainda ter a conversão CC-CA na parede e ainda maximizar a captação de energia no nível do módulo.

3.4.3.As principais características dos inversores são:

-Segurança e nível de proteção sempre devem ser a prioridade número um. Isso também vale quando se trata de inversores de string, especialmente ao lidar com valores de alta tensão e corrente. A lista de exemplos de recursos de segurança e proteção inclui o seguinte: dispositivo de desconexão do lado de entrada, proteção anti-ilhamento, proteção contra falha de aterramento, monitoramento de isolamento, Proteção de polaridade reversa CC, monitoramento de rede, unidade de proteção de corrente residual, Para-raios CA, Para-raios CC, proteção contra sobretensão, proteção contra sobrecorrente CA, proteção contra curto-circuito CA, proteção contra falha de arco, proteção contra sobrecarga CC e dispositivo de desconexão do lado da saída.

- Eficiência é a capacidade do inversor em converter energia solar de CC para CA de forma eficiente, em relação à capacidade máxima de energia do dispositivo. A classificação de eficiência de pico do inversor precisa ser o mais próximo de 100% para poder otimizar a colheita de energia solar. Atualmente, os principais fabricantes de inversores são capazes de atingir quase 99% de eficiência máxima.

- Proporção de Carga do Inversor (ILR) refere-se à proporção da capacidade de pico de potência dos painéis solares (potência total dos módulos fotovoltaicos) para a capacidade máxima do inversor ao qual estão conectados. É uma chave fundamental na otimização da produção do sistema solar fotovoltaico.

- Múltiplas entradas MPPT cada entrada do inversor com MPPT contribui para a eficiência do sistema, pois quanto mais entradas o inversor tiver mais energia é produzida.

- A relação custo-benefício é atribuída diretamente à sua capacidade de maximizar o rendimento energético do sistema fotovoltaico enquanto minimiza o custo de produção. Mas é necessário avaliar a qualidade do inversor e comparar um com o outro

- Conectividade e Monitoramento dá uma idéia de como funciona o sistema de energia solar. Ele mostra as estatísticas que detalham o rendimento de energia solar a cada minuto, os alarmes, mensagens de erro, etc. Ele poderá planejar adequadamente sua rotina de manutenção, cronograma de limpeza e outras coisas. Isso ajudará a alcançar os benefícios ideais do sistema fotovoltaico solar.

- A otimização em nível de módulo (somente para otimizadores) fornecerá um ganho de 5%, mesmo em um telhado ideal. Em condições não ideais parcialmente sombreadas, isso pode ficar muito maior. Ele também pode habilitar outros recursos, incluindo: monitorar o desempenho de cada painel e não apenas do sistema como um todo; flexibilidade para módulos que podem estar voltados para diferentes direções ou em diferentes alturas; melhor sombreamento e gerenciamento de falhas; e melhor gerenciamento de incompatibilidade para aumentar o rendimento.

3.5 COMPONENTES COMPLEMENTARES

3.5.1 Os componentes complementares utilizados em sistemas fotovoltaicos são responsáveis pelas interligações e proteções, tais como: fios, conectores, interruptores, disjuntores, fusíveis, dispositivos de proteção contra surtos, módulos de invólucro, tubulações, etc.

3.5.2 O PAINEL DE CAIXA ELÉTRICA, sempre que possível, deve ser instalado próximo aos inversores e banco de baterias, de modo a minimizar perdas de impedância nos cabos e colaborar para o comissionamento e operação. Este material proporcionará instalações seguras e organizadas para proteções, barramentos, fios e outros dispositivos complementares ao sistema fotovoltaico.

3.5.3 As PROTEÇÕES dos cabos e equipamentos são realizadas por disjuntores, fusíveis, dispositivo de proteção contra surtos (SPD), além de proteções de contato físico.

3.5.4 O CABEAMENTO ELÉTRICO é dividido em dois grupos: fiação CA (corrente alternada) e fiação CC (corrente contínua) e possuem nível de isolamento específico (750V ou 1kV) e temperatura nominal de operação (70ºC ou 90º) para suprir cada demanda de energia.

3.5.5 os CABOS UV (proteção solar) são os cabos provenientes dos módulos fotovoltaicos. A corrente contínua (CC) circula por eles e possui nível de isolamento de 1,8kV, com proteção contra raios ultravioleta.

3.5.6 Os CABOS DE BATERIA são do mesmo tipo dos cabos que conectam a carga elétrica da casa, com nível de isolamento de 1kV, mas com bitola de 25mm².

3.5.7 Os CONECTORES e TERMINAIS são especificados de acordo com os fios e sua função a ser conectada. As conexões mais comuns são fusíveis do painel elétrico utilizando-se um terminal tipo agulha e o conector MC4 entre os módulos (Figura 15). Serão utilizados os terminais Universais ou olhal para interligar as baterias com cabos de cobre de 25mm² (Figura 16).

3.5.8 A CHAVE SELETORA tem a função de selecionar a fonte de energia (gerador diesel ou fotovoltaico) para suprir a carga elétrica. A chave seletora (Figura 17) é o único componente a ser ativado pelo usuário. Está localizado na porta da central e possui 3 posições:

0- sistema desligado, ou seja, CARREGAR sem energia;

1- recebe energia do gerador a diesel e a transmite para a CARGA; e

2- recebe a energia do sistema fotovoltaico e a transmite para a CARGA.

