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Balfour | Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos. Amostras de páginas não sequenciais e em baixa resolução. Copyright© 2017 LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda.


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Projeto de Sistemas Fotovoltaicos John Balfour, MEP, Ph.D. LEED Accredited Professional Michael Shaw, MBA, Ph.D. Nicole Bremer Nash, BA Tradução

Luiz Claudio de Queiroz Faria

Revisão Técnica

Marco Aurélio dos Santos Professor Adjunto do Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ

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Introdução ao

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ORIGINAL ENGLISH LANGUAGE EDITION PUBLISHED BY Jones & Bartlett Learning, LLC 5 Wall Street Burlington, MA 01803 INTRODUCTION TO PHOTOVOLTAIC SYSTEM DESIGN, FIRST EDITION John Balfour, MEP, PhD, LEED Accredited Professional Michael Shaw, MBA, PhD Nicole Bremer Nash, BA Copyright © 2013 JONES AND BARTLETT LEARNING, LLC. All Rights Reserved. ISBN: 978-1-4496-2467-5 Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2016 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ − CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.ltceditora.com.br Designer de capa: Kristin E. Parker Imagem de capa: © monamakela.com/Fotolia.com Editoração Eletrônica: Formato Editora e Serviços

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ S153i Balfour, John Introdução ao projeto de sistemas fotovoltaicos / John Balfour, Michael Shaw, Nicole Bremer Nash ; Tradução Luiz Claudio de Queiroz Faria ; Revisão técnica Marco Aurélio dos Santos. – 1. ed. – Rio de Janeiro : LTC, 2016. il. ; 24 cm. Tradução de: Introduction to photovoltaic system design Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85-216-3123-1 1. Máquinas elétricas. 2. Engenharia elétrica. I. Shaw, Michael. II. Título. 16-32444

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CDD: 621.31042 CDU: 621.316.1

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Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, do tradutor, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br.

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Prefácio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Capítulo 1 Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos . . . . . 1 Capítulo 2 Considerações de Projeto do Sistema . . . . . . . . . . . . . . 27 Capítulo 3 Considerações de Instalação do Sistema. . . . . . . . . . . . 49 Capítulo 4 Orientação do Módulo, Ângulos de Inclinação e Sombreamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Capítulo 5 Avaliação do Sítio Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Capítulo 6 Strings, Dimensionamento dos Fios e Proteção . . . . . 129 Capítulo 7 National Electric Code e Projeto FV Visando ao Desempenho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Capítulo 8 Componentes do Sistema Fotovoltaico – Parte I . . . . 171 Capítulo 9 Componentes do Sistema Fotovoltaico – Parte II. . . . 195 Capítulo 10 Configurações, Monitoramento e Teste de Sistemas Fotovoltaicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Respostas das Perguntas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referências. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Sumário de Capítulos

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Prefácio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Capítulo 1 Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos . . . . . 1 Começando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Visão Geral do Desenvolvimento dos Sistemas Fotovoltaicos . . . . . . . . 2 Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Tipos de Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Projeto de Módulos e Circuitos FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Células Idênticas e Células Não Idênticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Módulos Não Idênticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Aquecimento de Hot Spot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Estrutura do Módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Proteção Ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Considerações Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Proteção Mecânica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Degradação e Modos de Falha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Energia Incorporada e Questões do Ciclo de Vida. . . . . . . . . . . . . . . . 13 Condutores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Tipos de Semicondutores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Silício Monocristalino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Silício Multicristalino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Silício Amorfo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Técnicas de Fabricação das Células Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 O que Você Precisa Saber sobre Contatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Células de Alto Desempenho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Sistemas Concentradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Comparações e Tendências dos Tipos de Células Solares. . . . . . . . . . . 20

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Sumário

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Classificação dos Módulos Fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resumo do Capítulo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avaliação do Capítulo 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo 2 Considerações de Projeto do Sistema . . . . . . . . . . . . . . 27 Projeto FV Eficaz e Ineficaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 A Trajetória do Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Inclinação e Rotação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Ângulo de Incidência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Princípios para Projetar Sistemas FV de Alta Qualidade . . . . . . . . . . . 32 Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Adequabilidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Adequação do Local. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Clima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Equilíbrio do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Outras Considerações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tipos e Opções Comuns de Projetos de Sistemas FV. . . . . . . . . . . . . . . 38 Sistemas FV de Interação com a Rede sem Armazenamento. . . . . . . . 39 Sistemas FV de Interação com a Rede e com Armazenamento em Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Sistemas FV Fora da Rede com Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Autonomia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Requisitos de Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Requisitos Especiais dos Sistemas FV Conectados à Rede . . . . . . . . . . 45 Resumo do Capítulo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Avaliação do Capítulo 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Capítulo 3 Considerações de Instalação do Sistema. . . . . . . . . . . . 49 Etapas de Instalação a Considerar Durante a Fase de Projeto. . . . . . . Opções de Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montagem em Telhado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estruturas de Sombra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Módulos FV Integrados à Edificação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estimativa do Rendimento do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Fatores que Afetam o Rendimento do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Estimativa do Rendimento Energético do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . 63 Trabalho de Instalação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Qualificações do Sistema e dos Fornecedores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Sistemas Pré-projetados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Garantias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Reputação da Empresa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Coordenação do Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Considerações Quanto aos Serviços Públicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Avaliações de Desempenho (Comissionamento de Serviços Públicos). 72 Documentação do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Monitoramento do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Análise Econômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Incentivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Estimativa da Economia na Fatura de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . 73 Resumo do Capítulo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Avaliação do Capítulo 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Capítulo 4 Orientação do Módulo, Ângulos de Inclinação e Sombreamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Microclima, Efeito do Sombreamento e Janela Solar. . . . . . . . . . . . . . 78 Tipos de Sombras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Sombreamento Temporário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Análise do Sombreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Sombreamento, Conceito do Sistema e Configuração do Conjunto FV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Orientação do Módulo e Ângulos de Inclinação. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Integração com a Edificação e Sistemas de Montagem. . . . . . . . . . . . 86 Fundamentos de Telhado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Telhados Inclinados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Sistemas de Telhado Plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Fachadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Resumo do Capítulo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Avaliação do Capítulo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

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Considerações Gerais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Avaliação do Local. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Horas Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Este Local É Adequado para um Sistema FV?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Visita e Pesquisa do Local. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Criando as Suas Listas de Verificação da Pesquisa. . . . . . . . . . . . . . . 114 Consulta ao Cliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Clima e Rendimento do Módulo FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Outras Considerações de Avaliação do Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Insolação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos de Espaço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Considerações Econômicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123 123 124 125

Resumo do Capítulo 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Avaliação do Capítulo 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Capítulo 6 Strings, Dimensionamento dos Fios e Proteção . . . . . 129 Tipos de Fios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Dimensionamento dos Fios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Ampacidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Escolhendo o Combinador e o Interruptor de Corte DC. . . . . . . . . . . 139 Proteção contra o Excesso de Ampacidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Desconexões de Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Aterramento de Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Aterramento do Equipamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Aterramento do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Proteção DC contra Falhas de Aterramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Dimensionando os Condutores de Aterramento dos Equipamentos. . 143 Dimensionando o Condutor Composto de Eletrodo de Aterramento. 144 Sobre os Eletrodos de Aterramento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Amortecimento de Surtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Dimensionamento de Strings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Resumo do Capítulo 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

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Capítulo 5 Avaliação do Sítio Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

