19 novembro 2014

Energia Solar

O aproveitamento da energia gerada pelo sol, inesgotável na escala terrestre, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano.

ELETRICIDADE A PARTIR DO SOL

É cada vez maior o número de pessoas interessadas em produzir energia elétrica para uso doméstico. Sejam motivadas pelos benefícios ambientais, ou seja para suprir eventuais necessidades de segurança contra desligamentos da rede elétrica convencional.
Os sistemas fotovoltaicos possibilitam a produção de energia elétrica a partir da luz solar. É possível suprir as principais utilidades de iluminação, aquecimento, bombeamento, alimentação de equipamentos, etc. em ambientes residenciais, comerciais e industriais. O investimento necessário irá depender diretamente da potência requerida.
A utilização de energia fotovoltaica garante confiabilidade, autonomia e independência.

COMO FUNCIONA UM SISTEMA FOTOVOLTAICO - SFV

Um sistema Solar Fotovoltaico básico é composto de um ou mais painéis fotovoltaicos, controlador de carga e baterias. Em alguns casos utiliza-se também um inversor:


exemplo de sistema fotovoltaico interligado a rede elétrica

Painel fotovoltaico: Converte a luz solar em energia elétrica, normalmente 12 ou 24 Vdc - corrente contínua.
Controlador de carga: Gerencia o carregamento da bateria, evitando sobrecargas e protegendo contra descargas abaixo do permitido.
Bateria: Armazena a energia elétrica gerada pelo painel ao longo do dia, para ser usada à noite ou em dias muito nublados ou chuvosos.
Inversor: Converte a tensão da bateria, tipicamente de 12 / 24 Vdc para 127 / 200 Vac - corrente alternada, para alimentar equipamentos como televisores, rádios e outros.

PAINEL FOTOVOLTAICO

O Sol é a nossa maior fonte de energia: poderosa, durável, confiável e disponível em todo o mundo. A cada hora, a luz solar que atinge a Terra é maior do que a quantidade de energia utilizada por cada pessoa no planeta em um ano inteiro.
painel fotovoltaico
A energia Fotovoltaica, uma tecnologia versátil e flexível, pode ser utilizada para atender quase todas as necessidades em praticamente qualquer local. No espaço e no ar, na terra e no mar, as células fotovoltaicas produzem energia quando e onde for necessário.
O que significa fotovoltaico?
O termo fotovoltaico é derivado da combinação da palavra grega fotos (luz), com voltaico, em homenagem a Alessandro Volta, um pioneiro no estudo da eletricidade. Assim, uma célula solar fotovoltaica (abreviado por PV) converte a luz solar em energia elétrica.
Como Funcionam as Células Fotovoltaicas?
As Células Fotovoltaicas realizam essa conversão sem partes móveis, ruído, poluição ou, radiação. Livres de manutenção, as células fotovoltaicas são feitas de um material semicondutor, geralmente de silício (um recurso muito abundante na Terra), que é tratado quimicamente para criar uma camada de carga positiva e uma camada de carga negativa.
Quando a luz solar atinge uma célula fotovoltaica, um elétron é desalojado. Estes elétrons são recolhidos por fios ligados à célula, formando uma corrente elétrica.
Quanto mais células, maior a corrente e tensão. Um certo número de células dispostas lado a lado formam um módulo ou painel fotovoltaico. Vários módulos juntos formam um arranjo de painéis fotovoltaicos.
Os módulos vendidos comercialmente possuem potências que variam desde 5 Watts até 300 Watts de potência, e produzem corrente contínua (dc) semelhante a corrente da bateria de um automóvel.
Utilizações da Energia Solar:
Sistemas fotovoltaicos já fazem parte de nossas vidas. As aplicações vão desde pequenas aplicações como calculadoras e relógios de pulso até o fornecimento de eletricidade para as bombas de água, sinalizações em estradas, equipamentos de comunicações, satélites, casas móveis, medicina (para alimentar equipamentos médicos, purificadores de água, refrigeradores para vacinas), bóias de navegação, iluminação pública, iluminação de jardins, iluminação de casas e aparelhos eletrodomésticos.
Especificações de um painel Solar:
Veja um exemplo das principais especificações de um painel fotovoltaico típico de 65 Watts:
§  Máxima potência (Pmax): 65 W (+10%, -5%)
§  Tensão de máxima potência (Vmpp): 17,4 V
§  Corrente de máxima potência (Impp): 3,75 A
§  Tensão de circuito aberto (Voc): 21,7 V
§  Corrente de curto-circuito (Isc): 3,99 A
§  Máxima tensão do sistema: 600 V
§  Dimensões (AxLxH): 751 x 652 x 54mm
§  Peso: 6,0 Kg

