Dimensionamento de Sistema Solar Fotovoltaico

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AULA 2 
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA 
SOLAR FOTOVOLTAICO
Prof. Fausto Batista Felix Silva 
 
 
2 
TEMA 1 – ELEMENTOS PARA DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA 
FOTOVOLTAICO 
1.1 Introdução 
Para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico, é necessário analisar 
algumas características importantes que compõem os parâmetros necessários 
para estabelecer todos os elementos do sistema fotovoltaico. 
Algumas informações são primordiais para se iniciar o dimensionamento, 
tais como a irradiação no local da instalação para determinar a potência, qual tipo 
de sistema será implementado, ou seja, se será conectado à rede (SFVCR) ou se 
será um sistema isolado (SFVI), se o dimensionamento será feito a partir da 
demanda de energia por meio do estudo da fatura do contribuinte, se o sistema 
será dimensionado a partir de uma potência estabelecida ou ainda se será 
dimensionado a partir de uma área. 
TEMA 2 – RADIAÇÃO SOLAR DIRETA, DIFUSA, GLOBAL E DEVIDO AO 
ALBEDO 
2.1 Radiação Solar 
Radiação solar é a forma de transferência de energia advinda da 
propagação de ondas eletromagnéticas do sol, que possui uma distância média 
de 150.000.000 km da terra, as radiações emitidas por ele atingem a camada 
externa da atmosfera terrestre com intensidade que depende dessa distância. A 
intensidade média é conhecida como “constante solar” (GAM0) onde GAM0 = 1.367 
W/m2. Na superfície terrestre a intensidade de radiação máxima é cerca de GHOR 
= 1.000 W/m². 
2.2 Componentes da Radiação Solar 
Fazem parte das componentes de radiação a radiação solar direta que é 
incidente em uma superfície, sem ter sido espalhada pela atmosfera, podendo ser 
horizontal ou normal; a radiação solar difusa que é espalhada por partículas de 
água e/ou nuvens e também a radiação devido ao albedo que é o índice relativo 
à fração da energia radiante solar, recebida em uma unidade de área, devido à 
 
 
3 
refletância dos arredores e do solo. A Figura 1 abaixo mostra as componentes da 
radiação solar. 
Figura 1 – Componentes da radiação solar 
 
Crédito: Flávio Oliveira. 
2.3 Banco de dados para radiação solar 
Para determinar o comportamento de radiação solar no local da instalação 
ao longo de um dia médio e ao longo do ano bem como os valores de irradiação 
diários médios de cada mês e anual, presentes na superfície analisada, é possível 
utilizar de recursos computacionais que estabelecem valores e gráficos com tal 
comportamento. Para se levantar o recurso solar, são utilizados radiômetros em 
estações solarimétricas para medir a irradiância. Os sistemas computacionais 
estimam a irradiância ou irradiação a partir de dados meteorológicos e de outros 
tipos, e os dados são validados baseados em dados medidos obtidos nas 
estações meteorológicas. A Figura 2, a seguir, demostra a relação da irradiância 
e irradiação a parir da radiação solar, também apresenta os instrumentos de 
medição de irradiância utilizados nas estações solarimétricas e as unidades de 
medidas utilizadas para essas grandezas. 
 
 
 
 
 
4 
Figura 2 – Irradiância e Irradiação (medição e unidades) 
 
Crédito: Elias Aleixo Dahlke. 
O banco de dados de irradiação possui dados com históricos de medição 
de 10 anos ou mais, a partir dos dados de irradiância é possível calcular a 
Irradiação. Com o projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment 
ou Avaliação de recursos de energia solar e eólica) foi desenvolvido o Atlas 
Brasileiro de Energia Solar, que mostra o potencial solar brasileiro que apresenta 
mapas de irradiação global horizontal e inclinada (latitude), mapas sazonais e 
anuais, e também banco de dados conforme mostram as figuras 3, 4 e 5 a seguir. 
 
 
 
5 
Figura 3 – Mapa de Irradiação Global e horizontal – Média Anual 
 
Crédito: João Miguel. 
Figura 4 – Mapa de Irradiação Global e horizontal– Média Sazonal 
 
 
Crédito: João Miguel. 
 
