Como projetar uma central fotovoltaica (solar)? Um guia passo a passo para projetar um sistema fotovoltaico 2025-07-14
Como projetar uma central fotovoltaica (solar)? Um guia passo a passo para projetar um sistema fotovoltaico
A geração de energia fotovoltaica (PV) refere-se especificamente a um sistema de geração de energia que usa módulos fotovoltaicos para converter diretamente energia solar em eletricidade.
É um método novo e promissor para geração de energia e utilização de energia abrangente. Defende os princípios de gerar eletricidade localmente, conectar-se à rede localmente e converter energia localmente. Esta abordagem não só aumenta eficazmente a capacidade de geração de energia das centrais fotovoltaicas da mesma escala, mas também resolve a questão da perda de energia durante o impulso de tensão e transmissão de longa distância.
Um sistema de geração de energia fotovoltaica consiste em módulos, estruturas de montagem, inversores, materiais auxiliares e construção. Entre estes, os módulos representam a maioria do custo, enquanto as estruturas de montagem representam uma porção menor, como mostrado na figura abaixo.
**Relativamente pequena potência de saída
Geralmente, a capacidade de um projeto de geração de energia fotovoltaica distribuída está dentro de alguns quilowatts.
Ao contrário das centrais centralizadas, o tamanho de uma central fotovoltaica tem pouco impacto na sua eficiência de geração de energia e, portanto, pouco efeito na sua viabilidade económica. O retorno dos investimentos para sistemas fotovoltaicos de pequena escala não é necessariamente inferior ao dos sistemas de grande escala.
** Baixa poluição e benefícios ambientais significativos **
Os projetos de geração de energia fotovoltaica distribuídos não produzem ruído durante a operação e não causam poluição do ar ou da água.
** Pode parcialmente aliviar as carências de energia local
No entanto, a densidade de energia da geração de energia fotovoltaica distribuída é relativamente baixa, com uma potência de apenas cerca de 100 watts por metro quadrado. Além disso, a área de cobertura limitada adequada para instalar módulos fotovoltaicos significa que ele não pode fundamentalmente resolver a escassez de energia.
** Geração e Consumo de Energia Simultâneas
As centrais eléctricas terrestres de grande escala geram electricidade ligando-se à rede de transporte após o impulso de tensão, operando exclusivamente como instalações de produção de energia. Em contraste, a geração distribuída de energia fotovoltaica conecta-se à rede de distribuição, permitindo geração e consumo simultâneos de energia, com ênfase no consumo local.
** Introdução
A utilização de sistemas fotovoltaicos distribuídos é um meio eficaz para conseguir a conservação de energia e a redução das emissões. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia, os sistemas fotovoltaicos distribuídos tornaram-se cada vez mais maduros. Normas e especificações técnicas relevantes, como GB/T 19939-2005 "Requisitos técnicos para conexão de grade de sistemas de geração de energia fotovoltaica" e GB/T 29319-2012 "Requisitos técnicos para inversores conectados à grade de sistemas de geração de energia fotovoltaica", fornecem suporte técnico para o projeto, instalação e operação de sistemas fotovoltaicos distribuídos.
** Segurança
A concepção dos sistemas fotovoltaicos distribuídos deve respeitar as normas nacionais e as regulamentações da indústria relevantes para garantir a segurança do sistema. A proteção de raios e o design de aterramento são aspectos cruciais para evitar danos aos equipamentos e garantir a segurança do pessoal. O projeto do sistema também deve considerar fatores ambientais e segurança operacional para minimizar riscos.
** Benefícios económicos **
Os benefícios económicos dos sistemas fotovoltaicos distribuídos são significativos. Ao utilizar telhados ociosos ou espaços abertos para geração de energia, reduz a dependência em fontes de energia tradicionais, reduz os custos de eletricidade e proporciona um retorno estável do investimento.
Impacto Ambiental
A geração de energia fotovoltaica distribuída tem um impacto ambiental mínimo. Ajuda a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e a poluição atmosférica, contribuindo para o desenvolvimento sustentável e a protecção do ambiente.
** Exemplos de aplicação **
Nos últimos anos, os sistemas fotovoltaicos distribuídos têm sido amplamente aplicados em ambientes residenciais, comerciais e industriais em várias regiões. Estudos de caso bem sucedidos demonstram sua viabilidade e eficácia, proporcionando experiência valiosa para projetos futuros.