CONTROLADOR DE CARGA E DESCARGA

O que é um Controlador de Carga e Descarga?
É um componente utilizado nos sistemas fotovoltaicos para gerenciar e controlar o processo de carga e descarga do banco de baterias.
controlador de carga / descarga
O controlador permite que as baterias sejam carregadas completamente e evita que sejam descarregadas abaixo de um valor seguro. É instalado eletricamente entre o painel fotovoltaico e as baterias.
Um controlador típico possui:
§   Entrada para os painéis fotovoltaicos
§   Saída para baterias
§  Saída para carga (corrente contínua - dc)
Os Controladores modernos utilizam uma tecnologia chamada PWM –  Pulse Width Modulation ou modulação por pulsos ou ainda a tecnologia MPPT – Maximum Power Point Tracking para assegurar que a bateria possa ser carregada até atingir sua capacidade máxima. A reposição dos primeiros 70% a 80% da capacidade da bateria são facilmente obtidos, porém os 20% ou 30 % finais requerem circuitos mais complexos.
Como funciona um controlador de carga?
Os circuitos de um Controlador de Carga “lêem” a tensão das baterias para determinar seu estado de carga. Os circuitos internos dos controladores variam, mas a maioria dos controladores lêem a tensão para controlar a intensidade de corrente que flui para as baterias, na medida em que estas se aproximam da sua carga máxima.
As principais características de um controlador são:
Proteção contra corrente reversa: Desconecta os painéis fotovoltaicos para prevenir perda de carga das baterias nos módulos solares durante a noite.
Controle de descarga: Desligamento da saída para evitar descarga das baterias abaixo de valores seguros.
Monitoramentos do Sistema: Medidores digitais ou analógicos, LEDs indicadores ou alarmes de advertência.
Proteção contra sobre corrente: Através de fusíveis ou disjuntores.
Opções de Montagem: Montagens embutidas, montagens em paredes, e sistema de proteção para uso interno ou externo.
Controle de cargas secundárias: Controle automático de cargas secundárias, ou controle de lâmpada, bombas d’água ou outras cargas como temporizadores ou chaveamentos.
Compensação de temperatura: Necessários quando as baterias são instaladas em uma área não climatizada. A tensão de carga é ajustada em função da temperatura ambiente.
PWM – Pulse Width Modulation: Método de carga muito eficiente, que mantêm uma bateria em sua carga máxima e minimiza a sulfatação da bateria, por meio de pulsos de tensão de alta frequência.
MPPT – Maximum Power Point Tracker: Um moderno sistema de carga, projetado para extrair a máxima energia possível de um módulo solar, através da alteração de sua tensão de operação para maximizar a potencia de saída.
Como dimensionar um Controlador de Carga:
Os controladores são dimensionados em função da corrente dos módulos e da tensão de operação do sistema. As tensões de operação mais comuns são 12, 24 ou 48V, e a corrente de operação entre 1 e 60A.
Como exemplo, suponha um sistema com dois módulos fotovoltaicos que produzem cada um 7,45A. Os dois módulos produzirão juntos 14,9A.
Em situações especiais de insolação poderá haver um aumento da corrente total produzida. Como prática devemos aumentar a capacidade de corrente em 25%, o que elevará para 18,6A.
Devemos então utilizar um controlador de 20A neste caso, que é o valor mais próximo comercialmente disponível.
No exemplo não há problema em se utilizar um controlador de 30A ou maior, a menos da questão custo. Caso você planeje aumentar a capacidade de seu sistema no futuro, sugerimos considerar um controlador com a capacidade de corrente sobre dimensionada.

