Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Secção para assuntos ligados ao aproveitamento da energia solar para aquecimento.




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Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por Quintas2 » quinta mar 17, 2016 4:05 pm

Debrucei-me sobre este assunto há algum tempo, quando decidi usar a eletricidade fotovoltaica para produzir AQS, conforme já exposto no tópico Resistência Fraca para Termoacumulador e no meu projecto – Autoconsumo (500Wp) e Água Quente Sanitária (1000Wp). Penso ser um tema com interesse crescente, pelo custo cada vez mais acessível do material fotovoltaico e pela facilidade de instalação e manutenção. Basta um cabo elétrico para ligar os painéis e o cilindro, onde quer que cada um seja instalado. Nada de fluidos, tubagens, riscos de congelamento ou sobreaquecimento, bombas, manutenções complicadas.

Em seguida exponho finalmente a minha experiência/projeto, mas também outra informação que reuni quando analisei as possibilidades, como partilha, para quem possa ter interesse. A informação pareceu-me lógica mas o meu discernimento é limitado na parte mais técnica de eletricidade e de dispositivos indicados para este fim. Usem com cautela, até porque há material que é com interesses comerciais – não sei se é fidedigno e faz o que dizem.

Agradeço desde já correções de quem seja entendido e desculpem qualquer incorreção ou erro.


OBJETIVO
Tenho aquecimento central a lenha, +- 5 meses/ano, em que também produz a AQS. +- 7 meses/ano a AQS tinha origem numa caldeira a gasóleo, custo anual €200. Pretendia substituir o gasóleo pela eletricidade fotovoltaica, 7 meses/ano.

COMO?
A maior parte das resistências elétricas de back-up em AQS são se 1500W, nomeadamente no solar térmico. Esta potência obriga a um gerador fotovoltaico já relativamente dispendioso mas permite aquecer a água relativamente depressa. Seria possível fazê-lo com menor potência?

HISTORIAL/TESTES
Comecei por comprar uma resistência de 750W c/termostato incorporado, para testes, com energia da rede. Descartei uma resistência de 500W (1.ª opção) porque era mais cara. Ainda bem, pois aquela revelou ser da potência ideal para as minhas necessidades. Três meses de testes permitiram concluir:
- Incrementos de 10ºC demoram 2,5 a 3 horas num cilindro de 170l.
- Após 4 duches de final do dia, a água desce dos 60-65ºC para +-40ºC.
- A resistência repõe esta perda num período máx. de 6h, +- coincidente com o n.º de horas de maior produção fotovoltaica no final da primavera, verão, início de outono.
- Excecionalmente, uma maior perda térmica terá que ser reposta com recurso a outra tecnologia (no meu caso o back-up da caldeira a gasóleo); um qualquer tipo de back-up é imprescindível.
- Quando o termómetro do cilindro indica que a água está a 60ºC, há maior disponibilidade de água quente quando esta foi aquecida pela resistência elétrica do que pela serpentina (a lenha ou gasóleo). Penso que isto deve-se a: o termómetro está no topo do cilindro; a serpentina está a meia altura; a resistência está na parte de baixo e tem um termostato que regulei para desligar quando o termómetro no topo indica +- 60ºC mas como a resistência aquece devagar e em baixo deve dar origem a uma menor estratificação térmica, logo a uma maior coluna de água a 60ºC.

DIMENSIONAMENTO FOTOVOLTAICO
Aprovada a resistência, foi necessário escolher a potência fotovoltaica. Como já tinha um kit de 500Wp para autoconsumo, que andou todo o verão passado em testes, foi fácil concluir que 1000Wp seriam o ideal para produzir +- os 750W para a resistência, para o período do ano considerado (abril a outubro), tendo em mente que prefiro gastar mais um pouco da rede do que exportar gratuitamente muitos excessos de produção fotovoltaica.

TECNOLOGIA
A solução mais económica seria utilizar a corrente contínua produzida pelos painéis diretamente na resistência elétrica do termoacumulador. Mas fazê-lo só 7 meses do ano e não ter como usar a energia produzida nos outros 5 meses e não pretendendo eu investir em baterias, fizeram-me optar pela inclusão de inversores e produzir corrente alterna, com aproveitamento mais versátil da energia produzida no autoconsumo da habitação, para além da resistência para AQS.

