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Energia Solar Fotovoltaica, Notas de estudo de Engenharia Florestal

Esta apostila foi criada para dar suporte a todos os interessados em conhecer a tecnologia por trás da Energia Solar Fotovoltaica. Apresenta uma introdução às tecnologias de geração de eletricidade por fonte fotovoltaica, seus usos e aplicações no Brasil.

Tipologia: Notas de estudo

2017

Compartilhado em 05/04/2017

Éder_Naves78
Éder_Naves78 🇧🇷

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Baixe Energia Solar Fotovoltaica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Florestal, somente na Docsity! Deixe sua curtida Quer saber mais? LIVRO DIGITAL DE INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS SOLARES www.blue-sol.com www.blue-sol.com 5 6. Painel e Arranjo Fotovoltaico 55 6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem 55 6.1.1. Suportes para telhado 55 6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal 57 6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico 58 6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico 59 6.1.3. Suporte em Forma de Mastro 59 6.2. Cálculos de Sombreamento 60 7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede 64 7.1. Inversores On-Grid 64 7.1.1. Classiicação e Tipos de Inversores Grid-Tie 65 7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede 65 7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) 66 7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF) 67 7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF) 68 7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores 68 7.1.1.3. Caracterísicas e Propriedades dos Inversores Grid-Tie 68 7.1.1.4. Eiciência de Conversão (Conversion Eiciency) – ηCON 69 7.1.1.5. Eiciência de Rastreamento (Tracking Eiciency) – ηTR 69 7.1.1.6. Eiciência Estáica (Staic Eiciency) – ηINV 69 7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO 70 www.blue-sol.com6 www.blue-sol.com 7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga 71 7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais 71 7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie 72 7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid 74 7.2.1. Caixas de Junção 74 7.2.2. Conigurações e Conceitos 75 7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central 75 7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC) 75 7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC) 76 7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave) 77 7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos 77 7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA 78 8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 81 8.1. Painel Fotovoltaico 81 8.2. Banco de baterias 81 8.2.1. Funções do banco de baterias 82 8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos 82 8.2.2.1. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido 82 8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido 85 8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido 87 8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias 89 www.blue-sol.com 7 8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias: 89 8.3. Controlador/Regulador de Cargas 90 8.3.1. Formas de Controle de Carga 92 8.3.1.1. Controladores Série 92 8.3.1.2. Controladores Shunt 92 8.3.1.3. Controladores com MPPT 92 8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador 93 8.4. Inversores Autônomos 93 8.4.1. Caracterísicas dos inversores Autônomos 94 8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo 95 9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 98 9.1. Banco de baterias 101 9.2. Painel Fotovoltaico 105 9.2.1. Inluência do Controlador de Carga 105 9.2.2. Inluência da Disponibilidade Solar no Local 105 9.2.3. Inluência da Inclinação do Painel Fotovoltaico 107 9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos 108 9.2.5. Escolha do Controlador de Carga 109 10. Bibliograia 113 Introdução www.blue-sol.com10 www.blue-sol.com www.blue-sol.com 11 1. Introdução O desenvolvimento da sociedade humana está atrelado à transformação do meio ambiente e obtenção de energia. Durante o desenvolvimento da nossa sociedade icou evidente a carência de energia em todos possíveis locais da convivência humana, e nas úlimas décadas temos visto o apelo de várias vozes que nos mostram o iminente do im dos combusíveis fósseis, o imenso impacto ambiental causado por essas fontes de energia e a insustentabilidade do modo como obtemos a energia que nos move. Enquanto isso, em muitas frentes, temos o desenvolvimento de novas formas de geração de energia e recentemente ivemos o reconhecimento das fontes renováveis, não mais como fontes de energia alternaiva, mas como fontes de energia primárias, cujas principais representantes são: • Energia Hidrelétrica; • Biomassa • Energia Eólica • Energia Solar Todas as formas de energia que conhecemos derivam da energia solar. É a energia do sol que altera o estado ísico da água, fazendo