NOTA: no momento da montagem pode haver mudança de posição entre as funções 1 e 2, mas esta condição deve ser devidamente informada ao usuário final.

3.6. CONTROLADOR DE CARGA

3.6.1 O controlador de carga deve ser usado em um arranjo fotovoltaico off-grid que, quando combinado (ou individualmente), não excederá a corrente máxima (Isc) e a tensão de circuito aberto (Voc), além da limitação de potência.

3.6.2 As principais características do controlador de carregamento são apresentadas a seguir:

- Detecção automática do banco de baterias (12V - 24V – 36V – 48V);

- Bloqueio de corrente reversa da bateria para o painel fotovoltaico à noite;

- Desconexão dos módulos fotovoltaicos quando ocorre sobrecarga da bateria;

- Compatibilidade com baterias de chumbo-ácido e íon de lítio;

- Função de compensação de temperatura da bateria;

- Função de estatísticas de energia em tempo real;

- Função de redução de potência de superaquecimento;

- Tela indicando exibição de dados operacionais e status do sistema;

- Tensão máxima de entrada do painel;

- Potência máxima de entrada;

- Corrente máxima para a bateria;

- Dimensões; e

- Peso.

3.6.3 O controlador de carga pode ser substituído caso o inversor off-grid tenha a capacidade de controlar o fluxo de energia entre carga, baterias e módulos solares.

3.7 BATERIA

3.7.1 Existem alguns tipos de bateria que se aplicam ao sistema fotovoltaico off-grid considerando capacidade, preço, vida útil, profundidade de descarga, tecnologias, peso, dimensões, temperatura de operação e nível de umidade.

3.7.2 Baterias com ciclo profundo são geralmente usadas em sistemas solares fotovoltaicos. Eles podem ser caracterizados (além de sua capacidade de recarga) por alta densidade de potência, alta taxa de descarga, curvas de descarga planas e bom desempenho em baixa temperatura.

3.7.3 Neste presente manual, será proposta apenas a composição de modelos de mercado para projeto de sistema fotovoltaico: chumbo ácido (OPzS, OPzV), chumbo carbono e lítio.

3.7.4 Cada tipo de bateria possui vantagens e desvantagens técnicas e de mercado, por isso especificará uma determinada capacidade de bateria para comparar essas tecnologias.

3.7.5 As baterias devem ser instaladas em um espaço fechado, separado de controles ou outros componentes do sistema fotovoltaico que possam ter mecanismos de resfriamento/aquecimento para protegê-los de temperaturas excessivas.

3.7.6 As baterias fotovoltaicas podem ser descarregadas lentamente ao longo de muitas horas e podem não ser totalmente recarregadas por vários dias ou semanas.

3.7.7 É importante entender a estreita relação entre a bateria e o controlador de carregamento. Quando uma bateria é comprada, um controlador de carregamento compatível deve ser adquirido.





CAPÍTULO IV

LEVANTAMENTO DO LOCAL PARA PROJETO



Para praticar o processo de projetar, este manual fornece dois edifícios diferentes para calcular seus sistemas fotovoltaicos:

4.1 LOCALIZAÇÃO E SOMBRA

4.1.1 No caso de dimensionamento on-grid, deve-se considerar o perfil do terreno, tipo de solo, densidade da vegetação, edificações altas ou estruturas ao redor, rede de distribuição elétrica disponível para escolha do local do sistema de energia.

4.1.2 Caso contrário, no caso de sistemas off-grid, apenas a disponibilidade da rede elétrica de distribuição não seria considerada para a escolha do local do sistema.

4.1.3 O espaço sobre o edifício, a inclinação do telhado (inclinação) e o ângulo azimutal1 influenciam o desempenho do sistema fotovoltaico e precisam ser escolhidos adequadamente (ou para sul, depende do hemisfério).

4.1.4 Sobre os Estudos de Caso, a definição da localização dos módulos fotovoltaicos é uma das principais restrições do projeto, uma vez que não deve haver sombreamento de obstáculos próximos (edifícios, árvores, etc), principalmente na direção norte (hemisfério sul).

4.1.5 Principais informações do formulário de levantamento do local:

Informações do Consumidor de Energia: nome da instituição, endereço, e-mail, número de telefone.

Informações do local:: latitude e longitude; altura do telhado (ou número de andares); espaço livre disponível no telhado; instalação necessária (telhado ou montado no solo); estrutura do telhado – madeira, chapa metálica; tipo de telhado (plano/inclinado com ângulo de inclinação); cobertura do solo (pavimento, grama, pedras, areia)

Informações elétricas: tipo de conexão (monofásico, 2 ou 3 fases); Demanda de carga elétrica contratada (kW); carga do aparelho com alta corrente de partida; capacidade instalada e tensão dos transformadores; valores de nível de baixa e média tensão; carga de consumo de energia elétrica (min/média/máxima); consumo anual de eletricidade (kWh).

