Energia solar

Este capítulo é uma introdução aos componentes de um sistema fotovoltaico independente. A palavra independente refere-se ao fato de que o sistema trabalha sem a ligação a uma rede já estabelecida de energia eléctrica. Neste capítulo vamos apresentar os conceitos básicos da geração e armazenamento de energia solar fotovoltaica. Também forneceremos um método para o projecto de um sistema solar, mesmo onde existe acesso limitado a informação e recursos. Discutiremos aqui apenas o uso da energia solar na produção directa de electricidade (energia solar fotovoltaica). A energia solar pode também ser usada para aquecer fluidos (energia solar térmica) que podem tanto ser usados como fonte de calor como para alimentar uma turbina que irá gerar eletricidade. A energia solar térmica está além do escopo deste capítulo.

Um sistema fotovoltaico está baseado na habilidade de certos materiais em converter a energia irradiada pelo sol em energia elétrica. A quantidade de energia solar que ilumina uma determinada área é chamada de irradiação (G) e é medida em watts por metro quadrado (W/m2). Os valores desta medida são, normalmente, a média de um período de tempo, assim é comum falar sobre a irradiação total por hora, dia ou mês. Claro que a quantidade precisa de radiação que chega à superfície da Terra não pode ser prevista com alta precisão, devido à variação das condições do tempo. Por isto é necessário trabalhar com dados estatísticos baseados no "histórico solar" de um lugar em particular. Estes dados são recolhidos por uma estação meteorológica em um longo período de tempo e estão disponíveis de várias formas, como tabelas ou bases de dados. Na maioria dos casos, pode ser difícil de encontrar informação detalhada sobre uma determinada área, necessitando que você trabalhe com valores aproximados.

Algumas organizações produziram mapas que apresentam médias de irradiação global para diferentes regiões. Estes valores são conhecidos como horas de pico de sol (peak sun hours) ou PSHs. Você pode usar o valor do PSH de sua região para simplificar seus cálculos. Uma unidade de "pico de sol" corresponde à radiação de 1000 Watts por metro quadrado. Se verificamos que uma determinada área tem 4 PSH no pior mês, sabemos que em tal mês não devemos esperar uma irradiação diária maior que 4000 W/m2 (por dia). Horas de pico de sol são uma maneira fácil de representar a média do pior caso de irradiação por dia. Mapas PSH de baixa resolução estão disponíveis em várias fontes online, como http://www.solar4power.com/solar-power-global-maps.html ou http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi?+s01+s03#s01. Para mais informações, consulte um fornecedor de energia solar ou uma estação meteorológica.

E sobre energia eólica?

É possível usar um gerador eólico ao invés de painéis solares quando um sistema autônomo é projectado para a instalação numa serra ou montanha. Para que isto funcione, a velocidade média do vento deve ser de ao menos 3 a 4 metros por segundo e o gerador eólico deve estar 6 metros mais alto que qualquer outro objecto em um raio de 100 metros. Uma localidade longe do litoral geralmente não tem ventos suficientes para suportar um sistema eólico de produção de energia. De maneira geral, sistemas fotovoltaicos são mais confiáveis que sistemas eólicos, já que a luz solar está disponível de forma mais consistente do que o vento na maioria dos lugares. Por outro lado, geradores eólicos podem carregar baterias mesmo à noite, desde que haja vento suficiente. Claro que é possível usar geradores eólicos e solares em conjunto, auxiliando na cobertura de tempos quando há muitas nuvens ou quando não há vento suficiente. Para a maioria das localidades, o custo de um gerador eólico não se justifica, considerando a quantidade de potência que ele irá agregar ao sistema completo. Este artigo irá, portanto, focar-se no uso de painéis solares para a geração de electricidade.

Componentes de sistemas fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico básico é composto de quatro componentes principais:

O painel solar, as baterias, o regulador e a carga. Os painéis são responsáveis por armazenar a energia solar e gerar electricidade. A bateria armazena a energia para uso posterior. O regulador garante que o painel e a bateria estão trabalhando em conjunto da melhor forma possível. A carga é qualquer dispositivo que necessita de energia eléctrica e é a soma do consumo de energia de todos os equipamentos ligados ao sistema. É importante lembrar que os painéis solares e baterias usam corrente contínua (DC - direct current). Caso os níveis operacionais de voltagem do seu equipamento não sejam compatíveis com o que é fornecido pela bateria, você precisará incluir também algum tipo de conversor. Se o equipamento que você pretende ligar usa uma voltagem de corrente contínua diferente da fornecida pela bateria, você precisará de um conversor DC/DC. Se algum equipamento requerer corrente alternada, você precisará de um conversor DC/AC, também conhecido como inversor. Todo sistema eléctrico deve incorporar também dispositivos de segurança, para a eventualidade de alguma coisa dar errado. Estes dispositivos incluem o cabeamento apropriado, disjuntores, fusíveis, cabo terra, supressores de raios e outros.

O painel solar

O painel solar é composto de células solares que armazenam a energia solar, transformando-a em energia eléctrica. Esta parte do sistema é vulgarmente chamada de módulo solar ou gerador fotovoltaico. Matrizes de painéis solares podem ser feitas através da ligação de uma série de painéis em série ou em paralelo a fim de prover a energia necessária para uma determinada carga. A corrente eléctrica fornecida por um painel solar varia de acordo com a radiação solar, que muda de acordo com as condições climáticas, a hora do dia e a época do ano.

Muitas tecnologias são usadas no fabrico de células solares. A mais comum é a de cristal de silício, que pode ser tanto monocristalino como policristalino. Silício amorfo pode ser mais barato, mas é menos eficiente na conversão de energia solar em electricidade. Com uma expectativa de vida pequena e uma eficiência de apenas 6 a 8% de transformação de energia, silício amorfo é tipicamente usado em equipamentos de baixo consumo de potência, como calculadoras portáteis. Novas tecnologias solares, como fitas de silício e finos filmes fotovoltaicos, estão em desenvolvimento. Estas tecnologias prometem níveis mais altos de eficiência, mas ainda não estão disponíveis em larga escala.

A bateria

A bateria, também chamada de acumulador, armazena a energia produzida pelos painéis que não é imediatamente consumida pela carga. A energia armazenada pode ser usada em períodos de pouca irradiação solar. Baterias armazenam electricidade na forma de energia química. O tipo mais comum de bateria usada em aplicações solares é a bateria selada de chumbo-ácido, também chamada de recombinante ou VLRA (valve regulated lead acid - chumbo-ácido regulada por válvula).

Além de armazenar energia, baterias seladas de chumbo-ácido ainda prestam-se a duas importantes funções:

Elas são capazes de fornecer potência instantânea superior à que pode ser gerada pelos painéis solares. Esta potência instantânea é necessária para dar a partida em alguns dispositivos, como o motor de uma geladeira ou uma bomba.

Elas determinam a voltagem operativo de sua instalação. Para instalações de pequena potência, ou onde limites de espaço devem ser considerados, outros tipos de baterias (como as de NiCd, MiMh ou Li-ion) podem ser usadas. Estes tipos de bateria requerem um carregador/regulador apropriado e não podem substituir directamente baterias de chumbo-ácido.

O regulador de potência de carga

O regulador (mais formalmente, o regulador de carga de potência solar) garante que a bateria está a funcionar em condições apropriadas. Ele evita a sobrecarga ou a descarga excessiva da bateria, condições que reduzem a vida útil da mesma. Para garantir a carga e descarga apropriada da bateria, o regulador mantém o registo do estado de carga (State of Charge - SoC) da bateria. O SoC é estimado com base na voltagem real da bateria. Através da medida desta voltagem e do conhecimento da tecnologia de armazenamento usada pela bateria, o regulador pode saber os pontos precisos nos quais a bateria pode estar sobrecarregada ou excessivamente descarregada.

O regulador pode incluir outras funcionalidades que adicionam informação e controle de segurança ao equipamento. Estas funcionalidades incluem amperímetros, voltímetros, medidas de ampere-hora, (Ah) temporizadores, alarmes, etc. Mesmo que sejam convenientes, nenhuma destas funções são requisitos para o funcionamento de um sistema fotovoltaico.

Os conversores

A electricidade fornecida pelo painel solar e a bateria é de corrente contínua, com uma voltagem fixa. Tal voltagem pode não ser a mesma que a requerida pela sua carga. Um conversor de corrente contínua para alternada (DC/AC), também conhecido como inversor pode ser necessário. Você também pode precisar de conversores que apenas modifiquem a voltagem de corrente contínua fornecida pelo sistema como conversores DC/DC. Toda a conversão implica em alguma perda de energia. Para a óptima operação, você deve projectar o seu sistema de energia solar para que produza a voltagem DC igual à requerida pela carga.

