CAPÍTULO 4 – Projetos de sistema fotovoltaicos conectados à rede
Capítulo 4 – Projeto de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede
Para realizar o projeto fotovoltaico, é necessário seguir alguns passos para garantir que todo o dimensionamento seja correto. A seguir, iremos detalhar os passos necessários para o dimensionamento correto de todos os componentes do sistema.
4.1 Análise da fatura de energia
Através da fatura de energia, é possível verificar o consumo médio anual, assim como os valores dos consumos mensais, e então, estimar qual deverá ser a geração de energia do sistema para suprir a demanda do local.
Como é possível observar, na fatura de energia há uma seção dedicada a discriminar o consumo de energia em todos os meses no intervalo de um ano. Com base nesse histórico de consumo, podemos determinar a média anual, que será a base para o projeto do sistema fotovoltaico para essa unidade consumidora. Como exemplo, a tabela abaixo ilustra um histórico fictício.
| Mês | Jan | Fev | Mar | Abr | Mai | Jun | Jul | Ago | Set | Out | Nov | Dez | Anual |
| Consumo (kWh) | 190 | 170 | 155 | 140 | 150 | 165 | 160 | 145 | 140 | 155 | 160 | 170 | 1900 |
4.2 Definição da potência do arranjo fotovoltaico
4.2.1 Consumidor grupo B
Para determinar qual a potência que o sistema fotovoltaico deverá gerar, precisamos antes determinar em qual região o sistema será instalado, pois como foi discutido anteriormente, cada região tem uma incidência solar particular. Podemos usar a equação a seguir para determinar a potência do gerador fotovoltaico.
A equação acima é válida para consumidores enquadrados na categoria B. O valor 365 é o número de dias em um ano, 24 é o número de horas no dia, o fator ℶ é a fração de tempo necessária para produzir a mesma energia por dia em 1 metro quadrado considerando que irradiância seja constante no valor de 1 kW nesse intervalo de tempo. A figura a seguir ilustra melhor esse raciocínio.
Na primeira curva, temos a situação real do que acontece ao longo de um dia, com a irradiação variando ao longo das horas e produzindo, no total, 4,3 kWh, que equivale a área do gráfico. Na segunda curva, os mesmos 4,3 kWh são produzidos, porém, a irradiância é constante igual a 1 kW.
A figura a seguir pode ser usada diretamente para obter ℶ em cada região.
De posse da potência do gerador fotovoltaico P_g, podemos selecionar o inversor adequado. É recomendado, como foi explicado em seção anterior, aplicar o processo de overpanelling, no qual a potência do sistema fotovoltaico é ligeiramente superior à potência nominal do inversor (potência de saída), assim, pode-se usar um fator de dimensionamento do inversor (FDI) de 0,85.
De posse da potência de saída do inversor P_(s inv) podemos escolher o inversor adequado. Selecionando um módulo fotovoltaico, também podemos determinar a quantidade de módulos.
O total de módulos deverá ser conectado de modo a garantir o perfeito funcionamento do inversor, não podendo ser conectado de maneira aleatória sob risco de mal funcionamento do sistema, ou no pior dos casos, de queima do inversor. Para definir como será a configuração do sistema fotovoltaico, após escolhido o inversor e o módulo, devemos checar suas fichas técnicas (datasheet) e procurar as seguintes características:
-
• Máxima tensão de entrada do inversor (V_(in max) ) e Tensão de circuito aberto do módulo (V_oc).
• Faixa de tensão MPP do inversor (V_(mpp min) a V_(mpp max)) e Tensão de potência máxima do módulo 〖(V〗_mp)
• Corrente máxima de entrada do inversor (I_(in max)) e corrente de curto-circuito do módulo (I_sc).
Primeiro vamos determinar o número máximo de módulos que podem ser conectados em série (N_s) para que a tensão de entrada do inversor seja menor do que a tensão máxima permitida. Assim temos que:
As características referentes às folhas de dados dos módulos são fornecidas para condições de testes normatizadas. Durante esses testes, a temperatura do módulo é mantida em 25°, já em instalações reais, a temperatura do módulo pode chegar a 70°C facilmente, e em dias de inverno, dependendo do local, pode ser menor do que 25°C. Em temperaturas baixas, a tensão V_oc aumenta, e isso deve ser levado em conta utilizando o coeficiente de correção constante na folha de dados, para assim considerar a maior tensão V_oc que pode ocorrer. A figura ilustra o coeficiente em questão.