________________________________

1Ângulo azimutal - a direção em que a inclinação do módulo faz com o norte geográfico.

Documentos adicionais: aturas de energia elétrica recentes do consumidor; painel unifilar de distribuição de energia elétrica; esboço simples do sítio; fotos do sítio tiradas de diferentes ângulos para total clareza.

4.1.6 Algumas questões sobre levantamento do local devem ser consideradas:

a. avaliar se a localização está pronta para energia solar;

b. verificar espaço necessário para colocar os módulos solares;

c. analisar praticidade da instalação dos módulos: telhado ou solo

d. no caso de instalação no telhado, qual é a melhor orientação do seu telhado e em que direção montar os módulos solares;

e. definir ângulo de inclinação dos módulos solares;

f. avaliar a densidade de vegetação na área planejada;

g. mensurar a altura desses obstáculos: edifício existente e árvores ao redor da área dos módulos solares;

h. estudar que tipo de solo3 ; e

i. definir tipo de estrutura de montagem do painel solar e como escolher a montagem ideal para seus módulos solares.

4.2 DADOS DE IRRADIAÇÃO LOCAL DO SOL

4.2.1 É fornecido por algum Instituto Nacional de Meteorologia e para alguns lugares do mundo, provavelmente o site da NASA possui parâmetros de irradiância fotovoltaica (https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/).

4.2.2 No Brasil, a principal base de dados aplicada para auxiliar no dimensionamento fotovoltaico é o link do site do CRESESB http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata, do Centro de Pesquisa em Energia Elétrica (CEPEL, Brasil). Sobre os Estudos de Caso, os seguintes números foram extraídos do site do CRESESB:

________________________________

2 Nota: se houver área de terreno ao redor do prédio livre e disponível, priorize a instalação no solo.

3 Nota: tanto os solos com pedras quanto as áreas úmidas e inundáveis (próximas aos rios) devem ser evitados.

4.3 ESPECIFICAÇÃO DO TIPO DE SISTEMA DE MONTAGEM

4.3.1De acordo com a área disponível para instalação dos módulos solares, existem algumas questões a serem respondidas:

- quantos metros quadrados estão disponíveis (telhado ou terreno)?

- quantos módulos solares foram projetados?

- que tipo de telhado existe? É necessário esconder módulos no telhado, para evitar que o observadord o solo veja?

- será no chão (apoiado no piso pavimentado) ou solo (base enterrada)?

- o módulo solar é bifacial?

- é sistema de rastreamento especificado?

4.3.2 Todo o rack de montagem precisa ser de material resistente à corrosão, podendo ser do tipo alumínio ou aço inoxidável. Evita-se usar outro material metálico que precise ser pintado constantemente para preservar o longo ciclo de vida.

4.3.3 A seção 3.1 (Sistemas de montagem) mostra todos os tipos de racks solares de acordo com o tipo de telhado e aterramento.

4.3.4 Existe um tipo específico de racks de montagem para estacionamento, para cobrir um carro (6 x 3 metros) ou dois carros (12 x 3 metros). Consequentemente, seriam necessários pelo menos 18 módulos para fazer uma projeção de sombra sobre esses dois carros. O preço deste tipo de solução é relativamente mais alto do que outros.

4.4 SISTEMA DE ATERRAMENTO

4.4.1 O aterramento do sistema fotovoltaico visa promover a segurança, tanto do sistema instalado quanto das pessoas que possam ter contato com ele, instaladores ou ocupantes da instalação.

4.4.2 Caracteriza-se pela ligação intencional ao solo, feita por meio de condutor específico para este fim.

4.4.3 Apesar de existirem várias opções de aterramento, neste projeto utilizaremos o aterramento equipotencial, conforme mostra a Figura 20.

4.4.4 O cabo de aterramento deve ser conectado à estrutura de cada um dos módulos e chegará a haste através de conduíte corrugado, a ser instalado dentro da caixa de inspeção, conforme Figura 21.

4.4.5 Além disso, o cabo deve ter ligação ao barramento de terra, dentro do quadro elétrico, através de ligação com o condutor equipotencial. Assim, todo o sistema será aterrado.





CAPÍTULO V

PROJETO FOTOVOLTAICO ON- GRID





Nesta seção será apresentado o passo a passo do processo de projeto fotovoltaico de sistemas conectados a rede (geração distribuída), incluindo: levantamento de potência, definição do inversor, arranjo fotovoltaico, cálculo do tamanho do fio, proteções, estimativa de perdas e estudo de viabilidade econômica.

5.1 PESQUISA DE ENERGIA NOMINAL

5.1.1 Algumas informações preliminares são necessárias para iniciar um processo de projeto fotovoltaico on-grid, são elas:

• Em qual nível de tensão a carga está conectada: 127/220V, 220/380V, média tensão (13,2kV – 69kV), alta tensão (128kV acima);

• Número de fases e tamanho dos alimentadores elétricos: monofásico, bifásico ou trifásico;

• Estimativa de consumo de energia (fatura de energia): kWh médio mensal;

• Características dos módulos fotovoltaicos (potência nominal e dimensões);

• Temperatura média diurna do local (média mensal): Tlocal ; e

• Radiação incidente no plano (kWh/m2 dia): EImês .