Equipamento ou carga

A carga é o equipamento que consome a potência gerada por seu sistema de energia. A carga pode incluir equipamentos wireless, routers, lâmpadas, aparelhos de TV, modems VSAT, etc. Mesmo não sendo possível calcular precisamente o consumo total de seu equipamento, é de vital importância a sua boa estimativa. Neste tipo de sistema é absolutamente necessário o uso de equipamentos eficientes e de baixo consumo, para evitar o desperdício de energia.

Iniciando o trabalho

O sistema fotovoltaico completo incorpora todos estes componentes. O painel solar gera electricidade quando a energia solar está disponível. O regulador garante a mais eficiente operação do painel e previne danos às baterias. O banco de baterias armazena a energia armazenada para uso posterior. Conversores e inversores adequam a energia armazenada à requerida pela sua carga. Finalmente, a carga consome a energia armazenada para seu funcionamento. Quando todos os equipamentos estão balanceados e mantidos apropriadamente, o sistema funcionará de forma independente durante vários anos. Agora examinaremos os componentes individuais do sistema fotovoltaico em maior detalhe.

O painel solar

Um único painel solar é composto de muitas células solares. As células são ligadas electricamente para fornecer uma determinada corrente e voltagem. As células individuais são devidamente encapsuladas para seu isolamento e proteção contra humidade e corrosão.

Há diversos tipos de módulos no mercado, dependendo da demanda de potência de sua aplicação. Os módulos mais comuns são compostos de 32 ou 36 células solares de cristal de silício. Estas células são todas de igual tamanho, conectadas em série e encapsuladas entre vidro e material plástico, usando uma resina de polímero (EVA) como isolante térmico. A área de superfície do módulo varia normalmente entre 0,1 e 0,5 m2. Painéis solares têm, usualmente, dois contactos eléctricos, um positivo e outro negativo. Alguns painéis também incluem contactos extra que permitem a instalação de diodos de passagem entre células individuais. Diodos de passagem protegem o painel de um fenómeno conhecido como "hotspots" (pontos quentes). Um hotspot acontece quando algumas células estão na sombra, enquanto o resto do painel está totalmente iluminado pelo sol. Ao invés de produzir energia, as células que estão na sombra comportam-se como uma carga, consumindo-a e transformando-a em calor. Nesta situação, sua temperatura pode ficar entre 85 e 100°C. Diodos de passagem previnem hotspots em células sombreadas, mas reduzem a voltagem máxima do painel. Eles devem ser apenas usados quando sombras são inevitáveis. Sempre que possível, é melhor buscar a exposição de todo o painel à luz do sol.

Figura 7.7: Diferentes curvas de corrente e tensão (curvas IV). A corrente (A) muda com a irradiação e a tensão (V) muda com a temperatura. O desempenho de um módulo solar é representado pela curva de característica IV (corrente e tensão) que representa qual corrente é fornecida em função da voltagem gerada por certa irradiação solar.

Parâmetros do painel solar

Os principais parâmetros que caracterizam um painel fotovoltaico são:

• Corrente de curto circuito (ISC): a máxima corrente fornecida pelo painel quando as suas fichas são colocadas em curto circuito.

• Voltagem de circuito aberto (VOC): a máxima voltagem que o painel fornece quando seus terminais não estão ligados à carga alguma (circuito aberto). Este valor é normalmente de 22 V para painéis que trabalharão em sistemas de 12 V, e é directamente proporcional ao número de células conectadas em série.

• Máximo ponto de potência (Pmax): é o ponto onde a potência fornecida pelo painel atinge seu valor máximo, onde:

P = I x
max max
Vmax. 

O máximo ponto de potência do painel é medido em Watts (W) ou Watts de pico (Wp). É sempre importante lembrar que em condições normais o painel não irá funcionar em condições de pico, já que a voltagem de operação é mantida fixa pelo regulador. Valores típicos de Vmax e Imax devem ser um pouco menores que ISC e VOC.

• Factor de preenchimento (FF): é a relação entre a máxima potência que o painel realmente pode fornecer e o produto ISC x VOC. Isto dá uma ideia da qualidade do painel, uma vez que esta é uma indicação da característica da curva IV. Quanto mais próximo de 1 for o valor de FF, mais potência o painel pode fornecer. Valores típicos estão entre 0,7 e 0,8.

• Eficiência (h): é a razão entre a máxima potência eléctrica que o painel pode fornecer a uma carga e a potência da radiação solar (PL) que incide no painel. Isto varia, normalmente, entre 10 e 12%, dependendo do tipo de células (monocristalina, policristalina, amorfa ou filme fino).

Considerando as definições do ponto de máxima potência e o factor de preenchimento vemos que:

h = P / P = FF . I . V / P

Os valores L„, V„, L y VD são fornecidos pelo fabricante e referem-se

SC OC Pmax 1 Pmax

As condições padrão de medida com irradiação G = 1000 W/m2, ao nível do mar, para uma temperatura de Tc = 25°C das células.

Os valores dos parâmetros do painel variam para outras condições de irradiação e temperatura. Algumas vezes os fabricantes podem incluir gráficos o tabelas com os valores para condições diferentes dos padrões. Você deve procurar verificar os valores das temperaturas no painel que mais se aproximam de sua instalação em particular. Esteja ciente de que dois painéis podem ter a mesma Wp, mas comportamento muito diferente em condições operacionais diversas. (Quando adquirir um painel, é importante verificar, quando possível, que seus parâmetros (ao menos I e VOC) estão de acordo com os prometidos pelo fabricante.

Parâmetros do painel para o dimensionamento do sistema

Para calcular o número de painéis necessários para cobrir uma determinada carga, você precisa saber apenas a corrente e a voltagem no ponto de máxima potência: I e V .

Pmax Pmax

Você deve estar sempre ciente de que o painel não irá desempenhar sob perfeitas condições, já que a carga ou o sistema regulador não estarão, constantemente, trabalhando no ponto de máxima potência de seu painel. Assuma uma perda de eficiência de 5% em seus cálculos para compensar isto.

Interligação de painéis

Uma matriz de painéis solares é uma colecção de painéis electricamente interconectados e instalados num tipo de estrutura de suporte. O uso de uma matriz de painéis solares permite que você gere tensões e correntes maiores do que as que seriam possíveis com um único painel. Os painéis são interligados de forma a que a voltagem gerada seja próxima (mas maior que) o nível de voltagem das baterias e que a corrente gerada seja suficiente para alimentar o equipamento e carregar as baterias. A ligação de painéis solares em série aumenta a voltagem gerada. A ligação em paralelo aumenta a corrente. O número de painéis utilizados deve ser aumentado até que a quantidade de potência gerada supere levemente a demanda de sua carga.

É muito importante que todos os painéis na sua matriz sejam os mais idênticos possíveis. Numa matriz você deve usar painéis da mesma marca e de mesmas características, uma vez que qualquer diferença em suas condições operacionais irá provocar um grande impacto no desempenho e na saúde de seu sistema. Mesmo painéis que possuem medidas de desempenho idênticas irão apresentar, normalmente, alguma variação em suas características devido ao processo de fabrico. As mesmas características operacionais de dois painéis do mesmo fabricante podem variar até cerca de 10%. Sempre que possível, é bom testar o desempenho real de painéis individuais para verificar suas características operacionais antes de montá-los em uma matriz.

Como escolher um bom painel

Uma métrica óbvia, usada na compra de um painel solar, é a comparação da potência nominal de pico (Wp) com o preço. Isto lhe dará uma ideia básica do custo por Watt em painéis diferentes. Mas há uma série de considerações que você também deve manter em mente. Se você for instalar um painel solar numa área onde partículas em suspensão no ar (de poeira, areia ou grãos) podem ser um problema, considere a aquisição de painéis com baixa afinidade para a retenção de poeira. Estes painéis são feitos de material que aumentam a possibilidade dele ser limpo automaticamente pelo vento ou chuva.

Sempre verifique a construção mecânica de cada painel. O vidro deve ser endurecido e a moldura de alumínio robusta e bem construída. As células solares dentro do painel podem durar mais de 20 anos mas elas são muito frágeis, cabendo ao painel protegê-las de acções mecânicas que podem prejudicá-las. Procure na garantia de qualidade por termos que mencionam a potência esperada de saída e dados sobre a construção mecânica. Finalmente, certifique-se de que o fabricante não fornece apenas a potência nominal de pico do painel (Wp) mas também a variação da potência em função da irradiação e da temperatura. Isto é particularmente importante quando os painéis forem usados em matrizes, já que variações nos parâmetros operacionais podem ser de grande impacto na qualidade da potência gerada e no tempo de vida útil dos painéis.