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x  Sumário

Capítulo 7 National Electric Code e Projeto FV Visando ao Desempenho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Planejamento Visando à Longevidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensaios Regulamentares e Homologação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O NEC Aplicado aos Módulos FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotulagem dos Módulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiação dos Módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Considerações do NEC quanto ao Módulo de Rastreamento. . . . . . . Considerações do NEC a Respeito dos Terminais . . . . . . . . . . . . . . . Transições. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acesso às Conexões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Condutores Codificados por Cor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteção contra Falhas de Aterramento nos Conjuntos FV . . . . . . . . O NEC Aplicado à Instalação e Manutenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aterramento do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Ampacidade do Condutor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Considerações Especiais para os Inversores em Sistemas Independentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteções contra Sobrecorrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de Desligamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montagem de Interruptor e Dispositivo de Proteção contra Sobrecorrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posicionamento das Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controladores de Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inversores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas Independentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Módulos AC FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Advertências e Rótulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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150 150 151 151 152 153 153 154 155 155 156 157 157 157 158 159 159 160 161 161 162 163 164 165 165 165 166 167

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Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Avaliação do Capítulo 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

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Inspeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seguro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resumo do Capítulo 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avaliação do Capítulo 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

168 168 169 169 169

Capítulo 8 Componentes do Sistema Fotovoltaico – Parte I . . . . 171 Células. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Conjuntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Montagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Montagens no Solo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Inversores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Inversores de Onda Senoidal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Inversores de Onda Senoidal Modificada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Inversores de Onda Quadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Escolha do Inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Saída Contínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Capacidade de Surto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Eficiência do Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Resfriamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Carregadores de Bateria Integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Recursos Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Sistemas de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Controladores de Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Componentes de Equilíbrio do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Resumo do Capítulo 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Avaliação do Capítulo 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Capítulo 9 Componentes do Sistema Fotovoltaico – Parte II. . . . 195 Cabeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Cabo Principal DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Cabo de Conexão AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

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Sistemas de Conexão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interruptor de Carga DC, o Disjuntor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Disjuntor AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tamanho e Tipo dos Fios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interruptores e Fusíveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inversores DC/AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controladores de Sistema e Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipamento de Equilíbrio do Sistema (BOS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabeamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteção contra Sobrecorrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteção contra Surtos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispositivos de Desconexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Outros Equipamentos de Processamento de Energia . . . . . . . . . . . . Resumo do Capítulo 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conceitos e Termos-Chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avaliação do Capítulo 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

198 199 199 199 200 200 201 202 202 203 203 203 204 206 207 207 207

Capítulo 10 Configurações, Monitoramento e Teste de Sistemas Fotovoltaicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Prós e Contras, além de Outras Considerações, dos Sistemas FV que Interagem com a Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quando as Baterias Valem a Pena nos Sistemas FV de Interação com a Rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posicionamento das Células em Strings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encapsulamento das Células. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de Módulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opções de Projeto para os Módulos FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tomadas dos Cabos do Módulo e Caixas de Derivação. . . . . . . . . . . Símbolos de Fiação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Curvas Características I-V dos Módulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características de Dependência da Irradiância e Temperatura. . . . . Certificação de Qualidade dos Módulos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interconexão dos Módulos FV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prós e Contras dos Sistemas FV de Interação com a Rede com Armazenamento em Baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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210 211 211 212 213 214 217 218 218 219 221 222 223

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Considerações para Inclusão do Armazenamento em Baterias. . . . . 224 Prós e Contras dos Sistemas FV Independentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Considerações de Custo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Sistemas Híbridos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Manutenção dos Sistemas FV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Lista de Controle da Manutenção e Conservação. . . . . . . . . . . . . . . 227 Manutenção do Conjunto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Manutenção das Baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Manutenção do Inversor e do Controlador de Carga. . . . . . . . . . . . . 229 Monitoramento e Teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Resolução de Problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Resumo do Capítulo 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Conceitos e Termos-chave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Avaliação do Capítulo 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Respostas das Perguntas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referências. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Este livro conta com o seguinte material suplementar: JJ

Ilustrações da obra em formato de apresentação (restrito a docentes)

O acesso ao material suplementar é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em: http://gen-io.grupogen.com.br.

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de materiais suplementares e de serviços relacionados com livros publicados pelo GEN | Grupo Editorial Nacional, maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo científico-técnico-profissional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, Atlas, LTC, E.P.U. e Forense Universitária. Os materiais suplementares ficam disponíveis para acesso durante a vigência das edições atuais dos livros a que eles correspondem.

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Material Suplementar

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O SETOR FOTOVOLTAICO (FV) está à beira de uma revolução. O apelo de um

setor novo e crescente trouxe um afluxo de novos profissionais para o mercado, mas a disponibilidade de recursos educacionais não acompanha o ritmo da demanda do mercado. Essa lacuna levou a problemas graves de qualidade e desempenho que o setor vai ter de enfrentar nas próximas décadas. A série A Arte e a Ciência dos Sistemas Fotovoltaicos* foi desenvolvida para preencher essa lacuna. Cada livro da série vai além dos processos sistemáticos, enfrentando os desafios do desempenho e empregando uma perspectiva de sistemas. Os leitores não aprendem as etapas de projeto e instalação dos sistemas FV do nada; em vez disso, eles adquirem o conhecimento e a experiência para compreender as inter-relações e descobrir novas maneiras de melhorar seus próprios sistemas e contribuir positivamente para o setor. Essa série é voltada para o novato e para o especialista. O texto leva o leitor a uma visão global dos sistemas FV, passando pelas etapas e considerações de projeto e instalação simples, até o projeto e a instalação de sistemas de alto desempenho. A série também prepara os leitores para o NABCEP PV Entry Level Exam.** Os leitores vão compreender a energia FV usando uma perspectiva de sistema. Isso inclui como a escolha e a instalação de cada componente no sistema influencia outros componentes. Juntas, cada consideração de projeto e instalação tem um impacto considerável na capacidade do sistema FV para gerar energia eficientemente durante sua vida útil. Essa série também enfoca os sistemas FV de alto desempenho — o que são, como podem ser projetados e instalados e como o desempenho melhora a relação cliente-fornecedor e o setor como um todo. *  Essa série da qual o livro faz parte está disponível somente na edição norte-americana. (N.E.) **  O Exame NABCEP PV Entry Level é baseado em um conjunto de objetivos de aprendizagem desenvolvidos por um comitê de especialistas em sistemas FV. O conhecimento identificado neste exame não substitui as formações elétricas, técnicas, tecnológicas ou de engenharia. (N.T.)

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Prefácio

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Introdução ao projeto de sistemas fotovoltaicos fornece aos leitores o conhecimento do qual necessitam para projetar sistemas FV usando diagramas unifilares. Este texto adota uma abordagem sistemática para projetar os sistemas FV, com um foco especial em uma abordagem de projeto personalizada para cada sistema. Os leitores aprendem sobre avaliação do local, dimensionamento de strings e fios, projeto de acordo com as normas, componentes FV e monitoramento e teste. Os autores e editores da série Arte e Ciência dos Sistemas Fotovoltaicos esperam sinceramente que ela desempenhe um papel não apenas no sucesso do leitor em uma carreira ligada à energia FV, mas também na elevação dos padrões e do profissionalismo do setor como um todo. Isso, segundo esperamos, vai contribuir para a segurança energética da nação e para um ambiente mais limpo e menos dependente do carbono.

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ENERGIA FOTOVOLTAICA (FV) É A ciência que usa a energia do Sol para produzir eletricidade. O projeto de sistemas FV eficazes e confiáveis requer a compreensão da arte e da ciência fotovoltaica e a aplicação de habilidades, estratégias e técnicas necessárias para satisfazer metas e objetivos específicos de projeto. Este capítulo discute o projeto de sistemas fotovoltaicos (FV), iniciando com uma visão global do desenvolvimento dos sistemas FV. Você também vai ler sobre o projeto de módulos e circuitos e aprender sobre a estrutura e a função dos condutores, isolantes e células solares. Este capítulo inclui ainda uma visão global dos tipos de células solares.

