Compreendendo um sistema fotovoltaico 15

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Hermes José Loschi

Colaboradores Adriano Aparecido da Silva Adriano Brisolla da Trindade Alexandre Étore Tebom André Humberto Marcondes Quaglio Silvano Antunes de Campos Filho Angelo Moretti Antônio Luiz Zandonadi Fabrizzio Daibert Conte Horácio Braga Neusa Rocha Ferrarezi Rosivaldo Ferrarezi

São Paulo - 2016


Copyright © 2016 by Editora Baraúna SE Ltda.

AF Capas

Capa

Diagramação Felippe Scagion Ilustração

Adriano Brisolla da Trindade

Revisão

Mariana M. Benicá

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ ________________________________________________________________

L884c Loschi, Hermes José Compreendendo um sistema fotovoltaico : uma abordagem didática conceitual / Hermes José Loschi ; ilustrador Adriano Brisolla da Trindade ; colaboradores Adriano Aparecido da Silva ... [et. al]. 1. ed. - São Paulo : Baraúna, 2015. ISBN 978-85-437-0427-2 1. Geração de energia fotovoltaica. 2. Células solares. 3. Desenvolvimento energético. I. Título. 15-27002

CDD: 621.47 CDU: 620.91

________________________________________________________________ 02/10/2015 02/10/2015

Impresso no Brasil Printed in Brazil DIREITOS CEDIDOS PARA ESTA EDIÇÃO À EDITORA BARAÚNA www.EditoraBarauna.com.br Rua da Quitanda, 139 – 3º andar CEP 01012-010 – Centro – São Paulo – SP Tel.: 11 3167.4261 www.EditoraBarauna.com.br Todos os direitos reservados. Proibida a reprodução total ou parcial, por qualquer meio, sem a expressa autorização da Editora e do autor. Caso deseje utilizar esta obra para outros fins, entre em contato com a Editora.


PREFÁCIO

Os países em desenvolvimento enfrentam situações nas quais recursos e aplicações de energia estão propensos a ficarem limitados, particularmente, em áreas rurais. Há uma necessidade urgente de resolver essa situação. Recursos energéticos limitados e falta de investimentos representam um grave constrangimento e barreira para o desenvolvimento social e econômico, apresentando desafios e oportunidades significativas para a energia renovável. Fontes de energia renováveis incluem a biomassa, energia solar, eólica e hídrica. O uso de energias renováveis é o epítome da sustentabilidade, também sinônimo de desenvolvimento sustentável, e tem sido associado, mais recentemente, à redução da pobreza. Nos últimos anos, obtiveram-se grandes avanços em tecnologia, que viabilizam a utiliza-


ção da energia solar e demais energias renováveis. Entretanto, grande parte dos desafios ainda consiste em traduzir os compromissos políticos de alto nível em atividades concretas que são de benefício para o mundo como um todo. Poucos duvidam de que, em um futuro próximo, as energias renováveis irão desempenhar um papel muito importante no desenvolvimento sustentável. O desafio é como mover-se para esse futuro. Este livro certamente nos ajudará a avançar nessa direção, com o objetivo de levar didaticamente o conhecimento sobre sistemas fotovoltaicos para as residências brasileiras, em seus diversos biomas e regiões. Em definições mais recentes, os sistemas fotovoltaicos são contextualizados como instrumento de extrema importância em conceitos como Smart Grid e Smart City, contribuindo diretamente para a geração distribuída. Entretanto, o objetivo deste livro é contribuir significativamente para a compreensão do sistema fotovoltaico, limitando-se apenas ao sistema fotovoltaico e seus principais componentes. Aproveito a oportunidade para agradecer aos colegas pesquisadores, ao meu orientador professor dr. Yuzo Iano, à minha família e em especial à minha queria e amada mãe, meu alicerce de fé, perseverança e amor. Gostaria, também, de agradecer ao ilustrador Adriano Brisolla da Trindade pela valorosa contribuição no desenvolvimento das ilustrações e ao Silvano Antunes de Campos Filho pela importante revisão e análise do livro; sem a contribuição destes dois colegas, certamente, este livro não seria realizado. Em adicional gostaria de dedicar um espaço neste livro, para que gran-


des amigos e colaboradores possam expressar suas palavras e agradecimentos pessoais. Não posso deixar de ressaltar que sem valorosa contribuição desses amigos no campo da ideia e discussões não seria possível a realização do livro. “Gostaria de agradecer primeiramente a Deus pela oportunidade de acordar a cada dia e ter a chance de fazer melhor, agradecer à minha família e principalmente pela oportunidade de ter conhecido uma pessoa genial e com tanta força, para tudo que se permite fazer, e, com certeza, uma gigantesca fonte de inspiração, chamado Hermes José Loschi”. André Humberto Marcondes Quaglio “Agradeço primeiramente a nosso Deus, pela vida e sabedoria que nos deu. À minha esposa, pelo apoio incondicional e companheirismo, aos meus filhos, pelos momentos de alegria durante essa trajetória, aos meus pais, pelo incentivo e apoio, e ao Hermes José Loschi, pois sem ele este projeto não poderia ter acontecido”. Adriano Aparecido da Silva “Agradeço em primeiro lugar a Deus, que me iluminou e me guiou no caminho percorrido. Aos meus pais que sempre estiveram ao meu lado. Agradeço também à minha esposa Ester que me deu apoio nas horas mais difíceis. À minha sogra Ligia que me incentivou e sempre estava disposta a me ajudar. Agradeço ao Hermes José Loschi pela oportunidade e confiança neste trabalho. Escrevendo este agradecimento, sinto a vitória por esta conquista e uma forte determinação, pois só através dela é que conseguimos alcançar nosso objetivo na construção deste livro”. Adriano Brisolla da Trindade