Durante a geração de energia, para o sistema ter mais eficiência, a tensão do arranjo série de módulos deve estar dentro da faixa de operação MPP do inversor. Como a tensão varia com a temperatura de acordo com um coeficiente, é necessário considerar esse fenômeno.
Durante o verão, na operação normal do sistema, a temperatura do módulo será elevada, então sua tensão de potência máxima 〖(V〗_mp) sofrerá uma queda devido ao efeito de temperatura, chamaremos essa tensão de V_(mp verão). Essa tensão mais baixa deve estar na faixa MPP do inversor, ou seja, o arranjo série deve gerar tensão que seja maior do que V_(mpp min).
Durante o inverno, a temperatura do módulo será menor, assim, sua tensão de potência máxima será maior, chamaremos essa tensão de V_(mp inverno). Essa tensão mais alta deve também estar na faixa MPP do inversor, ou seja, o arranjo série deve gerar tensão que seja menor do que V_(mpp max).
O coeficiente para corrigir a tensão de máxima potência V_(mp )está destacado na figura abaixo.
Então, o número de fileiras em paralelo (N_p) deve ser:
4.3 Dimensionamento de cabos
Os cabos para sistemas fotovoltaicos possuem algumas particularidades. Os cabos que saem do arranjo de módulos e seguem até o inversor (ou controlador de carga para sistemas off-grid) muitas vezes são expostos à radiação ultravioleta e a outras intempéries, o que faz com que esses cabos necessitem de um dimensionamento especial. Nesse trecho do circuito, que está em corrente contínua, os cabos devem ser próprios para sistemas fotovoltaicos. Os cabos solares podem ser submetidos a temperaturas entre -15°C e 90°C e são dimensionados segundo a norma IEC 60364-7-712. O dimensionamento dos cabos deve atender os requisitos de corrente suportada e de queda de tensão admissível. Para o primeiro requisito, a corrente suportada pelo cabo solar deve ser 25% superior à corrente de curto-circuito do gerador fotovoltaico na temperatura de 80°C, ou seja:
Para o segundo critério, pode-se usar a equação abaixo, onde a queda de tensão permitida é de 1% da tensão do arranjo.
Onde L é o comprimento do circuito, I é a corrente de operação, V é a tensão do arranjo fotovoltaico, e σ é a condutividade do cobre em 80°C, que vale 46,4 Sm⁄mm².
No trecho do circuito em corrente alternada, o dimensionamento dos cabos é feito segunda a norma NBR 5410 considerando os efeitos de temperatura e agrupamento de circuitos. O método de instalação é o método B1 presente na norma, na qual os condutores estão embutidos em eletrodutos externos, adjacentes à parede. O fator de agrupamento leva em conta quantos circuitos estão no mesmo eletroduto, caso o sistema possua inversor central, apenas um circuito estará no eletroduto, já se houver inversores descentralizados, é possível colocar as saídas dos inversores no mesmo eletroduto, porém, utilizando os fatores de agrupamento correspondentes. Para os cabos dos trechos em corrente alternada, também deve-se verificar a queda de tensão admissível e selecionar o cabo apropriado. A seção do condutor deve respeitar tanto o critério da corrente quanto o critério da queda de tensão admissível, que nesse caso é de 3%.
Em sistemas monofásicos, V_n é igual a 220 V. Em sistemas trifásicos, V_n é igual a 380 V.4.4 Dimensionamento dos eletrodutos
Para a escolha dos eletrodutos, pode-se utilizar o critério de ocupação do eletroduto, conforme tabela a seguir.| Número de condutores | Taxa de ocupação |
| 1 | No máximo 53% |
| 2 | No máximo 31% |
| 3 ou mais | No máximo 40% |
4.5 Dimensionamento das proteções
Os sistemas fotovoltaicos possuem duas partes, uma em corrente contínua e outra em corrente alternada, assim, cada uma dessas partes possui um tipo de proteção. A parte em corrente contínua é protegida por dispositivos de proteção contra surtos (DPS), fusíveis e disjuntores. Já a parte em corrente alternada é protegida por DPS e disjuntores. As proteções são alocadas em stringbox, uma para as proteções CC e outra para as proteções CA.4.5.1 Dimensionamento dos disjuntores
Para o dimensionamento correto dos disjuntores, tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada, deve-se utilizar a seguinte inequação:
Onde I_projeto é a corrente nominal da instalação, I_d é a corrente nominal do disjuntor. I_z é dado por:
Onde I_c é a corrente que o condutor suporta, FCA e FCT são respectivamente os fatores de correção para temperatura e agrupamento, encontrados na norma NBR 5410. Em alguns casos, pode acontecer de I_projeto e I_z possuírem valores próximos, de modo que podemos não encontrar um disjuntor entre esses valores, nesse casso, aumentamos a seção do condutor para aumentar o valor de I_z.