** Visão geral do projecto **
Este projeto utiliza aproximadamente 30 m2 de área de cobertura eficaz, compreendendo 12 peças de módulos fotovoltaicos 260Wp. A estrutura de montagem é feita de liga de alumínio com uma vida útil de 30 anos. A capacidade total instalada é de 3,12KWp para um sistema de geração de energia fotovoltaica distribuído no telhado.
O sistema usa um inversor 3KW Omnik PV para converter a potência DC em 220V AC, que é então conectada à linha 220V levando à caixa de distribuição interior existente do proprietário. A partir daí, ele se conecta à rede de distribuição de baixa tensão do proprietário através de uma linha 220V, permitindo a entrega de energia para a rede municipal.
** Localização do Projeto **
O projeto está localizado no Condado de Hong'an, nordeste da província de Hubei, nas encostas sulistas das Montanhas Dabie. Faz fronteira com Macheng a leste, Dawu a oeste, Huangpi (Wuhan) a sul e Xinyang (Henan) a norte. O condado fica a 80 km da capital provincial, Wuhan.
O período médio sem geada é de 236,4 dias por ano. A precipitação média anual é de 1.116,2 mm, sendo que a pluviosidade média anual é de metade do total. A neve média anual é de 8,3 dias, a umidade relativa média é de 77%, e a velocidade média do vento é de 3 na escala Beaufort. A duração média anual do sol é de 1.998,8 horas, representando 45% das possíveis horas de sol. A área é classificada como uma região de recursos solares de Classe III.
PV(painel solar)Selecção do Módulo
Este projeto utiliza módulos de células solares de silício policristalino 260P-60 com potência nominal de 260Wp.
** Selecção do Inversor de Grade de VPP
Como o projeto envolve um sistema residencial distribuído com uma tensão de conexão de rede de AC220V, um inversor fotovoltaico monofásico é selecionado.
** Seleção do Site**
Para sistemas residenciais e domésticos distribuídos de geração de energia fotovoltaica, o local é tipicamente escolhido em telhados ou em terreno aberto. Portanto, condições naturais de grande escala (radiação solar, localização geográfica, transporte, fontes de água) e condições de conexão de grade (distância para o ponto de conexão, espaçamento de pontos de conexão, etc.) não são consideradas aqui.
Fatores ambientais afetam mais diretamente a seleção do local para sistemas residenciais e domésticos de geração de energia fotovoltaica distribuída. As principais considerações incluem:
A. Presença de obstáculos de sombreamento (tanto a curto como a longo prazo) B. Presença de danos ao sal ou poluição C. Neve de inverno, gelo, relâmpago e outros perigos
Para este projeto, a instalação está no telhado do proprietário, sem prédios altos nas proximidades, por isso não é necessária análise de sombra durante o layout do projeto.
** Ângulo vertical e orientação para as antenas fotovoltaicas **
Para maximizar os retornos do projeto e simplificar a instalação, garantindo o apelo estético, a análise profissional de software de simulação de PV indica que o ângulo de inclinação solar ideal para este local é de 26 graus, voltado para o sul.
Isso garante que a geração de energia do sistema seja maximizada ao longo do ciclo anual.
Considerando fatores como a resistência da estrutura de montagem do PV, o custo do sistema e a utilização da área do teto, o ângulo de inclinação é ajustado para reduzir a exposição ao vento, aumentar a resistência estrutural, reduzir os custos e melhorar a utilização do espaço, sem reduzir significativamente a geração de energia (não mais de 1%).
A análise sugere um ângulo de inclinação recomendado de aproximadamente 17 graus (alinhado com a inclinação virada para sul do telhado).
Espaço Optimal Entre Arrays PV
Para alcançar a melhor geração anual de energia e maximizar a utilização do teto, o espaçamento entre as matrizes fotovoltaicas deve impedir o sombreamento mútuo entre as 9h00 e as 15h00 no solstício de inverno (22 ou 23 de dezembro). Este espaçamento é considerado ótimo.
