F 1. Introdução e conceitos
básicos de energia fotovoltaica
Um caminho a seguir
Os dados fornecidos pela International Renewable
Energy Agency (Irena) – Agência Internacional de Energia Renovável – na revisão
anual 2016, Energia Renovável e Empregos, estima que a taxa global de vagas de
empregos relacionados à energia renovável aumentou 5% em 2015, atingindo 8,1
milhões de pessoas, enquanto o número de vagas de emprego relacionadas aos
demais setores de energia encolheu em comparação aos anos anteriores.
Os países com o maior número de vagas de empregos
relacionados a energias renováveis foram China, Brasil, Estados Unidos, Índia,
Japão e Alemanha, resultado de quadros políticos favoráveis, mudanças regionais
na implantação de sistemas de energias renová¬veis bem como aumento da
produtividade industrial.
A Figura 1 apresenta a quantidade de vagas
relacionadas com energia renovável nos países onde ocorreu maior acréscimo de
vagas de empregos relacionados à energia renovável por tecnologia.
Conforme a transição da matriz energética se
acelera, as vagas de emprego relacionadas a energias renováveis continuam
crescendo, embora esse nível de crescimento esteja propenso a se abrandar na
medida em que a indústria amadurece e a produtividade do trabalho se desenvolve.
As estimativas da Irena apontam que a duplicação da
cota de energias renová-veis na matriz energética global resultaria em mais de
24 milhões de empregos em todo o mundo em 2030 (Irena, 2016), porém, esse
cenário favorável exige quadros políticos estáveis e previsíveis que incentivem
a implantação, estimulem os investimentos em indústrias locais, reforcem as
capacidades e promovam a educação e formação profissional.
A Figura 2 analisa as estimativas de emprego
excluindo grandes hidrelétricas.
Reduções recentes nos custos dos sistemas de
energia solar fotovoltaica têm impulsionado a implantação dessa tecnologia
tanto em usinas de geração quanto em geração distribuída. Trata-se de um
reforço na criação de emprego, uma vez que globalmente, em 2015, as instalações
solares fotovoltaicas foram 20% maiores que no ano anterior, com a China, o
Japão e os Estados Unidos na liderança.
Consequentemente, a energia solar fotovoltaica foi
novamente a fonte renovável que mais empregou os profissionais, com 2,8 milhões
de empregos em 2015, um aumento de 11% em relação ao ano anterior. A China
ainda é considerada a maior empregadora de profissionais dessa área, com 1,7
milhão de postos de trabalho em 2015, fato relacionado à sua liderança
incontestável na fabricação e instalação dessa tecnologia.
No Japão, o emprego relacionado à energia solar
fotovoltaica cresceu 28%, atingindo 377.100 postos de trabalho em 2014,
informações do ano mais recente disponível, em parte como consequência de
tarifas feedin atraentes (JPEA, 2016). Nos Estados Unidos, as altas taxas de
implantação levaram a criação de emprego a níveis recordes. Em contraste, o
emprego de energia solar fotovoltaica na União Europeia (UE) caiu 13% em 2014,
principalmente devido a uma redução na produção (EY, 2015).
A Figura 3 apresenta a estimativa de empregos
diretos e indiretos em energia renovável no mundo.
Conceitos básicos de
energia solar
O Sol é a estrela mais próxima do planeta Terra,
ocupando grande parte do sistema solar. Emite quantidade abundante de energia e
o aproveitamento dela energia pode ocorrer das mais variadas formas. As plantas
absorvem a energia térmica do Sol para efetuar a fotossíntese, sendo que ela
tem papel fundamental na vida do planeta e, da mesma forma a humanidade
desenvolve maneiras de utilizar a energia solar para seu conforto e trabalho.
Estrutura do Sol
O Sol encontra-se a aproximadamente 149 milhões de
quilômetros de distância da Terra, distância percorrida pela luz em apenas oito
minutos, e tem volume 1,3 milhão de vez maior que o nosso planeta. Seu interior
apresenta temperatura superior a 15 milhões de graus Celsius, consequência de
reações termonucleares.
Radiação
A radiação solar é o resultado da fusão nuclear que
ocorre no interior do Sol, transforma dois átomos de hidrogênio em um único de
hélio e emite calor e ondas eletromagnéticas, entre elas a luz.
A luz, como a conhecemos, é uma radiação eletromagnética com comprimento de onda específico aos nossos olhos, porém, o Sol emite radiações em outros comprimentos de onda que não são visíveis ao olho humano, como os raios ultravioleta e infravermelho.
A luz, como a conhecemos, é uma radiação eletromagnética com comprimento de onda específico aos nossos olhos, porém, o Sol emite radiações em outros comprimentos de onda que não são visíveis ao olho humano, como os raios ultravioleta e infravermelho.
A intensidade de radiação auferida depende da
altura solar, que é determinada pela localização do ponto medido em relação ao
globo terrestre. Por esse motivo, os valores de latitude e longitude de uma
região são extremamente importantes para a determinação da real exposição à
radiação. Quanto mais próximo dos polos, maior será a quantidade de massa de ar
que as radiações devem atravessar e, consequentemente, menor será o fluxo
energético na região.
O ângulo de incidência dos raios solares é outro fator que interfere na quantidade de radiação absorvida, portanto, superfícies perpendiculares aos raios solares tendem a absorver quantidade maior de radiação.
O ângulo de incidência dos raios solares é outro fator que interfere na quantidade de radiação absorvida, portanto, superfícies perpendiculares aos raios solares tendem a absorver quantidade maior de radiação.
Quantidade de energia solar
Diferença entre radiação e irradiação
Radiação é a designação dada à energia emitida pelo
Sol, em particular aquela que é transmitida em forma eletromagnética.
Irradiação é a radiação em um intervalo de tempo específico, em horas ou em dias, e é geralmente apresentada em watt-hora por metro quadrado.
A determinação da quantidade de energia solar é parte considerável do estudo solarimétrico de uma região. Para tal, um longo histórico de medições deve ser considerado, tornando-se relevantes períodos de medição superiores a um ano.
Essas informações fazem parte do planejamento inicial para a instituição de siste¬mas fotovoltaicos de geração de energia. Atualmente, alguns países já contam com atlas solares e mapas que informam os valores de radiação em cada localidade.
O mapa de irradiação solar brasileiro apresenta estimativas de fluxo de radiação solar na superfície, utilizando informações de nebulosidade extraídas de imagens de satélite geoestacionário e de dados climatológicos de variáveis ambientais para modelar a composição da atmos
fera e os processos radiativos que nela ocorrem. Dessa forma, uma extensa base de dados de satélite e dados coletados em superfície foi necessária para o mapeamento do fluxo de radiação solar incidente no território brasileiro. Essa irradiação é representada em tons de cores diferentes no mapa, de acordo com os valores correspondentes em Wh/m2.
Irradiação é a radiação em um intervalo de tempo específico, em horas ou em dias, e é geralmente apresentada em watt-hora por metro quadrado.
A determinação da quantidade de energia solar é parte considerável do estudo solarimétrico de uma região. Para tal, um longo histórico de medições deve ser considerado, tornando-se relevantes períodos de medição superiores a um ano.
Essas informações fazem parte do planejamento inicial para a instituição de siste¬mas fotovoltaicos de geração de energia. Atualmente, alguns países já contam com atlas solares e mapas que informam os valores de radiação em cada localidade.