com que essa migre e possa ser represada e aproveitada nas usinas hidrelétricas. O aquecimento das massas de ar provoca os ventos, que são aproveitados nos aerogeradores dos parques eólicos É a energia solar, absorvida na fotossíntese, que dá vida às plantas uilizadas como fonte de energia de biomassa. Até mesmo o petróleo, que vem de restos de vegetação e animais pré-históricos, também é derivado do sol, pois este deu a energia necessária ao aparecimento da vida na terra em eras passadas. Podemos, através desse ponto de vista, considerar que todas as formas de energia são renováveis, infelizmente não em escala humana. As formas de energia renovável citadas acima são as que se renovam a cada dia, permiindo um desenvolvimento sustentável da vida e sociedade humana. A energia solar que chega à Terra e um ano é muito maior que o consumo humano de energia no mesmo período. Infelizmente todo esse potencial não é aproveitado. O aproveitamento ariicial da energia solar pode ser feito de três modos: • Arquitetura Bioclimáica • Efeito Fototérmico • Efeito Fotovoltaico 1.1. Arquitetura Bioclimáica A arquitetura bioclimáica consiste em formas de aproveitamento da luz natural do sol, do calor - ou evitando-o - através de formas de integração arquitetônica às condições locais. Para aproveitar corretamente as condições naturais, a ediicação deve ser planejada cuidadosamente, o que pode signiicar um alto rendimento no aproveitamento da energia natural do sol, economizando outras formas de energia mais soisicadas. Temos como exemplo, os sistemas que aproveitam melhor a luz natural durante o dia, economizando eletricidade. 1.2. Energia Solar Térmica O efeito fototérmico consiste na captação da Irradiação Solar e conversão direta em calor. É o que ocorre com os Sistemas de Aquecimento Solar que uilizam os Coletores Solares como disposiivo de captação energéica. Os Sistemas de Aquecimento Solar estão difundidos no Brasil, principalmente devido à sua tecnologia mais simples e aos bons preços. São óimos complementos aos sistemas fotovoltaicos, pois fornecem de maneira eicaz e barata, a energia necessária ao aquecimento da água para uso sanitário, aquecimento de piscinas e climaização ambiente. boiler caixa d’água coletor solar água fria água quente www.blue-sol.com12 www.blue-sol.com Figura 1 - Sistema de aquecimento solar 1.3. Energia Solar Fotovoltaica O efeito fotovoltaico, observado por Edmond Bequerel em 1839, consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de um semicondutor, quando esse absorve a luz visível. É o objeto de estudo deste livreto e a forma de captação de energia solar mais promissora. São incontestáveis as vantagens da energia solar fotovoltaica: • A matéria prima é inesgotável • Não há emissão de poluentes durante a geração da eletricidade • Os sistemas podem ser instalados em todo o globo Infelizmente a energia solar fotovoltaica tem suas deiciências: • A densidade (o luxo de potencial que chega à superície terrestre) é pequeno (<1kW/m²), se comparado às fontes fósseis. • A energia solar disponível em uma localidade varia sazonalmente, além de ser afetada pelas condições climatológicas. • Os equipamentos de captação e conversão requerem invesimentos inanceiros iniciais mais elevados que os sistemas convencionais. O baixo luxo de potencial solar requer grande área captadora, para obter maiores potências. A variabilidade da Irradiação Solar implica no uso de sistemas de armazenamento, que são, em geral, pouco eicientes. Já o alto invesimento inicial, leva a considerar a viabilidade econômica de um projeto, tendo em conta sua vida úil e todas as vantagens da uilização dessa forma de energia. Nas páginas seguintes conheceremos um pouco mais sobre a captação da energia solar e conversão em energia elétrica úil; os disposiivos uilizados, e alguns detalhes que permiiram um bom começo de estudos nessa interessante área. O estudo sério da energia solar fotovoltaica se desenvolve em vários ramos da ciência como: ísica, química, matemáica, astronomia, etc. É um mundo de conhecimento, no qual penetramos a parir de agora. www.blue-sol.com 15 eletricidade das concessionárias. Os sistemas isolados podem ser classiicados em Híbridos ou Autônomos (Puros). Os sistemas autônomos podem ser com, ou sem armazenamento elétrico. 2.1.1.1. Sistemas Híbridos Figura 3 - Sistema híbrido eólico fotovoltaico Um sistema fotovoltaico híbrido trabalha em conjunto com outro sistema de geração elétrica, que pode ser um aerogerador (no caso de um sistema híbrido solar-eólico), um moto-gerador a combusível líquido (ex.: diesel), ou qualquer outro sistema de geração elétrica. Um sistema híbrido pode ou não possuir sistema de armazenamento de energia. Quando possui, geralmente o sistema de armazenamento tem autonomia menor ou igual a um dia. 2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros) Um sistema fotovoltaico puro é aquele que não possui outra forma de geração de eletricidade. Devido ao fato de o sistema só gerar eletricidade nas horas de sol, os sistemas autônomos são dotados de acumuladores que armazenam a energia para os períodos sem sol, o que acontece todas as noites, e também nos períodos chuvosos ou nublados. Os acumuladores são dimensionados de acordo à autonomia que o sistema deve ter, e essa varia de acordo às condições climatológicas da localidade onde será implantado o sistema fotovoltaico. 