Para quem não tenha este constrangimento e queira aquecer a água 12 meses/ano com fotovoltaico, sem investir em baterias ou usar a DC em outros usos, poderá considerar a ligação direta painéis/resistência, mas também com uma resistência de fraca potência e fraca potência fotovoltaica (a ligação direta vai desperdiçar muito se a produção não aproveitada não for de outra forma usada), evitando sobredimensionamentos e recorrendo quando necessário à energia AC da rede.
Edição de 22abril2016: Ver abaixo o post de 22 abr 2016, 17:53 - Melhor combinação Resistência/N.º de Painéis
Última edição por Quintas2 em sexta abr 22, 2016 6:58 pm, editado 1 vez no total.
Cumprimentos,
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Tipos de Termoacumulador/Back-Up

Mensagem por Quintas2 » quinta mar 17, 2016 4:21 pm

O cilindro deverá permitir um back-up para o aquecimento da água. A tecnologia de recurso deverá ser escolhida caso a caso, podendo ser aproveitado o material existente. Há cilindros com uma ou duas serpentinas e com uma ou mais resistências elétricas.

A solução mais simples de back-up consiste na utilização de eletricidade da rede, sempre que a eletricidade fotovoltaica não for suficiente. Aqui há várias hipóteses:

1) Usar um kit já preparado, que admite a ligação direta dos painéis solares e de uma tomada de AC da rede, com regulação para quando esta deve entrar em funcionamento, caso a 1.ª não seja suficiente. Ver este exemplo, apesar de descontinuado: http://solarenergy.advanced-energy.com/ ... eater.html

2) Usar uma só resistência elétrica que funcione com DC e AC, com instalação de um mecanismo que passe de uma para a outra. Esse mecanismo pode ser manual ou tão automatizado quanto a imaginação e habilidade o permitam. VER:
- Solar Hybrid Hot Water Controller, de http://techluck.com/: https://www.youtube.com/watch?v=R_LStfeC3lI; https://www.youtube.com/watch?v=hPtVGMifewM&spfreload=1 sendo estranho que ele mostre os V e A que entram mas não os que saem do controlador para a resistência; este dispositivo alega fornecer DC de forma pulsada, evitando o arco elétrico, logo permitindo usar também os termostatos AC (???); provavelmente é um mero conversor DC-AC.
- http://presolarnet.com/products/liberty_box.htm; pelas características, é um conversor DC-AC dedicado à resistência elétrica.

3) Usar um cilindro com duas resistências elétricas, uma ligada à DC fotovoltaica e outra ligada à AC, cada uma regulada de forma independente. Este será talvez o sistema mais versátil e económico, para quem vai comprar um cilindro novo. Existem modelos com uma resistência no topo e outra na lateral, em baixo.
Por outro lado, quem vai comprar tudo de novo talvez deva considerar uma bomba de calor.


MAIS INFORMAÇÃO:
Recomendo este site: http://www.solarhomestead.com. Embora com interesses comerciais, as explicações são muito acessíveis.
- Making a Solar Electric Water Heater | Can it Be Done?: http://solarhomestead.com/making-a-sola ... er-heater/
- Dump Loads for Solar, Wind and Microhydro: http://solarhomestead.com/dump-loads-fo ... icrohydro/
- Um site/loja com alguns esquemas de ligações: http://waterheatertimer.org/Convert-AC- ... eater.html
Cumprimentos,
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Pode uma resistência AC ser usada com DC?

Mensagem por Quintas2 » quinta mar 17, 2016 4:24 pm

Uma carga resistiva pura (resistência elétrica) pode ser usada com AC ou DC sem qualquer problema. No entanto, particular CUIDADO é necessário com dispositivos de controlo ou eletrónicos, pois estes podem danificar-se com a DC e dar origem a arco elétrico e até incêndios. Com corrente contínua, a voltagem suportada sem originar arco elétrico entre contactos é muito inferior do que com c.alterna, porque nesta há uma anulação alternada e periódica da tensão. Relés, disjuntores, termostatos, etc. devem ser próprios para DC.

De uma forma geral, se a potência da corrente DC for inferior à potência AC da resistência, parece não haver uma combinação da corrente e tensão dos painéis que possam danificar a resistência.