O mapa de irradiação solar brasileiro apresenta estimativas de fluxo de radiação solar na superfície, utilizando informações de nebulosidade extraídas de imagens de satélite geoestacionário e de dados climatológicos de variáveis ambientais para modelar a composição da atmos
fera e os processos radiativos que nela ocorrem. Dessa forma, uma extensa base de dados de satélite e dados coletados em superfície foi necessária para o mapeamento do fluxo de radiação solar incidente no território brasileiro. Essa irradiação é representada em tons de cores diferentes no mapa, de acordo com os valores correspondentes em Wh/m2.
Como é de se esperar, a irradiação solar está
diretamente relacionada à hora do dia. Contudo, outro fator apresenta influência
sobre o nível de irradiação: as estações do ano. Na Figura 8, está representada
a variação da irradiação de uma localidade durante as horas do dia,
considerando uma medição no inverno e outra no verão. É a chamada sazonalidade
do Sol.
Sazonalidade do Sol
A Terra descreve em torno do Sol uma trajetória elíptica em que seu eixo apresenta inclinação de 23,45° em relação ao plano normal da trajetória desenvolvida pela Terra. O efeito dessa inclinação, somado ao movimento de translação, origina as estações do ano.
A Terra descreve em torno do Sol uma trajetória elíptica em que seu eixo apresenta inclinação de 23,45° em relação ao plano normal da trajetória desenvolvida pela Terra. O efeito dessa inclinação, somado ao movimento de translação, origina as estações do ano.
Os efeitos causados pelas estações do ano são
conhecidos, principalmente, pela variação térmica, porém, é possível
identificar que em certas épocas do ano, em determinadas localidades do globo
terrestre, existem consideráveis variações na duração dos dias.
É possível identificar por meio das imagens
anteriores que os dias durante o verão no Hemisfério Sul são mais longos
enquanto no inverno os dias são mais curtos.
Quanto maior a proximidade da linha do Equador, menor é o efeito na duração dos dias ao longo do ano, efeito contrário ao observado nos polos.
Quanto maior a proximidade da linha do Equador, menor é o efeito na duração dos dias ao longo do ano, efeito contrário ao observado nos polos.
Posicionamento do plano irradiado por softwares de
simulação e instrumentos de medição
Conforme citado anteriormente, os ângulos entre os
raios solares e a superfície terrestre variam de acordo com o movimento do Sol.
Devem-se considerar os seguintes ângulos para análises solarimétricas:
• Ângulo zenital (θz): formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite).
• Altura ou Elevação solar (γ): compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal.
• Ângulo zenital (θz): formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite).
• Altura ou Elevação solar (γ): compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal.
• Ângulo azimutal do Sol (α): também chamado
azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano
horizontal e a direção Norte-Sul, onde o deslocamento angular é tomado a partir
do norte geográfico.
• Ângulo azimutal da superfície (ψs): entre a projeção reta normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas convenções do azimute solar.
• Inclinação da superfície de captação (β): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal, que pode variar de 0° a 90°.
• Ângulo de incidência (θs): formado entre os raios de Sol e a reta normal à
superfície de captação.
• Ângulo azimutal da superfície (ψs): entre a projeção reta normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas convenções do azimute solar.
• Inclinação da superfície de captação (β): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal, que pode variar de 0° a 90°.
• Ângulo de incidência (θs): formado entre os raios de Sol e a reta normal à
superfície de captação.
A localização no globo terrestre, a estação do ano
e a inclinação do painel fotovoltaico são os principais parâmetros que afetam a
captação de energia solar. É possível utilizar soft wares específicos para
determinar o valor de energia média captada. Esses recursos facilitam a
definição do Ângulo β, objetivando encontrar a melhor inclinação para uma
máxima captação de energia solar. Ao aplicar os conceitos vistos na
geração de energia solar fotovoltaica, devemos posicionar um módulo
fotovoltaico para que maximize a captação da radiação durante as horas do dia e
as estações do ano, ou seja, um posicionamento horosazonal.
Orientação do módulo fotovoltaico
Para maximizar a captação durante as horas do dia, tomamos como base o ângulo de azimute. Para isso, dirigimos a face coletora do módulo para o norte geográfico da Terra – este será o norte polar (bússola) – e efetuamos uma correção de acordo com o local onde será realizada a instalação.
Para maximizar a captação durante as horas do dia, tomamos como base o ângulo de azimute. Para isso, dirigimos a face coletora do módulo para o norte geográfico da Terra – este será o norte polar (bússola) – e efetuamos uma correção de acordo com o local onde será realizada a instalação.
Inclinação
Para maximizar a captação durante as estações do ano, tomamos como base o ângulo de zênite. Assim, o módulo será inclinado de acordo com a latitude da cidade mais uma correção. Há duas indicações distintas para apurar essa
inclinação: uma para os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica e outra para os sistemas fotovoltaicos isolados (não conectados à rede). Nos casos de sistemas desconectados da rede elétrica, necessitamos estimar o
período de menor captação – ou seja, durante o inverno, quando o Sol “passa” mais baixo e a irradiação é menor – e inclinar mais o módulo. O ângulo de inclinação será dado pela expressão:
Para maximizar a captação durante as estações do ano, tomamos como base o ângulo de zênite. Assim, o módulo será inclinado de acordo com a latitude da cidade mais uma correção. Há duas indicações distintas para apurar essa
inclinação: uma para os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica e outra para os sistemas fotovoltaicos isolados (não conectados à rede). Nos casos de sistemas desconectados da rede elétrica, necessitamos estimar o
período de menor captação – ou seja, durante o inverno, quando o Sol “passa” mais baixo e a irradiação é menor – e inclinar mais o módulo. O ângulo de inclinação será dado pela expressão:
α = latitude + latitude/4
Nos casos de sistemas conectados à rede elétrica, é
recomendada maior captação no verão. Dessa forma, o módulo ficará mais
horizontal e será utilizada a seguinte expressão:
α = 3,7 + 0,69 × latitude
Sistemas com rastreamento
Efetuando-se o rastreamento da luz solar em seu
grau de maior incidência, consegue-se maximizar o aproveitamento da energia ao
longo de todo o dia, aumentando a potência gerada. No Quadro 1 estão
demonstrados os principais
tipos de sistema de rastreamento.
tipos de sistema de rastreamento.
Instrumentos de medição
Quando imaginamos instrumentos de medição aplicados à geração de energia elétrica, pensamos apenas nas grandezas elétricas como tensão, corrente, resis-tência e potência. Porém, quando tratamos de energias renováveis como a solar (fotovoltaica, heliotérmica e térmica), temos de pensar sempre em mensurar a fonte, no caso a radiação solar.
A medição da radiação solar global, considerando tanto a componente direta como a componente difusa na superfície terrestre, é de grande importância para os estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas.
Quando imaginamos instrumentos de medição aplicados à geração de energia elétrica, pensamos apenas nas grandezas elétricas como tensão, corrente, resis-tência e potência. Porém, quando tratamos de energias renováveis como a solar (fotovoltaica, heliotérmica e térmica), temos de pensar sempre em mensurar a fonte, no caso a radiação solar.