2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento São sistemas que funcionam somente durante as horas de sol. Temos como exemplo os sistemas de bombeamento de água. As caracterísicas das bombas são calculadas levando em consideração a necessidade água e o potencial Solar da localidade. O painel fotovoltaico é dimensionado para fornecer potencial para a bomba. Apesar de, geralmente, não uilizarem sistemas de armazenamento elétrico, o armazenamento energéico é feito na forma de água no reservatório. www.blue-sol.com16 www.blue-sol.com Figura 4 - Sistema de bombeamento fotovoltaico 2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo Um sistema fotovoltaico residencial autônomo, geralmente, possui os seguintes componentes: 1 2 3 4 5 Figura 5-Componentes de um sistema fotovoltaico autônomo 1 – Painel fotovoltaico; 2 – Controlador de Carga/Descarga das baterias; 3 – Banco de baterias; 4 – Inversor autônomo, para cargas em CA; 5 – Cargas CC ou CA; Nos capítulos seguintes serão explicados os detalhes sobre cada um dos componentes de um sistema fotovoltaico autônomo. www.blue-sol.com 17 2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid) Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede fornecem energia para as redes de distribuição. Todo o potencial gerado é rapidamente escoado para a rede, que age como uma carga, absorvendo a energia. Os sistemas conectados à rede, também chamados de on-grid, geralmente não uilizam sistemas de armazenamento de energia, e por isso são mais eicientes que os sistemas autônomos, além de, geralmente, serem mais baratos. Os sistemas On-Grid dependem de regulamentação e legislação favorável, pois usam a rede de distribuição das concessionárias para o escoamento da energia gerada. 4 6 2 3 5 1 Figura 6 - Sistema conectado à rede 1 – Módulos Fotovoltaicos 2 – Inversor Grid-Tie –Transforma a corrente conínua do painel em corrente alternada de 127 V/220 V e 60Hz, compaível com a eletricidade da rede. 3 – Interruptor de Segurança. 4 – Quadro de Luz - distribui energia para casa. 5 – A eletricidade alimenta os utensílios e eletrodomésicos 6 – O excedente volta para a rede elétrica através do medidor fazendo-o rodar ao contrario, reduzindo a tarifa de energia elétrica. 2.1.3.1. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid) Um sistema fotovoltaico conectado à rede, geralmente, possui os seguintes componentes: www.blue-sol.com20 www.blue-sol.com 3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico A Energia irradiada pelo sol em um segundo é muito maior que a energia consumida pela humanidade desde o seu aparecimento na face da Terra, até os dias de hoje. Toda essa energia, claro, não chega até a Terra. Figura 8 - Comparaivo entre a energia solar e outras formas de energia A energia solar é produzida pelas reações nucleares que acontecem no interior do sol a grandes profundidades. Em uma dessas reações os átomos de hidrogênio se combinam formando átomos de hélio, e liberam energia. Esta energia viaja do interior do sol até a sua superície (chamada de fotosfera), e daí se irradia em todas as direções. Essa energia irradiada chega à Terra vinda do espaço através das parículas de energia chamadas de fótons. Os fótons se deslocam a uma velocidade de 300.000 km/s, por isso demoram cerca de 8 minutos para chegar à Terra, que está a aproximadamente 150 milhões de quilômetros do sol. A radiação solar é radiação eletromagnéica que tem distribuição espectral conforme a igura abaixo: www.blue-sol.com 21 Figura 9 - Espectro da radiação eletromagnéica do sol 3.1. Geometria Solar Sabemos que o sol nasce no leste e se põe no oeste, elevando no céu. Essa elevação é maior ou menor de acordo à época do ano. A terra se move em uma órbita elípica em torno do sol e o eixo de rotação da Terra forma um ângulo de 23,5° com a normal ao plano da elipse da órbita da Terra. Esse ângulo é o responsável pela duração do dia e da noite nas disintas estações do ano, e também é o responsável pela variação da elevação do sol no horizonte à mesma hora, ao longo do ano. A posição angular do sol ao meio dia solar, em relação ao equador é chamada de Declinação Solar (δ). A declinação varia de acordo com o dia do ano, com valores entre: -23,45° ≤ δ ≤ 23,45°, sendo posiivo ao Norte e negaivo ao Sul: Figura 10 - Delinação solar e as estações do ano A observação da laitude da localidade e da declinação determina a trajetória do sol no céu, para um dia determinado. A seguir, detalhamos as relações geométricas entre a superície terrestres e os raios solares. Estes ângulos