Energia Solar Offgrid para roteadores em malha

Intro

Em alguns casos quando precisamos adicionar um novo ponto na rede mesh e não temos energia elétrica disponível, precisamos montar um sistema autônomo de energia, ou seja, totalmente independentes. Existem algumas alternativas atualmente, mas vamos focar em especial na energia fotovoltaica (conhecida energia solar). O sistema funciona com um painel com um material fotovoltaico, isso significa que é um material que capta a irradiação solar e transforma em energia elétrica. Mais profundamente podemos dizer que essa placa contém um material que cria uma diferença de potencial (grandeza simbolizada com a letra U) dada em Volts (com simbolo V)

Componentes

Precisamos entender cada componente do sistema para dimensionar bem o sistema e não haver perdas energéticas e nem financeiras. Vamos dividir os componentes em:

• Carga - no nosso caso um roteador
• Painel Fotovoltaico - para captar a radiação solar e converter em energia elétrica
• Bateria - para armazenar a energia do sol
• Controlador de carga - proteger a bateria

Dimensionamento

Para montar um sistema fotovoltaico precisamos saber exatamente qual tipo de componente precisamos adquirir. E para isso precisamos calcular as características desses componentes pelas informações de entrada do seu sistema que se deseja montar. O fluxograma mostra um resumo do que é necessário:

Arquivo:Fluxo-solar.png

Fluxograma do cálculo das características dos componentes

Carga

Entrada:

• Potência do equipamento

A potência do equipamento é uma informação que deve constar na etiqueta do produto, normalmente seguido da palavra output. Um número seguido da letra 'W' ou da palavra 'Watts'[1]. Se não constar essa informação no equipamento procure por números seguidos das letras 'V' e 'A' e multiplicando esses dois números você encontra a Potência('W').

• Tempo Ligado

O tempo que cada equipamento a dada potência vai ficar ligado, em horas.

Saída:

• Potência total por dia

Para calcular a potência total em um dia é só multiplicar a Potência de cada equipamento pelo tempo, em horas, que ele vai ficar ligado. No nosso caso se é só um equipamento fazemos:

[math]P_{total por dia} = P_{equipamento}\times{t}[/math]

Bateria

Entrada:

• Tensão de Trabalho

A tensão em que o sistema vai trabalhar, ou seja, a tensão necessária para ligar o equipamento. Na maioria das vezes vamos usar 12V ou 24. Como cada bateria normalmente tem 12v se quisermos usar em 24v precisamos de duas baterias em paralelo, assim como fazemos com as pilhas no controle remoto. Alguma vezes se for ligar equipamentos em voltagem distintas pode se usar um conversor de tensão

• Modelo de Descarga

O modelo de descarga via depender do tipo de bateria que se deseja utilizar. Se for uma bateria estacionaria de chumbo ácido (as mais comuns para sistemas fotovoltaicos) utiliza-se o seguinte modelo

1- descarga de 50%: Para aumentar o tempo de vida útil das baterias é aconselhável que não se descarregue a menos da metade dela, ou seja que a capacidade dela seja o dobro da quantidade de energia que vamos precisar por dia.

2- perda de 10%: Assumimos uma perda de 10% devido a fatores não controláveis, mas esse valor pode variar.

• Autonomia

Esse dado é uma escolha de segurança, um valor normalmente utilizado é 1 dia de autonomia, ou seja, devemos somar uma vez a mais o valor da energia do(s) equipamento(s).

Saída:

• Capacidade da Bateria

Como já sabemos a Potência total por dia, só precisamo acrescentar os 50% da descarga e os 10% de perda e 1 dia de autonomia, vamos multiplicar a energia de consumo por 3 e somar 10%. Assim a capacidade da bateria vai ser:

[math]Capacidade\quad da\quad Bateria = P_{totalpordia}\times{3}+0,1*P_{totalpordia}[/math]

Como as baterias no mercado são descritas pela capacidade em Ah, e esse valor é dado em 'W', devemos dividir esse valor pela tensão de trabalho (12 ou 24) da bateria no sistema.:

[math]Capacidade\quad da\quad Bateria =\frac{P_{totalpordia}\times{3}+0,1*P_{totalpordia}}{V_{trabalho}}[/math]

Painel Fotovoltaico

Entrada:

• Potencia total por dia

Saída:

• Potência em Wp do PV

Controlador de Carga

Entrada:

• Potencia do PV

Saída:

Importante Saber

Algumas informações matemáticas para facilitar o entendimento:

• Abreviações de potências:

Sempre que ver algo como kW imagine o seguinte:

[math]1kW = 1000 W[/math]

• A diferença entre Volts (V) e Watts (W)

Volts é a unidade de medida de tensão, quando a gente fala que a bateria tem 12V estamos nos referindo tensão elétrica, ou a diferença de potencial entre os dois terminais da bateria.

A tensão(U) em um circuito é dada pela:

[math]R= \dfrac{U}{I}\qquad \text{ou}\qquad U = {R}\times{I}[/math]

Onde:

R - Resistência, dado em ohms (Ω)

U - Diferença de Potencial dado em volts (V)

I - Corrente elétrica dado em amperes (A)

Já Watts é a unidade de potência ou a energia total em um determinado tempo, normalmente relacionado ao consumo dos equipamentos A Potência Elétrica em um circuito é dada pela equação:

[math]P = {U}\times{I}[/math]

Onde:

P - Potencia elétrica, dada em (W)

U - Diferença de Potencial dado em volts (V)

I - Corrente elétrica dado em amperes (A)

Normalmente a informação da potência nos equipamentos, dada em Watts(W) significa a potência consumida durante 1h de uso.

Informações de entrada

Inicialmente precisamos de dois dados bem específicos para dimensionar o sistema:

1 - Quantas horas de sol temos por dia no local da instalação?

Isso vai depender principalmente da posição do sol em relação ao ponto do globo terrestre que você encontra. Porém se o local de instalação tiver alguma arvore ou obstaculo que impessa o Sol de atingir o painel fotovoltaico é necessário levar isso em conta, o ideal é que não tenha nenhum obstaculo para que se aproveite o máximo de energia do Sol.

2 - Qual o consumo diário (potência dada em Watts) do(s) equipamento(s) a ser instalando?

Essa informação normalmente consta na etiqueta do produto

objetivos

apresentar conceitos básicos dos componentes necessários para um sistema offgrid, como baterias, placas solares, controladoras, cabos e afins.

também apresentar conceitos básicos de calculo de consumo para set inicial.

Em um segundo artigo [link] apresentar cálculos e configuração de dois cenarios com tipo de consumo e componentes diferentes e suas caracteristicas.

pre requisitos

equipamentos de rede definidos e o que mais?

pratica

Com o objetivo de termos um sistema funcionando, precisamos executar alguns passos para identificar nosso consumo e assim poder calcular o tipo de sistem a ser adquirido.

passo 1 - identificar consumo

Basicamente vc precisa fazer o calculo do quanto o o roteador vai consumir por dia , no caso:

V=12

A=1
h=24

P= 12 X 1 X 24 [V x A x h] = 288 W . h /dia

P=288 W h/dia

passo2 - calcular perda

tem um fator de correção relacionado as perdas

Preal = 288/0,8 = 360 W.h /dia

passo 3 - identificar sol

considreando que você tenha 5h de sol por dia, o seu painel vai precisar da capacidade de:

P[painel]=360/5=72Wp

passo 4 - bateria

Para bateria, considerando uma bateria de ciclo profundo com 90% de descarga diaria:

E[bat] = 288 W.h/0,9 = 320 W.h

usando a 12V a bateria ideial seria

C=320/12 = 26,66 Ah

passo 5 - calculo controladora

ai o controlador de carga, como vai estar trabalhando com um painel de 72Wp a 12V a corrente de pico vai ser:

A[pico]=72/12= 6 A

Resumindo

Painel -> 72Wp (comercial deve ser 80Wp ou 90wp)

Bateria -> 26,66 Ah (comercial deve ser 30Ah)

Controlador de carga (mppt sempre!) -> 6A (comercial deve ser 10A)