A medição da radiação solar global, considerando tanto a componente direta como a componente difusa na superfície terrestre, é de grande importância para os estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas.
De fato, a radiação solar, ao atravessar a
atmosfera é distribuída, em média, de acordo com as porcentagens a seguir:
Note que os valores apresentados são valores
médios. Por exemplo, a reflexão da radiação solar incidente nos polos é
geralmente maior que 24% e nos oceanos, menor que 24%.
Um dispositivo fotovoltaico “plano”, funcionando em
modo convencional, é capaz de aproveitar as componentes direta, difusa e
refletida da irradiância solar, de modo que a intensidade da corrente elétrica
que produz é diretamente proporcional ao valor da irradiância global (direta +
difusa + albedo).
A partir da coleta de informação histórica dessas
medidas determina-se o potencial, e assim as instalações de sistemas de geração
fotovoltaica são viabilizadas para uma determinada região, garantindo o máximo
aproveitamento ao longo do ano. Além do potencial, essa instrumentação é de
grande valia nos controles
de eficiência da geração e na manutenção de todo sistema.
Existe uma grande variedade de equipamentos para essas medições que são classificados pela Organização Mundial de Meteorologia (OMM) e também pela ISO (9060). No Brasil, para algumas aplicações específicas, como habilitação em leilões de energia elétrica e outorga de usinas, tanto a Empresa de Pesquisa
Energética (EPE) quanto a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), têm as suas próprias resoluções e diretrizes de como essas medições devem ser realizadas e quais equipamentos utilizar.
de eficiência da geração e na manutenção de todo sistema.
Existe uma grande variedade de equipamentos para essas medições que são classificados pela Organização Mundial de Meteorologia (OMM) e também pela ISO (9060). No Brasil, para algumas aplicações específicas, como habilitação em leilões de energia elétrica e outorga de usinas, tanto a Empresa de Pesquisa
Energética (EPE) quanto a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), têm as suas próprias resoluções e diretrizes de como essas medições devem ser realizadas e quais equipamentos utilizar.
É importante sabermos que, embora os tipos e/ou as
classificações dos equipamentos possam variar de acordo com o nível de geração,
a utilização é necessária sempre, mesmo em projetos domésticos, geração
distribuída, micro ou minigeração e grandes usinas.
No Quadro 2 é mostrado alguns instrumentos de
medição da radiação solar e seu uso mais frequente.
F 2. Células e módulos
fotovoltaicos
Geração, Tipos e
Características de Células Fotovoltaicas
As células solares têm como objetivo converter a
energia presente nos fótons da radiação da luz fornecida pelo Sol em
energia elétrica nos seus terminais.
O primeiro aparecimento do efeito fotovoltaico aconteceu em 1839, quando Edmond Becquerel presenciou o aparecimento de uma tensão (diferencial de potencial) nos terminais de uma célula eletroquímica ao ser submetida à emissão de luz. Após 36 anos da descoberta desse efeito, foi desenvolvido, em 1876, o primeiro componente fotovoltaico proveniente dos avanços da física do estado sólido. Apenas em 1956 se inicia a produção em escala industrial, alavancada pelo significativo crescimento da área eletrônica.
O primeiro aparecimento do efeito fotovoltaico aconteceu em 1839, quando Edmond Becquerel presenciou o aparecimento de uma tensão (diferencial de potencial) nos terminais de uma célula eletroquímica ao ser submetida à emissão de luz. Após 36 anos da descoberta desse efeito, foi desenvolvido, em 1876, o primeiro componente fotovoltaico proveniente dos avanços da física do estado sólido. Apenas em 1956 se inicia a produção em escala industrial, alavancada pelo significativo crescimento da área eletrônica.
Geração de células fotovoltaicas
As tecnologias empregadas nos sistemas fotovoltaicos são classificadas em três gerações, com predominância de 85% do mercado mundial na primeira geração.
As tecnologias empregadas nos sistemas fotovoltaicos são classificadas em três gerações, com predominância de 85% do mercado mundial na primeira geração.
Primeira geração
Dividida em duas cadeias produtivas, silício
policristalino (p-Si) e silício mono-cristalino (m-Si), são consideradas
tecnologias estabelecidas e confiáveis e têm a melhor eficiência
comercialmente disponível.
Segunda geração
Também conhecida como filme fino, é encontrada com mais dificuldade no mercado e tem baixa participação, se comparada com os modelos de primeira geração. Embora apresentem menor rendimento, algumas empresas tendem a fabricar estruturas filme fino, pois alguns modelos podem ser dobrados ou simplesmente prensados internamente ao vidro.
Também conhecida como filme fino, é encontrada com mais dificuldade no mercado e tem baixa participação, se comparada com os modelos de primeira geração. Embora apresentem menor rendimento, algumas empresas tendem a fabricar estruturas filme fino, pois alguns modelos podem ser dobrados ou simplesmente prensados internamente ao vidro.
Terceira geração
É formada por células fotovoltaicas do tipo multijunção e células fotovoltaicas para concentração, células sensibilizadas por corante e células orgânicas ou polímeras. Todas elas devem ter elevada eficiência, baixo custo e utilizar materiais abundantes na natureza. Essas tecnologias ainda estão em desenvolvimento e não contam com produção em larga escala, o que justifica seu alto custo.
É formada por células fotovoltaicas do tipo multijunção e células fotovoltaicas para concentração, células sensibilizadas por corante e células orgânicas ou polímeras. Todas elas devem ter elevada eficiência, baixo custo e utilizar materiais abundantes na natureza. Essas tecnologias ainda estão em desenvolvimento e não contam com produção em larga escala, o que justifica seu alto custo.
Figura 3 mostra um gráfico comparativo entre as
gerações das tecnologias fotovoltaicas, o custo e o rendimento.
Tipos e características de células fotovoltaicas
Uma célula solar é um dispositivo capaz de
converter a energia dos fótons proveniente do sol em energia elétrica. A Figura
4 esclarece esse funcionamento:
Seu princípio de funcionamento baseia-se na
capacidade de transmitir energia dos fótons da luz solar aos elétrons da
camada de valência dos materiais semi-condutores que, ao receberem essa
energia, conseguem romper as ligações que os mantêm ligados a um átomo.
Assim, cada vez que esse efeito acontece, há uma vacância (falta de
elétron em uma ligação rompida), ou seja, um espaço que antes era ocupado
por um elétron se torna livre para que outro elétron ocupe seu espaço.
Esse movimento de elétrons em conjunto com a
vacância resulta em uma circulação de corrente elétrica em um único sentido,
que pode percorrer um circuito externo e liberar a energia cedida pelos
fótons, para que assim consiga no seu retorno à fonte geradora criar pares
de elétrons-vacância.
A célula fotovoltaica necessária para a criação da
corrente elétrica é obtida pela união de dois semicondutores de diferentes
dopagens: um semicondutor tipo P (excesso de lacunas – falta de elétrons
que denominamos de vacância) e outro tipo N (excesso de elétrons). Ao
uni-los, é criada a célula fotovoltaica.
A face iluminada será a do condutor tipo N e a não
iluminada, a de tipo P.
Depois vêm os contatos, de maneira que a face não
iluminada será coberta totalmente pelo contato elétrico (para oferecer menor
resistência à passagem da corrente elétrica), e a face iluminada deve ter, de
um lado, um contato o mais extenso possível para deixar menos resistente
e, de outro, o menos extenso possível para deixar passar a maior
quantidade de fótons. É habitual, portanto, encontrarmos contatos em forma
de pente.