A bateria

A bateria é o local onde acontece um tipo de reacção química reversível capaz de armazenar energia eléctrica, que pode ser posteriormente utilizada. A energia eléctrica é transformada em energia química quando a bateria é carregada e o reverso acontece quando a bateria é descarregada. Uma bateria é formada por um conjunto de elementos ou células organizadas em série. Baterias de chumbo-ácido consistem de dois eléctrodos de chumbo imersos em uma solução electrolítica de água e ácido sulfúrico. Existe uma diferença de potencial de cerca de 2 volts entre os eléctrodos, dependendo do estado de carga da bateria. As baterias mais comuns para aplicações solares fotovoltaicas tem uma voltagem nominal de 12 ou 24 volts. Uma bateria de 12 V possui, então, seis células em série. A bateria tem dois propósitos importantes em um sistema fotovoltaico:

• Fornecer energia eléctrica para o sistema quando o mesmo não está sendo suprido pela matriz de painéis solares.

• Armazenar a energia produzida em excesso pelos painéis, sempre que ela for maior que a consumida pela carga.

A bateria passa por um processo cíclico de carga e descarga, dependendo da presença ou ausência da luz do sol. Durante as horas em que a luz do sol está presente, a matriz de painéis produz energia. A energia que não é imediatamente consumida é usada para carregar a bateria. Na ausência de luz solar, qualquer demanda de energia é suprida pela bateria, descarregando-a. Estes ciclos de carga e descarga ocorrem sempre que a energia produzida pelos painéis não condiz com a requerida para o suporte à carga. Quando existe luz do sol suficiente e a carga é pequena, as baterias irão carregar. Obviamente, as baterias irão descarregar à noite, sempre que qualquer potência for requerida. As baterias também irão descarregar quando a irradiação for insuficiente para atender aos requerimentos da carga (devido à variações climáticas naturais, nuvens, poeira, etc).

Caso a bateria não armazene energia suficiente para atender a demanda nos períodos sem iluminação, o sistema esgotará seus recursos e ficará indisponível para o uso. Por outro lado, o super dimensionamento do sistema (adicionando muitos painéis e baterias) é caro e ineficiente. Quando protejamos um sistema independente devemos estabelecer um compromisso entre o custo de seus componentes e a disponibilidade de potência para o sistema. Uma forma de fazer isto é estimar a necessidade de número de dias de autonomia. No caso de um sistema de telecomunicações, o número de dias de autonomia depende do nível critico da sua função dentro de seu projecto de rede. Se o equipamento for um repetidor e é parte da espinha dorsal de sua rede, você irá desejar que o sistema fotovoltaico tenha uma autonomia entre cinco e sete dias. Por outro lado, se o sistema solar for responsável por prover energia a um equipamento cliente, você provavelmente poderá reduzir os dias de autonomia para dois ou três. Em áreas de baixa irradiação este valor pode necessitar ser aumentado ainda mais. De qualquer forma, você sempre deve encontrar o equilíbrio entre o custo e a confiança.

Tipos de baterias

Há muitas tecnologias diferentes para baterias, prestando-se ao uso em uma variedade de aplicações. O tipo que melhor serve a aplicações fotovoltaicas é a bateria estacionária, projectada para ficar em um local fixo e em cenários onde o consumo de potência é mais ou menos irregular. Baterias estacionárias podem acomodar grandes ciclos de descarga, mas não são projectadas para produzir altas correntes por períodos curtos de tempo. As baterias estacionárias podem usar um electrólito alcalino (como as de níquel-cádmio) ou ácido (como as de chumbo-ácido). Sempre que possível, as de níquel-cádmio são recomendadas por sua alta confiança e resistência. Infelizmente, elas são muito mais caras e difíceis de obter do que as baterias seladas de chumbo-ácido. Em muitos casos, quando for difícil encontrar localmente baterias estacionárias (a importação de baterias não é barata), você será forçado a utilizar baterias projectadas para o mercado automobilístico.

Usando baterias de automóveis

As baterias de automóveis não são as que melhor se prestam para aplicações fotovoltaicas, uma vez que são projectadas para fornecer uma corrente substancial por apenas alguns segundos (na partida do motor) ao invés de manter uma corrente baixa por um longo período de tempo. Esta característica de projecto das baterias de automóvel (também chamadas de baterias de tracção) resulta em um tempo de vida útil menor quando de sua utilização em sistemas fotovoltaicos. Baterias de tracção podem ser usadas em aplicações pequenas, onde o custo é a consideração mais importante, ou quando outras baterias não estiverem disponíveis. Baterias de tracção são projectadas para veículos e carrinhos de mão motorizados.

Elas são mais baratas que baterias estacionárias e podem servir para instalações fotovoltaicas, apesar de necessitarem, neste caso, de manutenção muito mais frequente. Estas baterias nunca devem ser profundamente descarregadas porque isto reduz bastante a habilidade das mesmas de manterem uma carga. Uma bateria de um camião nunca deve descarregar mais do que 70% de sua capacidade total. Isto significa que você pode usar um máximo de 30% da capacidade nominal de uma bateria de chumbo-ácido antes dela necessitar de recarga. Você pode estender a vida de uma bateria de chumbo-ácido usando água destilada. Usando um densímetro ou hidrómetro você pode medir a densidade do electrólito da bateria. Uma bateria típica tem a gravidade específica de 1,28. A adição de água destilada, baixando a densidade para 1,2, auxilia na redução da corrosão do ânodo, com o custo da respectiva redução da capacidade geral da bateria. Se você for ajustar a densidade do electrólito da bateria, você deve usar água destilada, já que a água da torneira ou de poço irá danificar permanentemente a bateria.

Estados de carga

Há dois estados especiais de carga que podem acontecer durante o ciclo de carga e descarga da bateria. Ambos devem ser evitados a fim de preservar a vida útil da bateria.

Sobrecarga

A sobrecarga acontece quando a bateria atinge o limite de sua capacidade. Se a energia aplicada à bateria está acima de seu ponto máximo de carga, o electrólito começa a se decompor, produzindo bolhas de oxigénio e hidrogénio em um processo conhecido como gaseificação. Isto resulta na perda de água, oxidação do eléctrodo positivo e, em casos extremos, o perigo de explosão. Por outro lado, a presença de gás evita a estratificação do ácido. Depois de vários ciclos contínuos de carga e descarga, o ácido tende a concentrar-se no fundo da bateria, reduzindo sua capacidade efectiva. O processo de gaseificação agita o electrólito e evita a estratificação. Mais uma vez, é necessário encontrar um ponto de equilíbrio entre as vantagens (evitar a estratificação do electrólito) e desvantagens (perda de água e produção de hidrogénio). Uma solução é permitir uma leve condição de sobrecarga de vez em quando. Um método típico é permitir uma voltagem de 2,35 a 2,4 Volts para cada elemento da bateria a cada espaço de alguns dias, a 25°C. O regulador deve garantir estas sobrecargas periódicas e controladas.

Descarga excessiva

Da mesma forma que há um limite superior, existe um limite inferior para o estado de carga da bateria. A descarga além deste limite irá resultar em deterioração. Por isso, o regulador evita que mais energia seja extraída da bateria, desconectando-a quando a voltagem de cada célula atingir o limite de 1,85 V em 25°C. Se a descarga da bateria for profunda e a bateria permanece descarregada por longo tempo, acontecem três coisas: a formação de sulfato cristalizado nas placas da bateria, a perda de material activo na placa da bateria e a colagem das placas. O processo de formação de cristais estáveis de sulfato é chamado de sulfatização. Isto é particularmente negativo já que os cristais grandes que se formam não fazem mais parte da reacção química, podendo inutilizar a bateria.

Parâmetros de bateria

Os principais parâmetros que caracterizam a bateria são:

• Voltagem nominal, VNBat: o valor mais comum é 12 V.

• Capacidade nominal, CNBat: a máxima quantidade de energia que pode ser extraída de uma bateria completamente carregada, expressa em Ampere-hora (Ah) ou Watt-hora (Wh). A quantidade de energia que pode ser obtida de uma bateria depende do tempo durante o qual o processo de extracção acontece. A descarga de uma bateria num longo período de tempo irá proporcionar mais energia do que a possível com a descarga da bateria em menor período de tempo. A capacidade da bateria é, portanto, especificada em tempos diferentes de descarga. Para aplicações fotovoltaicas, este tempo deve ser maior que 100 horas (C100).

• Máxima profundidade de descarga, DoDmax: a profundidade de descarga é a quantidade de energia extraída da bateria em um único ciclo de descarga, expressa como percentagem. A expectativa de vida útil da bateria depende de quão profundamente ela é descarregada, em cada ciclo. O fabricante deve fornecer gráficos que relacionem o número de ciclos de carga e descarga com a vida útil da bateria. Como regra geral, você deve evitar ciclos de descarga que ultrapassem 50% da capacidade da bateria. Baterias de tracção devem ser descarregadas apenas 30%.