“Agradeço aos meus pais, pelo apoio incondicional. À minha noiva, pelo companheirismo. E ao Hermes José Loschi, pois sem ele este projeto não poderia ter acontecido”. Alexandre Tebom “Agradeço aos meus pais, à espiritualidade e ao amigo Hermes por toda ajuda e oportunidade”. Angelo Moretti “Nos dias de hoje, com o consumo crescente de energia elétrica e com a elevação dos custos de produção da principal forma de geração da nossa matriz energética em consequência de longos períodos de estiagem, é imperativo que se busquem novas formas de produção, para atender a demanda. Mais importante, ainda, é que essa busca concentre seus esforços em fontes que não causem impacto ambiental, como as hidrelétricas, termoelétricas e nucleares, por exemplo, entre outras, contribuindo, assim, para a preservação da natureza e para o bem-estar das pessoas. Assim sendo, sinto-me honrado e agradeço ao amigo Hermes pela oportunidade de fazer parte do grupo que, cada um ao seu modo, tornou esta obra uma realidade”. Antonio Luiz Zandonadi “Agradeço ao apoio fornecido pela família, companheiros e irmãos de jornada e a Deus, sem os quais não seriam possíveis a conclusão deste trabalho”. Fabrizzio Daibert Conte “Agradeço à minha filha Stella e à minha esposa Liliane pelo amor e compreensão, proporcionando minha dedicação aos estudos e pesquisas, e acima de tudo a Deus, pela graça da vida e inteligência que me ilumina, ensinando a compreender e a entender o mundo e a natureza, na plenitude de sua harmonia e potestade de suas leis”. Horácio Braga “Primeiramente, damos graças a Deus, através do Senhor e Salvador Jesus Cristo, que permitiu mais esta etapa


positiva na vida de todo o time que se dedicou a escrever este livro. Também, e não em menor importância, agradecemos aos nossos filhos que nos apoiaram. Agradecemos, especialmente, o amigo engenheiro Hermes Loschi, que nos convidou a participar da criação e finalização deste primeiro livro da trilogia que está por vir”. Rosivaldo Ferrarezi e Neusa Rocha Ferrarezi “Agradeço a Deus e à minha família por tudo, aos que sempre acreditaram em meu trabalho e ao amigo Hermes José Loschi, pela oportunidade de trabalhar neste livro”. Silvano Antunes de Campos Filho



Sumário

CAPÍTULO 1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1 O Que é um Sistema Fotovoltaico?. . . . . . . . . . . . 19 1.2 Sistemas de Coleta de Águas Pluviais e Sistemas PV: Uma Ideia Similar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.1 Captação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2 Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.3 Controle do Fluxo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.4 Aplicações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.5 Transporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


CAPÍTULO 2 ELETRICIDADE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Tensão e Pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Vazão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5 Resistência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6 Força e Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7 Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.8 Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.8.1 Polaridade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8.2 Circuitos em Série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.8.3 Circuitos Paralelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.9 Corrente Alternada (CA) e Corrente Contínua (CC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.10 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 CAPÍTULO 3 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 Construção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 O Que Afeta a Produção de Eletricidade?. . . . . . . 50 3.3.1 Área Disponível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50


3.3.2 Incidência da Irradiação Solar. . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.3 Posicionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4 Recebendo Eletricidade de um Painel Fotovoltaico. . . 52 3.4.1 Certifique-se da Precisão na Incidência da Irradiação Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4.2 Certifique-se de que o Painel Fotovoltaico está Perpendicular ao Sol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.3 Aquecimento do Painel Fotovoltaico. . . . . . . . . 54 3.5 Conectando o Painel Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . 54 3.5.1 Painéis Fotovoltaicos Conectados em Série . . . . 55 3.5.2 Painéis Fotovoltaicos Conectados em Paralelo. . 56 3.6 Conectando Painéis Fotovoltaicos com Características Diferentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6.1 Conexão em Série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6.2 Conexões em Paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.7 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 CAPÍTULO 4 INVERSOR E CONTROLADOR . . . . . . . . . . . . . 59 4.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Controlador de Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3 Controlador de Descarga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4 Inversores de Corrente Elétrica . . . . . . . . . . . . . . 63


4.5 Instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.6 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 CAPÍTULO 5 BATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2 Baterias do Sistema Fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . 68 5.3 Como Substituir a Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.1 Tipos de Baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.2 Capacidade para Armazenar Carga . . . . . . . . . . 70 5.4 Diferenças entre Baterias Carregadas e Baterias Descarregadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.5 Instalação de Baterias Novas. . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.6 Manutenção da Bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.6.1 Passo 1: Limpeza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.6.2 Passo 2: Testes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.6.3 Passo 3: Nível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.7 Equalização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.8 Segurança. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.9 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 CAPÍTULO 6 CABOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 Relações entre Seção do Cabo e Perda de Energia. . . 84


6.3 Relações entre Comprimento e Perda de Energia . . 84 6.4 Tipos de Cabos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4.1 Tipos de Condutores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.4.2 Isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5 Como Escolher o Cabo Correto. . . . . . . . . . . . . . 89 6.5.1 Mais que um Aparelho Ligado a um Cabo . . . . 90 6.5.2 Conexões entre Painel Fotovoltaico e Bateria. . . 92 6.5.3 Conexões entre Bateria e Aparelhos Elétricos. . . 92 6.5.4 Aparelhos Importados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.6 Conectando Cabos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.7 Conexões da Bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.8 Conectando Painéis Fotovoltaicos. . . . . . . . . . . . 95 6.9 Síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 CAPÍTULO 7 DIMENSIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.1 Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Calculando o Tamanho Correto do Painel Fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.3 Perdas de Eletricidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.3.1 Calculando o Consumo de Potência dos Aparelhos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99


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