Normalmente é gerada uma tensão de 0,5 V e uma
corrente de aproximadamente 2 A a 3 A, se a célula se mantiver a uma
temperatura de 25°C.
O comportamento de uma célula fotovoltaica se mede
construindo experimentalmente uma curva que relaciona as variações de corrente
e tensão, que são geradas quando sobre ela incide uma quantidade
determinada de radiação solar.
Essa curva é conhecida como a “curva I-V” de uma
célula fotovoltaica.
A Figura 7 representa a variação que ocorre quando
se tem a elevação da temperatura e da irradiação em uma localidade.
Células fotovoltaicas policristalinas
A maior diferença entre as tecnologias de silício está relacionada à sua eficiência, o silício policristalino apresenta menor rendimento na produção de energia e tem um formato quadrado com uma aparência quebradiça, devido a seu processo de fabricação, formado a partir da compactação de várias partículas de silício com dimensões na ordem de centímetros. Após essa compactação, os lingotes de silício são cortados em lâminas, de onde serão derivadas as células de silício policristalino fotovoltaica com espessura aproximada de 0,2 mm. Pesquisas apontam que em 2020 as células poderão alcançar espessuras da ordem de 0,12 mm, possibilitando a redução dos custos de fabricação em escala industrial.
A maior diferença entre as tecnologias de silício está relacionada à sua eficiência, o silício policristalino apresenta menor rendimento na produção de energia e tem um formato quadrado com uma aparência quebradiça, devido a seu processo de fabricação, formado a partir da compactação de várias partículas de silício com dimensões na ordem de centímetros. Após essa compactação, os lingotes de silício são cortados em lâminas, de onde serão derivadas as células de silício policristalino fotovoltaica com espessura aproximada de 0,2 mm. Pesquisas apontam que em 2020 as células poderão alcançar espessuras da ordem de 0,12 mm, possibilitando a redução dos custos de fabricação em escala industrial.
Células fotovoltaicas monocristalinas
Diferentemente das células de silício policristalino, as de silício monocristalinocsão fabricadas a partir de um único cristal. A célula tem menos perda de eficiência por contato de fases.
O método mais fácil de identificar a diferença entre essas células é a sua ponta,
Diferentemente das células de silício policristalino, as de silício monocristalinocsão fabricadas a partir de um único cristal. A célula tem menos perda de eficiência por contato de fases.
O método mais fácil de identificar a diferença entre essas células é a sua ponta,
lugar em que as células do tipo monocristalino, por
serem fabricadas e desenvolvidas a partir de um lingote redondo, tem suas
pontas redondas. As células do tipo policristalino têm suas pontas em 90°,
formando um quadrado.
Concepção, aplicação e funcionamento
de módulos fotovoltaicos
No início do processo os lingotes são cortados em
lâminas bem finas, de aproximadamente 0,3 mm de espessura. Após o seu corte, as
lâminas são dopadas com boro (formando o lado de cristal tipo P) e fósforo
(formando o lado de
cristal tipo N).
Em sua superfície é colocada uma malha metálica fabricada de prata com o objetivo de captar os elétrons soltos pela célula. Na parte de trás das células é colocado um coletor de uma liga metálica entre alumínio e prata.
cristal tipo N).
Em sua superfície é colocada uma malha metálica fabricada de prata com o objetivo de captar os elétrons soltos pela célula. Na parte de trás das células é colocado um coletor de uma liga metálica entre alumínio e prata.
É feita a interligação das células em série e em
paralelo, formando a base dos módulos. Esse processo pode ser realizado
manualmente ou por processo automatizado em equipamentos específicos. As
células, então, são ligadas em série, formando as strings (série, em
inglês). Essas séries são depois ligadas em paralelo, formando os módulos
fotovoltaicos.
Após a soldagem das células, o processo está quase
concluído. Na sequência, as células são compactadas. Esse processo é
denominado laminação a vácuo do módulo. A laminação garante resistência
mecânica aos módulos solares.
Figura 11 – Máquina de laminagem automática de
módulo fotovoltaico.
A laminadora encapsula o módulo como se fosse um
sanduíche com vidro temperado de alta transparência, acetato de etilvinila
(EVA, sigla em inglês de Ethylene-Vinyl Acetate) estabilizado para a
radiação ultravioleta, uma camada com células fotovoltaicas ligadas em série e
em paralelo, outra camada de EVA estabilizado e, por fim, mais uma camada
de um isolante que, nesse caso, pode ser PVF (Polímero de Fluoreto de
Povinila) ou Tedlar (Polímero Tereftalato de Polietileno – PET).
Após essa compactação, o módulo é inserido em uma
esquadria de alumínio, representado na Figura 12. Na sequência, o módulo
vai para o processo de acabamento, quando será inserida a caixa de conexão
situada na parte de trás do módulo.
Concluído o processo de produção, os módulos vão
para teste em laboratório, que consiste em medir as características
elétricas em duas situações: na primeira, consideram-se as condições
ideais de trabalho, e na segunda as condições reais de trabalho do módulo
fotovoltaico.
Aplicação e funcionamento de
módulos fotovoltaicos STC e NOCT
Após os testes, os módulos fotovoltaicos são colocados em condição padrão deensaio denominado Standard Test Conditions (S TC), em um ambiente que expõe os módulos às seguintes condições: irradiância solar padrão de 1.000 W/m2 sobre
uma distribuição espectral padrão para 1,5 AM e temperatura de célula de 25°C.
Em seguida, são realizadas medições de tensão, corrente e potência.
Na prática, essas condições de testes são quase impossíveis de ocorrer em um dia típico de trabalho do módulo.
Após os testes, os módulos fotovoltaicos são colocados em condição padrão deensaio denominado Standard Test Conditions (S TC), em um ambiente que expõe os módulos às seguintes condições: irradiância solar padrão de 1.000 W/m2 sobre
uma distribuição espectral padrão para 1,5 AM e temperatura de célula de 25°C.
Em seguida, são realizadas medições de tensão, corrente e potência.
Na prática, essas condições de testes são quase impossíveis de ocorrer em um dia típico de trabalho do módulo.
Tipos e características de módulos fotovoltaicos
Atualmente, existem no mercado vários tipos de módulos fotovoltaicos, sendo os mais empregados os monocristalinos e os policristalinos, em que cada um deles tem suas peculiaridades.
Atualmente, existem no mercado vários tipos de módulos fotovoltaicos, sendo os mais empregados os monocristalinos e os policristalinos, em que cada um deles tem suas peculiaridades.
Módulos monocristalinos
Apresentam uma quantidade menor de células ligadas, e essa é uma de suas melhores qualidades, pois os módulos apresentam menor tamanho depois de fabricados e, portanto, ocupam menor espaço. Têm valores menores de tensão ec de corrente – não sendo necessário investimento muito elevado em componentes de proteção ou em cabos para sua utilização. O custo é um pouco mais elevado que os módulos fotovoltaicos policristalinos, porém, dependendo da quantidade c de módulos, a substituição por módulos monocristalinos pode reduzir, aproximadamente, 10% da quantidade de módulos usados, se compararmos com módulos policristalinos.