5.1.2 Com base nestas informações, é possível estimar uma potência nominal fotovoltaica total demandada para alimentar uma determinada carga e saber quantos metros quadrados seriam necessários para a instalação de módulos fotovoltaicos.

5.1.3 Definição do consumo médio de energia: através da fatura de energia, é possível obter valores mensais de consumo de energia (kWh) e servir de referência para o novo sistema a ser implantado.

5.1.4 Potência dos módulos fotovoltaicos propostos: deve ser previamente definida com base nas potências nominais mais comuns no mercado, bem como com base nas dimensões e tipo de célula (monocristalina ou policristalina);

5.1.5 Tipo de estrutura, direção e inclinação: a estrutura depende do tipo de cobertura ou se está diretamente no solo com apoio. Cada edifício possui peculiaridades para definir a estrutura, mas considerando que estamos no Hemisfério Sul, os módulos precisam ser direcionados para o Norte e preferencialmente com grau de inclinação próximo à latitude do local do projeto.

5.1.6 Energia de Compensação Diária (ECD) é o cálculo do consumo médio de energia com base na energia mensal demandada, em kWh (EC):

5.1.7 Dados de irradiância solar por localização:

O link do site é (http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata) e contém todas as informações descritas na Tabela 5- Média mensal da Irradiância solar diária em Brasília (Brasil)

5.1.8 Memória de Cálculo:

PASSO 01 - Pico de Potência Elétrica Ideal (Ppico).

Onde:

Ecd : Energia de Compensação Diária;

HSP: Horas de Sol-Pico, média anual do plano horizontal de referência na Tabela 05.

PASSO 02 - Quantidade de Módulos PV (N)

Onde: Ppico: geração de energia elétrica ideal on-grid; Pmodulo: potência de pico do módulo fotovoltaico escolhido.

PASSO 03 – Área de Módulos PV (AFV)

Onde: Amódulo: área de superfície do módulo fotovoltaico, com comprimento e altura definidos na ficha técnica do modelo

PASSO 04 – Área total fotovoltaica (ATFV)

A sombra de uma linha de módulos fotovoltaicos sobre outra linha poderia ser evitada, calculando esse espaçamento entre essas linhas fotovoltaicas, considerando o menor ângulo solar de inverno (solstício de inverno) e dependendo da latitude do sistema fotovoltaico.

Para estimar a área total sem cálculo complexo, serão considerados os módulos fotovoltaicos e espaçamento entre eles, será proposto um Fator de Utilização (FU) para evitar a subestimação da área fotovoltaica.

5.2 DEFINIÇÃO DO INVERSOR

A seleção do inversor depende de quantas strings estão sendo planejadas ou da potência nominal do inversor selecionado anteriormente.

5.2.1 Eficiência dos inversores: é importante atentar para a eficiência do inversor, normalmente indicada na ficha técnica do equipamento.

5.2.2 Módulos x Taxa do Inversor: geralmente, a capacidade de operação em relação à potência dos módulos fotovoltaicos não ultrapassa 15% a 20% da potência do inversor, para fins de eficiência do sistema.

5.2.3 Números de entradas MPPT: verificar se há mais de um MPPT, principalmente para módulos instalados em planos diferentes.

5.2.4 Intervalo entre a tensão de entrada máxima e mínima e os níveis de corrente de entrada:: a tensão limita o número de módulos em série e a corrente limita o número de módulos em paralelo.

5.2.5 Verifique se a tensão de saída é compatível com a tensão da concessionária local.

5.2.6 A classe de proteção define se o inversor pode ser deixado ao ar livre ou protegido

Nota: mesmo que o sistema de energia da concessionária seja trifásico, o inversor também pode ser bifásico ou monofásico.

5.3 MATRIZ DE MÓDULOS

5.3.1 O total de módulos em série não pode ultrapassar o limite de tensão definido no inversor e o total de módulos em paralelo não pode ultrapassar o limite de corrente do inversor.

5.3.2 Com base nos valores de tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito do módulo selecionado anteriormente, é possível estimar esses limites.

5.3.3 É importante não definir uma faixa de número de módulos em torno dos limites de tensão e corrente, deixando sempre uma reserva para considerar perdas (15%-25%).

5.3.4 O cálculo do número total de módulos por inversor está descrito abaixo:

5.4 CÁLCULO DO CABEAMENTO

5.4.1 Os critérios de seleção de condutores da norma brasileira ABNT NBR-5410:2004 são aplicáveis, simultaneamente, no dimensionamento do cabo string. Destacam-se os seguintes critérios:

• Critérios de capacidade de carga atual;

• Critérios de queda de tensão (para sistemas conectados à rede):

Painel Fotovoltaico - 1%

Inversor de rede - 3%

• Critérios de curto-circuito

5.4.2 Cálculo da seção do condutor da corda:

Nota: todos os cabos utilizados possuem nível de isolamento de tensão de 1,8kV e proteção contra raios ultravioleta, o que o torna mais específico no momento da compra.