• Capacidade utilizável, CUBat: é a capacidade real (utilizável) de uma bateria. É igual ao produto da capacidade nominal e o máximo DoD. Por exemplo, uma bateria estacionária de capacidade nominal (C100) de 120 Ah e profundidade de descarga de 70%, tem a capacidade utilizável de (120 x 0,7) 84 Ah.

Medindo o estado de carga da bateria

Uma bateria selada de chumbo-ácido de 12 V fornece voltagens diferentes, dependendo do estado de carga. Quando a bateria está completamente carregada, em circuito aberto, a voltagem de saída é de cerca de 12,8 V. Ela cai rapidamente para 12,6 V quando cargas são ligadas. Como a bateria constantemente fornece corrente durante sua operação, a voltagem reduz-se linearmente de 12,6 para 11,6 V, dependendo do estado da carga. Uma bateria selada de chumbo-ácido fornece 95% de sua energia dentro destes limites de voltagem. Assumindo que uma bateria totalmente carregada tem a voltagem de 12,6 V e 11,6 V quando descarregada, podemos estimar que a bateria descarregou 70% quando atingir a voltagem de 11,9 V. Estes valores são apenas uma estimativa aproximada, uma vez que eles também dependem do tempo de vida e qualidade da bateria, da temperatura, etc.

De acordo com esta tabela e considerando que uma bateria de camião não deve ser descarregada em mais de 20 a 30%, podemos determinar que a capacidade utilizável de uma bateria de 170 Ah varia entre 34 Ah (20%) e 51 Ah (30%). Usando a mesma tabela, verificamos que o regulador deve ser programado de forma a prevenir que a bateria descarregue-se abaixo de 12,3 V.

Protecção da bateria e do regulador

Dijuntores termo-magnéticos ou fusíveis devem ser usados para proteger a bateria e a instalação contra curto-circuitos e outros problemas de mal funcionamento. Há dois tipos de fusíveis:

Queima lenta (slow blow) e queima rápida (quick blow). Fusíveis de queima lenta devem ser usados com cargas indutivas ou capacitivas onde uma alta corrente pode ocorrer no momento em que são ligados. Estes fusíveis permitem a passagem de uma corrente maior do que seu valor por um curto período de tempo. Fusíveis de queima rápida queimam assim que a corrente que passa por eles for maior do que sua corrente nominal. O regulador é ligado à bateria e às cargas, assim, dois tipos diferentes de protecção devem ser considerados. Um fusível deve ser colocado entre a bateria e o regulador, protegendo a bateria de um curto no caso de uma falha do regulador. Um segundo fusível necessita proteger o regulador de uma corrente excessiva de carga. Este segundo fusível é, normalmente, integrado ao próprio regulador.

Cada fusível é marcado com a máxima corrente e voltagem utilizável. A máxima corrente de um fusível deve ser 20% maior do que a máxima corrente esperada. Mesmo em baterias de voltagem baixa, um curto-circuito pode produzir uma corrente muito alta que pode, facilmente, atingir algumas centenas de amperes. Grandes correntes podem causar incêndios, danificar o equipamento e as baterias e mesmo causar choque eléctrico no corpo humano. Se um fusível queimar, nunca o substitua por um fio ou fusível de maior valor. Primeiro determine a causa do problema e depois troque o fusível por outro de características idênticas.

Efeitos da temperatura

A temperatura ambiente tem vários efeitos importantes nas características da bateria: A capacidade nominal da bateria (que o fabricante fornece para uma temperatura de 25°C) aumenta com a temperatura a uma taxa de cerca de 1%/°C. Mas se a temperatura é muito alta, a reacção química que acontece na bateria se acelera, causando o mesmo tipo de oxidação que acontece em uma sobrecarga. Isto irá, obviamente, reduzir a expectativa de vida da bateria. Este problema pode ser parcialmente compensado em baterias de automóvel com o uso de uma menor densidade da solução (uma gravidade específica de 1,25 quando a bateria está totalmente carregada). Quando a temperatura é reduzida, a vida útil da bateria aumenta. Mas se a temperatura é muito baixa, há risco de congelamento do electrólito. A temperatura de congelamento depende da densidade da solução, que também está relacionada com o estado de carga da bateria. Quanto mais baixa a densidade, maior o risco de congelamento.

Em áreas de baixas temperaturas, você deve evitar a descarga profunda das baterias (assim, o DoD é efectivamente reduzido). A temperatura também muda a relação entre a voltagem e a carga. É preferível usar um regulador que ajuste os parâmetros de desconexão em voltagem baixa e re-conexão de acordo com a temperatura. O sensor de temperatura do regulador deve ser fixado na bateria com o uso de fita adesiva ou outro método simples. Em áreas quentes, é importante manter as baterias tão arrefecidas quanto possível. Elas devem ser armazenadas numa área sombreada e nunca devem ser expostas directamente ao sol. Também é desejável montá-las em um pequeno suporte para permitir o fluxo de ar sobre elas, aumentando a ventilação.

Como escolher uma boa bateria

A escolha de uma boa bateria pode constituir-se em um desafio nas regiões em desenvolvimento. Baterias de alta capacidade são pesadas, volumosas e caras para importar. Uma bateria de 200 Ah pesa cerca de 50 kg e não pode ser transportada como bagagem de mão. Se você quiser baterias de longa vida (mais de cinco anos) livres de manutenção, prepare-se para pagar o preço. Uma boa bateria sempre vem com especificações técnicas, incluindo a capacidade em diferentes taxas de descarga (C20, C100), temperatura operativo, pontos de corte de tensão e requisitos dos carregadores. As baterias não devem ter rachas, vazamentos ou qualquer sinal de danos e seus terminais não devem estar enferrujados. Como testes de laboratório são necessários para obter dados completos sobre a real capacidade e vida útil, espere encontrar lotes de baterias de baixa qualidade (incluindo falsas) em mercados locais. O preço típico (não incluído os impostos de importação) é de cerca de 3 a 4 euros por Ah para baterias de chumbo-ácido de 12 V.

Expectativa de vida versus número de ciclos

Baterias são os únicos componentes de um sistema solar que devem ser amortizadas em um período pequeno de tempo e precisam ser regularmente trocadas. Você pode aumentar a vida útil de uma bateria reduzindo a profundidade de sua descarga por ciclo. Mesmo as baterias que são projectadas para um ciclo profundo de descarga terão sua vida aumentada se esta profundidade (> 30%) for reduzida. Se você descarrega a bateria completamente, todos os dias, você provavelmente terá que trocá-la em menos de um ano. Se você usar apenas 1/3 da capacidade da bateria, ela pode durar mais de três anos. Pode ser mais barato comprar uma bateria com três vezes a capacidade de uma outra do que ter que trocá-la a cada ano.

O regulador de potência de carga

O regulador de potência de carga também é chamado de controlador de carga, regulador de voltagem e controlador de carga e descarga. O regulador fica entre a matriz de painéis, as baterias e seu equipamento ou cargas. Lembre-se que a voltagem de uma bateria, ainda que sempre perto dos 2 V por célula, varia de acordo com o estado de sua carga. Através da monitorização da voltagem da bateria, o regulador previne a sobrecarga ou excessiva descarga.

Reguladores usados em aplicações solares devem ser ligados em série:

Estes desligam a matriz de painéis da bateria para evitar a sobrecarga e desligam a bateria dos equipamentos para evitar a descarga excessiva. A conexão e desconexão é feita por meio de chaves, que podem ser de dois tipos:

Electromecânico (relés) ou de estado sólido (transístor bipolar, MOSFET). Reguladores jamais devem ser ligados em paralelo. A fim de proteger a bateria contra a gaseificação, a chave desliga o circuito de carregamento da bateria quando atinge sua voltagem alta de desconexão (HVD - high voltage disconnect) ou ponto de corte. A baixa voltagem de desconexão (LVD - low voltage disconect) previne a bateria de uma descarga excessiva, desligando os equipamentos alimentados por ela. Para evitar sucessivas ligações e desligações, o regulador não irá religar as cargas até que a bateria atinja uma voltagem baixa de reconexão (LVR - low reconnect voltage).

Valores típicos para uma bateria de chumbo-ácido de 12 V são:

Os reguladores mais modernos são também capazes de desligar os painéis durante a noite, evitando a descarga da bateria. Eles podem também, periodicamente, sobrecarregar a bateria para aumentar sua vida útil, valendo-se de um mecanismo conhecido como modulação de largura de pulso (PWM - pulse width modulation) para prevenir a gaseificação excessiva. Como o ponto de potência de pico em matrizes de painéis pode variar com a temperatura e iluminação solar, novos reguladores são capazes de monitorizar o máximo ponto de potência dos painéis. Esta função é conhecida como monitorização do ponto de potência máxima (MPPT — maximum power point tracking).