Mas, quando passamos para uma tensão inferior, não conseguimos extrair a mesma potência da resistência, logo o mesmo efeito calorífico. O porquê é explicado de forma muito simples aqui (http://solarhomestead.com/ac-elements-as-dump-loads/), com recurso às Leis de Ohm e de Joule.

Assim, diferentes combinações da tensão e da corrente com origem no gerador fotovoltaico em relação à resistência elétrica determinam se a potência fotovoltaica instalada é de facto bem aproveitada pela resistência ou se é desperdiçada porque os painéis vão funcionar longe do seu MPP.

Como a tensão e corrente produzidas pelos painéis varia muito ao longo do dia, torna-se necessário estar tão próximo quanto possível do MPP, para melhor aproveitar a energia produzida.

Qualquer dispositivo com MPPT pode ser usado, como um controlador de cargas com baterias, um inversor, etc., para “extrair” a máxima potência possível para a resistência. Do ponto de vista económico, um inversor grid-tie com resistência AC será, de acordo com alguns, a melhor opção.
Cumprimentos,
Quintas2


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Resistência DC

Mensagem por Quintas2 » quinta mar 17, 2016 4:25 pm

Uma resistência classificada como DC pode ser ligada diretamente aos painéis, respeitando-se a potência máx. da resistência, na string (V x A da string < ou = W da resistência). Parece que a voltagem da resistência pode ser excedida, desde que os W não o sejam.

Com uma resistência DC, mantém-se o problema de combinar bem os painéis com a resistência, por forma a se ajustar o funcionamento ao MPP dos painéis. Fora das horas de maior intensidade solar, o funcionamento afasta-se do MPP, gerando uma fraca potência verdadeiramente usada pela resistência.

Um dispositivo com MPPT pode fazer esse serviço. Ex: conversor DC/DC.
Cumprimentos,
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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por jmlflorencio » quinta mar 17, 2016 6:25 pm

Excelente informação, obrigado pela partilha!

De facto, com os preços cada vez mais 'simpáticos' deste material, mesmo não sendo um processo de grande eficiência (comparando com uma bomba de calor), é bem capaz de valer a pena ;-)

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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por serges » quinta mar 17, 2016 9:40 pm

Fantástico.

Obrigado pela partilha.

Bom trabalho... Vou querer ver isso... Ai vou vou...
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Mapa dos pontos de carga

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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por Emanuel Couto » quinta mar 17, 2016 10:16 pm

Faz um trabalho desta envergadura e ainda pede desculpas... :?

Só temos TODOS que agradecer o magnífico trabalho que este senhor anda a fazer por cá...
Imagem

Sistema Para Autoconsumo Off-Gride com (2185wp) http://www.novaenergia.net/forum/viewto ... 11&t=16450

Adoro Fotografia... http://olhares.sapo.pt/ecc/

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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por Emanuel Couto » sexta mar 18, 2016 4:23 pm

Esta informação merece ficar em destaque.

Típico alterado para (fixo)
Imagem

Sistema Para Autoconsumo Off-Gride com (2185wp) http://www.novaenergia.net/forum/viewto ... 11&t=16450

Adoro Fotografia... http://olhares.sapo.pt/ecc/


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Cálculo da Energia necessária para AQS

Mensagem por Quintas2 » sexta abr 22, 2016 6:41 pm

Para incrementar 1ºC em litro de água gasta-se 0,0011693 kWh.

No meu caso, verifiquei que preciso de 2,5 a 3 horas para aumentar 10ºC em 170 litros de água do cilindro, com uma resistência de 750W. Em 3 h são 3 x 750W = 2,25 kWh.

Tendo em conta que uma resistência elétrica tem praticamente 100% de eficiência e que o calor específico da água é 1kcal/Kg.ºC = 0,001163kWh/kg.ºC, então, para incrementar 10ºC nos meus 170 litros de água, preciso: 170 x 0,001163 x 10 = 1,9771kWh = +-2kWh

Este valor é muito parecido com o que eu verifiquei na prática, tendo em conta que os 2kWh obtidos pela via matemática não têm em conta as perdas de calor pelas paredes do cilindro e topo da resistência ao longo daquelas 3 horas. Daqui concluo que não está mal.
Cumprimentos,
Quintas2


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Quantos Wp para AQS direta com FV?