 
 
6 
Figura 5 – Mapa de Irradiação no plano inclinado 
 
Crédito: João Miguel. 
TEMA 3 – RADIASOL 
O programa RADIASOL é utilizado para calcular a irradiação (kWh/m2.dia) 
para diferentes ângulos de inclinação e de desvio azimutal, a partir dos valores de 
irradiação global horizontal. As informações são alimentadas a partir do banco de 
dados do projeto SWERA. O programa foi desenvolvido pelo O LABSOL 
(Laboratório de Energia Solar da UFRGS), sua primeira versão do programa 
RADIASOL tinha como objetivo atender à demanda de profissionais de 
engenharia e arquitetura a encontrar dados para a radiação solar média incidente 
em planos de orientação qualquer para o dimensionamento de sistemas 
fotovoltaicos. Uma segunda versão estende a possibilidade de utilizar os dados 
do projeto SWERA para toda a América Latina, além, evidentemente, de ser 
permitido inserir dados digitando-os para cada localidade, conforme é 
demonstrado nas Figuras 6 e 7 abaixo. 
 
 
 
 
 
7 
Figura 6 – Banco de Dados RADIASOL pela estação de medição 
 
Crédito: Smile ilustra. 
Figura 7 – Banco de Dados RADIASOL possível de se digitar 
 
Crédito: Programa RADIASOL. 
As Figuras 8 e 9, a seguir, mostram a interface gráfica do software 
RADIASOL, apresentando a radiação solar diária na estação meteorológica de 
Curitiba, e também mostra a tabela de radiação inclinada, dados esses que fazem 
parte do dimensionamento do sistema fotovoltaico determinando a irradiação solar 
no plano do módulo fotovoltaico (HTOT em (Wh/m².dia ou kWh/m².dia), utilizado 
como base de cálculo para determinar a potência instalada (Wp). 
 
 
 
 
8 
 
Figura 8 – Radiação Solar diária 
 
Crédito: Programa RADIASOL. 
Figura 9 – Radiação Inclinada 
 
Crédito: Programa RADIASOL. 
 
 
 
9 
TEMA 4 – Dimensionamento de SFVCR 
Para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede, é 
possível estabelecer um roteiro de dimensionamento para calcular a potência do 
sistema, perspectiva de geração de energia, a quantidade de módulo do sistema, 
a potência do inversor e o dimensionamento de condutores. 
4.1 Estimativa de consumo 
A estimativa do consumo médio diário, mensal ou anual de energia 
(kWh/dia, kWh/mês ou kWh/ano) é feita a partir da análise do quadro de previsão 
de cargas ou fatura de energia elétrica dos últimos 12 meses. A fatura de energia 
elétrica consiste em um documento comercial que apresenta a quantia monetária 
total que deve ser paga pelo consumidor à distribuidora, em função do 
fornecimento de energia elétrica, da conexão e uso do sistema ou da prestação 
de serviços, devendo especificar claramente os serviços fornecidos, a respectiva 
quantidade, tarifa e período de faturamento. As classes de consumo são as 
diversas classes aplicadas a cada tipo de consumidor, conforme a Resolução 
Normativa Aneel n. 414/2010. As classes podem ser definidas como: residencial, 
industrial, comercial, rural e poder público. 
4.2 Análise da Fatura 
A análise da fatura do consumo de energia é feita coletando os valores de 
consumo dos últimos 12 meses que está disponível no campo de histórico de 
consumo e pagamento. Para determinar o valor de energia a ser produzida no 
sistema fotovoltaico, deve-se fazer a média do consumo de energia coletado nos 
últimos 12 meses. A Figura 10 a seguir mostra uma fatura de energia em que 
contém o histórico de consumo. 
Para esse caso, a média de energia é de 315,64 kWh, ou seja, para o 
dimensionamento de um sistema fotovoltaico essa seria a energia que seria 
utilizada no cálculo de dimensionamento, porém, se for considerada para o cálculo 
a energia diária, esse valor deve ser dividido por 30, ou seja, a energia diária seria 
de 10,52kWh nesse caso. 
 