Apresentam uma quantidade menor de células ligadas, e essa é uma de suas melhores qualidades, pois os módulos apresentam menor tamanho depois de fabricados e, portanto, ocupam menor espaço. Têm valores menores de tensão ec de corrente – não sendo necessário investimento muito elevado em componentes de proteção ou em cabos para sua utilização. O custo é um pouco mais elevado que os módulos fotovoltaicos policristalinos, porém, dependendo da quantidade c de módulos, a substituição por módulos monocristalinos pode reduzir, aproximadamente, 10% da quantidade de módulos usados, se compararmos com módulos policristalinos.
Módulos policristalinos
Por terem efi ciência inferior aos módulos do tipo monocristalino, os módulos policristalinos precisam ter uma quantidade maior de células, aumentando assim seus valores de tensão e de corrente. Como apresentam um tamanho maior, precisam gradativamente de um grande espaço para sua instalação, porém, quando se tem uma área razoavelmente grande, o investimento em módulos policristalinos pode reduzir o preço inicial do projeto entre 7% e 15%, dependendo do potência e do custo dos módulos.
Por ter uma quantidade maior de células associadas, esses módulos apresentam uma tensão maior, diminuindo a quantidade de módulos em série necessária para startup de inversores.
Por terem efi ciência inferior aos módulos do tipo monocristalino, os módulos policristalinos precisam ter uma quantidade maior de células, aumentando assim seus valores de tensão e de corrente. Como apresentam um tamanho maior, precisam gradativamente de um grande espaço para sua instalação, porém, quando se tem uma área razoavelmente grande, o investimento em módulos policristalinos pode reduzir o preço inicial do projeto entre 7% e 15%, dependendo do potência e do custo dos módulos.
Por ter uma quantidade maior de células associadas, esses módulos apresentam uma tensão maior, diminuindo a quantidade de módulos em série necessária para startup de inversores.
Qual módulo escolher
Não existe o melhor ou o pior módulo fotovoltaico, porque todos eles têm suas peculiaridades. O dimensionador do sistema deve observar e identificar qual das tecnologias trará mais vantagens à instalação.
Não existe o melhor ou o pior módulo fotovoltaico, porque todos eles têm suas peculiaridades. O dimensionador do sistema deve observar e identificar qual das tecnologias trará mais vantagens à instalação.
Associação de módulos fotovoltaicos
Dependendo da quantidade de módulos e do tipo de inversor, será necessária a utilização de uma associação diferente. Essa associação pode ser do tipo em série, em paralelo ou mista. Cada uma das associações atribui ao sistema um valor diferenciado de suas características elétricas, que devem estar dentro das especificações técnicas dos módulos que serão comentados a seguir.
Dependendo da quantidade de módulos e do tipo de inversor, será necessária a utilização de uma associação diferente. Essa associação pode ser do tipo em série, em paralelo ou mista. Cada uma das associações atribui ao sistema um valor diferenciado de suas características elétricas, que devem estar dentro das especificações técnicas dos módulos que serão comentados a seguir.
Módulos ligados em série
A principal característica desta associação está relacionada à tensão dos módulos e da quantidade de módulos interligados. Essa relação é diretamente proporcional, ou seja, depende da quantidade de módulos e da tensão de cada um.
A principal característica desta associação está relacionada à tensão dos módulos e da quantidade de módulos interligados. Essa relação é diretamente proporcional, ou seja, depende da quantidade de módulos e da tensão de cada um.
A ligação é efetuada conectando-se os terminais
positivos com os terminais negativos do outro módulo, conforme a Figura
16.
Na Figura 16 temos três módulos ligados em série.
Se nessa associação tivermos módulos com as mesmas características, então
teremos uma adição das tensões e iremos manter o mesmo valor de corrente
para todos os módulos. Essa é a principal característica desse sistema.
Na Figura 17 tem-se as seguintes equações:
Vsistema = V1 + V2 + V3
Vsistema = V1 + V2 + V3
Onde:
Vsistema = Tensão entregue dos módulos para o inversor.
Vo1, Voc2 e Voc3 = Tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos.
Quando fazemos essa ligação, devemos ter muito cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois, se algum dos módulos que estão associados fornecer um valor diferente de corrente, ele fará com que todos os outros reduzam sua corrente, ocasionando uma grande perda de energia em função da redução da corrente.
Vsistema = Tensão entregue dos módulos para o inversor.
Vo1, Voc2 e Voc3 = Tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos.
Quando fazemos essa ligação, devemos ter muito cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois, se algum dos módulos que estão associados fornecer um valor diferente de corrente, ele fará com que todos os outros reduzam sua corrente, ocasionando uma grande perda de energia em função da redução da corrente.
Veja na Figura 18 que, ao associarmos os módulos
diferentes em série, a corrente fornecida ao sistema é reduzida para uma
corrente menor, provocando uma grande redução da produção de energia do
sistema.
Também não é recomendável a ligação em série quando
há incidência de sombreamento nos módulos, pois nessa ligação a perda de
energia será muito grande, tornando o sistema inviável.
Módulos ligados em paralelo
Em uma ligação em paralelo, o aumento não ocorre na tensão, mais sim na corrente, em que cada módulo produzirá um valor determinado de energia em ampere. A corrente será somada, formando e entregando ao inversor uma corrente superior à de um módulo.
Em uma ligação em paralelo, o aumento não ocorre na tensão, mais sim na corrente, em que cada módulo produzirá um valor determinado de energia em ampere. A corrente será somada, formando e entregando ao inversor uma corrente superior à de um módulo.
Nessa ligação, visamos à interligação dos polos
positivos em um único ponto, e o mesmo ocorre com os polos negativos do
módulo, em que é entregue ao inversor um único positivo e um único
negativo, conforme a mostra a Figura 20.
Na Figura 20 há três módulos ligados em paralelo,
assim como no exemplo da ligação em série há a mesma produção de potência,
pois a quantidade de módulos define a quantidade da potência gerada pelo
sistema. A diferença entre as ligações é que em série há o aumento da
tensão e em paralelo o aumento é na corrente.
Na Figura 20 tem-se:
1sistema + lsc1 + lsc2 + lsc3
1sistema: será a corrente total entregue dos módulos para o inversor.
lsc1, lsc2 e lsc3: São as corrente de Curto – Circuito de cada Módulo
Na ligação em paralelo deve-se também ter cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois assim haverá perdas consideráveis na tensão.
Entretanto, não será tão prejudicial ao sistema como na ligação em série.
1sistema + lsc1 + lsc2 + lsc3
1sistema: será a corrente total entregue dos módulos para o inversor.
lsc1, lsc2 e lsc3: São as corrente de Curto – Circuito de cada Módulo
Na ligação em paralelo deve-se também ter cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois assim haverá perdas consideráveis na tensão.
Entretanto, não será tão prejudicial ao sistema como na ligação em série.
É bom ressaltar que em sistemas ligados em paralelo
há um aumento da corrente
e por isso deve-se tomar cuidado redobrado, pois a
corrente em sistemas con-
tínuos tende a ter seu valor estável, aumentando assim o risco do aparecimento
tínuos tende a ter seu valor estável, aumentando assim o risco do aparecimento
do arco voltaico, no momento da abertura do
circuito.
Na Figura 22, é possível identificar o que ocorre
quando associamos módulo sem paralelo com características diferentes.