Mensagem por Quintas2 » sexta abr 22, 2016 6:42 pm

Com uma curva do output da tensão (V) multiplicada pela corrente (A) em mpp ao longo de um dia de céu limpo para um painel FV, podemos obter a energia produzida por Wp e, daí, extrapolar para a capacidade de aquecer água de um número N de painéis, que assegurasse as necessidades determinadas no post anterior.

Isso obrigaria a utilização de um dispositivo que garantisse sacar sempre esses V e A, logo, que assegurasse o funcionamento em mpp.

Na net não consegui encontrar dados desde género. Se algúem arranjar esses dados, seria um exercício interessante fazer essa avaliação.
Cumprimentos,
Quintas2


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Melhor combinação Resistência/N.º de Painéis

Mensagem por Quintas2 » sexta abr 22, 2016 6:53 pm

Por favor, CONTESTEM OU CORRIJAM, se os raciocínios estiverem mal. Do muito que li, tento partilhar o seguinte, esperando ter aprendido bem.

Se toda a produção FV fosse aproveitada, bastaria ver as necessidades de energia pelos posts acima, ver a produção média por painel e fazer as contas. Mas não é assim, pois a energia FV produzida varia muito ao longo do dia e nem toda é aproveitada em ligação direta DC, como visto anteriormente, por nos afastarmos de condições MPP. Uma resistência ideal para funcionar com 800W/m2 de irradiação depressa deixa de ser ideal quando nos afastamos dessa irradiação. E, como não vamos mudar de resistência ao longo do dia, aqui entram os dispositivos com MPPT.

Para verificar na prática a viabilidade de obtenção de AQS direta do FV, teria que ligar os painéis diretamente à resistência do cilindro e ver os resultados. No meu caso, não me é prático fazer isso, pois tenho os painéis longe do cilindro (com os microinversores injeto AC na rede da casa, não sendo a distância um fator importante) e isso exigiria uns cabos de maior secção. Aqui é fundamental trabalhar com as maiores tensões possíveis (painéis em série) e a maior proximidade possível painel/cilindro. Acresce que, veremos abaixo, a resistência de 750W AC deixa de ser indicada para ligação DC direta.

Um painel de 250Wp, tem tipicamente as seguintes especificações aproximadas, em condições de teste normalizadas (STC, irradiação=1000W/m2):
V(mpp)=30V
I(mpp)=8,4A

Valores em STC são dificilmente atingíveis na prática e, atingidos, são-no por curtos períodos. Quer a tensão quer a corrente na potência máxima em condições de temperatura nominal de funcionamento da célula (NOCT, irradiação=800W/m2) serão ligeiramente inferiores para os mesmos 250Wp, da ordem de:
V(mpp)=27V
I(mpp)=7A

Estes são valores mais próximos dos atingidos nas horas em torno do meio dia solar. Para sacar estes valores mpp de um painel em ligação direta a uma resistência elétrica, importa que esta tenha Vmpp/Impp = 27V/7A = 3,86 Ohm (R=V/I).

Ligando os painéis em série, obtemos V multiplicado pelo n.º N de painéis, I mantém-se igual na ligação em série, logo temos uma resistência ideal com N x 3,86 Ohm, para sacar o máximo possível dos N painéis, em ligação direta à resistência.

Se nos propomos usar uma resistência AC 230V para esse propósito, a resistência mais indicada terá uma potência (P=VxI=VxV/R) de [230 x 230 / (N x 3,86)] W.

No meu caso, N=4, logo a resistência ideal para ligação direta DC terá 15,44 Ohm e potência de 3426W = +-3500W.

Nestas condições próximas da produção máxima dos 4 painéis de 250Wp, a resistência de 3500W vai usar 4x27V x 7A = 756W. Este é um valor próximo do máximo conseguido dos 1000Wp, ou seja, vou usar praticamente tudo o que os painéis produzirem, pois esta resistência combina bem com V=27V e I=7A.