Tópicos e Conceitos Este capítulo aborda os seguintes tópicos e conceitos: QQ QQ QQ QQ QQ QQ QQ QQ

Começando Visão geral do desenvolvimento dos sistemas fotovoltaicos Projeto de módulos e circuitos FV Condutores Isolantes Semicondutores Tipos de semicondutores Classificação dos módulos fotovoltaicos

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Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

c a p í t u l o

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2  CAPÍTULO 1

Objetivos

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Discutir a estrutura e a função dos módulos e circuitos Reconhecer os tipos comuns de células solares Discutir a função dos condutores, isolantes e semicondutores

Começando A intenção deste texto é lhe fornecer a base necessária para dominar o projeto de sistemas FV. O foco é no desenvolvimento das habilidades, hábitos, práticas, técnicas, conhecimento e abordagens que vão lhe permitir se tornar um projetista FV de alto desempenho. Você vai começar aprendendo as definições, conceitos e padrões, que vão lhe permitir projetar sistemas que produzam mais energia por dólar investido. A energia solar sempre foi uma fonte de energia importante. As plantas transformam a energia solar em alimento usando a fotossíntese. Os animais, incluindo o ser humano, ingerem as plantas. Dessa maneira, a energia solar tem alimentado o planeta desde o início. Quase toda a energia utilizada pelo ser humano pode ter sua origem reconstituída até o Sol. O carvão, o petróleo, a madeira e até mesmo a eletricidade são fontes energéticas produzidas pela energia do Sol. O objetivo de aproveitar a energia solar sempre foi criar uma fonte de energia que não desperdiça recursos. O mundo dos negócios levou muito tempo para reconhecer que existem muitos benefícios e oportunidades em investir na tecnologia de energia solar. Hoje, a energia FV está chamando a atenção dos fornecedores de energia. Há necessidade de técnicos capacitados em projeto e instalação, além de engenheiros que possam fornecer sistemas FV de alto desempenho, confiáveis e com uma boa relação custo-benefício.

Visão Geral do Desenvolvimento dos Sistemas Fotovoltaicos A primeira de uma longa lista de descobertas que acabaram levando à energia FV ocorreu em 1839, quando o cientista francês Alexandre-Edmond Becquerel, de 19 anos, colocou duas placas de latão em um líquido condutor e imediatamente resplandeceu uma luz nas placas. Ele constatou que foi gerada uma corrente elétrica

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Quando você terminar este capítulo, será capaz de:

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decorrente desse processo. Isso ficou conhecido como efeito fotovoltaico, que deu início a um lento processo de desenvolvimento da tecnologia. A pesquisa em energia solar continuou em 1873. Um cientista britânico chamado Willoughby Smith notou que o elemento selênio reagia à luz. O inventor Charles Fritts construiu a primeira célula solar de selênio em 1880. A invenção de Fritts provou que é possível produzir eletricidade sem usar combustíveis. O próximo grande passo adiante na energia FV só foi dado nos anos 1950. Cientistas nos Laboratórios Bell investigaram as qualidades do elemento silício. Eles queriam saber o que um material diferente como o silício era capaz de fazer. Ficaram interessados no silício porque é o segundo elemento mais disponível na Terra. Os cientistas descobriram que o silício, tratado com impurezas, se torna responsivo à luz. Quando a luz solar atinge a célula solar, os elétrons se separam de seus átomos e se movem. Esse movimento cria eletricidade através de um circuito elétrico. O silício é comum e barato, e é por isso que atualmente é o material mais utilizado nas células fotovoltaicas. Você pode usar a energia solar para a mesma finalidade que utiliza outras fontes de energia. Fornecer energia para residências e empresas, purificar a água, sistemas de irrigação e monitoramento ambiental são apenas alguns exemplos. Os sistemas de energia solar podem ser minúsculos, para alimentar pequenos itens como lanternas e calculadoras, ou grandes o bastante para alimentar cidades inteiras. Os sistemas FV têm as seguintes vantagens: QQ

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QQ

Menos blecautes — Os sistemas FV são menos propensos do que as outras fontes de eletricidade a sofrerem falhas de energia. Isso torna esses sistemas populares nos cenários de cuidados com a saúde. Baixo custo de operação e manutenção — A maior parte do custo financeiro dos sistemas FV está no custo inicial do equipamento. Os sistemas FV projetados e instalados adequadamente têm custos operacionais e de manutenção (O & M) baixos. Isso faz com que sejam sistemas de boa relação custo-benefício e com maior retorno sobre o investimento (ROI). Maior eficiência em altitudes elevadas — Os sistemas FV são mais eficientes em altitudes elevadas porque recebem mais radiação solar. Por outro lado, os geradores a diesel e os demais tipos sofrem queda de rendimento onde o ar é rarefeito.

Naturalmente, nada é isento de desvantagens. As desvantagens mais citadas dos sistemas FV são: QQ

Investimento inicial — Os sistemas FV têm um custo de aquisição e instalação elevado. No entanto, a maioria dos usuários da energia FV

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descobre que o custo é recuperado na economia de energia em um período de cinco a 10 anos. Práticas de conservação de energia — Uma atitude conservadora em relação ao uso da energia precisa ser adotada para gerar mais economia financeira. Os níveis mais baixos de desperdício da energia resultam na necessidade de um sistema FV menor e mais barato.

As preocupações mais citadas em relação à energia FV incluem o custo inicial, o armazenamento da energia e a variabilidade do recurso solar. O projeto de sistemas FV inclui baterias ou uma conexão com a rede de distribuição de eletricidade. Isso proporciona ao proprietário energia à noite e durante os dias nublados. Muitos proprietários que conectam o seu sistema à rede de distribuição de energia elétrica tiram proveito do net metering.1 Esse recurso permite que os proprietários extraiam e forneçam energia para a rede de distribuição de eletricidade. Vamos discutir o net metering em detalhes mais adiante, neste capítulo. Você também pode utilizar baterias para armazenar o excesso de energia para usar à noite ou durante os dias nublados. No entanto, as baterias aumentam o custo inicial do equipamento. As condições meteorológicas e ambientais surtem um efeito significante sobre o rendimento do sistema FV. Existem muitas considerações a serem feitas durante o projeto e a instalação de um sistema de energia solar. Há algumas questões de segurança e ambientais relativas aos sistemas FV. Você deve compreender que os sistemas FV adequadamente fabricados, projetados e instalados são mais seguros para as pessoas e o ambiente. Alguns argumentam que os sistemas FV consomem grande quantidade de energia para serem fabricados. Isso depende do processo de fabricação. Os avanços nas tecnologias solares criaram sistemas FV que produzem muito mais energia do que a utilizada para criá-los. Frequentemente, os fabricantes de sistemas FV usam seus próprios produtos para alimentar as fábricas.

Componentes Os sistemas fotovoltaicos são personalizados, dependendo das necessidades do local. Cada local tem fatores ambientais diferentes. Esses fatores afetam o tipo de sistema necessário e o seu nível de desempenho. Os sistemas FV incluem:

1

  Net metering – Recurso utilizado nos Estados Unidos, no qual o proprietário de um Sistema FV conectado à rede de distribuição de energia elétrica pode fornecer o seu superávit energético para a rede e, quando precisar extrair energia dessa rede, usar os créditos do superávit fornecido para compensar o custo da energia extraída. (N.T.)