BATERIAS

Porque Usar Baterias em um Sistema Fotovoltaico:
As baterias são utilizadas nos sistemas fotovoltaicos para armazenar a energia excedente produzida pelos painéis solares, para ser utilizada durante a noite ou em dias muito nublados ou com baixa insolação.


banco de baterias
Escolha a Bateria certa:
As baterias mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são geralmente do tipo chumbo-ácido.
Devem ser do tipo “descarga profunda” ou estacionárias, ou seja, podem ser descarregadas entre 20% e 80% de sua capacidade máxima e recarregadas novamente todos os dias, durando muitos anos, conforme especificação do fabricante.
Baterias automotivas têm custo menor, entretanto serão inutilizadas se forem descarregadas abaixo de 20% de sua capacidade por várias vezes. As baterias automotivas não são recomendadas para utilização em sistemas fotovoltaicos.
A capacidade da bateria ou banco de baterias determina sua autonomia. Um banco de baterias precisa ser dimensionado para suprir energia entre dois e quatro dias sem insolação para uso residencial e cinco dias ou mais para aplicações específicas.
Baterias do tipo seladas requerem pouca manutenção. Deve-se, no entanto, verificar o aperto dos terminais e manter os seus terminais livres de corrosão. As baterias precisam ser instaladas em local seco e ventiladas. Em nenhuma circunstancia as baterias de chumbo ácido podem ser mantidas descarregadas totalmente, pois isto poderá danificá-las permanentemente. Ligação em Paralelo: Na ligação de baterias em paralelo (terminal positivo com terminal positivo e terminal negativo com terminal negativo), a tensão do banco de baterias permanece a mesma já a capacidade final em ampere-horas é a soma das capacidades de cada bateria.
Ligação em Série: Na ligação de baterias em série (terminal positivo da primeira bateria com terminal negativo da segunda e a assim por diante), a capacidade em ampere-horas do banco de baterias permanece a mesma, porém a tensão final é a soma da tensão de cada bateria.
ligação em série
Ligação em paralelo: A capacidade em ampere-hora do banco aumenta. A tensão final permanece a mesma.
ligação em paralelo
Na prática, de acordo com a necessidade, as baterias deverão ser associadas em série e paralelo para atender às demandas do projeto.
associação série / paralelo
INVERSOR
O que é um inversor?
O inversor é um equipamento utilizado em sistemas fotovoltaicos, cuja função é converter corrente contínua (dc) da bateria ou banco de baterias em corrente alternada (ac) para alimentar eletrodomésticos e demais equipamentos convencionais.
Inversor
Como funciona um Inversor?
O inversor é um dos mais importantes e complexos componentes em um sistema de energia fotovoltaica independente. Para escolher um inversor é necessário conhecer algumas de suas funções básicas, características e limitações. Os sistemas fotovoltaicos possuem um ponto comum que são as baterias para armazenamento de energia. As baterias recebem, armazenam e fornecem energia em forma de corrente contínua dc.
Ao contrário, a concessionária de energia elétrica fornece energia em corrente alternada ac. A corrente contínua flui em uma única direção, já a corrente alternada alterna sua direção muitas vezes por segundo. 
Um inversor converte dc para ac, e também muda o valor da tensão. Em outras palavras é um adaptador de energia. O inversor permite que a energia armazenada em uma bateria possa alimentar aparelhos eletrodomésticos, eletrônicos etc. Existem aparelhos eletrodomésticos tais como geladeiras, TV e lâmpadas que podem ser ligados diretamente em baterias sem o uso de um inversor, porém seu custo é na maioria dos casos, muito superior aos aparelhos convencionais.