Afastando-nos daquelas condições, a resistência vai impor aos painéis um output diferente do em mpp. Por exemplo, em condições de V=25V e I=5A em mpp, viria R=5 Ohm, para 250Wp. Logo, a resistência AC ideal para os 1000Wp já seria de 20 Ohm e potência de 230x230/(4x5)=2645W, para espremer o máximo possível, com produção de 4x25V x 5A = 500W.

Já a resistência de 3500W vai impor aos painéis um output diferente quando V=25V e I=5A, extraindo menos deles que estes 500W possíveis em mpp. Isto porque uma corrente de 5A numa resistência de 15,44 Ohm (3500W) corresponde a uma voltagem de apenas 77,2V (V=I x R). Ela não vai usufruir dos 4x25V=100V disponibilizados e só vai produzir calor equivalente a 77,2V x 5A = 386W, em vez dos 100V x 5A = 500W potenciais para as condições dessa altura, em mpp.

Como a nossa resistência é fixa, calculada e otimizada para a altura do dia de maior irradiação, ela não vai conseguir extrair a potência máxima do nosso gerador fotovoltaico noutras alturas do dia ou condições de irradiação. Ela precisa de um dispositivo de variação, ou que variasse a resistência em função da V e I dos painéis em mpp em cada instante, ou que varie a V e a I em função da resistência fixa, tal como um mppt, que lhe permita extrair o máximo, em cada instante.

Para sacarmos o máximo possível –>500W, com a resistência de 15,44 Ohm, o nosso dispositivo mppt vai ter que deslocar o output dos V=4x25V e I=5A para valores tão próximos quanto ele conseguir de:
500=VxI
15,44=V/I

de onde sai V=87,86V e I=5,69A.

Agora, a resistência de 3500W e 15,44 Ohm vai conseguir atingir os 87,86x5,69=499,9W, sacando toda a potência do gerador fotovoltaico nessas novas condições.


Isto para se extrair o máximo possível dos painéis. Claro que podemos ter um gerador FV que, sem mppt, aqueça a água para as nossas necessidades no período em torno do meio dia solar, mesmo que desperdice um bocado fora dessas condições, mas estaremos a perder parte do potencial instalado.


Daqui se conclui que, mesmo tralhando com menores potências do FV, uma resistência AC mais potente poderá ser uma melhor opção, em especial se não usarmos MPPT. Ou seja, resistências que funcionem em AC, adaptadas a N painéis com inversor, não são as mais adequadas para trabalhar com os mesmos N painéis em DC direto.
Cumprimentos,
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Quantos Painéis para uma resistência já existente?

Mensagem por Quintas2 » sexta abr 22, 2016 6:54 pm

Como não há resistências já feitas para todas as potências, para uma boa combinação com um dado n.º de painéis, pode fazer-se o raciocínio ao contrário. Suponhamos que temos uma resistência AC de 1500W, 230V. Qual o n.º de painéis que melhor combina com ela?

R=230x230/1500=35,3 Ohm

N. ideal de painéis = 35,3/3,86= 9,1 painéis de 250Wp com as caraterísticas do post anterior.

Poderá ser preferível resistências mais potentes, para estas situações, permitindo diminuir o n. de painéis.
Cumprimentos,
Quintas2


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por JCarreira » segunda jul 18, 2016 10:51 am

olá, tenho exactamente a mesma situação do tópico inicial, aquecimento a lenha, 200lt termo acumulador e também já fiz os testes com uma resistência 220 ac 750w, a ideia seria comprar 3 PV de 250 w cada um, com os eu inversor de rede, a minha questão é posso ligar um contactor na saída do inversor com dois contactos NO e 2 NC, e a condição de trabalho seria água >60º injecta na rede; água <60º toda energia vai para a resistência
Posso fazer assim esta comutação ou tenho que desligar primeiro a entrada do inversor ligar lhe a saída á rede e só depois ligar a entrada (DC from PV).


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por Quintas2 » domingo jul 24, 2016 12:51 pm

Pelo que percebi, queres ligar um inversor de tipo grid tie para fornecer eletricidade à casa no geral ou à resistência elétrica para água quente.

O meu forte não é de certeza a eletricidade. Mas, como o contactor já é mais seguro do que um normal interruptor, em relação ao arco elétrico e, de qualquer forma, ele só irá funcionar com corrente alterna, não vejo que daí venha algum problema.