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4  CAPÍTULO 1

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O recurso solar — O Sol é a fonte de energia de todos os sistemas FV em nosso sistema solar. Células fotovoltaicas — Quando tratadas com impurezas químicas, em um processo chamado dopagem, essas finas seções de material semicondutor reagem à luz solar, criando tensão e corrente. Módulo — Os módulos normalmente consistem em várias células ligadas em série e em paralelo, para fornecer tensões e corrente. Painel — O termo painel é utilizado intercaladamente com o termo módulo. Matriz — Uma matriz consiste em vários painéis ligados em série e em paralelo, para fornecer tensões e correntes específicas. A matriz normalmente é presa a uma estrutura de montagem. Bateria — Uma bateria pode ser definida como um dispositivo de armazenamento de energia elétrica de corrente direta (DC). Até mesmo os sistemas FV conectados à rede de distribuição de energia elétrica frequentemente podem se beneficiar de um sistema de armazenamento em baterias, em que a falta de energia é uma preocupação. Inversor — O inversor DC-AC converte a energia de corrente direta (DC) para corrente alternada (AC), para ser utilizada em eletrodomésticos, eletrônicos e outros dispositivos. Controlador de carga — Um controlador de carga regula, carrega e mantém a tensão da bateria. Carga elétrica — A carga elétrica inclui os eletrodomésticos e outros dispositivos que usam a energia gerada pelo sistema FV. As cargas elétricas podem ser DC ou AC. É possível ter os dois tipos de carga elétrica no mesmo sistema FV. Cabeamento — O cabeamento inclui os fios, também conhecidos como condutores, que conectam os componentes do sistema para produzir circuitos. Protetor contra surtos — Um protetor contra surtos é um dispositivo que protege contra Aztlano Archuletta e Marc Landry trabalhando na instalação choques elétricos provenientes de na nova ferramenta de agrupamento de silício no Laboratório de Desenvolvimento e Integração de Processos na Instalação curtos-circuitos e contra danos de Ciência e Tecnologia da sede da NREL em Golden, Colorado. decorrentes das flutuações Cortesia da DOE/NREL, Crédito: Patrick Corkery de energia.

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6  CAPÍTULO 1

Os sistemas fotovoltaicos são altamente customizáveis. Alguns sistemas são necessários apenas durante as horas do dia. Um exemplo é o bombeamento de água. Outros, chamados sistemas standalone (independentes), usam um dispositivo de armazenamento de energia para armazenar a energia solar a ser utilizada à noite ou nos dias nublados. Existem sistemas ligados à rede que podem usar baterias para extrair energia durante a falta de energia NOTA da rede. Também existem sistemas ligados à rede que não usam baterias. No entanto, quando a rede sofre Fileiras de baterias são várias interrupção de energia, o sistema desliga até a tensão da baterias independentes ligadas para rede voltar. formar uma única bateria. A capacidade para projetar cada instalação de sistema com base nas necessidades do local ajuda a minimizar os custos de equipamento. Os sistemas PV personalizados também garantem que as necessidades energéticas dos usuários serão satisfeitas de modo eficaz. Sistemas FV de Uso Diurno Os sistemas FV de uso diurno têm o projeto mais simples. Os sistemas de uso diurno são projetados para o uso apenas durante as horas do dia. Eles não possuem baterias ou estão conectados a redes ou qualquer outra fonte de energia. São sistemas que consistem simplesmente em células ou módulos FV ligados aos aparelhos DC que alimentam. Os sistemas FV de uso diurno são comuns nas áreas rurais para alimentar bombas d’água e sistemas de limpeza. Os sistemas de aquecimento de água e os sistemas de ventilação também são usos comuns dos sistemas FV de uso diurno. A desvantagem dos sistemas FV de uso diurno é que eles não produzem energia à noite ou durante os dias muito nublados. Sistemas Independentes, Sistemas DC com Armazenamento em Baterias Muitos sistemas FV alimentam aparelhos DC. O armazenamento em baterias é necessário para fornecer energia noturna ou para as aplicações portáteis, como os veículos remotos, barcos ou outros veículos. Os controladores de carga são utilizados nos sistemas DC com armazenamento em bateria, para carregar e proteger a bateria. Sistemas FV DC/AC Os aparelhos de corrente alternada (AC) são mais comuns do que os aparelhos de corrente direta (DC), e normalmente mais baratos. Os sistemas FV criam energia DC. Você usa inversores para converter a energia DC em AC. Os aparelhos exigem potência AC. Alguns sistemas FV utilizam energia AC e DC.

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Tipos de Sistemas

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Sistemas FV Híbridos Os sistemas fotovoltaicos fornecem energia barata, limpa e renovável. Algumas vezes os custos de equipamento ou as limitações do local impedem a instalação de um sistema FV que seja capaz de suprir todas as necessidades energéticas do local. Os sistemas híbridos são a melhor opção nesses casos. Os sistemas FV que incluem geradores são o tipo mais comum de sistema hibrido; no entanto, os sistemas de turbina eólica estão ficando mais populares no projeto de sistemas híbridos, pois são pequenos ou micro-hidro (gerador de turbina). É possível combinar energia FV, energia eólica, células combustíveis e geradores em um sistema que consiga fornecer energia constante e de alta qualidade sem usar uma conexão com a rede de distribuição de energia elétrica. Sistemas FV Conectados à Rede Os sistemas FV conectados à rede também são chamados de ligados à linha, conectados aos serviços de utilidade pública ou ligados à rede. Os sistemas conectados à rede usam as redes de energia das prestadoras de serviços públicos como reserva. O armazenamento de energia não é necessário para os sistemas conectados à rede, a menos que as interrupções regulares no fornecimento de energia se tornem um problema. Os proprietários de sistemas conectados à rede devolvem a energia necessária para a prestadora do serviço. Isso exige inversores especiais. Os sistemas conectados à rede são bons nas áreas urbanas, onde a sobrecarga da rede é comum. Os sistemas FV reduzem a pressão sobre a rede e agem como um fornecedor de energia adicional. Eles também fornecem tensão e onda senoidal mais coerentes.

Projeto de Módulos e Circuitos FV As células solares em geral são relativamente pequenas e podem ser menores que uma polegada quadrada ou podem ter até seis ou oito polegadas quando cortadas de um boule2 ou lingote. As tensões e a amperagem dependem do tipo da tecnologia, do tamanho e do projeto da aplicação. Um grupo de células solares conectadas se chama módulo solar ou painel solar. Os módulos ou painéis FV estão disponíveis em vários tamanhos, tensões, amperagens e voltagem nominal DC certificada.

  Esfera. (N.T.)

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NOTA DEFINIÇÃO  Célula fotovoltaica — O material semicondutor tratado que converte a radiação solar em eletricidade.

NOTA DEFINIÇÃO  Módulo F V — A menor unidade substituível em uma matriz F V. É uma unidade integral e encapsulada contendo uma série de células F V.