Módulos ligados em solução mista
As ligações mistas são usadas quando necessitamos aumentar tanto o valor de corrente como o valor de tensão no sistema. Há uma interação entre as duas associações. Nessa associação, teremos o aumento da corrente assim como o aumento da tensão, sendo essa a característica das duas associações.
As ligações mistas são usadas quando necessitamos aumentar tanto o valor de corrente como o valor de tensão no sistema. Há uma interação entre as duas associações. Nessa associação, teremos o aumento da corrente assim como o aumento da tensão, sendo essa a característica das duas associações.
Cada uma das associações tem suas peculiaridades,
sendo que a melhor e mais recomendada é a associação mista, pois
proporciona ao sistema uma característica de aumento de corrente e tensão,
aliviando o inversor. Essas associações devem ser feitas com cuidado e bem
planejadas para que não haja um superdimensionamento do sistema.
Perdas de energia
relacionadas aos módulos
As perdas de energia relacionadas aos módulos
fotovoltaicos podem ser de duas naturezas: temperatura e sombreamento.
Perdas por temperatura
A perda de energia por temperatura incide
diretamente na tensão gerada pelo painel, influenciando pouco na corrente. Cada
módulo tem como característica um coeficiente de temperatura que é especificado
no catálogo do fabricante. A relação existente entre a temperatura e a tensão é
inversamente proporcional.
A taxa de variação comumente encontrada nos
coeficientes está entre 0,3%/oC a 0,5%/oC. A variação da temperatura não
impactará de forma sensível a potência gerada pelo módulo. Já com a ausência de
Sol, em um dia nublado, por exemplo, a energia gerada no módulo fotovoltaico é
muito baixa. Essa falta de luz afeta diretamente sua produção de corrente
elétrica nos módulos por consequência do efeito fotovoltaico nas células. Das
duas formas de perdas citadas, a segunda afeta mais profundamente a geração de
potência do módulo, como podemos comprovar pela curva.
A Tabela 2 é usada para encontrar os valores reais
de operação dos módulos fotovoltaicos.
Com essas informações deve-se encontrar o valor de
temperatura média anual para o local onde o sistema será instalado. Atualmente,
é possível colher essas informações em diversos sites da internet. A Figura 26
mostra o valor de temperatura média anual no Brasil em 2014.
Com a Figura 26 é possível identificar os valores
médios de temperatura por região. A partir dessa temperatura média anual é possível
corrigir as características dos módulos fotovoltaicos em seus valores de
tensão, potência e corrente.
Para realizar essa correção, devemos usar as
seguintes fórmulas:
ΔT = Tstc – Treal
Onde:
Treal + Tamb – ΔT
O ΔT na segunda fórmula varia para cada tipo de
instalação no telhado.
Em lugares que não se sabe onde serão instalados os
módulos solares, usamos o valor de 25°C como padrão mundial.
Substituindo na fórmula o valor padrão.
Substituindo na fórmula o valor padrão.
ΔT = Tstc – (Tamb + ΔT)
ΔT = 25°C – Tamb – 25°C * (–1)
ΔT – 25°C + Tamb + 25°C
ΔT + Tamb
ΔT = 25°C – Tamb – 25°C * (–1)
ΔT – 25°C + Tamb + 25°C
ΔT + Tamb
Utiliza-se a temperatura ambiente para estipular a
correção do trabalho do módulo fotovoltaico. Com essa informação, é possível
corrigir os valores de potência, tensão e corrente do módulo fotovoltaico. Esse
processo de cálculo é semelhante em todas as correções, e será necessário
utilizar os valores colhidos nas Tabelas 1 e 2.
Perda percentual = P% = Tamb * Coef%
Coef% = Coeficiente de Perda Percentual, encontrado
nos manuais de inversores.
Esse coeficiente de perda será encontrado para potência, tensão e corrente.
Esse coeficiente de perda será encontrado para potência, tensão e corrente.
P% = 25 * (–0,4) → P% = –10%
Nesse exemplo utilizamos a temperatura de 25°C e o
coeficiente de perda da po-
tência. Assim, encontramos que em 25°C esse módulo irá fornecer uma potência
tência. Assim, encontramos que em 25°C esse módulo irá fornecer uma potência
de 90% e não 100%, que nesse caso seria:
90% em decimal seria 0,9
Multiplica-se o valor em decimal pela potência
inicia 290W.
Potência corrigida = 0,9 * 290 → 261 W
Em 25°C, esse módulo poderia alcançar uma potência
de trabalho equivalente a 261 W. Para as outras características (tensão e
corrente) também será preciso corrigir para a temperatura de 25°C.
Substituímos, então, os valores de coeficiente de perda percentual de cada uma
das características do módulo.
Perdas por sombreamento
Outro fator que pode ocasionar perda de energia em
um módulo está relacionado à disposição das células que recebem radiações
diferentes de energia. Sendo assim, as células produzirão uma quantidade menor
de energia. A produção total do sistema irá diminuir.
A diminuição da radiação incidente sobre uma célula
pode estar relacionada a um sombreamento parcial do módulo, depósito de sujeira
sobre o vidro ou algo que tenha caído e permanecido sobre o módulo. A redução
da radiação solar
estará afetando a corrente nesses módulos.
estará afetando a corrente nesses módulos.
Esse é um dos motivos pelos quais não se recomenda
permitir um sombreamento sobre os módulos em que, dependendo da ligação, pode
afetar muito a perda de energia. Para diminuir esse problema, a maioria dos
módulos vem equipada com diodos de bloqueio e diodos by-pass.
Diodo by-pass é um componente eletrônico que tem
por objetivo oferecer um segundo caminho para a passagem de energia. Se essa
energia não fosse impedida pelo diodo, poderia afetar de modo irreversível os
módulos solares com o efeito de “ponto quente” nas células. Esse efeito é conhecido
pelo termo hotspot.
Principais parâmetros dos módulos
Quando visualizamos as informações de placa
(datasheet) de um módulo fotovoltaico, podemos observar medições de seus
valores de potência, tensão e corrente, em duas situações: a primeira apresenta
resultados em condições de laboratório, que damos o nome de STC (Standard Test
Conditions), e a segunda apresenta resultados para situações de exposição em
condições extremas de trabalho, à qual damos o nome de NOCT (Normal Operating
Cell Temperature).
Em condições ideais, os módulos são expostos em
condições padrão de trabalho: (radiação: 1.000 w/m2; temperatura: 25°C; massa
de ar: 1,5 AM).
Deve-se considerar que esses valores não ocorrerão
em condições reais de trabalho. Sendo assim, é necessário ajustarmos os valores
de tensão, corrente e potência.
Para isso algumas informações a serem observadas
antes de corrigidas.
O primeiro item a ser identificado são os
parâmetros elétricos do módulo fotovoltaico, que são:
VOC: Tensão de Circuito Aberto;
VMP: Tensão em Máxima Produção;
ISC: Corrente em Curto-Circuito;
IMP: Corrente em Máxima Produção;
Ppeak: Potência Pico do Módulo.
VMP: Tensão em Máxima Produção;
ISC: Corrente em Curto-Circuito;
IMP: Corrente em Máxima Produção;
Ppeak: Potência Pico do Módulo.