4.5.2 Dimensionamento dos dispositivos de proteção contra surto (DPS)
Os Dispositivos contra surtos devem ser instalados próximos à entrada em corrente contínua do inversor e à saída em corrente alternada do mesmo. Esses dispositivos devem ser instalados nos cabos positivo e negativo da parte CC e nas fases e neutro da parte CA. A figura abaixo ilustra como os dispositivos contra surtos devem ser conectados.
Para selecionar o DPS apropriado, devemos seguir as normas NBR 5410 e NBR 5419. A classe do DPS deve ser selecionada com base no seu local de instalação e risco de descargas atmosféricas direta ou indireta. Em sistemas fotovoltaicos residenciais, costuma-se utilizar DPS de classe II, uma vez que os equipamentos estão abrigados na própria residência. A tensão nominal do DPS deve ser escolhida com base na tensão de operação do sistema, por exemplo, para os DPS de corrente contínua, se o sistema fotovoltaico gerar 900 V, um DPS de 1000 V será suficiente. É importante que a tensão nominal do DPS seja um pouco superior à tensão do sistema para que o mesmo não atue no caso de sobretensões leves. A corrente de descarga pode ser selecionada baseando-se no quadro abaixo.
| Tipo do local | Corrente de descarga |
| Área urbana com prédios ao redor | Entre 8 e 20 kA |
| Área urbana sem prédios | Entre 20 e 40 kA |
| Área Rural ou afastada | Maior do que 60 kA |
4.6 Diagramas unifilares e multifilares
No projeto de sistemas fotovoltaicos, é necessário elaborar diagramas das conexões e dos condutores que serão necessários para que o técnico responsável pela instalação possa fazer as conexões de forma adequada ao bom funcionamento do sistema. É importante que no diagrama unifilar esteja a indicação de todos os cabos e de todos os equipamentos que compõem o sistema. O diagrama unifilar deve conter a indicação de como os módulos são conectados entre si, as dimensões dos cabos CC que unem os módulos à stringbox, bem como o diâmetro dos eletrodutos caso sejam utilizados, as proteções contidas na stringbox (disjuntores, fusíveis, DPS), a especificação do inversor a ser utilizado, as dimensões dos cabos fase, neutro e terra que saem do inversor e chegam à stringbox CA, bem como eletrodutos caso necessário. Também é necessário indicar como são feitas as conexões nos dispositivos de proteção (DPS e disjuntores).
4.7 Memorial descritivo
O memorial descritivo é um documento que, como o nome diz, nos ajuda a descrever de forma rápida o sistema fotovoltaico. Nele são colocadas informações como modelo dos módulos, tipo de conexão, modelo do inversor entre outras informações. A seguir, faremos um resumo dos itens contidos no memorial descritivo.-
Características gerais:
Nesse tópico, podemos citar a motivação do projeto, a potência do sistema fotovoltaico, a cidade e estado onde o mesmo será instalado. Nessa etapa, também devemos informar onde o sistema será instalado (telhado ou solo), o endereço completo e o principal meio de acesso, a área ocupada pelos módulos e, se possível, as coordenadas geográficas (latitude e longitude) com imagem obtida através de softwares como Google Earth.
Concepção técnica da unidade fotovoltaica
Aqui, pode-se citar o estudo realizado para definir a potência da placa e do inversor, que é baseado no consumo da unidade consumidora. Dentro desse tópico, pode-se incluir as especificações técnicas do módulo, conforme tabela a abaixo, e também citar os certificados do mesmo (INMETRO por exemplo).