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8  CAPÍTULO 1

O projeto de células solares requer que todas as células em um módulo sejam idênticas, contudo elas não são. É tentador acreditar que todas as células em um módulo terão uma saída igual durante o projeto de um sistema FV. Se fosse o caso, a curva I-V do módulo seria igual à das células, mas em uma escala maior. A diferença entre reunir os pedaços de um sistema e projetar com a teoria de sistemas está na compreensão de como as células, módulos e matrizes se relacionam e operam em um sistema. Uma curva I-V é o gráfico das características da corrente versus tensão de uma célula fotovoltaica, módulo ou matriz. Existem pontos importantes na curva I-V. Entre eles, temos a tensão de circuito aberto, a corrente em curto-circuito e o ponto de operação de potência máxima. Na realidade, as células e módulos solares não são idênticos e isso afeta o projeto e o desempenho. A saída baixa pode ser provocada por defeitos de fabricação, sombras, poeira, resíduos, temperatura e degradação. Isso limita a produção de energia da fileira (string), e afeta a produção de energia do módulo inteiro, até a saída do sistema. Há uma diferença entre a saída prevista e atual das células, módulos e matrizes. A diferença na saída é a perda por incompatibilidade. A maioria dos projetistas e integradores de sistemas não compreende a perda por incompatibilidade e, consequentemente, sacrificam o desempenho. Você deve ser capaz de calcular a perda por incompatibilidade quando projetar um sistema FV. Você utiliza a perda por incompatibilidade para determinar a carga real que o sistema consegue suportar. Isso também permite que você compreenda e projete em torno dos pontos fracos nas tecnologias FV, que é um dos elementos a abordar à medida que você dominar a arte e a ciência da energia FV. A incompatibilidade pode resultar de qualquer um dos seguintes fatores: QQ

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QQ QQ QQ QQ

Incompatibilidade espectral entre as células decorrente de inconsistências durante o processo de fabricação. Incompatibilidade da radiação solar entre Pmax e o ponto de operação. O resultado do sombreamento ou da poeira em uma parte dos painéis de células ou da matriz de células. Restos de aves. Ligações malfeitas de fios e conectores. Variações de temperatura em diferentes partes dos componentes da matriz. Fluxo de ar inconsistente ou restrito ou outras condições que afetem a relação entre células, módulos e matrizes.

A perda por incompatibilidade pode ser entre uma parte e outra da fileira ou matriz. Ela também é a diferença entre a eficiência do módulo e a eficiência média das células. A maioria dos fabricantes começa classificando as células em grupos

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Células Idênticas e Células Não Idênticas

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24  CAPÍTULO 1

Os sistemas fotovoltaicos são feitos de muitas partes diferentes. Você precisa compreender cada parte em termos de função e classificação. As células solares são a base dos sistemas FV. As células são reunidas para formar módulos. Os módulos são conectados por fios para formar matrizes. Além disso, você precisa considerar os detalhes adicionais do balanceamento e integração de seus diodos, baterias, grades, conversores e inversores. Embora você precise selecionar com atenção cada parte de um sistema FV, lembre-se de que as partes se juntam para criar o sistema FV. A ênfase deve ser em projetar um sistema que integre e combine os componentes corretos para assegurar que todos venham a se complementar. Reunir componentes de menor custo resultará em um desempenho do sistema sujeito a riscos. Você deve verificar a compatibilidade de cada peça com os demais componentes do sistema para assegurar que eles se complementem. Durante o projeto de um sistema FV, você precisa abordar as necessidades particulares e as limitações do local.

Conceitos e Termos-Chave Banda de condução Banda de valência Célula solar Condutor Descontrole térmico Expansão térmica Faixa sem energia

Isolante Junção p-n Matriz solar Módulo solar Perda por incompatibilidade Semicondutor

Avaliação do Capítulo 1

Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos 1. As matrizes solares consistem em muitas células solares conectadas por fios. TT TT

A. Verdadeiro B. Falso

2. Quais são as preocupações mais citadas a respeito dos sistemas FV? TT TT TT TT

A. Custos, manutenção e cuidados B. Armazenamento e variabilidade C. Aparência D. Disponibilidade de empreiteiros locais competentes

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Resumo do Capítulo 1

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Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos   25

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A. Condutores B. Semicondutores C. Isolantes D. Nenhuma das opções acima

4. Os sistemas FV vêm pré-montados para facilitar o projeto e a instalação. TT TT

A. Verdadeiro B. Falso

5. Por que o silício é um material comum nas células solares? TT TT TT TT

A. As pessoas gostam da sua aparência B. É um bom semicondutor C. É caro D. Outros materiais ainda não foram pesquisados

6. Que tipo de problema é provocado pelas células não idênticas? TT TT TT TT TT

A. Resfriamento B. Aquecimento C. Perda por incompatibilidade D. A e C E. B e C

7. ________________________ é provocada pela produção das células boas sendo dissipada pelas células ruins.

8. O descontrole térmico causa danos às células circundantes. TT TT

A. Verdadeiro B. Falso

9. As células solares frequentemente são projetadas em formatos arredondados para acomodar o quê? TT A. Expansão térmica TT B. Descontrole térmico TT C. Curto-circuito TT D. Nenhuma das opções acima

10. Os fabricantes apresentam as classificações PTC. TT TT

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A. Verdadeiro B. Falso

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3. Que tipo de material é utilizado para fabricar as células solares?

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CADA SISTEMA FOTOVOLTAICO (FV) precisa ser customizado para o local de destino. As considerações a respeito do local incluem a quantidade de energia necessária, as obstruções e os momentos em que o sistema FV estará em uso. Este capítulo discute as considerações necessárias durante o projeto de um sistema FV de qualidade. Também abordamos o reconhecimento do sistema FV eficaz e ineficaz.

Tópicos e Conceitos Este capítulo aborda os seguintes tópicos e conceitos: QQ QQ QQ QQ QQ

Projeto F V eficaz e ineficaz A trajetória do Sol Princípios básicos do projeto de sistemas F V de alta qualidade Projetos e opções de sistemas F V comuns Requisitos de projeto

Objetivos Quando você terminar este capítulo, será capaz de: QQ

QQ QQ

Apresentar os princípios básicos a serem considerados durante o projeto de um sistema FV Reconhecer projetos e opções de sistemas típicos Descrever como a trajetória do Sol pode afetar um sistema FV 27

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Considerações de Projeto do Sistema

c a p í t u l o

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34  CAPÍTULO 2

O

s sistemas fotovoltaicos com circuitos DC e AC sem conexão direta entre o condutor aterrado DC e o condutor aterrado AC devem ter um sistema de aterramento DC. O sistema de aterramento DC será ligado ao sistema de aterramento AC por um dos seguintes métodos:

• Sistema de eletrodo de aterramento DC separado ligado ao sistema de eletrodo de aterramento AC • Eletrodo de aterramento comum DC e AC • Condutor de eletrodo de aterramento DC e condutor de aterramento de equipamento AC (NEC 2011, UL 1741) Reimpresso com permissão da NFPA 70®, National Electrical Code®, Copyright© 2010, National Fire Protection Association, Quincy, MA.

Selecione as cargas críticas importantes para o cliente, quando determinar a carga de um sistema ligado à rede com reserva em bateria. Isso ajuda o projetista a determinar a utilização e o número de horas em que o cliente vai usar essas cargas. Essa informação é empregada para dimensionar o sistema de armazenamento em baterias.

Adequabilidade O fato de que os sistemas FV usam energia renovável do Sol e não expelem poluentes é um bônus. Os sistemas FV não são necessariamente sempre a melhor opção para

SEGURANÇA DOS SISTEMAS LIGADOS À REDE

O

s sistemas ligados à rede sem um dispositivo de armazenamento de energia desligam quando a rede está fora. Essa é uma função do inversor chamada proteção anti-isolamento. Essa função é exigida pela NEC e UL 1741 e harmonizada com

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a IEEE 1547. Isso evita que o inversor desvie energia para a rede se ela estiver fora, para eliminar a possibilidade de eletrocutar qualquer pessoa que esteja trabalhando na rede local.