O inversor não um dispositivo simples: Externamente um inversor tem um formato de uma caixa metálica com um ou dois botões, mas internamente possui um pequeno universo de componentes. O inversor moderno deve lidar com um grande número de cargas, desde uma simples lâmpada até a partida de um motor de bomba ou uma ferramenta elétrica. O inversor deve regular a qualidade de energia de sua saída, com um mínimo de perda de potência.
Defina suas necessidades: Para escolher um inversor você deve primeiro definir suas necessidades. É necessário para isto, conhecer algumas características dos inversores disponíveis no mercado, normalmente disponibilizadas nas folhas de dados dos fabricantes. Veja abaixo os principais fatores que devem ser considerados:
Tipo de aplicação: Onde o inversor será utilizado? Existem inversores para uso doméstico, em veículos, barcos e equipamentos portáteis.
Tensão de entrada e saída: A tensão cc de entrada do inversor deve estar de acordo com o sistema elétrico e o banco de baterias, que comumente utilizam 12, 24 ou 48 Vdc. Sistemas fotovoltaicos que utilizam tensões DC maiores (24, 48 V) são vantajosos, pois operam com correntes menores, o que torna o circuito da fiação elétrica mais barato e fácil de instalar.
A saída AC do inversor deve estar de acordo com o padrão utilizado em sua região, para compatibilizar com os eletrodomésticos e demais equipamentos. No Brasil o padrão normalmente utilizado é 127 Vac ou 220 Vac 60 Hertz (ciclos por segundo).
Potência de Saída: Qual a carga que pode ser ligada em um inversor? A potência de saída de um inversor é expressa em Watts (Watts = Amperes x Volts). Devem ser considerados três níveis de potência: Contínua, Máxima limitada por tempo e de surto. Potência contínua refere-se a potência que o inversor pode fornecedor por um período indefinido de horas. Quando um inversor é especificado por um certo número de Watts, este número geralmente se refere a sua potência contínua de operação.
Potência máxima limitada por tempo: Significa a potência máxima que o inversor poderá fornecer por um certo tempo, tipicamente 10 ou 20 minutos. O terceiro nível de potência, a potência de surto refere-se a sua capacidade de partir motores, e será discutido abaixo.
Qualidade da Energia – Onda Senoidal x Onda Senoidal Modificada:
Alguns inversores produzem uma forma de onda senoidal em sua saída, livre de distorções, semelhante a forma de onda da energia entregue pela concessionária de energia elétrica, sendo portanto os mais apropriados para utilização doméstica. Existem também os inversores que produzem uma onda senoidal modificada em sua saída, são mais baratos, mas podem afetar o funcionamento de alguns equipamentos. Estes inversores reduzem a eficiência de motores e transformadores entre 10% e 20%. Ruídos podem ser ouvidos em alto-falantes ou emitidos por algumas lâmpadas fluorescentes, ventiladores de teto e transformadores. Alguns fornos de micro-ondas podem também emitir algum ruído e aquecer menos os alimentos. TVs e monitores de vídeo de computadores podem mostrar uma “faixa” deslocando-se pela tela.
onda senoidal  x  onda senoidal modificada
Eficiência: Não é possível converter energia sem que haja alguma perda. Eficiência é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada, expressa em porcentagem. Se um inversor tem eficiência de 90%, significa que 10% da potência é perdida ou consumida no próprio inversor.
Proteções Internas: Os circuitos internos mais sensíveis de um inversor devem ser bem protegidos contra surtos causados por descargas elétricas, partidas de motores e condições de sobrecarga. Sobrecargas podem ser causadas por mau funcionamento de equipamentos, problemas com fiação elétrica ou simplesmente pelo excesso de equipamentos ligados ao mesmo tempo. 