| Fabricante: | |
| Modelo: | |
| Potência de saída Pmáx (W) | |
| Eficiência do Módulo ηm (%) | |
| Tensão em Pmáx Vmpp (V) | |
| Intensidade em Pmax Impp (A) | |
| Tensão em circuito aberto Voc (V) | |
| Corrente de curto-circuito Isc (A) | |
| Dimensões CxLxA (mm): | |
| Peso (kg) | |
| Faixa de temperatura em funcionamento | |
| Célula solar (número / tipo ) | |
| Quadro (material / cor) | |
| Caixa de junção (grau de proteção) | |
| Cabo de ligação (comprimento / secção) | |
| Conector (tipo/grau de proteção) |
| Marca | |
| Modelo | |
| Máxima Eficiência | |
| Dimensão | |
| Peso | |
| Design do Inversor | |
| Certificado | |
| Entrada (CC) | |
| Máx. corrente CC | |
| Tensão Nominal de Entrada | |
| Tensão Máxima de Entrada | |
| Tensão Mínima de Entrada | |
| Faixa do MPPT | |
| Número de entradas CC | |
| Saída (CA) | |
| Conexão | |
| Máxima corrente | |
| Potência Nominal de Saída | |
| Máxima Potência de Saída | |
| Máxima eficiência | |
| Distorção Harmônica Total | |
| Frequência | |
| String Box CC |
| Dimensões (CxLxA) (mm): |
| DPS – Dispositivo de proteção contra surtos: |
| Fusível: |
| Quantidade de entradas para cabos: |
| Caixa CA |
| Dimensões (CxLxA) (mm): |
| DPS – Dispositivo de proteção contra surtos: |
| Disjuntor: |
| Quantidade de entradas para cabos: |
| Condutores CC |
| Seção: |
| Classe de isolamento: |
| Tensão: |
| Máxima corrente: |
| Condutores CA |
| Seção: |
| Classe de isolamento: |
| Tensão: |
| Máxima corrente: |
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• Anexos
Aqui é interessante anexar um diagrama unifilar, indicando quais cabos são utilizados em cada trecho da instalação, quais eletrodutos são aplicados (caso haja), os disjuntores e DPS apropriados. O diagrama multifilar também pode ser anexado para indicar como são feitas as conexões dos cabos nos fusíveis, disjuntores e dispositivos de proteção contra surtos dentro da string box e da caixa CA. Outro diagrama que pode ser incluído é um diagrama indicando como são feitas as conexões entre os módulos fotovoltaicos.
4.8 Análise: Conexão de micro ou mini geradores de energia ao sistema elétrico da Celesc Distribuição
Para que um sistema fotovoltaico seja classificado como micro ou mini gerador, é necessário que o mesmo tenha, respectivamente, potência instalada menor ou igual a 75 kW, e potência instalada entre 75 kW e 5MW. Quando se deseja realizar a conexão do sistema de geração fotovoltaico à rede da Celesc, faz-se necessário seguir alguns passos que serão enumerados abaixo.-
1) Solicitação de acesso:
O interessado deverá encaminhar à agência regional da Celesc os documentos:
• Formulário de solicitação de acesso (modelo no anexo 2 do documento “Requisitos para a conexão de micro ou mini geradores de energia ao sistema elétrico da Celesc Distribuição”)
• Memorial descritivo da instalação, diagrama unifilar, desenhos/projetos elétricos da instalação do micro ou mini gerador, especificações técnicas dos equipamentos.
• Anotação de responsabilidade técnica (ART) do profissional que assina o projeto elétrico, com assinatura do titular da unidade consumidora.
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2) Parecer técnico de acesso:
Este documento é emitido pela Celesc e contém os requisitos e características técnicas da conexão. Esse parecer é emitido em até 30 dias após a solicitação de acesso, caso não haja necessidade de reforços no sistema ou em até 60 dias caso haja necessidade de reforços no sistema e o interessado seja classificado como mini geração. Juntamente com o parecer técnico de acesso, será encaminhado outros documentos.
• Aditivo do contrato da unidade consumidora.
• Acordo operativo ou acordo de relacionamento operacional.
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3) Implantação da conexão:
Após a etapa 2, o interessado deverá solicitar a vistoria das instalações enviando à Celesc:
• Formulário de solicitação de vistoria (encontrado no anexo 3 do documento “Requisitos para a conexão de micro ou mini geradores de energia ao sistema elétrico da Celesc Distribuição”).
• ART de supervisão e de execução da obra realizada.
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4) Aprovação do ponto de conexão:
Caso não haja pendências, a Celesc emitirá a aprovação do ponto de conexão em até 7 dias. Do contrário, o interessado deverá adequar o sistema de acordo com o relatório de vistoria e então informar à Celesc, que efetuará a avaliação e, não havendo mais pendencias, a aprovação do ponto de conexão será efetuada em até 7 dias.
| Potência do gerador | Nível de tensão |
| Até 15 kW | Baixa tensão (monofásico, bifásico ou trifásico) |
| Acima de 15 kW até 25 kW | Baixa tensão (bifásico ou trifásico) |
| Acima de 25 kW até 75 kW | Baixa tensão (trifásico) |
| Acima de 75 kW até 1000 kW | Média tensão (trifásico) |