variam de acordo ao movimento aparente do sol na abóbada celeste: www.blue-sol.com22 www.blue-sol.com Figura 11 - Relações geométrica sol-Terra-painel solar • Ângulo de Incidência (γ): é formado entre os raios solares e a normal à superície de captação. Quanto menor esse ângulo, mais energia será captada. • Ângulo Azimutal De Superície (a w ): Entre a projeção da normal à superície do painel solar e a direção norte-sul. Para o hemisfério sul o azimute é o norte e, portanto, o deslocamento angular será à parir deste ponto cardeal, sendo posiivo em senido horário (leste) e negaivo no senido ani-horário (oeste). O ângulo Azimutal de superície estará entre: -180° ≤ a w ≤ 180°. Internacionalmente convenciona-se o azimute 0° como sendo o Sul, e o Norte tem ângulo azimutal de 180°. • Ângulo Azimutal do Sol (a s ): é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Tem as mesmas convenções que o Ângulo Azimutal de Superície. • Altura Solar (α): ângulo entre os raios solares e sua projeção sobre um plano horizontal. • Inclinação (β): ângulo entre o painel solar e o plano horizontal. • Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω): é o deslocamento angular do sol, no senido Leste- Oeste, à parir do meridiano local, devido ao movimento de rotação da Terra. A Terra dá uma volta completa (360°) em torno de si mesma em 24 horas. Portanto, cada hora corresponde a um deslocamento de 15°. • Ângulo Zenital (θz): é o ângulo formado entre os raios solares e a verical (Zênite). O ângulo zenital é o inverso da altura solar. O sol só alcança o Zênite nas localidades entre os trópicos (zona tropical). Fora dos trópicos, em nenhuma localidade haverá, ao meio dia solar, ângulo zenital igual a zero. O conhecimento desses termos é de extrema importância para o estudo de qualquer sistema de aproveitamento de energia solar. 3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo A intensidade da radiação solar que chega à Terra é em torno de 1,3 kW/m² acima da atmosfera. A quanidade de Radiação que chega ao chão, no plano horizontal depende da localização geográica, mas também das condições atmosféricas, assim como do período (estação) do ano. A atmosfera terrestre age como um iltro, que bloqueia uma parte dessa energia. Quanto mais espessa for a camada atmosférica a ser www.blue-sol.com 25 O Atlas Solarimétrico apresenta os valores da radiação no plano horizontal (H) em mega joules por metro quadrado (MJ/m²). Figura 15 - Radiação Solar Global Anual - Atlas Solarimétrico do Brasil O Atlas Brasileiro de Energia Solar apresenta os resultados em quilowats hora por metro quadrado. O valor dado em kWh/m² é chamado de Horas de Sol Pico (HSP) ou Horas de Sol Pleno. Figura 16 -Mapas de Radiação Solar - Atlas Brasileiro de Energia Solar 3.3.1. Horas de Sol Pico A Radiação solar varia durante o dia e tem sua maior intensidade ao meio-dia-solar. À parir do momento em que o sol aparece no horizonte até o ocaso, a radiação solar vai do mínimo ao máximo (ao meio-dia-solar), e de volta ao mínimo. As nuvens inluenciam a Irradiância Direta, fazendo com que mesmo ao meio-dia-solar possamos captar menos energia que no começo da manhã ou inal da tarde. Se colocarmos em um gráico a variação da Irradiância em um dia médio, podemos observar as horas do dia em que a Irradiância é próxima ou igual a 1000 W/m². www.blue-sol.com26 www.blue-sol.com Figura 17 - Gráico das Horas de Sol Pico Esse valor é de extrema importância para o cálculo de sistemas fotovoltaicos, pois é nessas horas que um painel fotovoltaico estará gerando o seu máximo durante o dia. As horas de sol pico estão compreendidas entre duas a três horas antes e depois do meio-dia-solar. O meio-dia-solar acontece quando os raios de sol estão se projetando na direção Norte-Sul, no meridiano local. Como o meio dia solar varia ao longo do ano, na maioria das vezes será diferente do meio dia no horário civil. O CRESESB disponibiliza uma ferramenta de acesso ao banco de dados de radiação solar em território brasileiro. Acesse esta ferramenta de nome Sundata pelo seguinte link: htp://www.cresesb.cepel.br/sundata/index.php. 3.4. Efeito Fotovoltaico O termo fotovoltaico signiica a transformação da radiação solar diretamente em corrente elétrica, uilizando as células fotovoltaicas, também chamadas de células solares. As células fotovoltaicas são consituídas de materiais semicondutores como: silício, arseneto de gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio (gálio). O silício cristalino é o mais uilizado, mas as tecnologias de película ina ganharam mercado com a produção em larga escala. 