A simulação profissional do software PV mostra que com um ângulo de inclinação de 17 graus e um espaçamento mínimo de 5 metros entre os pontos mais baixos das matrizes adjacentes, o sombreamento mútuo é efetivamente evitado durante o tempo especificado no solstício de inverno.
Series-Parallel Design for PV Arrays
Em sistemas de geração de energia fotovoltaica distribuídos, módulos de células solares são conectados em série para formar cordas. As conexões de série aumentam a tensão DC do sistema para corresponder ao intervalo de tensão de entrada do inversor, garantindo que o sistema opera dentro dos limites do inversor em diferentes condições de radiação solar e temperatura.
Para este projeto, a tensão DC máxima do inversor (tensão máxima de circuito aberto de array) é de 550V, com uma faixa máxima de rastreamento de ponto de potência (MPPT) de 70-550V e um canal MPPT por conexão paralela.
Usando 12 peças de módulos de célula solar de silício policristalino 260W, cada um com uma tensão operacional nominal de 31.2V e uma tensão de circuito aberto de 38V, o projeto preliminar requer 12 módulos em série.
Em condições de teste padrão (25±2°C, irradiância solar de 1.000 W/m2), a tensão de funcionamento nominal da corda de 12 módulos é de 374.4V, e a tensão de circuito aberto é de 456V, ambos dentro do intervalo de entrada permitido pelo inversor, garantindo uma operação normal.
Em condições variáveis:
A uma temperatura extremamente baixa de -10°C, a tensão máxima do ponto de alimentação é de 12 × 31,2 × (0,35% × 35 + 1) = 420,3V, atendendo à necessidade máxima de tensão de entrada de 550V MPPT.
A uma temperatura extremamente elevada de 42°C, a tensão de funcionamento é de 12 × 31.2 × (-0.35% × 17 + 1) = 352.1V, atendendo à tensão mínima de entrada de 70V MPPT.
Contando com uma perda de tensão de 2% do sistema, o projeto atende plenamente aos requisitos operacionais.
Após verificação, o número de módulos em série é confirmado como 12.
** Desenho de Sistema Eléctrico **
Com base na seleção de módulos fotovoltaicos, seleção de inversores e design paralelo em série, o sistema elétrico para este projeto de geração de energia fotovoltaica é projetado de acordo com os requisitos de conexão de baixa tensão do proprietário.
**Proteção de iluminação e design de aterramento **
Os componentes básicos de um sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede incluem: a matriz de células solares, caixa de combinação fotovoltaica, transformador de caixa e inversor.
A estrutura de montagem para a matriz de células solares é feita de metal e ocupa um grande espaço, tipicamente instalado em áreas abertas. Durante as tempestades, é particularmente vulnerável aos relâmpagos. Dado o alto custo de módulos fotovoltaicos e inversores, a proteção eficaz de raios e picos é essencial para evitar perdas econômicas.
As principais medidas de proteção contra relâmpagos para as centrais fotovoltaicas ligadas à rede incluem:
Dispositivos externos de proteção contra relâmpagos como pára-raios, tiras e redes para reduzir os efeitos eletromagnéticos das correntes de raios entrando em edifícios e proteger estruturas.
Os equipamentos fotovoltaicos e sistemas de aterramento são interligados usando aço galvanizado, com tratamento anticorrosão em pontos de soldagem. Isto reduz a resistência global ao aterramento e cria uma superfície equipotencial, minimizando as sobretensões causadas por raios.
Os eletrodos de aterramento horizontal são enterrados pelo menos 0,5 metros de profundidade (abaixo da linha de geada) e conectados em um padrão de grade usando pinças cruzadas. As conexões subterrâneas devem ser enroladas com fita resistente à corrosão.
Para este projeto, o projeto de proteção de raios inclui proteção externa (condutores de terra) e proteção interna (proteção de emergência).
Descrição do projeto da proteção de iluminação:
Proteção externa: Os componentes metálicos da matriz fotovoltaica (estrutura de montagem, molduras de módulos, etc.) estão conectados à faixa de proteção de raios existente no telhado usando eletrodos de aterramento horizontal.
Proteção interna: Um protetor de onda Classe II é instalado entre os fios neutros, vivos e de terra na saída AC do inversor amarrado. O terminal de aterramento do protetor de onda está conectado à rede de aterramento (existente ou recentemente instalada) através de eletrodos de aterramento horizontal.