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SISTEMAS COM REQUISITOS DE ATERRAMENTO DE CORRENTE ALTERNADA E CORRENTE DIRETA

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É

um bom exercício prático usar uma planilha de cálculo de carga e avaliar uma ou duas aplicações na rede, como a sua casa e uma pequena empresa. Depois, faça o mesmo para um local fora da rede. Isso vai ajudá-lo a compreender como

a energia é desperdiçada. Você também vai aprender como pode usufruir de um estilo de vida incrivelmente belo, ajustando hábitos e o uso de eletrodomésticos, e obter mais de um sistema FV e, ao mesmo tempo, usando menos.

todos os locais. Você precisa avaliar cada possível local e sistema. Os fatores que afetam a adequabilidade de um local para a instalação de um sistema FV incluem: QQ

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Recurso energético — Existe luz solar suficiente no local e ela está disponível pelo menos 75% do ano? Pode haver um local que seja sombreado pelas árvores, esteja à sombra de uma montanha ou que tenha objetos bloqueando o acesso à luz solar. Um cliente que não tenha acesso à energia da rede e que tenha problemas de sombra pode precisar considerar outras fontes de energia. Custo — Os sistemas FV custam pouco para funcionar, nas não exigem manutenção e inspeção de rotina. Hoje, o custo inicial de um sistema FV e de sua instalação é quase sempre maior que o custo cobrado pelas empresas fornecedoras de energia. No entanto, há mais custos do que o sistema inicial. Que tipos de impostos ou incentivos de serviços públicos existem para reduzir o custo inicial? Qual é o custo corrigido pela inflação da energia fornecida pelas empresas ao longo do tempo? Como isso se compara com o custo total do sistema FV e todas as suas despesas ao longo do tempo?

A energia FV é mais barata que usar um gerador ou uma célula combustível, a menos que seja um gerador industrial grande. Os sistemas FV normalmente têm uma boa relação custo-benefício em locais remotos onde o custo de manutenção de redes de distribuição de energia elétrica é elevado. Depois que você paga a conta para se conectar à rede, ainda há uma cobrança mensal pelo uso de energia, mais taxas. QQ

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Capacidade de expansão — Os sistemas FV são facilmente expansíveis para acomodar cargas maiores, especialmente se a expansão ou o faseamento forem considerados durante o projeto. Confiabilidade — Os sistemas FV sofrem desgaste ao longo do tempo, como todos os equipamentos elétricos. Quando projetados, instalados e mantidos

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DICA PRÁTICA

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DICAS TÉCNICAS Os locais residenciais se beneficiam quando há armazenamento em baterias, caso estejam situados em lugares com muitas faltas de energia.

Sistemas FV de Interação com a Rede sem Armazenamento Os sistemas FV de interação ou ligação com a rede de distribuição de energia sem armazenamento não incluem um dispositivo de armazenamento de energia como as baterias para armazenar a energia FV extra. O armazenamento em baterias geralmente não é necessário, pois a energia extra pode ser armazenada na rede de distribuição ou extraída dessa rede quando necessário. Em um sistema FV sem armazenamento em baterias, o conjunto solar envia energia para o inversor. O inversor define a tensão, convertendo potência DC para potência AC. A maioria dos inversores processa a tensão e a corrente de entrada para maximizar a potência em watts proveniente do conjunto usando Monitoramento do Ponto de Potência Máxima (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking). Compreender o MPPT para o inversor em um sistema é importante para reduzir as perdas comuns nos sistemas. Os sistemas FV de interação com a rede precisam usar inversores de onda senoidal. Esses inversores produzem ondas senoidais que sincronizam com a onda e a frequência da rede conectada. Os inversores ligados à rede também precisam se desconectar dessa rede se ela cair ou se não estiver fornecendo energia de qualidade suficiente em termos de tensão, corrente ou onda senoidal. O painel de distribuição principal Esse medidor eletrônico indica a quantidade de envia energia, primeiro, para as cargas eletricidade produzida pelo sistema elétrico solar e a internas. Dependendo da carga total no quantidade de eletricidade consumida pela residência. A residência é na comunidade Centex’s Los Olivos em local, ele envia ou recebe energia da rede. A Livermore, Califórnia. tarefa do painel de distribuição principal é Cortesia de DOE/NREL, Crédito: The Stone Group agir como um conduto para a rede.

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Se o cliente perguntar “De quantos painéis eu necessito para aquecer a minha piscina?”, você precisa se comunicar um pouco e instruir o cliente a respeito dos tipos de sistema FV e outros sistemas de energia solar, além dos problemas de cada um. Os sistemas FV não usam fluidos, não usam trocadores de calor e não usam rastreamento através de tecnologias. Se o cliente começar a falar sobre essas coisas, peça permissão educadamente para falar sobre a tecnologia disponível.

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O painel de distribuição principal é dimensionado com base na quantidade de energia necessária nas fontes que atende e as considerações de projeto se baseiam no National Electrical Code (NEC). Em alguns locais, o excesso de energia do sistema FV pode ser vendido para a empresa de distribuição de energia usando o que se chama net metering (medição da rede). O pico de produção de energia ocorre no final da manhã até o início da tarde, pois o recurso solar é maior durante esse período do dia. Isso permite que o sistema FV colete mais energia. A vantagem de um programa de net metering é que ele permite ao cliente coletar energia quando ela estiver disponível e usá-la quando for necessário.

Sistemas FV de Interação com a Rede e com Armazenamento em Baterias Os locais residenciais que tentam limitar a sua dependência das redes públicas costumam se beneficiar dos sistemas FV de interação com a rede que incluem armazenamento em baterias e da energia adicional produzida pelo sistema. Durante as horas do dia, o sistema FV produz energia. Parte da energia vai direto para a carga, enquanto outra parte é utilizada para carregar completamente as baterias para uso nas cargas críticas. Se houver uma carga crítica como, por exemplo, um sistema de computador que poderia ser afetado por variações de tensão, desligamento parcial da rede elétrica ou falta total de energia, um sistema de armazenamento em baterias pode fazer sentido, mesmo se não houver uma interrupção substancial da quantidade de energia da rede. Os sistemas FV de interação com a rede que usam baterias também utilizam um dispositivo de controle de carga das baterias para controlar a energia gerada pelo conjunto FV. Nesse projeto, o MPPT normalmente é encontrado no controlador de carga. Durante o projeto dos sistemas de backup de bateria ligados à rede, é importante ter certeza de que as configurações do sistema para os inversores e controladores de carga estejam corretas. Isso garante que as baterias permaneçam totalmente carregadas. Os projetos modernos desse tipo de sistema FV podem ou não enviar a energia FV diretamente para o inversor a partir do conjunto solar. Você precisa familiarizar-se totalmente com a tecnologia, quais são as aptidões de programação, como a programação funciona e quais são as opções existentes de temporização, ponto de acerto, dentre outras, para maximizar a vida das baterias e, ao mesmo tempo, carregá-las eficientemente. Entender as baterias é essencial para o bom funcionamento do sistema. Se a carga e a bateria estiverem plenas, o inversor envia o excesso de energia FV para a rede pública. Se as baterias estiverem descarregadas, fornecer configurações para o carregamento solar pode ser bem mais eficaz do que usar a rede para carregar as baterias.