Contudo, pelo que percebi, a resistência vai ser uma parte independente da rede elétrica da casa. Assim, o inversor não vai detetar a presença de eletricidade (penso que ele deteta a tensão e a frequência) pelo que vai desligar-se como quando falta eletricidade e não alimentará a resistência.

Mesmo funcionando, não sei se o constante ligar/desligar do inversor (a passagem de ligado à resistência para ligado à rede deve provocar um corte curto que o faria desligar) ao sabor das oscilações de um termostato o fariam avariar mais depressa.
Cumprimentos,
Quintas2


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por jmlflorencio » domingo jul 24, 2016 1:43 pm

JCarreira Escreveu:(...) a ideia seria comprar 3 PV de 250 w cada um, com os eu inversor de rede, a minha questão é posso ligar um contactor na saída do inversor com dois contactos NO e 2 NC, e a condição de trabalho seria água >60º injecta na rede; água <60º toda energia vai para a resistência
(...)
Pessoalmente, acho escusada uma solução desse género. O que se vai injectar na rede quando a água já estiver quente não justifica o trabalho de ter um circuito próprio para controlar isso. Aliás, o próprio termoacumulador pode fazer esse trabalho com o termostato que traz incorporado.

Eu ligaria os 3 painéis ao circuito eléctrico da casa. Trocava a resistência do termoacumulador por uma de 750W, e mantinha-o ligado à rede eléctrica da casa também. E está feito.

É o mais simples, e as eventuais perdas na eficiência serão bem recuperadas no custo de instalação (e manutenção) mais baixo...


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por JCarreira » terça jul 26, 2016 2:11 pm

olá novamente, obrigado pelas opiniões, e as minhas duvidas são exactamente o explicado nas duas respostas por um lado a questão tecnica / comportamento do inversor por outro lado se realmente vale o trabalho da montagem. O que me leva a voltar a fazer contas, e como o aquecimento é a lenha isto baralha um pouco a maneira de apurar os resultados, por isso vou instalar uma resistência de 220ac 750w e colocar um contador horário e vou apontar as horas de funcionamento por mês, assim irei saber exactamente quanto gasto aproximadamente em cada mês depois será mais fácil procurar a solução que se adapta melhor. Mais uma vez obrigado pela ajuda.


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por jmlflorencio » quinta ago 11, 2016 6:54 pm

Força nisso, depois partilha por cá os resultados. Estou a pensar seriamente numa solução deste género também...


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por NunoBS » quinta out 20, 2016 10:46 am

Bom dia a todos,

Aproveito este tópico para colocar a minha questão.

Não tenho energia da rede. Toda a energia da casa é fotovoltaica. Não tenho lareira nem nenhum tipo de aquecimento.

Pretendo instalar um sistema de aquecimento da casa e também das águas sanitárias.

Qual será o melhor sistema?


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Re: Água Quente Sanitária c/Eletricidade Fotovoltaica

Mensagem por jmlflorencio » quinta out 20, 2016 11:03 am

Essa questão podia estar num tópico próprio (na minha opinião)...

Faltam aí dados: há lenha nas redondezas?

Qual a potência da Instalação fotovoltaica, e capacidade das baterias?


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Re: Melhor combinação Resistência/N.º de Painéis

Mensagem por Silva28 » terça mar 07, 2017 10:30 pm

Quintas2 Escreveu:
sexta abr 22, 2016 6:53 pm
Por favor, CONTESTEM OU CORRIJAM, se os raciocínios estiverem mal. Do muito que li, tento partilhar o seguinte, esperando ter aprendido bem.

Se toda a produção FV fosse aproveitada, bastaria ver as necessidades de energia pelos posts acima, ver a produção média por painel e fazer as contas. Mas não é assim, pois a energia FV produzida varia muito ao longo do dia e nem toda é aproveitada em ligação direta DC, como visto anteriormente, por nos afastarmos de condições MPP. Uma resistência ideal para funcionar com 800W/m2 de irradiação depressa deixa de ser ideal quando nos afastamos dessa irradiação. E, como não vamos mudar de resistência ao longo do dia, aqui entram os dispositivos com MPPT.