Na Tabela 4 está representado um exemplo de
catálogo de módulos fotovoltaicos da empresa Suntech Power. Esse módulo é
monocristalino.
F 3. Inversores
Conceito e Inversores
Desconectados (Off-Grid)
Conceito
Os inversores de frequência são dispositivos do
sistema fotovoltaico que transformam a corrente contínua gerada nos módulos
para corrente alternada em padrões de tensão e frequência de uma rede elétrica,
na qual funciona a maioria de nossos eletrodomésticos e cargas em geral.
Inversores desconectados (off-grid)
Principais características
Nos sistemas fotovoltaicos, a geração, o
armazenamento e a disponibilização da eletricidade ocorrem na forma de corrente
contínua (CC). Para a utilização de aparelhos que funcionam com corrente
alternada (CA), é necessário um conversor que transforme a corrente contínua
com tensões entre 12 V e 48 V em corrente alternada com tensões de 127 V ou 240
V. Essa é a função dos inversores autônomos, utilizados em sistemas
fotovoltaicos isolados. As características desejáveis na escolha de um bom
inversor para um sistema fotovoltaico autônomo são:
•Boa eficiência na conversão elétrica:
É recomendado que os inversores tenham uma
eficiência acima de 80%. A eficiência máxima de um inversor acontece,
geralmente, quando este está fornecendo entre 50% e 70% de sua capacidade
nominal contínua. Inversores mais sofisticados conseguem altas eficiências
mesmo quando parcialmente carregados, ou com carga próxima à máxima nominal.
• Alta capacidade de sobrecarga:
Um inversor deve ser capaz de fornecer uma potência
instantânea bem maior que a potência nominal, o que permitirá a partida de
dispositivos elétricos que consumam alta corrente de partida (por exemplo,
motores), sem necessidade de superdimensionamento do inversor na fase de
projeto.
• Tolerância para as flutuações de tensão das
baterias:
Durante os processos de carga e descarga, a tensão
das baterias varia de tal maneira que pode ser nociva a dispositivos mais
sensíveis.
• Baixo autoconsumo:
Quando em stand-by e detecção automática de cargas.
• Proteção contra curto-circuito na saída CA.
• Alta proteção eletromagnética.
• Baixa distorção harmônica:
Refere-se à qualidade da forma de onda de saída da
corrente alternada. Quanto menor a distorção, maior qualidade terá a corrente
de saída.
• Proteção contra surtos.
Alguns inversores têm um sistema de controle que
lhes permite carregar o banco de baterias por uma fonte de energia elétrica em
corrente alternada. Esses inversores são chamados de inversor-carregador, não
são inversores grid-tie e, por isso, não podem ser utilizados em sistema
on-grid (conectados à rede).
Modelos ou tipos (onda quadrada e onda senoidal
modificada)
Os inversores autônomos não necessitam de tantos
requisitos como os de modelos que trabalham conectados à rede, nem mesmo de uma
onda tipo senoidal perfeita, pois sua forma de onda não irá entrar em
sincronismo com a da rede, atendendo somente as cargas de corrente alternada do
local a ser abastecido. Os modelos mais utilizados variam de acordo com o tipo
de onda CA de saída, com a potência CA da carga e com valores de tensão de
entrada CC e saída CA.
O modelo de inversor com onda senoidal modificada é
o mais procurado devido ao seu baixo custo e atende a maior parte dos aparelhos
AC (110 V/220 V) e com entradas CC (12 V/24 V e 48 V). Entretanto, não são
indicados para alguns aparelhos, tais como motores com velocidade variável,
relógios digitais, timers, dimmers, impressoras a laser, reatores eletrônicos
para lâmpadas, alguns modelos de carregador, aparelhos de som e televisores.
Esses inversores atendem sistemas fotovoltaicos bem simples, com arranjos de
menor potência, até 1.000 W, por exemplo.
Esses inversores desconectados, com onda senoidal
pura, atendem às mesmas especificações de tensão CC e AC do modelo anterior,
porém, com uma saída de onda CA de melhor qualidade, suprindo qualquer tipo de
equipamento que necessite de uma frequência constante e confiável. É
recomendado para arranjos de maior potência (acima de 1.000 W), porém, com custo
mais elevado.
Métodos de conversão
O princípio de conversão usado pelos inversores
baseia-se na junção de dois circuitos. A ponte H é um deles, formada por quatro
transistores. Ela recebe a tensão contínua de uma fonte, no caso, o módulo
fotovoltaico, e faz um chaveamento cruzado com seus transistores, permitindo a
condução de corrente por dois caminhos. Em um primeiro instante, os
transistores S1 e S4 saturam, permitindo que a corrente circule por eles. No
instante seguinte são os transistores S2 e S3 que saturam e permitem a condução
de corrente, que cruzará a carga em um sentido contrário, dando origem a uma
onda alternada, mas retangular. O outro circuito é um gerador de pulsos
ajustáveis chamado modulador PWM, cuja forma de onda sobreposta à onda da ponte
H fornecerá uma onda senoidal digitalizada.
Diagramas de ligação e proteção
Nos sistemas desconectados, o inversor no lado
contínuo recebe a corrente de baterias ou da controladora de cargas. Portanto,
o seccionamento só deve ser feito com um disjuntor CC, ou uma chave extintora
de arcos voltaicos, que deve estar o mais próximo possível do banco de
baterias. No lado CA, o inversor será ligado às cargas por disjuntores CA mono
ou bipolares, calculados em função das correntes das cargas.
Inversores conectados à rede (on-grid
Principais
características
Para
injetar energia na rede elétrica é necessário um inversor interativo, também
chamado de grid-tie inverter.
Em razão de seu alto grau de sofisticação, os inversores interativos não são
comparáveis aos inversores autônomos.
Inversores
autônomos não podem ser ligados diretamente às redes de distribuição, pois não
têm o mesmo controle sobre a tensão e a frequência que os inversores
interativos possuem.
Resumindo,
as demandas necessárias para um inversor integrado à rede são:
·
onda de saída senoidal;
·
sistema anti-ilhamento (não se pode injetar energia quando a
rede elétrica não estiver energizada);
eficiência de 90 a 98%;
eficiência de 90 a 98%;
·
operação com carga de qualquer fator de potência
(indutiva/capacitiva);
estabilidade de frequência e voltagem;\
estabilidade de frequência e voltagem;\
·
Maximum Power Point Tracking;
·
monitor para todos os parâmetros;
distorção harmônica << 4%;
distorção harmônica << 4%;
·
proteção de saída e entrada;
·
ajuste de todos os parâmetros;
·
saída e entrada flutuantes;
·
com ou sem transformador;
·
proteção ambiental conforme utilização (IP 65 para uso externo);
·
sistema de aquisição de dados e acesso remoto via modem.
Modelos ou
tipos (onda quadrada e onda senoidal modificada)
Os
inversores interativos com potência de pico até 5 KW são, geralmente,
monofásicos. Para os sistemas de maior potência, trifásicos frequentemente.
Existem grandes inversores centrais trifásicos e inversores monofásicos que
podem ser agrupados em um sistema trifásico.
Além dos
inversores grid-tie stand alone, existem microinversores integrados ao módulo
fotovoltaico, em que cada painel do arranjo já converte CC em CA. Esse modelo
encarece o sistema, porém, se torna muito útil quando parte do arranjo é
sombreado por uma nuvem, por exemplo. O sistema perde a energia somente da
parte sombreada e não compromete a geração do restante do arranjo, o que
ocorreria em um sistema com um único inversor.