 
 
10 
Figura 10 – Fatura do Consumo de Energia 
 
Fonte: Silva, 2021. 
4.3 Dimensionamento do Painel 
A partir dos dados calculado de irradiação (HTOT) e da energia diária a ser 
gerada, é possível calcular a potência instalada do sistema fotovoltaico por meio 
da fórmula a seguir. 
𝑃𝐹𝑉=
𝐸 . 𝐺
𝐻𝑇𝑂𝑇. 𝑃𝑅
 
• PFV: é a potência instalada (Wp). 
• E: é a energia diária a ser gerada (Wh). 
• G: é a irradiância na condição STC (1000W/m²). 
• HTOT: é a irradiação diária (Wh/m²). 
• PR: é a performance ratio do SFVCR (0,7 a 0,8). 
Caso o dimensionamento seja feito tendo já definido a potência do painel 
fotovoltaico, é possível utilizar a mesma fórmula, porém, nessa aplicação, seria 
calculada qual seria a energia produzida. Nesse caso, a fórmula ficaria na seguinte 
configuração: 
𝐸 =
𝑃𝐹𝑉 . 𝐻𝑇𝑂𝑇 . 𝑃𝑅
𝐺
 
4.4 Estimativa da área requerida pelo painel 
A partir da definição da potência do painel fotovoltaico, é possível calcular 
qual a área necessária para instalação do painel. Assim, é possível definir se o 
espaço escolhido para instalação do sistema fotovoltaico é compatível com a 
 
 
11 
potência. Da mesma forma, calcula-se também a potência de um sistema 
fotovoltaica a partir de uma área conhecida. A equação a seguir mostra como é 
possível calcular a área requerida pelo painel FV (m²) a partir da potência. 
𝐴 = (
𝑃𝐹𝑉 
𝐸𝐹𝐹 
) . 100 
• A: é a área (m²). 
• PFV: Potência de pico (kWp). 
• EFF: é a eficiência da tecnologia (%). 
4.5 Especificação do Inversor 
A especificação do inversor deve ser feita a partir do dimensionamento da 
potência do painel e do arranjo das strings considerando aspectos técnicos como 
a máxima tensão CC de entrada (V), a faixa de tensão CC de entrada em cada 
MPPT (função do inversor que busca a máxima potência dos módulos), faixa de 
corrente de entrada em cada MPPT (A), tensão CA de saída (V), frequência da 
tensão de saída (Hz), potência CA de saída (W), máxima potência CC de entrada 
(Wp), topologia (com Transformador de baixa frequência, com transformador de 
alta frequência ou sem transformador), quantidade de buscadores do ponto de 
máxima potência (MPPT) e outras características opcionais como monitoramento, 
comunicação, etc. 
A Figura 11 a seguir mostra um datasheet de um inversor com potências 
de 3,3kW à 5kW em que é possível verificar os parâmetros elétricos para que 
possa ser dimensionado o modelo que melhor atenda. 
 
 
 
 
12 
Figura 11 – Datasheet inversor ABB 
 
Fonte: ABB, 2020 
4.6 Dimensionamento de condutores 
Para o dimensionamento dos condutores, deve-se considerar os seguintes 
parâmetros: A queda de tensão admissível (ΔV em %), o comprimento (m), a 
tensão de operação CC ou CA (V), a potência ou corrente máxima (W ou A) e 
também que condutores isolados, expostos à radiação solar, devem ter proteção 
UV. As equações demonstram a fórmula para se calcular a área da seção 
transversal (mm²) do condutor, considerando a potência e corrente. 
𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑 = (
2 .𝑙 .𝑃 .0,0178 
𝑉2. ∆𝑣
) . 100 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑 = (
2 .𝑙 .𝐼 .0,0178 
𝑉 . ∆𝑣
) . 100 
 
4.6 Dimensionamento de condutores 
Para o dimensionamento dos condutores, deve-se considerar os seguintes 
parâmetros: a queda de tensão admissível (ΔV em %), o comprimento (m), a 
tensão de operação CC ou CA (V), a potência ou corrente máxima (W ou A) e 
também deve-se levar em conta que condutores isolados, expostos à radiação 
solar, devem ter proteção UV. As equações demonstram a fórmula para se 
 