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40  CAPÍTULO 2

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A

borde os desafios que um cliente enfrentará quando discutir e projetar um sistema ligado à rede com baterias:

• As baterias em si não são perigosas. No entanto, se não forem manipuladas e mantidas adequadamente, elas podem criar situações perigosas e até mesmo com risco de vida. • Há muito que aprender a respeito das baterias: o que elas fazem, como funcionam, qual é a manutenção necessária e como extrair o máximo delas. Nunca faça presunções a respeito das baterias. Compreenda como elas funcionam e quão perigosas elas podem ser se forem maltratadas. • As baterias são caras. Dependendo do tipo, qualidade, ambiente e uso, elas terão que ser substituídas de ano em ano até a cada 30 anos. A menos que haja cargas críticas que não possam ser reduzidas ou removidas, ou que o local do cliente tenha muitas quedas de energia, pode ser melhor acrescentar uma bateria ou outro dispositivo de armazenamento em um momento posterior. • A maioria das baterias de chumboácido e ferro-níquel requer manutenção regular. As baterias falham prematuramente se a manutenção não for feita regularmente. A escolha da bateria precisa ser feita com muito cuidado e o cliente precisa ser inteiramente instruído para fazer uma escolha que faça sentido no longo prazo. • Se comprometer com o armazenamento em baterias significa que há um compromisso da bateria do sistema por toda

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a vida do sistema FV inteiro. Mesmo com sistemas ligados à rede, na qual existem dois conjuntos paralelos de inversores, a parte da bateria precisa sempre ter uma bateria funcional para operar. A maioria dos sistemas inversores amparados por baterias precisa ter energia armazenada nas baterias para desconectar e reconectar com a rede através de comutadores de transferência interna. • As baterias têm sensibilidades à temperatura e é melhor mantê-las em torno de 77 graus Fahrenheit. As temperaturas elevadas reduzem drasticamente a vida das baterias e podem anular a garantia. O congelamento danifica as baterias e elas requerem descongelamento lento. Use sempre um controlador de carga que considere as informações de um sensor de temperatura para maximizar o processo de carregamento em diferentes temperaturas. • As baterias exigem um espaço caro na edificação. Se um sistema de baterias exigir 120 metros quadrados de espaço de armazenamento, por exemplo, em uma residência que custe US$ 100 por metro quadrado para ser construída, o custo adicional do espaço para o sistema de baterias é de US$ 12.000. Muitas pessoas não consideram esse custo no orçamento do seu sistema. O espaço comercial é mais caro. É uma boa opção determinar se pode ser feito o uso de racks ou outras maneiras para reduzir o espaço. • Sempre coloque as baterias em um local trancado e seguro que não seja acessível a pessoas ou animais. As baterias são

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PROBLEMAS COM OS SISTEMAS FV DE INTERAÇÃO COM A REDE QUE POSSUEM ARMAZENAMENTO EM BATERIAS

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46  CAPÍTULO 2

QQ QQ

Custos de manutenção Custos de serviço Custos de garantia

Os preços são dinâmicos em razão, em parte, das condições do mercado, da disponibilidade do produto, da manipulação do mercado e da capacidade para comprar quando a política de preços é menor para compras em volume. Outras considerações, incluindo a habilidade e conhecimento para comprar o equipamento correto, também são fatores na formação dos preços. Você precisa compreender as cargas de energia quando comercializar e projetar sistemas FV ligados à rede. Não existe uma fórmula simples para determinar o tamanho do sistema que não seja a análise da utilização. Isso é feito normalmente com um ano ou mais de faturas de eletricidades ou realizando um estudo intensivo de carga individual com duração de um ano. As faturas de eletricidade fornecem a indicação mais precisa da carga. Não há maneira precisa e aceita de comparar tecnologias conforme são vendidas e utilizadas no mercado atual, a menos que você examine o desempenho do sistema. Algumas pessoas encaram equivocadamente o desempenho do sistema em termos da eficiência do painel, menor custo e montagem das partes de primeiro custo. Desempenho é a quantidade total de energia produzida em quilowatts-hora dividida pelo custo total do sistema ao longo de 20 anos. Isso pode ser refletido em US$/kWh ou kWh/US$. Quando você paga US$ 0,16/kWh, sabe exatamente o que está comprando. Nesse preço, você está comprando 6,25 quilowatts-hora por dólar. Para obter precisão é importante incluir todos os custos de manutenção. Isso é claro e simples. O quilowatt-hora (kWh) é um indicador de geração elétrica. É uma quantidade de energia mensurável baseada em todos os custos do sistema, dos custos de instalação até os custos de operação e manutenção ao longo de um período de tempo fixo. O quilowatt-hora (kWh) é a medida quantificável da energia produzida. Ele não varia de produto para produto ou de sistema para sistema, como o watt DC.

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Considerações de Projeto do Sistema  47

O formato, o eixo e a órbita da Terra, combinados com as questões ambientais, são os fatores principais na determinação da quantidade de radiação solar de determinado local. O formato redondo da Terra afeta o ângulo em que os raios solares irradiam determinado local. A Terra se situa em um eixo inclinado, que é responsável por criar as estações e a quantidade de luz solar recebida por determinado local durante o ano. A Terra percorre uma órbita elíptica em torno do Sol, mudando constantemente a distância do Sol e a força da radiação solar. O conhecimento da trajetória solar e das horas são críticos para compreender os fundamentos de projeto de um sistema FV de alta qualidade. Os cálculos podem ser realizados com base nesse conhecimento, para estimar a quantidade de energia disponível em determinado local. A partir daqui, as considerações de carga são acrescentadas à equação. Junte essas informações e um sistema FV de qualidade pode ser projetado, seja ele conectado à rede ou independente.

Conceitos e Termos-Chave Carga Carga diária Constante solar Dispositivo de controle de carga das baterias

Hora solar Insolação solar Inversor Painel de distribuição principal Sistema híbrido

Avaliação do Capítulo 2

Considerações de Projeto do Sistema 1. Um inversor ligado à rede precisa ser capaz de se desconectar automaticamente dessa rede. TT TT

A. Verdadeiro B. Falso

2. O que faz um inversor? TT TT TT TT

A. Converte uma tensão DC para outra tensão DC B. Converte uma tensão AC para uma tensão AC diferente C. Converte tensão DC para tensão AC D. Converte tensão AC para tensão DC

3. Por que os sistemas F V ligados à rede precisam ter inversores de onda senoidal? TT TT

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A. Os inversores de onda senoidal são o tipo mais eficiente de inversor. B. Os inversores de onda senoidal têm capacidade para sincronizar com a rede para operar de modo mais eficiente.

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Resumo do Capítulo 2

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48  CAPÍTULO 2

TT

C. Os inversores de onda senoidal são os únicos inversores que podem desconectar automaticamente da rede. D. Apenas os inversores de onda senoidal têm potência suficiente para se conectarem à rede.

4. A radiação solar em qualquer determinado local depende: TT TT TT TT

A. dos proprietários do local B. do inversor C. do sistema ser independente ou ligado à rede D. da latitude e de considerações ambientais

5. Por que os polos Norte e Sul recebem pouca concentração de luz solar? (Escolha duas opções.) TT A. O eixo da Terra inclina para longe do Sol TT B. O formato redondo da Terra faz com que a luz solar viaje mais para chegar aos polos TT C. Eles não possuem horizontes TT D. Eles são frios

6. Qual é o componente mais caro do sistema F V? TT TT TT TT

A. Os painéis B. O inversor C. A estrutura de montagem D. Os acessórios de cabeamento

7. Que tipo de sistema F V é mais comum para uso residencial? TT TT TT TT

A. Independente B. Aquecimento de água C. Aquecimento de piscina D. Ligado à rede

8. O melhor tipo de sistema F V para aplicações remotas é: TT TT TT TT

A. Independente B. Aquecimento de água C. Aquecimento de piscina D. Ligado à rede

9. A quantidade total de energia necessária para um local se chama: TT TT TT TT

A. Energia necessária B. Carga C. Hora solar D. Projeto do sistema

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NÃO BASTA COLETAR DADOS. O projetista e o instalador precisam compreender como cada item de informação afeta outras decisões de projeto e instalação. Uma visita completa ao local para coletar dados é vital para projetar um sistema fotovoltaico altamente eficaz. Dependendo do projeto, um engenheiro ou profissional de vendas pode fazer a visita ao local. Isso é fundamental para reunir informações e cortar custos. Você precisa considerar informações específicas do local sobre sombreamento, microclima e intenções do cliente durante a fase de projeto. A orientação do módulo e os ângulos de inclinação dependem das informações coletadas no decorrer da visita ao local. O local também influencia o tipo de componentes FV e as estruturas de montagem utilizadas. Embora muitos sistemas FV sejam vendidos como kits, cada um tem aplicações diferentes. Os dados coletados na primeira visita ao local são fundamentais para assegurar o sucesso da instalação, independentemente do tipo de projeto de sistema FV utilizado.