Parâmetros do regulador

Quando for escolher um regulador para o seu sistema, você deve conhecer ao menos a voltagem de operação e a corrente máxima com as quais ele poderá lidar. A voltagem (ou tensão) de operação será de 12, 24 ou 48 V. A corrente máxima deve ser 20% maior que a fornecida pela matriz de painéis conectada ao regulador. Outras funcionalidades e dados interessantes incluem:

• Valores específicos para LVD, LRV e HVD.

• Suporte para compensação de temperatura. A voltagem que indica o estado de carga da bateria varia com a temperatura. Por isto, alguns reguladores são capazes de medir a temperatura da bateria e corrigir os diferentes valores de corte e reconexão.

• Instrumentação e medidores. Os instrumentos mais comuns medem a voltagem dos painéis e baterias, o estado de carga (SoC) e a profundidade de descarga (DoD). Alguns reguladores incluem alarmes especiais para indicar que os painéis ou cargas foram desligadas, LVD ou HVD foram alcançados, etc.

Conversores

O regulador fornece corrente contínua (DC) a uma voltagem específica. Conversores e inversores são usados para ajustar a voltagem para que ela corresponda à requerida pelos equipamentos utilizados.

Conversores DC/DC

Conversores DC/DC transformam uma voltagem em corrente contínua para outra de diferente valor, também em corrente contínua. Há dois métodos de conversão que podem ser usados para adaptar a voltagem fornecida pelas baterias: conversão linear e conversão por chaveamento.

A conversão linear reduz a voltagem das baterias, convertendo a energia excedente em calor. Este método é muito simples, mas claramente ineficiente. A conversão por chaveamento geralmente utiliza um componente magnético para armazenar a energia e transformá-la numa outra voltagem. A voltagem resultante pode ser maior que, menor que, ou o inverso (negativo) de a voltagem de entrada. A eficiência de um regulador linear decresce na medida que a diferença entre as voltagens de entrada e saída aumenta. Por exemplo, se queremos converter de 12 para 6 V, o regulador linear terá uma eficiência de apenas 50%. Um conversor por chaveamento padrão terá uma eficiência de ao menos 80% no mesmo caso.

Inversor ou conversor DC/AC

Inversores são usados quando o seu equipamento necessita de corrente alternada. Os inversores cortam e invertem a corrente contínua, formando uma onda quadrada que é depois filtrada para que se aproxime a uma onda senoidal, eliminando harmónicos indesejáveis. Poucos inversores conseguem fornecer uma onda senoidal em sua saída. A maioria dos modelos disponíveis no mercado produzem o que é conhecido como uma "onda senoidal modificada", já que a forma de sua voltagem de saída não é uma senóide pura. Em termos de eficiência, inversores de onda senoidal modificada desempenham melhor que inversores de senóide pura. Saiba, porém, que nem todo equipamento irá aceitar uma onda senoidal modificada como voltagem de entrada. Mais vulgarmente, algumas impressoras a laser não irão funcionar com este tipo de inversor. Motores irão funcionar, mas podem consumir uma potência maior do que se fossem alimentados com uma senóide pura. Adicionalmente, fontes de alimentação DC tendem a esquentar mais e amplificadores de áudio podem emitir um zunido.

Além do tipo da forma de onda, outras características importantes dos inversores incluem:

• Confiança na presença de surtos. Os inversores têm duas potências nominais: uma para a potência contínua e outra, maior, para a potência de pico. Eles são capazes de fornecer uma potência de pico por um período bem curto de tempo, por exemplo, na partida de um motor. O inversor deve ser capaz também de desligar a si mesmo com segurança (com um disjuntor ou fusível) no caso de um curto-circuito, ou na eventualidade da potência requerida dele ser muito alta.

• Eficiência de conversão. Inversores operam de forma mais eficiente quando fornecendo entre 50 e 90% de sua potência contínua nominal. Você deve seleccionar um inversor que corresponda com mais exactidão às necessidades de seu equipamento. O fabricante normalmente fornece o desempenho do inversor a 70% de sua potência nominal.

• Carga de bateria. Muitos inversores também incorporam a função inversa; a possibilidade de carregar baterias na presença de uma fonte alternativa de energia (rede eléctrica, gerador, etc). Este tipo de inversor é conhecido como carregador/inversor.

• Selecção automática de fontes (fail-over). Alguns inversores podem chavear automaticamente entre diferentes fontes de energia (rede eléctrica, gerador, painel solar), dependendo da que está disponível no momento.

Quando utilizar equipamentos de telecomunicações, o melhor é evitar o uso de conversores DC/AC e alimentá-los directamente de uma fonte DC. Muitos equipamentos de comunicação aceitam uma ampla variação de voltagens de entrada.

Equipamento ou carga

Deve ser óbvio que, na medida em que os requerimentos de potência aumentam, a despesa com o sistema fotovoltaico também aumenta. Por isto, é crítico casar o dimensionamento do sistema, o melhor possível, com a carga esperada. Ao projectar o sistema você deve, primeiramente, fazer uma estimativa realista do consumo máximo. Depois de instalado, o consumo máximo estabelecido deve ser respeitado a fim de evitar falhas na entrega de potência.

Aparelhos domésticos

O uso de energia solar não é recomendado para aplicações de troca de calor (aquecedores eléctricos, frigoríficos, torradeiras, etc). Sempre que possível, a energia deve ser distribuída com parcimónia, usando equipamentos de baixo consumo. Aqui estão alguns pontos que devem ser considerados na escolha de equipamentos apropriados para o uso com energia solar:

A energia solar presta-se bem para a iluminação. Neste caso, o uso de lâmpadas halogenas ou fluorescentes é obrigatório. Mesmo que estas lâmpadas sejam mais caras, elas são muito mais eficientes do que lâmpadas incandescentes. Lâmpadas LED também são uma boa escolha já que, além de eficientes, são alimentadas por corrente contínua.

É possível usar potência fotovoltaica para aparelhos que requerem consumo constante e baixo (um típico caso é o aparelho de TV). Televisores pequenos usam menos potência que os maiores. Leve também em conta que uma TV preto e branco consome a metade da potência de uma colorida. A energia fotovoltaica não é recomendada para nenhum aparelho que transforme energia em calor (energia térmica). Use painéis de aquecimento solar (não os fotovoltaicos!) ou gás butano como alternativa. Maquinas de lavar convencionais irão funcionar, mas você deve evitar programas de lavagem que incluam a centrifugação com água quente. Caso você precise usar frigoríficos, eles devem consumir o mínimo possível de potência. Há frigoríficos especiais que trabalham com energia DC, mas seu consumo pode ser elevado (cerca de 1000 Wh/dia). A estimativa de consumo total é um passo fundamental no dimensionamento de seu sistema de energia solar. A tabela abaixo dá uma ideia geral do consumo de potência que você pode esperar de diferentes aparelhos:

Equipamento de telecomunicações wireless

A economia de potência com a escolha do equipamento correto evita gasto de dinheiro e problemas em excesso. Por exemplo, um link de longa distância não necessita de um amplificador que consuma muita potência. Uma placa WiFi com um receptor de boa sensitividade e uma zona fresnel com ao menos 60% de espaço livre irá funcionar melhor que um amplificador, economizando também no consumo de potência. Um ditado comum em rádio-amadorismo cabe também aqui o melhor amplificador é uma boa antena. Mais medidas para a redução do consumo incluem o escalonamento (throttling) da velocidade da cpu, a redução da potência de transmissão, para o valor mínimo, necessária para fornecer um link estável, aumento de tempo entre intervalos de envio de sinais (beacon) e o desligamento dos equipamentos quando não estão em uso.

Muitos sistemas solares autónomos trabalham em 12 ou 24 Volts. Preferencialmente, um dispositivo wireless que aceita corrente na voltagem de 12 V, fornecida pela maioria das baterias de chumbo-ácido, deve ser utilizado. A transformação da voltagem fornecida pela bateria para AC, ou o uso de uma voltagem de entrada no access point diferente da fornecida pela bateria, causará um desperdício desnecessário de energia. Um access point que aceite 8-20 Volts DC é perfeito. A maioria dos APs baratos tem, internamente, um regulador de voltagem chaveado que irá trabalhar dentro destes limites de voltagem sem modificação e sem super-aquecimento (mesmo que o dispositivo inclua uma fonte de alimentação de 5 ou 12 Volts).

ATENÇÃO: Usar o seu access point com uma fonte de alimentação diferente que a fornecida pelo fabricante irá, certamente, anular qualquer garantia e pode causar danos ao equipamento. Mesmo que a técnica a seguir normalmente funcione como descrita, lembre-se que ao reproduzi-la você o está fazendo por sua conta e risco.