5.4.3 Condutor geral do painel fotovoltaico por entrada do inversor:

A corrente de curto-circuito de cada painel fotovoltaico é

5.5 SELEÇÃO DE DISPOSITIVOS ELÉTRICOS

5.5.1 A proteção de sobrecorrente pode ser obtida usando um fusível ou disjuntor. No entanto, é necessário garantir que os disjuntores sejam do tipo CC. Para fusíveis não existe essa distinção e por isso são mais utilizados em string-boxes, com alcance abaixo:

Onde:

Icabo= corrente de curto-circuito da string (que é igual à corrente de curto-circuito do módulo com a menor corrente), em amperes.

Ifusivel = corrente nominal de operação do fusível ou disjuntor de proteção, em amperes

Imax= valor máximo do fusível de proteção recomendado pelo fabricante do módulo fotovoltaico (esta informação é obtida na ficha técnica), em amperes.

Nota: São recomendados fusíveis tipo cartucho, com corrente de ruptura não superior a 3 vezes a corrente de curto-circuito do string; isto também se aplica a modelos com “atraso”.

5.5.2 Chave CC somente podem ser utilizados dispositivos capazes de interromper a corrente contínua, portanto, esta informação deve ser verificada na ficha técnica do dispositivo. Ainda, deve-se considerar que alguns strings possuem uma tensão total dos módulos série, com valores elevados, e devem estar sempre abaixo do nível de isolamento da chave seccionadora.

Onde:

Iccswitch = corrente mínima da seleção do interruptor do painel fotovoltaico, em amperes

Icc = corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico, que considera a soma das correntes de curtocircuito dos strings, em amperes

5.5.3 Dispositivo de proteção contra sobretensõesPara o painel fotovoltaico, recomenda-se a instalação de um varistor ou DPS Classe I o mais próximo possível dos módulos fotovoltaicos, e um DPS Classe II, a cada 15 metros de cabo, até a entrada da “caixa de junção string”, que também deve ter um conjunto de varistores de classe II.

5.5.4 Em algumas usinas fotovoltaicas (acima de 75kW), existe uma chave central em corrente alternada (disjuntor de baixa tensão ou chave CA) que fará a ligação única da rede da concessionária.

5.5 PERDAS DE ENERGIA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Para estimar a quantidade de energia gerada no sistema projetado, devem ser consideradas as perdas de módulos, inversores, cabos e instalações.

5.5.1 Os módulos fotovoltaicos possuem características em condições de teste padrão (Standard Test Conditions - STC) e qualquer variável externa, com temperatura ambiente, pode interferir no desempenho do sistema. As especificações mais importantes são:

• tensão de circuito aberto (Voc);

• corrente de curto-circuito (Icc);

• tensão de operação no ponto de potência máxima (Vmpp);

• corrente de operação no ponto de potência máxima (Impp); e

• potência nominal máxima (Ppico).

Algumas constantes são predefinidas por padrão (STC): TSTC = 25°C; GSTC = 1000 W/m²; AM = 1,5, onde:

Tstc: a temperatura da célula fotovoltaica sob condições de teste padrão (STC);

Gstc : irradiância solar padronizada (w/m²);

AM : fator relacionado à massa de ar na atmosfera e que determina o espectro solar incidente.

5.5.2 Para obter as perdas com mais precisão, os principais limites são os seguintes

Nota: Este manual não considerou o cálculo das perdas por temperatura, pois precisa verificar a temperatura média mensal e sua influência nas perdas do sistema. Se o projetista observar mais de perto a estimativa de perda de temperatura, os valores médios de temperatura máxima também estão disponíveis na Tabela 7. Recomenda-se citar as fontes de dados na “descrição técnica do projeto” e na “memória de cálculo”, permitindo a auditoria de valores.

5.5.3 Para fins de pré-dimensionamento, será estimada uma perda total do sistema de aproximadamente 20%, ou seja, um Fator de Desempenho Global (OPF) ou Índice de Desempenho (PR) de 80%, considerando uma referência segura para definir a produção total estimada. Assim, com base na Tabela 5- Média mensal de Irradiância solar diária em Brasília (Brasil), os valores mensais de produção de energia podem ser alcançados através de:

5.6 VIABILIDADE ECONÔMICA

5.6.1 Viabilidade econômica é uma medida da relação custo-benefício de um projeto ou solução, no caso de usinas fotovoltaicas on-grid, todo o investimento a ser implementado será devolvido através da energia não utilizada, fornecida pela rede elétrica.

5.6.2 O cálculo do retorno do investimento deve levar em consideração:

- despesas de capital (CAPEx);

- energia gerada anualmente (kWh);

- preço médio da tarifa de energia (ET);

-taxa de inflação (correção monetária ); e

- custos com manutenção ou substituição de equipamentos (10 anos para o inversor e 25 anos para os módulos).

5.6.3 A análise do retorno do investimento (payback) precisa considerar algumas restrições que impactam na operação de usinas fotovoltaicas de longo prazo, tornando o cálculo mais preciso.

________________________________

4 O investimento de capital é a aquisição de ativos físicos para uso na promoção de suas metas e objetivos de negócios de longo prazo.