 
13 
calcular a área da seção transversal (mm²) do condutor, considerando a potência 
e corrente. 
𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑 = (
2 .𝑙 .𝑃 .0,0178 
𝑉2. ∆𝑣
) . 100 𝑆𝑐𝑜𝑛𝑑 = (
2 .𝑙 .𝐼 .0,0178 
𝑉 . ∆𝑣
) . 100 
4.7 Especificação dos demais equipamentos 
Algumas especificações além do módulo, inversores e condutores devem 
ser especificados quando se está dimensionando um sistema como as estruturas 
de fixação, ou seja, em que tipo de telhado o painel fotovoltaico será instalado 
(cerâmico, metálico, ondulado etc.), quais equipamentos de manobra e proteção 
serão utilizados como DPS (dispositivos de proteção contra surtos), fusíveis, string 
box, bem como também quais equipamentos de medição, monitoramento e 
aquisição de dados serão utilizados em todo sistema. 
TEMA 5 – Dimensionamento de SFVI 
 O dimensionamento do sistema fotovoltaico isolado, diferente do sistema 
conectado à rede, possui mais elementos a serem dimensionados além do painel 
e do inversor, sendo eles o controlador de carga e banco de bateria, que também 
fazem parte dessa configuração do SFV, como é demonstrado na Figura 12 
abaixo. Também deve-se levar em consideração que o inversor a ser utilizado não 
é na mesma configuração do sistema conectado à rede, ou seja, é necessário 
especificar um modelo próprio para trabalhar em regime off grid. 
 
 
 
14 
Figura 12 – Componentes do SFVI 
 
Crédito: Smile Ilustra. 
5.1 Estimativa de consumo 
A estimativa do consumo médio diário, mensal ou anual de energia 
(kWh/dia, kWh/mês ou kWh) para o sistema isolado é feito a partir do quadro de 
previsão de cargas, levantando em uma tabela a carga, a potência, a tensão e 
corrente nominal, o tempo de utilização e a energia consumida, como é possível 
observar na Tabela 1 abaixo. 
Tabela 1 – Quadro de previsão de cargas 
Aparelho Elétrico 
Potência 
(W) 
Tensão 
Nominal (VCC) 
Corrente 
Nominal (A) 
Tempo de 
Utilização 
(h/dia) 
Energia 
(Wh/dia) 
Lâmpada 9 12 0,75 8 72 
Lâmpada 9 12 0,75 6 54 
Lâmpada 9 12 0,75 2 18 
TV Portátil 50 12 4,17 4 200 
Rádio 15 12 1,25 12 180 
 Total 524 
5.2 Dimensionamento do painel 
Para o dimensionamento do painel fotovoltaico do sistema isolado deve-se 
levar em consideração, além da energia a ser gerada para suprir a carga, a 
irradiância na condição STC e a irradiação diária no local de instalação, além de 
 
 
15 
considerar elementos específicos do sistema isolado, como o rendimento do 
conjunto de equipamentos do SFVI e o fator de carregamento das baterias. 
5.2.1 Irradiação diária 
Assim como no SFVCR, para calcular a potência do sistema é necessário 
conhecer a irradiação diária no local da instalação. Para tanto, é utilizado o mesmo 
recurso de cálculo em que é possível obter os valores a partir do programa 
RADIASOL da irradiação mensal e anual, como é possível observar no exemplo 
da Tabela 2 abaixo. 
Tabela 2 – Irradiação incidente em Florianópolis 
 Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Anual 
Global 
Horizontal 
(Wh/m²/dia) 
5809 5226 4859 4050 3358 2909 3002 3716 3931 4682 5354 6060 4413 
Fonte: Software RADIASOL, [S.d.]. 
5.2.2 Cálculo da potência 
A partir dos dados calculados de irradiação (HTOT) e da energia diária a ser 
gerada, é possível calcular a potência instalada do sistema fotovoltaico a partir da 
fórmula a seguir: 
𝑃𝐹𝑉 =
𝐸 . 𝐺 
𝐻𝑇𝑂𝑇. 𝑅
 . 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔 
Onde: 
PFV: é a potência instalada (Wp); 
E: é a energia diária a ser gerada (Wh); 
G: é a irradiância na condição STC (1000W/m²); 
HTOT: é a irradiação diária (Wh/m²); 
R: é o rendimento do conjunto de equipamentos do SFVI (0,65 a 0,75); 
Fcarreg: é o fator de carregamento das baterias (1,1). 
5.2.3 Estimativa da área requerida pelo painel 
A partir do cálculo da potência do painel fotovoltaico é possível estimar a 
área necessária para instalação do painel. Assim, igualmente é feito no SFVCR, 
 