Abra seu access point e procure, perto da entrada da alimentação DC, por dois capacitores relativamente grandes e um indutor (um anel de ferrite com fio de cobre enrolado nele). Caso eles estejam presentes, o dispositivo tem uma fonte chaveada e a voltagem de entrada deve ser um pouco abaixo daquela impressa nos capacitores. Usualmente, estes capacitores têm uma voltagem nominal de 16 ou 25 Volts. Saiba que uma fonte de alimentação sem regulação tem uma oscilação (ripple), podendo fornecer ao seu access point um valor muito maior de voltagem do que o valor nominal impresso nela. Assim, ligar uma fonte de alimentação não-regulada de 24 Volts em um dispositivo com capacitores de 25 Volts não é uma boa ideia. Claro que, ao abrir seu dispositivo, você estará anulando qualquer garantia existente. Não tente fazer o access point funcionar com uma voltagem maior que a indicada se ele não tiver um regulador chaveado. Ele irá aquecer, funcionar de forma instável ou queimar. Equipamentos baseados no tradicional processador Intel x86 consomem muito mais potência, em comparação com arquitecturas RISC como os processadores ARM ou MIPS.

Uma das placas de rede com o menor consumo de potência é o da plataforma Soekris, que usa um processador AMD ElanSC520. Outra alternativa ao AMD (ElanSC ou Geode SC1100) são os equipamentos com processadores MIPS. Os processadores MIPS têm melhor desempenho que o AMD Geode, mas consomem entre 20 a 30% a mais de energia. O popular linksys wrt54g funciona em qualquer voltagem entre 5 e 20 Volts DC, consumindo cerca de 6 Watts, mas possui também um switch Ethernet. Claro que um switch é útil, mas ele consome potência adicional. A linksys fornece um access point chamado wap54g que consome apenas 3 Watts e pode executar o firmware OpenWRT e o Freifunk. O Accesscube 4G Systems consome cerca de 6 Watts quando equipado com uma única interface WiFi. Caso o 802.11b seja suficiente, placas mini-PCI com o chipset Orinoco têm bom desempenho e um mínimo consumo de potência. A quantidade de potência requerida por um equipamento wireless depende não apenas da sua arquitectura mas também do número de interfaces de rede, rádios, tipo de memória e tráfego. Como regra geral, uma placa wireless de baixo consumo irá requerer entre 2 e 3 W e um rádio de 200 mW consome cerca de 3 W.

Placas de alta potência (como o Ubiquity de 400 mW) consomem perto de 6 W. Uma estação repetidora com dois rádios pode consumir entre 8 e 10 W. Mesmo que o padrão IEEE 802.11 incorpore um modo de economia de energia (PS - power saving), isto não é um benefício tão grande quanto se possa esperar. O mecanismo de economia de energia é permitir que as estações coloquem as suas placas wireless "para dormir", utilizando um circuito temporizador. Quando a placa "acorda", ele verifica se existe um sinal de indicação de tráfego pendente. Desta forma, a economia de energia apenas ocorre no lado do cliente, já que os APs necessitam funcionar permanentemente para enviar os sinais e armazenar o tráfego dos clientes. O modo de economia de energia pode ser incompatível entre os diferentes fabricantes, o que pode causar instabilidade nas ligações wireless. É praticamente melhor desligar o modo de economia de energia em todos os equipamentos, já que as dificuldades criadas não compensam a quantidade economizada de energia.

Seleccionando a voltagem

A maioria dos sistemas independentes de baixa potência usam baterias de 12 V como a voltagem operativo comum para baterias seladas de chumbo-ácido. No projecto de um sistema de comunicação wireless, você deve levar em conta a voltagem mais eficiente para a operação de seu equipamento. Mesmo que seja possível uma ampla variedade de valores de tensão de entrada, você deve certificar-se que, de maneira geral, o consumo de potência do sistema é mínimo.

Fiação

Um componente importante da instalação é a sua fiação, já que o cabeamento correto irá garantir a eficiência na transferência de energia. Algumas boas práticas a serem consideradas incluem:

• Use parafusos para prender bem o cabo ao terminal da bateria. Ligações mal-feitas irão desperdiçar potência
• Espalhe vaselina ou graxa mineral nos terminais da bateria. Ligações enferrujadas tem maior resistência eléctrica, resultando em perdas.
• Para correntes baixas (menos que 10 A) considere o uso de fichas do tipo Faston ou Anderson. Para correntes maiores, utilize anéis metálicos para a ligação.
• A largura do fio é normalmente definida em AWG (American Wire Gauge), padrão americano que define a bitola (largura, diâmetro) do fio. Nos seus cálculos, você precisará converter entre AWG e mm2 a fim de estimar a resistência dos cabos. Por exemplo, um cabo AWG #6 tem um diâmetro de 4,11 mm e pode suportar uma corrente de até 55 A. Uma tabela de conversão, incluindo a resistência estimada e a capacidade de transporte de corrente, está disponível no Apêndice D. Tenha também em mente que a capacidade de corrente também pode variar, dependendo do tipo de isolamento e aplicação. Na dúvida, consulte o fornecedor para mais informação.

Orientação dos painéis

A maioria da energia que vem do sol chega à superfície em uma linha recta. O módulo solar irá capturar mais energia quando sua face estiver directamente apontada para o sol, perpendicularmente à linha recta entre a posição da instalação e o sol. Claro que a posição do sol varia constantemente em relação à Terra, então precisamos descobrir qual é a óptima posição para nossos painéis. A orientação dos painéis é determinada por dois ângulos, o azimute a e a inclinação ou elevação B. O azimute é o ângulo que mede o desvio em relação ao sul no hemisfério norte, e o desvio em relação ao norte no hemisfério sul. A inclinação é o ângulo formado pela superfície do módulo em relação ao plano horizontal.

• Azimute

Você deve instalar o módulo inclinado em direcção ao equador terrestre (em direcção ao sul, no hemisfério norte, e ao norte, no hemisfério sul) de forma que, durante o dia, o painel capture a maior quantidade possível de radiação (a = 0). É muito importante que nenhuma parte dos painéis fique sobre uma sombra! Estude os elementos que cercam o painel (árvores, construções, paredes, outros painéis, etc.) para ter certeza de que eles não produzirão sombras sobre o painel em nenhuma parte do dia ou do ano. É aceitável girar os painéis +/- 20% em direcção ao leste ou oeste, se necessário (a = ± 20°).

• Inclinação

Uma vez que você tenha fixado o azimute, o parâmetro chave para nossos cálculos é a inclinação do painel, expressa pelo ângulo beta (B). A altura que o sol atinge a cada dia irá variar, a máxima ocorrendo no solstício de verão e a mínima no solstício de inverno. Idealmente os painéis deveriam acompanhar esta variação, mas isto não é normalmente possível em função dos custos envolvidos. Em instalações com equipamento de telecomunicações, o normal é instalar os painéis com uma inclinação fixa. Na maioria dos cenários de telecomunicações, a energia que é demandada pelo sistema é constante durante o ano. Dimensionando a energia suficiente durante o "pior mês" garantirá o bom funcionamento no restante do ano. O valor de B deve maximizar a razão entre a oferta e a demanda de energia.

Para instalações com consumo consistente (ou quase consistente) durante o ano, é preferível optimizar a captura da máxima radiação durante os meses de inverno. Você deve usar o valor absoluto da latitude lo local (o ângulo F), acrescido de 10° (B = I F I + 10°). Para instalações com menos consumo durante o inverno, o valor da latitude do local pode ser usado como a inclinação do painel solar. Desta forma, o sistema estará optimizado para os meses de primavera e outono (B = I F I).

Para instalações que são usadas apenas no verão, você deve usar o valor absoluto da latitude do local (ângulo F) decrescido de (B = I F I - 10°). A inclinação do painel nunca deve ser menor que 15° para evitar o acumulação de poeira e/ou humidade no painel. Nas áreas onde neve e gelo ocorrem, é muito importante proteger os painéis e incliná-los em um ângulo de 65° ou mais. Caso existe um notável aumento no consumo durante o verão, você deve considerar o arranjo de duas inclinações fixas: uma para os meses de verão e outra para os meses de inverno. Isto pode exigir estruturas especiais de suporte e um planeamento regular para a troca de posição dos painéis.

Como dimensionar seu sistema fotovoltaico

Quando escolher um equipamento que atenda a seus requisitos de potência, você deve ao menos determinar o seguinte:

O número e o tipo de painéis solares necessários para capturar energia solar suficiente para suportar sua carga. A capacidade mínima de sua bateria. A bateria precisará armazenar potência suficiente para fornecer energia eléctrica à noite e nos dias de pouco sol. É ela que irá determinar o número de dias de autonomia. As características de todos os outros componentes (o regulador, cabeamento, etc.) necessários para dar suporte à quantidade de energia gerada e armazenada. Os cálculos de dimensionamento do sistema são importantes porque, a não ser que todos os componentes estejam balanceados, energia (e, em consequência, dinheiro) será desperdiçada. Como exemplo, se instalarmos mais painéis solares para produzir mais energia, as baterias devem ter capacidade suficiente para armazenar a energia adicional produzida. Caso o banco de baterias seja pequeno e a carga não use toda a energia, ela deve ser descartada.