Para verificar na prática a viabilidade de obtenção de AQS direta do FV, teria que ligar os painéis diretamente à resistência do cilindro e ver os resultados. No meu caso, não me é prático fazer isso, pois tenho os painéis longe do cilindro (com os microinversores injeto AC na rede da casa, não sendo a distância um fator importante) e isso exigiria uns cabos de maior secção. Aqui é fundamental trabalhar com as maiores tensões possíveis (painéis em série) e a maior proximidade possível painel/cilindro. Acresce que, veremos abaixo, a resistência de 750W AC deixa de ser indicada para ligação DC direta.

Um painel de 250Wp, tem tipicamente as seguintes especificações aproximadas, em condições de teste normalizadas (STC, irradiação=1000W/m2):
V(mpp)=30V
I(mpp)=8,4A

Valores em STC são dificilmente atingíveis na prática e, atingidos, são-no por curtos períodos. Quer a tensão quer a corrente na potência máxima em condições de temperatura nominal de funcionamento da célula (NOCT, irradiação=800W/m2) serão ligeiramente inferiores para os mesmos 250Wp, da ordem de:
V(mpp)=27V
I(mpp)=7A

Estes são valores mais próximos dos atingidos nas horas em torno do meio dia solar. Para sacar estes valores mpp de um painel em ligação direta a uma resistência elétrica, importa que esta tenha Vmpp/Impp = 27V/7A = 3,86 Ohm (R=V/I).

Ligando os painéis em série, obtemos V multiplicado pelo n.º N de painéis, I mantém-se igual na ligação em série, logo temos uma resistência ideal com N x 3,86 Ohm, para sacar o máximo possível dos N painéis, em ligação direta à resistência.

Se nos propomos usar uma resistência AC 230V para esse propósito, a resistência mais indicada terá uma potência (P=VxI=VxV/R) de [230 x 230 / (N x 3,86)] W.

No meu caso, N=4, logo a resistência ideal para ligação direta DC terá 15,44 Ohm e potência de 3426W = +-3500W.

Nestas condições próximas da produção máxima dos 4 painéis de 250Wp, a resistência de 3500W vai usar 4x27V x 7A = 756W. Este é um valor próximo do máximo conseguido dos 1000Wp, ou seja, vou usar praticamente tudo o que os painéis produzirem, pois esta resistência combina bem com V=27V e I=7A.

Afastando-nos daquelas condições, a resistência vai impor aos painéis um output diferente do em mpp. Por exemplo, em condições de V=25V e I=5A em mpp, viria R=5 Ohm, para 250Wp. Logo, a resistência AC ideal para os 1000Wp já seria de 20 Ohm e potência de 230x230/(4x5)=2645W, para espremer o máximo possível, com produção de 4x25V x 5A = 500W.

Já a resistência de 3500W vai impor aos painéis um output diferente quando V=25V e I=5A, extraindo menos deles que estes 500W possíveis em mpp. Isto porque uma corrente de 5A numa resistência de 15,44 Ohm (3500W) corresponde a uma voltagem de apenas 77,2V (V=I x R). Ela não vai usufruir dos 4x25V=100V disponibilizados e só vai produzir calor equivalente a 77,2V x 5A = 386W, em vez dos 100V x 5A = 500W potenciais para as condições dessa altura, em mpp.

Como a nossa resistência é fixa, calculada e otimizada para a altura do dia de maior irradiação, ela não vai conseguir extrair a potência máxima do nosso gerador fotovoltaico noutras alturas do dia ou condições de irradiação. Ela precisa de um dispositivo de variação, ou que variasse a resistência em função da V e I dos painéis em mpp em cada instante, ou que varie a V e a I em função da resistência fixa, tal como um mppt, que lhe permita extrair o máximo, em cada instante.

Para sacarmos o máximo possível –>500W, com a resistência de 15,44 Ohm, o nosso dispositivo mppt vai ter que deslocar o output dos V=4x25V e I=5A para valores tão próximos quanto ele conseguir de:
500=VxI
15,44=V/I

de onde sai V=87,86V e I=5,69A.

Agora, a resistência de 3500W e 15,44 Ohm vai conseguir atingir os 87,86x5,69=499,9W, sacando toda a potência do gerador fotovoltaico nessas novas condições.