6 Análise de receitas
Referências-chave:
Métodos e Parâmetros para Avaliação Econômica de Projetos de Construção (Terceira Edição) (emitido pela Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e pelo Ministério da Construção em julho de 2006), Aviso do Conselho de Estado sobre a implementação do julgamento de um sistema de capital para projetos de investimento de ativos fixos, e outras políticas nacionais relevantes.
Políticas da Província de Hubei.
Taxas de juros de empréstimo atuais nacionais, regulamentos fiscais e disposições relacionadas.
Avaliação financeira
O investimento estático total para este projeto é ¥28.100, com uma vida útil de 20 anos (1 mês de construção e 20 anos de operação). O rácio de capital é de 100%, tendo o primeiro ano como ano de base. O período de depreciação é de 20 anos, com uma taxa residual de 5%.
Outros parâmetros financeiros baseiam-se em normas nacionais ou industriais.
** Principais indicadores económicos e técnicos
Não.
Item
Unidade
Valor
1
Capacidade Total Instalada
kWp
3.12
2
Geração de energia cumulativa de 20 anos
kWh
63.690
3
Geração média anual de energia
kWh
2,81
4
Potência Máxima
kW
-
5
Horas médias anuais de utilização eficaz
h
6
Fonte de alimentação média anual por unidade de área
kWh/m2
1.69
7
Fonte de alimentação anual média de 20 anos
kWh
6.39
8
Horas de carga completa equivalentes
h/kWh
0,42 (20 anos)
9
Custo médio da electricidade por kWh
¥/kWh
0, 25 (5 anos)
10
Investimento inicial por unidade de capacidade
¥/kWh
0,567
11
Margem de lucro média anual
%
3.58
12
Taxa interna de retorno
%
6.37
Nota: Para a pequena geração de energia distribuída residencial, o Estado isenta o imposto sobre o valor acrescentado (IVA).
Este projeto tem uma capacidade instalada total de 3,12KWp, com uma geração de energia acumulada de 63,690 kWh ao longo de 20 anos. Opera em um modo "autoconsumo com excesso de energia alimentada à rede", com uma taxa de autoconsumo de 70%. A taxa interna de retorno (IRR) sobre o capital próprio é de 6,37%, e o período de retorno é de 7,76 anos.
Após a conclusão, a central fotovoltaica de 3,12KW gerará uma média anual de 3.123 kWh (calculada em 25 anos). Com base num consumo teórico de carvão de 350g de carvão normal por kWh para a geração de energia térmica, os benefícios de poupança de energia e redução de emissões são os seguintes:
Tabela: Indicadores de avaliação de impacto ambiental
** Indicador **
Unit
**Valor
** Conversão de unidades**
**Valor
** Standard Coal Equivalente (tce)**
** Factor de emissão (25 t/ano)
** Emissões de dióxido de enxofre (2007)
kgce/kWh
0, 35
tce
1.09
27.33
Sistema Fotovoltaico Distribuído
kg/kWh
1
t
3.12
78,08
Sistema Fotovoltaico Distribuído
g/kWh
3.35
t
0,01
0, 26
** Redução de CO2 **
g/kWh
859,845
t
2.69
67.13
** Redução de SO2 **
g/kWh
8.03
t
0,03
0,63
Notas:
"kgce/kWh" é traduzido como "kgce por kWh" (kg de equivalente-carvão padrão por quilowatt-hora).
"tce" significa "tonelada de equivalente de carvão".
Os valores são traduzidos conforme fornecido, com "t" representando toneladas métricas e "g/kWh" como gramas por quilowatt-hora.
A estrutura da tabela e as unidades são preservadas para clareza e consistência.
O investimento total para o projeto de redução da pobreza fotovoltaica de 3,12KW distribuído no telhado é ¥28,100, com uma geração anual de energia de aproximadamente 3.184 kWh e uma receita anual de cerca de ¥3,200.
Por conseguinte, os sistemas fotovoltaicos domésticos distribuídos não só oferecem rendimentos de investimento estáveis e excelentes efeitos de poupança de energia e redução de emissões, como também abordam eficazmente as questões de rendimento para as populações de baixa renda, atingindo uma redução da pobreza.
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