Um regulador com uma capacidade de corrente menor do que a necessária, ou mesmo um único cabo dimensionado, pode ser a causa de falha (ou mesmo incêndio) que torna a instalação inútil. Nunca esqueça que a capacidade de produção e armazenamento de energia fotovoltaica é limitada. Deixar uma lâmpada ligada acidentalmente durante o dia pode, facilmente, esgotar suas reservas antes do período nocturno, a ponto de nenhuma energia adicional poder ser utilizada. A disponibilidade de combustível (luz do sol) para o sistema fotovoltaico pode ser difícil de prever. De facto, nunca é possível a certeza absoluta de que um sistema independente será capaz de fornecer energia em um momento em particular. Sistemas de energia solar são projectados para um determinado consumo e, caso o utilizador exceda os limites planeados de fornecimento, ele irá falhar. O método de projecto que propomos consiste na consideração dos requerimentos de energia e, com base nestes, calculamos um sistema que funcione para o máximo período de tempo, tornando-o o mais confiável possível. Claro, se mais painéis e baterias forem instalados, mais energia poderá ser armazenada e armazenada. Este aumento de confiança implicará também em um aumento no custo.

Em algumas instalações fotovoltaicas (como as que provisionam energia para equipamentos de telecomunicações em uma rede central) o factor de confiança é mais importante que o custo. Em uma instalação cliente, a manutenção de um custo baixo é provavelmente o factor mais importante. Encontrar o equilíbrio entre o custo e a confiança não é tarefa fácil, mas independente da situação, você deverá ser capaz de determinar o que é esperado de suas escolhas para o projecto, e o preço delas. O método que iremos usar para o dimensionamento do sistema é conhecido como o método do pior mês. Nós simplesmente calculamos as dimensões de um sistema independente, de forma que ele funcione no mês em que a demanda de energia é a maior, com relação à totalidade da energia solar disponível, ou seja, o pior mês do ano. Usando este método, a confiança é tomada em consideração fixando-se o máximo número de dias em que o sistema pode funcionar sem receber a luz do sol (isto é, quando todo o consumo será atendido pela energia armazenada na bateria). Isto é dado pelo número máximo de dias de autonomia (N) e pode ser pensado como o número consecutivo de dias nublados, nos quais os painéis não conseguem armazenar nenhuma quantidade significativa de energia.

Ao escolher N, é necessário conhecer as condições climáticas do local em questão, assim como a relevância social e económica da instalação. Ela será usada para iluminar casas, um hospital, uma fábrica, um link de rádio ou outra aplicação? Lembre-se que com o aumento de N, aumenta também o investimento em equipamentos e manutenção. É também importante avaliar todos os custos da logística de substituição de um equipamento. Não é a mesma coisa substituir uma bateria em uma instalação no meio da cidade em comparação a mesma tarefa no topo de uma torre de comunicação que está a várias horas ou dias de distância. Determinar o valor de N não é uma tarefa fácil, já que são muitos os factores envolvidos e muitos deles não podem ser facilmente avaliados. A sua experiência terá um papel importante nesta parte do dimensionamento do sistema. Um valor vulgarmente usado para equipamentos críticos de telecomunicações é N = 5, e para equipamentos clientes de baixo custo é possível reduzir a autonomia para N = 3. No Apêndice E existem várias tabelas que auxiliarão na recolha de dados para o dimensionamento do sistema. O restante deste capítulo irá cobrir detalhadamente as informações que você precisa recolher ou estimar, e como usá-las no método do pior mês.

Dados a recolher

Latitude da instalação. Lembre-se de usar um sinal positivo no hemisfério norte e negativo no hemisfério sul. Dados de radiação solar. Para o método do pior mês é suficiente saber doze valores, um para cada mês do ano. Os doze números serão os valores médios da irradiação global diária em um plano horizontal (Gdm(0), em kWh/m2 por dia). O valor mensal é a soma de todos os valores diários de irradiação global, dividida pelo total de números de dias do mês. Se você tiver este dado disponível em Joules (J), aplique a seguinte fórmula de conversão:

1 J = 2.78 x 10-7 kWh

Os dados de irradiação Gdm(0) de muitos lugares do mundo podem ser obtidos de tabelas e bases de dados. Você deve verificar estes dados em uma estação meteorológica próxima à instalação de seu sistema, mas não se surpreenda se você não conseguir encontrar estes dados em formato electrónico. Sempre é uma boa ideia consultar as empresas que instalam sistemas fotovoltaicos na sua região, já que a experiência delas pode ser de grande valor. Não confunda "horas de sol" com o número de "horas de pico de sol". O número de horas de pico de sol não tem nada a ver com o número de horas sem nuvens, mas refere-se à média da irradiação diária. Um dia com cinco horas de sol, sem nuvens, não tem necessariamente estas cinco horas com o sol em seu zénite (ponto mais alto). Uma hora de pico de sol é um valor normalizado da radiação solar de 1000 W/m2 a 25°C. Então, quando nos referimos a cinco horas de pico de sol, isto implica uma radiação solar de 5000 W/m2.

Características eléctricas dos componentes do sistema

As características eléctricas dos componentes de seu sistema devem ser fornecidas pelos fabricantes. É aconselhável que você faça as suas próprias medidas para verificar desvios dos valores nominais. Infelizmente, desvios dos valores prometidos pelos fabricantes podem ser grandes e devem ser esperados. Há um conjunto mínimo de valores que você deve obter antes de começar o dimensionamento de seu sistema:

Painéis

Você precisa saber a voltagem V e a corrente I no ponto de máxima:

"	^	Pmax	Pmax "

Devem ser conhecidas a capacidade nominal (para 100 horas de descarga) CNBat, voltagem operativo VNBat e a máxima profundidade de descarga (ou a máxima capacidade utilizável CUBat). Você deve decidir também o tipo de bateria que planeia usar: chumbo-ácido, gel, AGM, tracção modificada, etc. O tipo de bateria é importante na decisão dos pontos de corte do regulador.

Regulador

Você deve conhecer a voltagem nominal VNReg e a máxima corrente na qual:

Você dev ele pode operar I .

maxReg

Conversor/Inversor DC/AC

Caso você esteja a usar um conversor, você precisa conhecer a voltagem nominal VNConv, a potência instantânea PIConv e o desempenho a 70% da carga máxima H70.

Equipamento ou carga

É necessário conhecer a voltagem nominal VNC e a potência nominal de operação PC para cada peça de equipamento alimentada pelo sistema. A fim de conhecer a energia total que sua instalação irá consumir, também é muito importante considerar o tempo em que cada equipamento será utilizado. Ele é constante? Ou será usado uma vez por dia, semana, mês, ano? Lembre- se que qualquer mudança no uso pode impactar a quantidade de energia necessária (uso sazonal, períodos de aula ou aprendizagem, etc).

Outras variáveis

Além das características eléctricas dos componentes e sua carga, é necessário decidir sobre outras duas informações antes de dimensionar o sistema fotovoltaico. Estas decisões são o número de dias de autonomia requeridos e a voltagem operativo do sistema.

N, número de dias de autonomia

Você precisa decidir sobre qual valor de N irá contrabalançar as condições meteorológicas através do tipo de instalação e seu custo. É impossível determinar um valor concreto de N que seja válido para todas as instalações, mas a tabela a seguir recomenda alguns valores. Tome estes valores como uma mera aproximação e consulte um projectista experiente antes de chegar a uma decisão final.

VN, voltagem nominal da instalação

Os componentes do seu sistema devem ser escolhidos para operar na voltagem nominal VN. Esta voltagem é usualmente 12 ou 24 Volts para sistemas pequenos e, caso o consumo total ultrapasse 3 kW, a voltagem será 48 V. A seleção de VN não é arbitrária e depende da disponibilidade dos equipamentos. Caso o equipamento permita, tente fixar a voltagem nominal para 12 ou 24 V. Muitas placas para redes wireless aceitam uma ampla variação de tensão de entrada, podendo ser usados sem um conversor. Caso você necessite de muitos tipos de equipamentos que trabalhem com diferentes voltagens nominais, calcule a que minimiza o consumo de energia em geral, considerando as perdas na conversão DC/DC e DC/AC.

Procedimento de cálculo

Há três passos principais que devem ser seguidos para o cálculo apropriado do tamanho de um sistema:

• Calcule a energia solar disponível (a oferta). Com base em dados estatísticos de radiação solar, na orientação e inclinação óptima dos painéis, calculamos a energia solar disponível. Esta estimativa é feita em intervalos mensais, reduzindo os dados estatísticos a 12 valores. Assim chegamos a um razoável equilíbrio entre precisão e simplicidade.