Isto para se extrair o máximo possível dos painéis. Claro que podemos ter um gerador FV que, sem mppt, aqueça a água para as nossas necessidades no período em torno do meio dia solar, mesmo que desperdice um bocado fora dessas condições, mas estaremos a perder parte do potencial instalado.


Daqui se conclui que, mesmo tralhando com menores potências do FV, uma resistência AC mais potente poderá ser uma melhor opção, em especial se não usarmos MPPT. Ou seja, resistências que funcionem em AC, adaptadas a N painéis com inversor, não são as mais adequadas para trabalhar com os mesmos N painéis em DC direto.
Andava à procura de mais informação sobre este tema e achei este post bem como os anteriores bastante úteis, no entanto, permita-me Sr. Quintas2 que conteste ou melhor lance a discussão sobre alguns aspetos importantes no funcionamento do sistema PV + controlador de carga direto na resistência, que creio não ser exatamente como explica. Concordando com as explicações anteriores à seguinte, tenho algumas reticências quanto a:
"Para sacarmos o máximo possível –>500W, com a resistência de 15,44 Ohm, o nosso dispositivo mppt vai ter que deslocar o output dos V=4x25V e I=5A para valores tão próximos quanto ele conseguir de:
500=VxI
15,44=V/I

de onde sai V=87,86V e I=5,69A.

Agora, a resistência de 3500W e 15,44 Ohm vai conseguir atingir os 87,86x5,69=499,9W, sacando toda a potência do gerador fotovoltaico nessas novas condições."

Concordo com os seus cálculos, mas creio (infelizmente) não ser correto que o MPPT (do controlador de carga) consegue deslocar o output para I e V que se pretende. Na verdade, do pouco que sei, o MPPT procura o ponto de potência máxima do painel PV na curva I vs V não estando estes valores relacionados com imposição da carga externa (resistência), sendo pelo contrário, função do MPPT não permitir que a carga (exemplo de uma bateria de 24V) imponha essa tensão ao painel, pois a 24V não se aproveitaria toda a potência disponivel (sendo algures nos 30V com praticamente o mesmo valor de I, pois este mantêm-se quase constante ao longo de V (na curva I vs V) começando a decrescer um pouco antes de Voc, sendo algures aí nessa região final que ele "captura" os valores ótimos de I e V, donde se pode observar que não é possivel subir I em detrimento de V).
Por sua vez, o controlador de carga tem a função de deslocar I e V para novos valores, mas creio eu (não estou certo disso), com tensões aproximadamente fixas de 12 ou 24V e por aí fora, sendo I apenas consequência de I= P/U. Ou seja, creio que desta forma (infelizmente) não é possivel obter I e V ajustados à nossa resistência ao longo do dia e consequentente aproveitar todo o potencial disponivel.
Se não for possível aumentar I em detrimento de V e tendo em conta que I depende diretamente da radiação sendo a potência debitada na resistência dada por P = R x I^2 espera-nos enormes desperdicios de energia sempre que a radiação caí um pouco.
A titulo de exemplo: imaginemos 2 paineis de 250Wp cada com radiação de 1000W/m2, estes vão debitar 2x29.7V e 8.42A, onde o controlador de carga vai deslocar para 48V e 10.42A, donde a resistência ideal para estas condições ótimas terá R = P / I^2 = 4,6 Ohm e naturalmente os 500W são totalmente aproveitados. Se a radiação for, por exmplo, metade (500W/m2) os 2 paineis vão debitar aproximadamente 2x29.7V e 4.21A (250W), onde o controlador de carga vai deslocar para 48V e 5.21A, e a resistência (fixa) aproveita P = R x I^2 = 125 W (apenas metade da potência disponivel).
No entanto, a minha dúvida aqui, é se o controlador de carga (que tenha opção output de 12/24/36/48V) consegue mudar automaticamente de tensão, que no caso acima passaria para 24V com 10.42A e assim todo o potencial seria aproveitado na mesma. Claro que nos valores intermédios entre cada patamar de tensão se perderia alguma potência, mas já seria bastante aceitável.

Admitindo que esta última hipotese seria plausivel, ainda tenho uma questão, não sei se 48V ou menos são suficientes para a corrente "atravessar" uma resistência com tensão de ~230V?

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