Um inversor deve se autodesligar caso a tensão das baterias esteja muito baixa, para protegê-las contra danos por descarga excessiva.
Cargas Indutivas e Potência de Surto: Algumas cargas como motores de bombas, máquinas de lavar, refrigeradores demandam uma potência extra em sua partida. É comum encontrarmos motores com corrente de partida igual a 7 ou 8 vezes a corrente nominal (corrente normal de funcionamento). Porém, para os motores de produção seriada, normalmente encontrados no mercado, a corrente de partida situa-se entre 5,5 e 7,00 vezes a corrente nominal. (5,5 x IN < IP < 7,00 x IP).
Se o inversor não estiver dimensionado para isto ele pode simplesmente desligar-se ao invés de partir o equipamento. Se sua potência de surto for inadequada, sua tensão de saída poderá ter uma redução momentânea, o que pode causar redução na iluminação da casa e até mesmo desligar um microcomputador.
Baterias pouco carregadas, problemas com o cabeamento também podem dificultar a partida de motores.
Um banco de baterias mal dimensionado, em condições ruins ou com conexões corroídas podem ser um ponto fraco para o sistema.
Os cabos do inversor e de interligação entre as baterias devem estar bem dimensionados já que a corrente que flui por eles aumenta significantemente durante a partida de motores.
Consumo sem carga: Um inversor consome energia mesmo estando sem carga. Em aplicações onde o sistema permanece por muito tempo sem carga ou com carga muito baixa, esta é uma característica importante. O consumo típico está entre 15 e 50 Watts. As folhas de especificações dos fabricantes costumam informar o consumo em Amperes. Para obter este consumo em Watts multiplique o valor da corrente pela tensão DC do inversor.
Desligamento automático: Para economizar a carga das baterias, alguns inversores para uso doméstico possuem um sensor que detecta a ausência de carga desligando sua saída quando não há nenhum consumo de energia, voltando a religar sua saída novamente ao identificar algum consumo energia.

BOMBAS

Bombeamento de Água Solar
A energia Solar Fotovoltaica pode produzir a eletricidade que você precisa para alimentar diversos aparelhos elétricos, incluindo bombas d’água. As células solares convertem a luz solar em energia elétrica (corrente contínua dc), que pode alimentar diretamente aparelhos dc, ou pode ser armazenada em baterias para uso quando não houver sol, podendo também ser convertida para corrente alternada (ac), para alimentar aparelhos domésticos convencionais e outros equipamentos elétricos.
bomba DC
O “bombeamento de água solar” de poços cisternas ou tanques, geralmente se refere ao uso de bombas alimentadas por painéis fotovoltaicos, que funcionam enquanto o sol está brilhando. São sistemas simples, de alta durabilidade, e não utilizam baterias para armazenar a eletricidade gerada. Em essência, um reservatório de água é utilizado para o armazenamento. Se o sistema for dimensionado para bombear água em quantidade adequada, e o reservatório for grande o suficiente, você não precisará de bombeamento d’água durante a noite ou durante dias nublados.
sistema de bombeamento
O Bombeamento de água solar é economicamente viável, devido a sua confiabilidade e eficiência da energia elétrica solar tornando se uma excelente opção para o bombeamento de água principalmente em áreas remotas, sem disponibilidade da rede elétrica convencional.
Os painéis solares devem ser instalados em um local ensolarado, onde não ocorre sombreamento ao longo do dia.

APLICAÇÕES

Onde usar um Sistema Fotovoltaico:
A Energia Solar Fotovoltaica pode ser utilizada em aplicações residenciais, comerciais e industriais entre outras. Veja abaixo alguns exemplos.
§  Iluminação de ambientes internos em geral;
§  Televisores, Antenas parabólicas, Rádios;
§  Refrigeradores;
§  Iluminação de praças, jardins e áreas públicas;
§  Bombeamento de água;
§  Alarme e monitoramento;
§  Moradias rurais em áreas remotas;
§  Cercas eletrificadas;
§  Telecomunicações;
§  Embarcações, motor home;
§  Estações repetidoras;
§  Sinalização;
§  Geração independente;
§  Complementação à rede elétrica.

A R3 Técnica possui ampla experiência em projetos e instalações de sistemas fotovoltaicos. Os serviços prestados pela R3 Técnica estão em conformidade com as exigências normativas técnicas e de segurança.

Sistema fotovoltaico instalado a bordo do NM Castillo de Zafra em 2013

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