5 Método utilizado para correção de valores monetários quando a moeda na qual os sinistros são denominados tem seu poder de compra (de um conjunto de bens) variando ao longo do tempo. É uma ferramenta utilizada para reduzir as distorções da inflação

5.6.4 Para visualizar os resultados, é necessário fazer uma planilha que contenha os valores básicos necessários para compor o cálculo, iniciando com o valor da média anual de produção de energia fotovoltaica, o preço da energia economizada gerada anualmente, e fluxo de caixa anual

5.6.5 Com base nesta planilha de cálculo do payback, é possível realizar uma análise de ciclo de vida completo (25 anos de geração do painel) onde a coluna de fluxo de caixa mostra o período de troca sinal resultante do tempo de recuperação do investimento e mostra que o restante dos anos representa lucro em relação ao CAPEx.

CAPÍTULO VI

PROJETO FOTOVOLTAICO OFF-GRID





O projeto de gerador fotovoltaico desconectado da rede elétrica apresenta algumas diferenças entre o projeto on-grid, tais como: estimativa de energia e cálculo de banco de potência de baterias. Porém, a maior parte do processo de design anterior também será utilizada para o design off-grid.

6.1 ESTIMATIVA DE ENERGIA ELÉTRICA

6.1.1 A carga elétrica das edificações isoladas não possui consumo de energia registrado na conta de energia elétrica, pois não possui ligação à rede elétrica e na maioria das vezes apenas gerador a diesel.

6.1.2 A forma comum de estimar o consumo de energia da carga elétrica é o levantamento de potência, horas por dia e quantidades de cada aparelho da edificação. A tabela a seguir pode ser usada para estimar o consumo de energia:

6.1.3 O equipamento analisador elétrico portátil é a opção técnica mais precisa para estimar o consumo de energia, mas depende da distância do sistema e da disponibilidade do equipamento para estar monitorando uma semana ou um mês.

6.2 MODELO DE MÓDULO E MATRIZ FV

6.2.1 O modelo do painel será definido da mesma forma do processo de projeto on-grid (item 5.1)

6.2.2 O arranjo fotovoltaico será definido da mesma forma do processo de projeto on-grid (item 5.3), mas o número de módulos por string (conexão em série6 ) está relacionado aos limites de tensão das entradas do inversor e/ou controlador do carregador.

6.2.3 A conexão dos módulos paralelos7 está relacionada aos limites de corrente das entradas do inversor e/ou controlador do carregador.

________________________________

6 Na associação de painéis em série, a conexão é feita nos terminais de pólos opostos e a principal característica é a corrente elétrica constante com a soma das tensões.

7 Na associação de painéis em paralelo, a conexão é feita nos terminais de pólos de mesmo sinal e a principal característica é a tensão constante com a soma das correntes.

6.2.4 Existem dois tipos diferentes de conexões fotovoltaicas: acopladas a CA e acopladas a CC e ambas dependem de onde o Sistema de Armazenamento de Energia (ESS8 ) está conectado (lado CA ou lado CC).

6.2.5 A tabela a seguir apresenta algumas vantagens (+) e desvantagens (-) de cada tipo de acoplamento ESS:

________________________________

8 ESS – (Energy Storage System) Sistema de Armazenamento de energia é um dispositivo ou grupo de dispositivos montados que tem como objetivo converter a energia elétrica dos sistemas de potência e armazenar energia para fornecer energia elétrica posteriormente quando necessário.

6.3 SELEÇÃO DO INVERSOR E DO CONTROLADOR DE CARGA

6.3.1 Existem algumas configurações de inversores para conectar o painel fotovoltaico à carga e ao banco de potência:

i) Inversor e controlador de carga off-grid (CC acoplado): no Estudo de Caso 2, o controlador de carga gerencia os fluxos de corrente dos módulos fotovoltaicos e do banco de baterias de carga/descarga. Enquanto o inversor apenas converte CC em energia CA para alimentar a carga.

ii) Inversor bidirecional e inversor grid-tie (acoplado CA): este tipo de conexão requer um painel multicluster para conectar a saída dos inversores bidirecionais e inversor grid-tie. Os primeiros inversores são três monofásicos conectados ao banco de potência com ângulo de fase atrasada em 120º entre si. O inversor grid-tie é conectado ao painel fotovoltaico para fornecer energia.

iii) Inversor híbrido (CA acoplado): todos os elementos CC (matriz fotovoltaica e baterias) são conectados diretamente ao inversor híbrido de entrada, incluindo outra fonte de energia (como gerador a diesel). Sua saída é conectada à carga elétrica.

6.3.2 Após a definição do tipo de conexão, o primeiro passo para selecionar o inversor e o controlador de carregamento, é necessário conhecer os números de módulos fotovoltaicos por string e avaliar os limites de tensão CC de entrada do inversor.

6.3.3 Outra restrição ao inversor/controlador de carga é a tensão de saída do banco de baterias (12Vcc a 48Vcc), que depende de quantas baterias estão em série

6.3.4 Os limites de corrente do inversor/controlador de carga definirão o número de strings paralelas ou baterias paralelas conectadas a este equipamento.