 
16 
sendo possível definir se o espaço escolhido para instalação do sistema 
fotovoltaico é compatível com a potência. A equação a seguir mostra como é 
possível calcular a área requerida pelo painel FV (m²) a partir da potência. 
𝐴 = (
𝑃𝐹𝑉 
𝐸𝐹𝐹 
) . 100 
Onde: 
A: é a área (m²) 
PFV: Potência de pico (kWp); 
EFF: é a eficiência da tecnologia (%) 
5.3 Especificação do inversor 
A especificação do inversor, conforme abordado anteriormente, deve seguir 
a premissa de que o modelo deve atender especificamente um sistema off grid, 
porém a sua escolha deve ser analisada observados as especificações técnicas, 
como se a onda de saída é senoidal pura ou senoidal modificada, a tensão CC de 
entrada (V), a tensão CA de saída (V), frequência da tensão de saída (Hz), 
potência nominalCA de saída (W), potência máxima CA de saída (W) 
(normalmente de curta duração, cerca de alguns minutos) e consumo próprio. A 
Figura 13 a seguir apresenta um datasheet de um inversor off grid com potências 
de 3kW a 6kW, em que é possível observar todos os detalhes técnicos para 
determinar a escolha do inversor de acordo com o arranjo das strings feito e 
também da potência do sistema como um todo. 
 
 
 
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Figura 13 – Datasheet de inversor Growatt SPH 
Ficha de dados SPH3000 SPH3600 SPH4000 SPH4600 SPH5000 SPH6000 
Dados de entrada CC 
Máxima 
potência 
fotovoltaica 
recomendada 
6600W 6600W 6600W 8000W 8000W 8000W 
Tensão de 
partida 
150V 150V 150V 150V 150V 150V 
Máxima tensão 
fotovoltaica 
550V 550V 550V 550V 550V 550V 
Faixa de 
tensão 
fotovoltaica 120V-550V 120V-550V 120V-550V 120V-550V 120V-550V 120V-550V 
Faixa de 
tensão 
MPPT/tensão 
nominal 
150V-
550V/360V 
150V-
550V/360V 
150V-
550V/360V 
150V-
550V/360V 
150V-
550V/360V 
150V-
550V/360V 
Máxima 
corrente de 
entrada do 
rastreador A/B 
 
12A/12A 12A/12A 12A/12A 12A/12A 12A/12A 12A/12A 
 
 
18 
Número de 
MPPT/strings 
por MPPT 2/1 2/1 2/1 2/1 2/1 2/1 
Saída CA 
Potência 
nominal de 
saída CA 3000W 3680W 4000W 4600W 4999W 6000W 
Máxima 
potência 
aparente de CA 
 
3000VA 
 
368VA 
 
4000VA 4600VA 4999VA 6000VA 
Máxima 
corrente de 
saída 16A 16A 22A 22A 22A 27A 
Tensão 
nominal de 
saída CA 
 
230V 230V 230V 230V 230V 230V 
Frequência 
nominal da 
rede (faixa) 
 
50/60Hz. 
+-5Hz 
50/60Hz. 
+-5Hz 
50/60Hz. 
+-5Hz 
50/60Hz. 
+-5Hz 
50/60Hz. 
+-5Hz 
50/60Hz. 
+-5Hz 
Fator de 
potência (@ 
potência 
nominal) 
 
1 1 1 1 1 1 
 
 
19 
Fator de 
potência na 
potência 
nominal 
 
0.8i-0.8c 0.8i-0.8c 0.8i-0.8c 0.8i-0.8c 0.8i-0.8c 0.8i-0.8c 
THDI . Acesso em: 24 mar. 2021 
Growatt. Datasheet Growatt strings inverters. 2020. 
TIEPOLO, G.; PEREIRA, E.; URBANETZ JR, J.; PEREIRA, S.; GONCALVES, A.; 
LIMA, F.; ALVES, A. Atlas de Energia Solar do Estado do Paraná. Curitiba: 
UTFPR, 2017. 
URBANETZ JUNIOR, J. Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Redes de 
Distribuição Urbanas: sua influência na qualidade da energia elétrica e análise 
dos parâmetros que possam afetar a conectividade. 2010. 189 p. Tese de 
Doutorado em Engenharia Civil – UFSC. Florianópolis, 2010. 
Xantrex. PWM charge Controller Datasheet, 2019.