3.4.1. Princípios de funcionamento Os semicondutores possuem a banda de valência totalmente preenchida e a banda de condução totalmente vazia a temperaturas muito baixas. A separação entre as duas bandas de energia, chamada de www.blue-sol.com 27 gap de energia, é em torno de 1 eV. Figura 18 - Gap de enegia nos semicondutores Nos isolantes o gap é de vários eVs, variando conforme o material. Figura 19 - Comparaivo do gap entre os ipos de matérias Isso dá aos semicondutores determinadas caracterísicas especiais, como o aumento da sua conduividade com o aumento da temperatura, devido à excitação dos elétrons da banda de valência para a banda de condução. Outra caracterísica importante, é a possibilidade de fótons, na faixa do visível e com energia suiciente, excitarem os elétrons. Esse efeito que acontece nos semicondutores puros, chamados de intrínsecos (i), por si só não permite o funcionamento do material com célula fotovoltaica, pois a maioria dos elétrons volta a se reconbinar. Será descrito a seguir o funcionamento e a preparação de uma célula fotovoltaica de silício. Cada átomo de silício tem quatro elétrons de valência, e para aingir uma coniguração estável se ligam a quatro átomos vizinhos, formando uma rede cristalina. Nesse caso, não há elétrons livres. www.blue-sol.com30 www.blue-sol.com Figura 24 - Aproveitamento da radiação solar pelas células fotovoltaicas Fótons com energia superior ou inferior à necessidade geram calor desnecessário, que diminui a eiciência da célula fotovoltaica. Veja na tabela abaixo o balanço energéico de uma célula fotovoltaica de silício cristalino: Tabela 1 - Aproveitamento da radiação solar pelas células de silício cristalino 100% Irradiação Solar Total -3,0% Relexão e sombreamento dos contatos frontais -23,0% Fótons com energia insuiciente na Irradiância de ondas compridas -32,0% Fótons com energia excedente na Irradiância de ondas curtas -8,5% Recombinação de elétrons -20,0% Gradiente elétrica, especialmente na região do campo elétrico -0,5% Resistência em série (perdas térmicas na condução elétrica) = 13,0% Energia elétrica uilizável. Células Fotovoltaicas www.blue-sol.com31 www.blue-sol.com www.blue-sol.com32 www.blue-sol.com 4. Células Fotovoltaicas Uma célula fotovoltaica é a unidade básica de um sistema fotovoltaico. É a responsável pela conversão da radiação solar em eletricidade. Como uma única célula não é suiciente para gerar potências elétricas elevadas, os fabricantes associam várias células, e as encapsulam para proteção, formando assim um módulo fotovoltaico. Os módulos comerciais diferem entre si por vários fatores, como a capacidade de gerar potencial, chamado de potência-pico, fator de forma, área, etc. E esses valores se alteram de acordo ao ipo de célula fotovoltaica uilizada. 4.1. Tipos de Células fotovoltaicas Figura 25 - Representação de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado A seguir, os principais ipos de células fotovoltaicas produzidas em escala comercial e suas principais caracterísicas. 4.1.1. Silício Cristalizado O silício é o segundo material mais abundante na natureza, perdendo apenas para o oxigênio. Entretanto, o silício está naturalmente combinado a outros materiais, e se apresenta como dióxido de silício e silicatos. A areia e o quartzo são as formas mais comuns. A areia contém demasiado teor de impurezas para ser processada., já os depósitos de quartzito chegam a possuir 99% de Si. É essa areia sílica que é processada para a obtenção da matéria pura. Para a uilização do silício como matéria prima para a fabricação das células fotovoltaicas, esse deve ser puriicado. São dois, os graus de puriicação do silício: 1 – Silício metalúrgico, onde se combina ao quartzito quanidades controladas de carbono a altas temperaturas. O oxigênio presente no quartzito é removido na forma de CO2 e, depois de outros processos, www.blue-sol.com 35 4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si) Figura 28 - Representação de uma célula de silício amorfo O silício amorfo (sem forma) não possui uma estrutura cristalina, mas sim uma rede irregular. Por isso se formam ligações livres que absorvem hidrogênio até a saturação. Esse silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) é criando em reatores plasmáicos, através de vaporização química de silano gasoso (SiH 4 ), que requer temperaturas relaivamente baixas, em torno de 200°C a 250°C. A grande desvantagem das células de a-Si é a sua baixa eiciência, que diminui nos primeiros 6 a 12 meses de funcionamento, devida à degradação provocada pela luz, pelo chamado Efeito Staebler-Wronski, até aingir um valor estável. Eiciência: entre 5% a 9% de eiciência do módulo. Forma: formato livre. Tamanho: módulo standard 0,77x2,44 m4; módulos especiais 2x3 m². Espessura: 1-3 mm para o substrato (plásico, vidro, etc.), com um revesimento de silício amorfo de aproximadamente 0,001 mm. Cor: castanho avermelhado a azul escuro. Fabricantes: BP Solar, Canon, Dunasolar, ECD Ovonics, EPV, Free Energy Europe, Fuji Electric, ICP, Iowa Thin Film Technologies, Kaneka, MHI, RWE Schot Solar, Sanyo, ShenzhenTopray Solar, Sinonar, Solar Cells, Terra Solar, Tianjin Jinneng Solar Cell, United Solar Ovonic, VHF Technologies. www.blue-sol.com36 www.blue-sol.com Figura 29 - Módulo de silíco amorfo 4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) Figura 30 - Representação de uma célula CIS Para se fabricar as células CIS o substrato é revesido com uma ina camada de molibdênio através de deposição catódica, e a camada CIS do ipo P pode ser fabricada através da vaporização simultânea do cobre, índio e selênio, numa câmara de vácuo a 500°C, ou através da deposição camada a camada dos materiais. O óxido de zinco contaminado com alumínio (ZnO:Al) é uilizado como contato frontal transparente. Esse material é do ipo N e é depositada uma camada intermediária de óxido de zinco intrínseco (i-ZnO). Uma camada de sulfato de cádmio (CdS) do ipo N é uilizada para reduzir as perdas causadas combinação inadequada das redes cristalinas das camada de CIS e ZnO. Diferentemente do silício amorfo, células CIS não são suscepíveis à degradação causada pela luz, mas apresentam problemas de estabilidade em ambientes quentes e húmidos. Por isso, os módulos fabricados com esse ipo de célula tem que ter boa selagem. Os módulos CIS são os mais eicientes, dentre os mostrados aqui, e é provável que a produção em massa torne os seus preços mais atraivos que os de silício amorfo. Infelizmente as reservas de índio estão cada vez mais reservadas à produção das telas touch-screen dos smartphones e tablets, comprometendo o www.blue-sol.com 37 uso desse material para a indústria fotovoltaica. Eiciência: 7,5% a 9,5 % de eiciência do módulo. Forma: formato livre. Tamanho: geralmente entre 1,2 x 0,6 m². Espessura: 3 mm para o substrato com revesimento de 0,003 mm. Cor: preto. Fabricantes: Shell Solar, Würth Solar, Showa Shell, EPV, Global Solar, Daystar. Figura 31 - Células CIS 4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe) As células de CdTe são fabricadas sobre um substrato de vidro, com uma camada de óxido de estanho índio (OTI) como contato frontal, que é revesido com uma camada transparente de sulfato de cádmio (CdS) do ipo N, e depois com a camada de telureto de cádmio (CdTe) do ipo P. Podem ser fabricados por silk screen, deposição galvânica ou pirólise pulverizada. Figura 32 - Representação de uma célula CdTe Assim como o CIS, a tecnologia de fabricação do CdTe pode icar ainda mais barata com o aumento da produção em escala. A desvantagem está na toxicidade do cádmio. O CdTe é um composto atóxico estável, mas pode apresentar um risco para o ambiente e a saúde na condição de gás. Felizmente o estado gasoso só ocorre durante a sua fabricação, em centros de produção controlados. Eiciência: 6 – 9% de eiciência dos módulos. www.blue-sol.com40 www.blue-sol.com 5. Módulos Fotovoltaicos Uma célula fotovoltaica de silício cristalizado produz uma tensão de aproximadamente 0,46 a 0,56 volts e uma corrente aproximadamente 30 mA/cm². As células comerciais geram em torno de 1 A, 2,5 A, 3 A, 5 A e 7 A. Para alcançar as potências comerciais, os fabricantes de módulos fotovoltaicos conectam células fotovoltaicas entre si, geralmente em série, em um processo de conexão que é feito soldando os terminais da parte frontal de uma célula à parte traseira da seguinte, e assim por diante. Para construir um módulo de tensão nominal em 12 volts, serão conectadas entre 30 e 40 células (geralmente 33, 36 ou 40). Figura 34 - Conexão de células fotovoltaicas em série O processo de montagem do módulo fotovoltaico pode ser feito de maneira automáica, através de maquinário especializado, ou por manufatura, onde o processo de produção não permite uma alta produção em escala. Figura 35 - Máquina para conexão automáica de células Após a conexão, as células serão encapsuladas na seguinte ordem: • Uma lâmina de vidro temperado; • Um material orgânico, como o EVA (eileno-vinil-acetato); • As células conectadas; www.blue-sol.com 41 • Mais uma lâmina de EVA (ou similar) • Uma cobertura, que pode ser vidro, tedlar, PVC, ou outros polímeros Figura 36 - Máquina de corte dos materiais de encapsulamento O conjunto será levado a uma máquina laminadora, que inaliza a laminagem, dando estanqueidade ao conjunto. Figura 37 - Laminadora de módulos fotovoltaicos Por im o conjunto será emoldurado (uilizando geralmente alumínio anodizado), serão inseridas as caixas de conexão (e cabos/conectores) e o módulo será levado a um Simulador Solar. www.blue-sol.com42 www.blue-sol.com Figura 38 - Máquina de molduragem de módulos fotovoltaicos Além do simulador solar, os módulos passam por testes mecânicos como: • Variação de temperatura entre -40°C até + 85°C; • Testes de isolamento sob humidade e congelamento; • Carga mecânica, resistência a granizo e torções; • Resistência de terminais, etc. Figura 39 - Simulador Solar Os testes mecânicos determinam a capacidade dos módulos resisirem às intempéries, os testes de isolamento são para os elementos condutores e moldura. Os testes de torção detectam defeitos que possam aparecer em caso de montagem de módulos em estrutura inadequada. www.blue-sol.com 45 disposiivos de condicionamento de potência (como os inversores) através das caixas de junção de ileira e painéis (visto abaixo). Nem todos os modelos de módulos fotovoltaicos vêm com conectores. Os modelos de menor potência geralmente não os têm. Mesmo módulos de maior potência, mas com foco em sistemas fotovoltaicos isolados, também não costuma ter os conectores. Possuem apenas a caixa de conexão. 