Tópicos e Conceitos Este capítulo aborda os seguintes tópicos e conceitos: QQ QQ QQ

Microclima, efeito do sombreamento e janela solar Orientação do módulo e ângulos de inclinação Integração com a edificação e sistemas de montagem

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Orientação do Módulo, Ângulos de Inclinação e Sombreamento

c a p í t u l o

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Essa montagem é fixada através do sótão. Deve-se ter cuidado extremo para vedar novamente a área do telhado a fim de evitar vazamentos. Cortesia da PerfectPower, Inc.

especificações de inclinação e fixação no telhado. Os profissionais de telhado instalam as coberturas na direção oposta do fluxo da água da chuva. Geralmente, os profissionais de telhado vedam o telhado com uma camada à prova d’água que o cobre inteiro. A vedação de telhado pode ser feita com feltro betuminoso, lâmina plástica ou com plásticos que endurecem após a aplicação. As conexões, terminações, aberturas e formações de juntas fazem parte da vedação do telhado. A vedação à prova d’água do telhado é particularmente essencial para os telhados com menos de 5 graus de inclinação.

Telhados Inclinados

Ao contrário dos telhados planos, os inclinados predeterminam a orientação do módulo e o ângulo de inclinação. Você precisa examinar a capacidade do telhado para suportar o sistema FV antes de escolher a opção de montagem. A maneira mais fácil de instalar os painéis é trabalhar com a inclinação do telhado na qual você tem uma face sul para prender os painéis ou uma face Norte, na qual você pode prendê-los contra a inclinação. No A vedação climática é uma etapa crítica para instalar um entanto, você pode usar material de sistema que não cause mais problemas do que benefícios. montagem para prender os painéis volCortesia da PerfectPower, Inc. tados para o Sul a 90 graus com a inclinação ou qualquer outro ângulo, contanto que você tenha tratado de todos os detalhes da conexão com o telhado e do desempenho.

Instale o material de montagem em fileiras. Eles vão suportar os trilhos. Cortesia da PerfectPower, Inc.

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Sistemas Montados no Topo do Telhado Os sistemas no topo do telhado usam componentes de montagem metálicos e estruturas para montar o conjunto FV acima do telhado existente. Isso protege a integridade do telhado e o sistema FV junto com o escoamento da água e os atributos impermeáveis do telhado. O benefício da montagem no telhado é que ela pode ser comparativamente barata. É importante dispor os módulos de tal forma que criem uma superfície do conjunto FV equilibrada e autocontida. Isso se faz principalmente por motivos estéticos; no entanto, tem graves efeitos positivos na string.

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O sistema de trilhos é preso diretamente ao sistema de montagem. Cortesia da PerfectPower, Inc.

Os módulos são instalados em nível uns com os outros ao longo dos trilhos. Cortesia da PerfectPower, Inc.

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Orientação do Módulo, Ângulos de Inclinação e Sombreamento  89

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Instalação comercial da PerfectPower em Phoenix, Arizona. Cortesia da PerfectPower, Inc.

resistência e sucção. Você pode encontrar os coeficientes de arrasto aerodinâmico baseados em experimentos realizados por fontes confiáveis. Montagem Você pode montar os sistemas FV em telhados planos da mesma maneira que nos telhados inclinados. Os telhados planos requerem a adição de diferentes tipos de erguimento e suporte para proporcionar a inclinação correta.

Fachadas Tecnologias solares inovadoras permitem que os módulos FV complementem a aparência de uma estrutura quando projetados esteticamente. Até pouco tempo, os módulos FV eram acréscimos a uma edificação que muitas vezes contrastavam com a aparência dessa edificação. Agora você pode integrar os módulos FV em janelas ou coberturas de telhado. A fachada de uma parede externa age como uma proteção contra intempéries. Ela é um elemento arquitetônico e que pode ser um recurso de embelezamento da estrutura. Também marca o contorno externo da estrutura. As fachadas raramente suportam carga. A parte de suporte de carga da parede fica escondida atrás da fachada. As paredes que suportam carga eram feitas tradicionalmente de aço, concreto e tijolo. As estruturas modernas usam frequentemente tijolo, concreto ou madeira e metal. A fachada é o revestimento externo colocado sobre a estrutura que suporta carga.

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96  CAPÍTULO 4

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Montagem em telhado

FV integrado na edificação

Montagem em poste/rastreador Montagem no solo Estratégias Básicas de Montagem

FIGURA 4-3  Essa figura mostra quatro opções diferentes para montar painéis FV.

toldos facilmente a fim de maximizar o rendimento e a estética. Os canais e braçadeiras de fixação são estruturas de suporte comuns nos toldos. No mundo inteiro, as pessoas incorporaram os módulos FV em muitos projetos de dispositivo de sombreamento. Os painéis de sombreamento verticais podem nem sempre ter o rendimento mais alto, mas oferecem uma estética particular. Com um pouco de criatividade você pode construir módulos FV nas

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104  CAPÍTULO 4

Do tipo de módulo utilizado até a estrutura de suporte e o modo como você o prende, há muitas considerações a fazer durante a fase de projeto. Uma visita ao local é necessária para reunir as informações necessárias para informar cada decisão no estágio de projeto. Cada local tem seus próprios problemas e necessidades. Embora o clima de uma região possa ser entendido de determinada maneira, as condições microclimáticas, como a neblina, mudam as necessidades de cada local. O sombreamento cria um obstáculo particular que você precisa considerar em cada projeto individual. Você não pode projetar com êxito o sistema FV se não fizer uma visita ao local.

Conceitos e Termos-Chave Efeito do sombreamento Horário solar Janela solar

Meio-dia solar Microclima Solar Pathfinder

Avaliação do Capítulo 4

Orientação do Módulo, Ângulos de Inclinação e Sombreamento 1. Que tipo de fachada consiste em paredes com cavidades de ar em seu interior? TT TT TT TT

A. Fachada simples B. Fachada quente C. Fachada fria D. Fachada dupla

2. O sombreamento de uma única célula FV pode causar até _______ de perda de rendimento. TT A. 5% a 25% TT B. 25% a 50% TT C. 50% a 75% TT D. 75% a 100%

3. Qual é o horário solar em referência a? TT TT TT TT

A. O movimento do Sol sobre determinado local B. A hora do dia C. Horário de Greenwich D. Horário Padrão do Leste (oriental)

4. O efeito total que o sombreamento causa em um sistema FV depende de qual dos seguintes fatores? TT A. Projeto do inversor TT B. Do método de conexão da célula e do diodo de bypass

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Resumo do Capítulo 4

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Introdução ao Projeto de Sistemas Fotovoltaicos  

O projeto de sistemas fotovoltaicos (FV) é uma arte e uma ciência. O bom projeto exige a integração de muitas formas de conhecimento diferen...

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O projeto de sistemas fotovoltaicos (FV) é uma arte e uma ciência. O bom projeto exige a integração de muitas formas de conhecimento diferen...

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