6.4 DIMENSIONAMENTO E GERENCIAMENTO DA BATERIA

6.4.1 A capacidade total da bateria (Ah) depende da energia consumida pelos aparelhos por dia, número de dias de autonomia, profundidade máxima de descarga permitida, perdas e eficiências do sistema e tensão nominal da bateria.

6.4.2 A tensão do sistema define o número de células de bateria conectadas em série necessárias, e a capacidade total necessária define o número de sequências de baterias paralelas necessárias.

6.4.3 Durante o projeto do banco de potência, é necessário garantir que cada cabo que conecta as baterias tenha o mesmo comprimento, a fim de evitar a circulação de corrente entre as baterias e aumentar as perdas.

6.4.4 Poucos tipos de baterias possuem resistência à temperatura e umidade, como Chumbo Ácido OPzV e OPzS. Mas outro tipo, como Íon Lítio e Carbono Chumbo é necessário um controle de temperatura e umidade dentro do recipiente da bateria ou da sala.

6.4.5 Todo tipo de bateria deve possuir um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) para fornecer um sistema de monitoramento remoto habilitado a fim de informar o desempenho do sistema e da unidade ou grupo de baterias.

CAPÍTULO VII

PREPARO PARA INSTALAÇÃO





7.1 SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO

7.1.1 Para uma melhor análise da viabilidade dos sistemas fotovoltaicos, uma forma é simular os sistemas para verificar as métricas de desempenho e a geração esperada para o sistema modelado

7.1.2 Existem muitos programas usados para simular o desempenho de sistemas fotovoltaicos. Uma lista deles com algumas de suas características é descrita a seguir:

7.1.2.1 PVSyst: desenvolvido pela empresa homônima, este programa suíço não gratuito serve para dimensionar e simular sistemas fotovoltaicos, analisando o sombreamento, desempenho, perdas detalhadas, acoplamento de armazenamento, etc. O programa também pode ser utilizado para análise econômica e possui uma ferramenta de projeto preliminar. Mais detalhes, versão de avaliação por 30 dias e licenças em https://www.pvsyst.com/

7.1.2.2 PVSOL: Desenvolvido pelo software ValenTin, este programa pago da Alemanha simula dinamicamente sistemas fotovoltaicos com visualização tridimensional, veículos elétricos, outros tipos de aparelhos conectados e sistemas de baterias. O programa possui duas versões: PV*Sol e PV*Sol Premium. Mais detalhes, versões de avaliação por 30 dias e licenças em https://valentinsoftware.com/en/products/pvsol/

7.1.2.3 Software de Gerenciamento de Energia Limpa RETScreen: programa desenvolvido e apoiado pelo Governo Canadense. Ele é usado para identificar soluções de energia renovável (não limitada a PV), avaliar a produção de energia, verificar o desempenho dos sistemas e otimizar a viabilidade técnica e financeira da eficiência energética (custos envolvidos, redução de emissões e análise de risco). O programa tem uma versão estudante (apenas para fins acadêmicos) e uma versão profissional com uma taxa de licença anual. Mais informações em https://www.nrcan.gc.ca/maps-tools-andpublications/tools/modelling-tools/retscreen/7465

7.1.2.4 SAM (System Advisor Model):: este programa gratuito foi desenvolvido inicialmente para auxiliar as Forças de Defesa Americanas a diversificar sua matriz energética com fontes renováveis. Atualmente apoiado pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL), o programa fornece análises técnicoeconômicas detalhadas de diferentes fontes renováveis, com modelos para PV, Concentração de Energia Solar, Energia Marinha, Células a Combustível, Geotérmica, Aquecimento Solar de Água, Combustão de Biomassa, Energia Eólica e Armazenamento de Bateria. Todos os sistemas renováveis modelados são considerados conectados à rede. Mais informações em https://sam.nrel.gov/.

7.1.2.5 Calculadora PVWatts: este programa gratuito é um modelo simplificado apenas para sistemas fotovoltaicos disponíveis tanto na internet quanto na plataforma SAM. Somente algumas entradas simples são necessárias para uma análise preliminar. Mais informações em https://pvwatts.nrel.gov/.

7.1.2.6 HOMER (Otimização Híbrida de Recursos Múltiplos de Energia): este programa foi desenvolvido inicialmente para fins de Defesa, mas atualmente é apoiado e administrado pela UL Company. A grande diferença entre este programa e os demais disponíveis no mercado é a simulação de múltiplas fontes em conjunto (ex. geração (versão Grid) e sistemas híbridos em escala de utilidade (versão Front). Mais informações e licenças em https://www.homerenergy.com/index.html.

7.1.3 Os insumos para cada programa dependem do modelo escolhido, da energia renovável disponível, do tipo de análise esperado, etc. Apesar das diferenças, porém, os parâmetros relacionados ao clima, as características elétricas dos componentes (módulo, inversores, modularidade), a topologia escolhida (BAPV, BIPV, terra, etc.), e as perdas consideradas nas simulações.

7.1.4 As saídas fornecidas pelas simulações como resultados são a energia gerada em um intervalo de tempo (em um período anual, mensal ou até menor), o desempenho dos sistemas fotovoltaicos (Rendimento e Índice de Desempenho, por exemplo), retorno e outras saídas de viabilidade econômica, etc.