• Estime os requerimentos de energia eléctrica (a demanda). Registe as características de consumo de potência do equipamento escolhido, assim como sua estimativa de uso. A seguir, calcule a energia eléctrica que será requerida mensalmente. Você deve considerar flutuações no uso devido às variações entre outono e inverno, períodos de chuva e seca, férias ou actividade escolar, etc. O resultado serão 12 valores de demanda de energia, um para cada mês do ano.

• Calcule o tamanho ideal do sistema (o resultado). Com os dados do pior mês, quando a relação entre a energia demandada e a disponível é a maior, calculamos:

• • A corrente que a matriz de painéis deve suprir, que irá determinar o número mínimo de painéis
  • A quantidade de armazenamento de energia que deve cobrir o mínimo número de dias de autonomia, que determinará o número necessário de baterias
  • As características eléctricas do regulador
  • O comprimento e bitola dos cabos para as ligações eléctricas.
• Corrente requerida no pior mês. Para cada mês, você precisa calcular o valor de Im, que é a corrente máxima diária que a matriz de painéis precisa fornecer em voltagem nominal VN, em um dia com uma irradiação Gdm para o mês "m" com painéis com inclinação 13 graus.

O Im (PIOR MÊS) será o maior valor de Im, e o dimensionamento do sistema é baseado nos dados deste pior mês. Os cálculos de Gdm(B) para um determinado local podem ser baseados em Gdm(0) usando o auxílio de software como PVSYST (http://www.pvsyst.com/) ou PVSOL (http:// www. solardesign.co. uk/). Devido a perdas no regulador e baterias e também ao fato de que os painéis nem sempre funcionam em seu ponto de máxima potência, a corrente requerida ImMAX é calculada assim:

I = 1.21 I (PIOR MES)
mMAX

Uma vez determinado o pior mês, o valor ImMAX e o total de energia requerida ETOTAL (PIOR MÊS), você pode seguir para os cálculos finais. ETOTAL é a soma de todas as cargas DC e AC, em Watts. Para calcular o ETOTAL veja o Apêndice E.

Número de painéis

Combinando painéis solares em série ou paralelo, podemos obter a voltagem e corrente desejadas. Quando os painéis são ligados em série, sua voltagem é igual à soma das voltagens individuais de cada módulo, enquanto a corrente fornecida não muda. Quando ligados em paralelo, as correntes são somadas enquanto a voltagem não muda. É muito importante utilizar painéis de características aproximadamente idênticas na construção de uma matriz. Você deve tentar adquirir painéis com um Vpmax um pouco maior que a voltagem nominal do sistema (12, 24 ou 48 V). Lembre-se que você precisa fornecer alguns volts além da voltagem nominal da bateria para poder carregá-la. Caso não seja possível encontrar um painel único que satisfaça estes requerimentos, você deverá liga-los em série para atingir a voltagem desejada. O número de painéis em série Nps é igual à voltagem nominal do sistema dividida pela voltagem de um painel único, arredondado para o número inteiro mais próximo.

N = V / V
ps	N	Pmax

Para calcular o número de painéis em paralelo (Npp), você precisa dividir o ImMAX pela corrente de um painel único no ponto de máxima potência Ipmax, arredondando para o número inteiro mais próximo.

Npp ImMAX / IPmax

O número total de painéis resulta da multiplicação do número de painéis em série (para a voltagem necessária) e o número dos painéis em paralelo (para a corrente).

N = N x N
TOTAL	ps	pp

Capacidade da bateria ou acumulador

A bateria determina a voltagem do sistema de uma forma geral e precisa ter capacidade suficiente para fornecer energia aos equipamentos quando não há necessária irradiação solar. para estimar a capacidade da bateria, primeiro calculamos a capacidade de energia requerida pelo sistema (capacidade necessária, CNEC). A capacidade necessária depende da energia disponível durante o pior mês e do número desejado de dias de autonomia (N).

CNEC (Ah)= Etotal(PIOR MÊS)(Wh) / VN(V) x N

A capacidade nominal da bateria C precisa ser maior que C , já que:

NOM	NEC

Não podemos descarregar totalmente a bateria. para calcular o tamanho da bateria que necessitamos, temos que considerar a máxima profundidade de descarga (DoD) permitida pela mesma:

CNOM(Ah) = CNEC(Ah) / D°DMAX

A fim de calcular o número de baterias em série (N), dividimos a voltagem nominal de nossa instalação (VN) pela voltagem nominal de uma única bateria(VNBat):

N = V / V.,
NBat 

Regulador

Uma observação importante: sempre use reguladores em série, nunca em paralelo. Caso seu regulador não suporte a corrente requerida por seu sistema, você deve comprar um outro regulador com uma capacidade maior de corrente. Por razões de segurança, um regulador deve ser capaz de operar com uma corrente ImaxRe ao menos 20% maior que a máxima intensidade fornecida pela matriz de painéis:

I = 1.2 NI
maxReg	pp PMax

Inversor DC/AC

A energia total necessária para um equipamento AC é calculada incluindo-se todas as perdas que são introduzidas pelo conversor DC/AC, ou inversor. Na escolha de um inversor, tenha em mente que o desempenho do mesmo varia de acordo com a quantidade de potência requerida. Um inversor tem seu melhor desempenho quando opera na proximidade de sua potência nominal. O uso de um inversor de 1500 W em uma carga de 25 W é extremamente ineficiente. A fim de evitar o desperdício de energia, é importante considerar não a potência de pico de todos os seus equipamentos, mas a potência de pico dos equipamentos que poderão estar simultaneamente em operação.

Cabos para painéis solares

Uma vez que você saiba o número de painéis e baterias e o tipo de reguladores e inversores que precisará usar, é necessário calcular o comprimento e bitola dos cabos que irão conectar todos estes componentes. A comprimento depende da localização dos equipamentos. Você deve tentar minimizar o comprimento dos cabos entre o regulador, painéis e baterias. Usando cabos curtos, você minimiza a perda de energia e o investimento em cabos. A grossura (bitola) é escolhida com base no tamanho do cabo e na máxima corrente que irá passar pelo mesmo. O objectivo é minimizar quedas de tensão. A fim de calcular a bitola S de um cabo é necessário conhecer:

• A máxima corrente I que irá passar pelo cabo. No caso de um subsistema painel-bateria, ela é a ImMAX calculada para cada mês. No subsistema bateria-carga, ela depende da forma como as cargas estão ligadas.

• A queda de voltagem (Va - Vb) é a que consideramos aceitável para o cabo. Ela resulta da adição de todas as possíveis quedas e é expressa como um percentual da voltagem nominal da instalação. Valores máximos típicos são:

Queda de voltagem aceitável em cabos. A bitola S de um cabo é determinada pela lei de Ohm:

S(mm2) = r(Qmm2/m)L(m) I (A)/ (V -V )(V)
mMAX	a b

Onde S é a bitola (secção ou "grossura") do cabo, r é a resistência (propriedade intrínseca do material: para o cobre, 0,01286 Qmm 2/m) e Lo comprimento. O S é escolhido tendo em consideração os cabos disponíveis no mercado. Você deve escolher a bitola imediatamente superior àquela obtida com o uso da fórmula acima. Por razões de segurança, há alguns valores mínimos: para o cabo que liga os painéis e a bateria, o mínimo é de 6 mm2. Para outros usos, o mínimo é de 4 mm2.

Custo de uma instalação de energia solar

Mesmo que a energia solar seja gratuita, o equipamento necessário para transformá-la em energia eléctrica útil não é. Você não apenas necessita comprar o equipamento que transforma a energia solar em electricidade e a armazena para o uso, mas também deve ser capaz de substituir e fazer a manutenção dos vários componentes do sistema. A questão da substituição de equipamentos é frequentemente esquecida, mas um sistema de energia solar deve ser implementado com um plano de manutenção apropriado. A fim de calcular o real custo de sua instalação, fornecemos um exemplo. A primeira coisa a fazer é calcular o investimento inicial (valores em dólares americanos).

O cálculo de nosso investimento é relativamente fácil uma vez que o sistema foi bem dimensionado. Você necessita apenas adicionar o preço para cada componente e o custo de mão-de-obra para instalar e conectar os equipamentos. Para simplificar, não incluímos os custos de transporte e instalação, mas você não deve esquecer deles. Para saber quanto o sistema realmente irá custar, devemos estimar quanto tempo cada componente irá durar e com que frequência devemos substituí-lo. Em contabilidade, isto é chamado de amortização. Nossa nova tabela, contemplando estes factores, ficará assim (valores em dólares americanos):

Teste com baterias

Teste com router alimentado a baterias para AP sustentado a energia solar by cmsv

Editor

--Cmsv 10h49min de 13 de janeiro de 2010 (GMT)