GERAÇÃO SOLARPhD. Eng. Clodomiro

Unsihuay Vila

Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay-Vila Vila

EXEMPLO : PROJETO DE UMA USINA FOTOVOLTAICA

• Assumir que se PRETENDE CONSTRUIR uma usina fotovoltaica em toda a área 60.952,286 m² localizado em Curitiba.

• Elaborar o dimensionamento para esta usina fotovoltaica.

Passo 1: Avaliação do espaço físico da instalação

• Calcular a área do terreno:

• http://www.daftlogic.com/projects-google-maps-area-calculator-tool.htm

• http://www.freemaptools.com/area-calculator.htm#

• Coordenada Geográfica (Exemplo)• https://www.google.com.br/maps/@-25.4499763,-

49.2346114,16.25z/data=!5m1!1e1

•

-25.450995, -49.232338

Passo 2 Avaliação do potencial energético solar

• Para obter-se a irradiação do local é utilizado a ferramenta SunData, fornecida pelo CRESESB e disponibilizada na internet:

• http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&

http://www.cresesb.cepel.br/index.php#localidade_90

Maior média anual 20° N 4,37 4,01 3,56 3,38 2,99 3,07 3,90 3,83 3,90 4,19 4,66 4,67 3,88 1,69

Passo 3: Dimensionamento da instalação

A) Passo 3.1 Painel solar

Devido ao baixo custo e boa eficiência do módulo, será escolhido o painel fotovoltaico do fabricante chinêsShandong Hilight Solar, modelo HSPV235WP-54M, fabricado com células fotovoltaicas de silício monocristalino.Cada unidade possui 54 células agrupadas, assumindo as dimensões de 1480 mm de comprimento, 992 mmde largura e 40 mm de espessura.

• Esse modelo possui 235Wp (STC – AM 1.5, 1000W/m² e 25 ºC de Temperatura de operação).

• A caixa de conexão no lado traseiro da placa está equipada com diodos bypass, que eliminam o risco de sobreaquecimento individual de cada célula.

• Para proteger contra condições climáticas mais severas, as células estão condicionadas entre uma cobertura de vidro reforçado e uma película de EVA.

• B) Passo 3. 2 Arranjo dos painéis– A escolha da quantidade de painéis a serem dispostos em série

foi baseada no limite de operação dos inversores, que possuemuma tensão de saída máxima de 1000 V e uma tensão máximade MPPT de 700 V

– Desse modo, para o projeto foi considerado o agrupamento de25 módulos fotovoltaicos em série, formando uma Fileira. Atensão do grupo será a soma da tensão de cada placa, 25 x27,2V = 680 V.

– Um conjunto de 10 grupos de 25 placas conectadas em sériesão conectadas em paralelo formando assim um arranjo de 250placas, que possuirá uma corrente total de 10 x 8,64 = 86,4A.

• Além disso, é possível observar, que serão ao todo 50 módulos presentes no eixo x e 5 módulos no eixo y.

• Portanto, levando em consideração as dimensões de cada módulo cada Arranjo terá 0,992 m x 50 = 49,6 m de comprimento e 1,48 m x 5 = 7,4 m de largura.

• Apresentando uma potência instalada de 250 x 235 W = 58750 Wp (58,750 kWp) uma tensão de 680 V e uma corrente de 86,4A.

C) Passo 3. 3: Estrutura de apoio dos módulos

Assim, foi assumida uma estrutura de suporte com 14 apoios espaçados de 7,2 m entre si e distância mínima do solo de 500 mm.

Ângulo zenital (��)

Altura solar (�)

Ângulo azimutal do Sol (��)

Passo 3.4: Inclinação e Distância entre os arranjos

Declinação Solar (�).• O ângulo de desvio do sol diretamente acima do equador é chamado de

Declinação Solar (�). Considerando o ângulo norte do Equador comopositivo e ângulo ao sul do equador como negativo, é possível encontrar aDeclinação Solar aproximada, em qualquer dado dia do ano, por meio daformula (1) a seguir:

• Para o projeto foi utilizado o dia 21 de junho que corresponde ao solstícioe inverno no hemisfério sul, onde o Sol apresenta a menor altura solar e operíodo de Sol mais curto.

• Portanto, utilizando N = 172, que representa o dia 21 de junho, na formula(1), obtém-se a Declinação Solar (�) igual a 23,4497828°.

• A seguinte expressão relaciona a altura solar com a latitude de um determinado local �, a declinação solar � e o ângulo horário �:

• Pode-se, então, calcular a duração do dia para uma determinada localidade assumindo-se � = 0, na expressão acima, e obtendo-se os ângulos horários para o nascer e para o pôr-do-sol através da equação simplificada a seguir:

• Como em 24h, o Sol percorre 360°, ou seja, 15° a cada hora, então é possível se determinar a duração do dia solar, em horas, através da seguinte equação:

Passo 3.4: Inclinação e Distância entre os arranjos: Distância mínima entre os arranjos

Passo 3.4: Inclinação e Distância entre os arranjos: Distância mínima entre os arranjos

• Agora, aplicando este valor calculado em conjunto com o � = 0 (meio dia) e � = -25,450995 [latitude do local (Curitiba) ] na formula (2), é possível calcular a altura solar: �

� = 42,8743 °

Passo 3.4: Inclinação e Distância entre os arranjos: Distância mínima entre os arranjos

Passo 4: Dimensionamento do Sistema

• Planificação do Arranjo fotovoltaico, levando em contaas dimensões projetadas (49,6 m x 7,4 m) e ainclinação igual a 20°;

• Considerando um espaçamento nulo entre as colunas euma distância de 9,679 m entre os Arranjos, querepresenta a sombra total projetada

• Ignorar qualquer área para construção ou lazer com ointuito de simulação de um cenário ideal, comaproveitamento máximo do espaço físico;

• Disposição dos Arranjos fotovoltaicos, apontados parao Norte Verdadeiro;

Área Horizontal de cada arranjo (AHA)=49,6 x 7,4 * cos(20°)= 344,9047 m^2

Área devido a distância entre os Arranjos (ADA)=49,6* 9,679= 480,0784 m^2

Passo 4: Dimensionamiento do Sistema

• Estipulado um número de 72 arranjos de 250 placascada.

• Área Total dos Arranjos (ATHA): 72* 344,9047=24.833,138 m^2

• Área Total devido distância entre os Arranjos(ATDA)=71* 480,0784= 34.085,5664 m^2

• Área total da Usina: 58.918,7048 m^2• Area Total do Terreno: 60.952,286 m²• Ao todo, foi estipulado um número de 70 arranjos de

250 placas cada e 5 arranjos de 100 placas cada,resultando na utilização de 18000 placas e, totalizandoassim, uma potência instalada de aproximadamente18.000 x 235Wp = 4.230 kWp.

Passo 4.1 Caixas de controle

• A caixas de controle, também conhecida como caixa de conexão, éo equipamento capaz de medir e monitorar a corrente de cadaconjunto de placas em série, com precisão. O dispositivo operafazendo a interface entre os painéis fotovoltaicos e os inversoresutilizando tecnologias como a comunicação RS-485, GSM/GPRS,Ethernet ou o WiFi. O modelo utilizado é o Sun String Control 160,do fabricante INGETEAM.

• Assim, respeitando os limites de segurança do aparelho, podemosconectar cada grupo de 25 painéis em série, que apresentam umacorrente de 8,64A e tensão de 680V, a uma entrada da Caixa deControle, utilizando um total de 10 entradas do dispositivo, comuma corrente total de saída de 86,4 A por fileira.

• Desse modo, a caixa de controle é utilizada para conectar emparalelo cada uma das 10 Fileiras presentes no arranjo de 250painéis. Portanto, levando em consideração o que foi dimensionadoanteriormente, iremos empregar um total de 72 dispositivos pararealizar a conexão de cada arranjo

• O inversor dimensionado é do mesmo fabricante, modelo Ingecon Sun PowerMax 500T U X480, possuindo também tensão máxima de 1000 V, temperatura de operação na faixa de - 20 º C a 65 º C e MPPT com tensão de operação no intervalo 350 V a 700 V.

• Portanto, nesse segundo caso serão empregados apenas 8 inversores, (Lembrando que que temos 72 arranjos) nos quais cada um receberá a potência advinda de uma StringControl Boxes em cada terminal de entrada. Dessa forma, será utilizado, ao todo, 9 das 16 conexões de entrada em cada inversor. Com isso, a potência de entrada total será de 9 x 58,75 kW = 528,75 kW, com tensão de 680V e corrente por conexão e total de 86,4 A e 777,6 A, respectivamente.

Passo 4.2 Inversores

Passo 4.2 Inversores

• O FDI (Fator de Dimensionamento de Inversores) representa a relação entre a potência nominal do inversor (����) e a potência nominal máxima do gerador fotovoltaico (���), conforme a equação abaixo.

• A análise de literatura mostra que os valores inferiores de FDI recomendados por fabricantes e instaladores situam-se na faixa de 0,75 a 1,2

• Considerando a capacidade do Sun PowerMax 500T U X480 de operar a uma potência máxima de 500 kW e a potência de entrada projetada, 528,75 kW, obtém-se uma relação FDI de 0,9456, satisfatória segundo as referências citadas.

Passo 4,3: Quadro Geral de Baixa Tensão (QGBT)

• O quadro geral de baixa tensão serve para fazer ainterligação dos inversores com o transformador,coletando assim a corrente de saída dosinversores e direcionando por um único caminhoaté o transformador.

• Nesse Caso será utilizado apenas um QGBT quereceberá a corrente proveniente dos 8 inversores.Assim, a corrente máxima de saída do quadroserá de 8 x 601 A = 4808 A.

• Ainda por se tratar de uma alta corrente, umdisjuntor geral de proteção deve ser instalado nasaída do barramento do QGBT para proteção dotransformador.

Passo 4,4:Transformador

• Após a passagem pelo QGBT, o fluxo de potência,nesse segundo caso, é levado a um únicotransformador elevador para a conexãoapropriada com a rede elétrica

• O transformador trifásico apresenta umapotência nominal 5000 kVA e relação detransformação 480 V / 13.800 V.

Passo 5: Geração Fotovoltaica Esperada e FC