7.2 DOCUMENTAÇÃO, PLANO LOGÍSTICO E COMISSIONAMENTO

7.2.1 Toda a documentação do projeto é um documento técnico que descreve os componentes e especificações necessários para dar suporte à solução e garantir que os requisitos técnicos do projeto sejam atendidos.

7.2.2 A documentação do projeto deve fazer parte dos processos de compra e instalação e requer alguns tópicos específicos:

- Especificações Técnicas de todos os serviços, materiais e equipamentos;

- Folhas de dados para todos os principais componentes (módulos, inversores, etc)

- Desenhos de esquema elétrico completo: diagrama unifilar; arranjo fotovoltaico; plano de situação do local; detalhes do esquema elétrico; sistema de aterramento;

- Relatório de cálculo de projeto considerando base de dados de irradiância solar do local, cálculo de estimativa de energia de acordo com inclinação e ângulo azimutal, dimensionamento de proteção de fios, cálculo de queda de tensão; e

- Estimativa de Orçamento para fornecer um preço médio de cada serviço, material e equipamento.

7.2.3 A preparação para o transporte da usina fotovoltaica é necessária e tem algumas considerações sobre os procedimentos de embalagem:

- Os painéis fotovoltaicos devem ser transportados em embalagens transparentes para que eventuais defeitos possam ser percebidos sem danificar o filme da embalagem;

- É melhor empilhar os módulos verticalmente para reduzir a pressão de um único painel. Deve haver separadores entre os painéis. Devidamente separados, os painéis são protegidos contra quebra durante o transporte;

- Para aumentar o nível de proteção, coloque proteção adicional nos quatro cantos de cada pilha de módulos;

- Outra forma de embalar os painéis é colocá-los em caixas separadas e colocá-los em uma embalagem maior; /p>

- Como importador, pode ser melhor se você usar sistemas de controle. Se um painel for danificado durante o transporte, será mais fácil encontrar a causa e obter uma garantia;

- Um palete deve ser maior que os módulos para que o peso seja distribuído uniformemente; e

- Marcação de carga com módulos fotovoltaicos, inversores, painéis elétricos e baterias (não empilhar, aqui em cima, manter seco, frágil).

7.2.4 Além da documentação do projeto, é necessário fornecer os seguintes itens sobre plano logístico, processo de instalação, processo de comissionamento e processo de O&M:

- Procedimentos de instalação e checkout do sistema;

- Instruções de operação, manutenção e resolução de problemas do sistema; e

- Manuais do proprietário para componentes principais individuais.

7.2.5 O processo de comissionamento é um processo para assegurar que todos os sistemas e componentes de uma planta sejam projetados, instalados, testados, operados e mantidos de acordo com os requisitos operacionais do proprietário ou cliente final.

7.2.6 São adotadas algumas etapas do relatório do processo de comissionamento, que incluem: garantir os requisitos do projeto; completar manuais de O&M, desenhos, software e certificação de teste; teste de componentes; balanceamento de sistemas de energia; inicialização da usina; verificação de desempenho e prontidão operacional.

7.3 PREOCUPAÇÕES DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO (O&M)

Na fase de projeto, é necessário prever o que acontecerá após a implementação do sistema fotovoltaico e pode impactar significativamente os custos de O&M para telhado e montagem no solo.

7.3.1 Os módulos são montados com folga suficiente e relativamente uniforme do solo, as estantes são espaçadas o suficiente para permitir o acesso para cortes de tamanho eficiente e os equipamentos são limpos para proteger os módulos contra danos causados por tais equipamentos.

7.3.2 Durante a seleção do local, é importante considerar a vegetação crescendo nas propriedades adjacentes – considere a altura das árvores em 20 anos e se isso causará sombreamento no sistema.

7.3.3 As considerações iniciais do projeto também incluem o estabelecimento de drenagem adequada para evitar ou acomodar inundações e controlar a erosão, que pode prejudicar os blocos de equipamentos e as estantes.

7.3.4 Condições climáticas imprevisíveis e extremas que impactaram as operações e apontaram para a necessidade de projetar para condições climáticas mais extremas

7.3.5 Sistemas instalados em alguns locais com clima seco precisam lavar o painel com frequência para evitar o acúmulo de poeira e sua consequente redução na produção de energia.

7.3.6 Sistemas de monitoramento remoto são necessários para o processo de garantia dos fabricantes de equipamentos e manterão o usuário de energia informado sobre qualquer solução de problemas que possa ocorrer nos sistemas fotovoltaicos.

7.3.7 As baterias inundadas requerem manutenção periódica. Seu nível de eletrólito deve ser mantido bem acima das placas e a voltagem e gravidade específica das células devem ser verificadas para valores consistentes.

REFERÊNCIAS

ASSOSSIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT NBR 5410:2004

Instalações elétricas de baixa tensão

__________. ABNT NBR 10.889:2020. Energia solar fotovoltaica - Terminologia

__________. ABNT NBR 16612:2020. Cabos de potência para sistemas fotovoltaicos, não halogenados, isolados, com cobertura, para tensão de até 1,8 kV C.C. entre condutores - Requisitos de desempenho.

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