Métodos de
conversão
Inversores
controlados ou chaveados pela rede
A
constituição básica de um inversor controlado ou chaveado pela rede é de uma ponte
de tiristores. O uso de inversores tiristorizados em sistemas de automação (por
exemplo, controladores de motores) levou ao uso da mesma solução nos primeiros
inversores para uso fotovoltaico. Esse tipo de inversor ainda é utilizado em
sistemas de grande potência. Para sistemas menores, com potências até 5 KWp,
existem poucos fabricantes que utilizam essa tecnologia.
O inversor
controlado pela rede utiliza a frequência e a tensão da rede para chavear os
tiristores – daí o seu nome. Se houver uma queda na rede, o inversor desliga-se
automaticamente, o que faz com que esse tipo de inversor não possa
funcionar de modo autônomo. Durante o seu funcionamento são gerados pulsos de corrente de onda quadrada. Por isso, esse tipo de inversor também é chamado inversor de onda quadrada.
funcionar de modo autônomo. Durante o seu funcionamento são gerados pulsos de corrente de onda quadrada. Por isso, esse tipo de inversor também é chamado inversor de onda quadrada.
As
diferenças na forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o aparecimento
de grandes distorções harmônicas e o alto consumo de potência reativa. Por
isso, são utilizados filtros de saída e dispositivos para limitar os harmônicos.
Para isolar a rede, é utilizado um transformador principal. Nos inversores mais
recentes, os pulsos são emitidos por um microprocessador que tem a função de
retardar o impulso (controle por ângulo de fase). Também é possível utilizar um
sistema de Maximum Power Point Tracking (MPPT).
Inversores
autorregulados (autochaveados)
·
Nos inversores autorregulados são utilizados dispositivos
semicondutores que podem ser ligados e desligados em um circuito em ponte. De
acordo com o nível de tensão e desempenho do sistema, podem ser utilizados os
seguintes componentes: Transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido
metálico (Mosfet);
·
Transistores bipolares;
·
Tiristor de desligamento pela porta – até 1 kHz (GTO);
·
Transistor bipolar de porta isolada (IGBT).
Por meio
do princípio de modulação por largura de pulso (PWM), esses componentes
eletrônicos conseguem reproduzir muito bem uma onda senoidal.
O
chaveamento rápido do estado dos componentes em frequências em torno de 10
kHz-100 kHz forma pulsos, com duração e espaçamento semelhantes aos de uma onda
senoidal. Após o uso de um filtro passa-baixa, teremos um sinal elétrico
compatível com a rede.
Devido à
alta frequência de chaveamento para a formação dos pulsos, esses dispositivos
criam interferências em alta frequência, exigindo medidas de compatibilidade
eletromagnética (EMC) por meio do uso de circuitos de proteção e blindagem. Os
inversores com a marca CE, e que possuem certificado de Conformidade com a
Comunidade Europeia (EC), geralmente mantêm os valores de EMC abaixo dos
limites.
A
princípio, os inversores autochaveados são adequados, para sistemas
fotovoltaicos autônomos. Se forem conectados à rede, a frequência da potência
injetada deve ser sincronizada com a da rede, gerando os pulsos de chaveamento
de acordo com essa frequência.
Inversores
com transformador de baixa frequência (LF)
Nos
inversores autochaveados e nos inversores chaveados pela rede podem ser
utilizados transformadores de baixa frequência (LF) – 50 Hz no padrão europeu –
para ajustar a tensão de saída com a tensão da rede. O campo magnético do
transformador isola eletricamente o circuito CC do circuito CA.
Devido ao
isolamento o inversor permite que o arranjo fotovoltaico forneça tensões
menores, torna desnecessário o aterramento conjunto do inversor e do arranjo
fotovoltaico e reduz interferências eletromagnéticas.
As
desvantagens são aumento da perda de potência e do tamanho e peso do inversor,
fazendo com que alguns fabricantes utilizem transformadores menores ou os eliminem
por completo.
Inversores
com transformador de alta frequência (HF)
Ao se
utilizar transformadores em alta frequência de 10 kHz a 50 kHz, obtêm-se
menores tamanhos, menores perdas, menor peso e menor custo. Entretanto, o
circuito desse tipo de inversor é mais complexo, o que faz a diferença de preço
não ser tão significativa.
Inversores
sem transformadores
Para
potências menores, temos os inversores sem transformadores, cujas vantagens são
menor tamanho, peso, perdas e custo. Nesse tipo de inversor, a tensão de
entrada deve ser maior que a tensão de pico da rede, ou deve ser elevada por um
conversor CC/CC, geralmente integrado ao circuito do inversor que,
infelizmente, aumenta as perdas energéticas, diminuindo a vantagem de não
possuir o transformador.
Como não
têm isolamento elétrico, necessitam de severas medidas de segurança em sua
instalação, exigindo a instalação de dispositivos de proteção contra corrente
residual, tanto do lado CC como no lado CA. Deve-se observar que durante o
funcionamento dos sistemas fotovoltaicos com inversores sem transformador
formam-se correntes residuais capacitivas entre os módulos e a terra de ordem
superior a 30 mA, o que inviabiliza o uso de IDR (Interruptores Diferenciais
Residuais) comuns, que se desconectam em 30 mA.
A seguir
está o Quadro 1 que compara inversores com e sem transformadores.
Diagramas
de ligação e proteção
Um dos
requisitos normativos para inversores serem ligados à rede é ter um sistema de
ilhamento. Isso significa que a falta de energia da rede externa à instalação
resulta no desligamento do sistema fotovoltaico, para segurança dos operários
da concessionária quando realizarem manutenção da rede.
Os arranjos fotovoltaicos conectados à rede devem ter uma tensão de corrente contínua (CC) de entrada alta. Por esse motivo, os módulos são ligados em série ou strings. No manual do inversor, portanto, deve constar até quantas strings ele pode comportar.
A proteção do arranjo de módulos, dos inversores e do sistema em geral é feita em pequenos quadros chamados string box. Neles estão contidos todos os dispositivos de proteção como fusíveis, disjuntores e DPSs.
Os arranjos fotovoltaicos conectados à rede devem ter uma tensão de corrente contínua (CC) de entrada alta. Por esse motivo, os módulos são ligados em série ou strings. No manual do inversor, portanto, deve constar até quantas strings ele pode comportar.
A proteção do arranjo de módulos, dos inversores e do sistema em geral é feita em pequenos quadros chamados string box. Neles estão contidos todos os dispositivos de proteção como fusíveis, disjuntores e DPSs.
Dependendo
das distâncias entre os módulos e o(s) inversor(es) – lado CC e inversor(es) e
quadro de distribuição –, é necessário mais de um conjunto de dispositivos de
proteção contra surtos, pois a recomendação é que sejam instalados a cada 10 m
de cabos.
Os
diagramas e circuitos de proteção em arranjos fotovoltaicos nem sempre
apresentam claramente a sequência correta dos dispositivos na string box. Deve-se obedecer
ao seguinte padrão para segurança do inversor:
Módulos →
Seccionador → DPS → Fusível CC → Inversor
F 4. Componentes dos Sistemas
Fotovoltaicos