5.1.2. Caracterísicas Elétricas Tensão Nominal: é a tensão padrão para a qual o módulo foi desenvolvido para trabalhar. A quanidade células fotovoltaicas determina esse parâmetro, segundo a tabela abaixo: Tabela 3 - Tensões nominais e Voc de módulos Standard Número de Células Tensão Nominal Tensão em Circuito Aberto (Voc) 18 células 6 volts 9, 2 volts 36 células 12 volts 17,4 volts 72 células 24 volts 40,15 volts A tabela anterior se aplica aos módulos Standard que são os mais adequados para sistemas fotovoltaicos isolados. Há, no mercado, módulos non-standard, que possuem variados números de células (ex.: 40 ou 60) e só são adequados para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, assim como os módulos standard. Em circunstâncias especiais, os módulos non-standard pode ser uilizados em sistemas isolados. Tensão de Máxima Potência (Vmpp): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu ponto de máxima potência, sob as condições padrão de teste (STC) Tensão em Circuito Aberto (Voc): tensão máxima que o modulo fornece em seus terminais, sem a presença de uma carga (em vazio). É uma tensão de teste. Podemos medi-la com um mulímetro. Corrente em Máxima Potência (Imp): corrente máxima que um módulo fotovoltaico pode fornecer a uma carga, em condições padrão de teste. Corrente de Curto Circuito (Isc): corrente máxima que o módulo fotovoltaico fornece, quando seus terminais estão em curto circuito, sob as condições padrão de teste. Diferente das baterias e outras fontes de energia, podemos medir a corrente em curto circuito de um módulo fotovoltaico. A corrente em curto circuito, geralmente é 5% superior à corrente máxima. Potência Máxima: a corrente elétrica gerada por um módulo varia de zero ao Isc, enquanto a tensão entre os terminais varia de zero até o Voc sob diferentes condições de Irradiância e temperatura. Como a potência é o produto da tensão pela corrente, essa só será a máxima para uma única combinação de tensão e corrente. Um módulo fotovoltaico estará fornecendo a máxima potência, quando o circuito externo possuir uma resistência tal, que determine os valores máximos de tensão e corrente e, portanto o seu produto será o máximo. Existem aparelhos que conseguem alcançar o ponto de máxima potência (MPP ฀ Maximum Power Point) em diversas condições de irradiância e temperatura. São os Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPP Trackers). www.blue-sol.com46 www.blue-sol.com Figura 45 - Curva I V de um módulo fotovoltaico comercial Eiciência: é o quociente entre a potência gerada e a irradiância incidente sobre o módulo. Fator de Forma (Preenchimento): é um conceito teórico que mede a forma da curva deinida pelas variáveis I e V na seguinte equação: Figura 46 - Fator de forma de um módulo comercial 5.2. Condições de Teste e Operação Para os teste de performance e rotulagem dos módulos fotovoltaicos, é uilizado um padrão de irradiância, massa de ar e temperatura. Esse padrão, chamado de Condições Padrão de Teste (STC – Standard Test Condiions) é conseguido em laboratório através do simulador solar. Em situações práicas, não temos as mesmas condições para o trabalho dos módulos fotovoltaicos. Veja abaixo os valores comparaivos em três condições: www.blue-sol.com 47 Tabela 4 - Condições de teste e operação dos módulos fotovoltaicos Parâmetros STC NON-STC G-NOCT Irradiância (G) 1.000 W/m² 800 W/m² 200 W/m² Massa de Ar (AM) 1,5 2 2 Temperatura da célula 25°C 45°C 45 Temperatura do ar 0°C 20°C 20°C Todos os módulos comerciais têm em suas ichas de dados os resultados dos testes em STC. É recomentado aos fabricantes, pela norma DIN EM 50380, que os fabricantes acrescentem as informações dos testes em Condições Normais de Operação, inclusive em baixas irradiâncias, como mostrado na tabela acima. A grande importância disso está no fato de a potência máxima de um módulo comercial ser diferente da nominal quando este está recebendo Irradiâncias menores, ou quando suas células estão submeidas a temperaturas diferentes de 25°C. Abaixo a variação de tensão em circuito aberto e corrente de curto circuito de acordo à Irradiância. Figura 47 - Variação de Voc e Isc de acordo à Irradiância Segundo o gráico acima, podemos ver que a tensão varia menos que a corrente. Isto porque um fóton (com energia suiciente) energiza um elétron. Com maior irradiância, maior a quanidade de fótons, e maior a corrente elétrica gerada. As variações de temperatura também inluenciam o desempenho das células fotovoltaicas. Com o aumento da temperatura, a tensão de circuito aberto cai e a corrente de curto circuito aumenta. www.blue-sol.com50 www.blue-sol.com Figura 52 - Associação mista de módulos fotovoltaicos 5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção Sob determinadas condições de operação, uma célula fotovoltaica, ao receber uma sombra, pode aquecer tanto, que o material semicondutor pode ser daniicado pelo calor. Aparecem os chamados pontos- quentes (hot-spots), que daniicam o módulo permanentemente. Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe corrente. Figura 53 - Ponto-quente em uma célula fotovoltaica Vejamos as circunstâncias que levam ao aparecimento dos hot-spots e, em seguida, as formas de evitá- los. Quando operando normalmente, a corrente elétrica gerada por uma célula fotovoltaica é consumida por uma carga. www.blue-sol.com 51 Figura 54 - Funcionamento normal de um conjunto de células fotovoltaicas Se uma folha cai sobre o módulo, de forma a cobrir uma célula, esta estará inversamente polarizada e passará a agir como uma carga, convertendo eletricidade em calor. Se a corrente que atravessa a célula for alta o suiciente, teremos a formação do hot-spot. A maior corrente que uma célula, nessas condições pode receber, é a corrente de curto circuito, o que acontece frequentemente em sistemas fotovoltaicos com controladores shunt (vistos abaixo). Figura 55 - Célula sombreada convertendo eletricidade em calor 5.4.1. Diodos de By-Pass Um conjunto de 18 a 20 células em série pode gerar uma tensão em torno de 12 V, e a tensão de bloqueio de uma célula fotovoltaica está entre 12 V e 50 V. Com uma associação de quatro módulos em série teremos a faixa de tensão onde é possível que a corrente inversa atravesse as células sombreadas. Para evitar a formação dos hot-spots, a corrente deve ser desviada das células, através de um diodo de derivação – também chamado de diodo de by-pass – conectado de maneira inversamente polarizada em relação a um conjunto de células. Os diodos são conectados a grupos de 18 ou 20 células, de maneira que um módulo de 36 células tem 2 diodos e um módulo de 72 células tem 4 diodos. www.blue-sol.com52 www.blue-sol.com Figura 58 - Fileiras de módulos com diodos de bloqueio Como os diodos de bloqueio fazem parte da instalação elétrica do sistema, serão instalados pelo técnico responsável, geralmente no quadro de conexão dos módulos, juntamente com os fusíveis de ileiras que protegem o cabeamento contra correntes excessivas. Figura 59 - Diodos de bloqueio e fusíveis de proteção na caixa de conexão dos módulos www.blue-sol.com 55 6. Painel e Arranjo Fotovoltaico Deine-se painel fotovoltaico como sendo um conjunto de módulos fotovoltaicos. Um conjunto de painéis fotovoltaicos é um Arranjo Fotovoltaico. Em diversas instalações fotovoltaicas vemos um único painel formado por um grande número de módulos, mas, na verdade, podemos ter vários painéis, do ponto de vista elétrico. Quando a potência de um painel é muito grande, de tal maneira que as correntes elétricas geradas são demasiadamente grandes para os disposiivos de controle, é preferível subdividi-lo em painéis menores, que podem ser acomodados em uma estrutura única, e seus conectores serão levados a diferentes caixas de conexão, e daí para os disposiivos de controle correspondentes. Veremos agora os cuidados e formas de instalação de um painel fotovoltaico, que podem ser uilizadas tanto para sistemas isolados, quanto sistemas on-grid, pois os conceitos são os mesmos. 6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem Tão importantes quanto os módulos fotovoltaicos, são as estruturas que os contêm. O mau funcionamento dos suportes faz cair por terra o invesimento na tecnologia limpa da energia solar. Para cada caso, há uma solução. No caso de telhados, deve ser veriicado o ipo de telha ou de madeiramento – a estrutura que suporta o telhado. Nas instalações em plano horizontal deve ser veriicada a altura mínima e também as cargas de vento que adicionam um esforço mecânico aos suportes e ancoragens. Em todos os casos deve ser observada a correta orientação e inclinação do painel. A correta orientação permite captar o máximo de energia ao meio dia solar e horas próximas, que é o momento de maior concentração da radiação solar. A inclinação adequada permite a melhor captação durante o ano, compensando a menor irradiância nos períodos de inverno, no caso dos sistemas autônomos, ou maximizando a captação e geração nos períodos de verão, no caso das instalações on-grid. Figura 60 - Painel fotovoltaico montado em telhado 6.1.1. Suportes para telhado Para ixar os módulos em telhados, é necessário instalar um peril de suporte que pode ser aixado nas telhas (no caso de telhas metálicas) ou no suporte do telhado (no caso de telhas de cerâmica/argila ou concreto_. www.blue-sol.com56 www.blue-sol.com Figura 61 - Presilha para telhas de argila Em todos os casos deve-se ter especial cuidado quando à impermeabilização, tanto pelo sistema fotovoltaico, quanto pela própria ediicação. Figura 62 - Presilha para telhas de metal As presilhas são dispostas para receber o peril de suporte que será dimensionado e posicionado de acordo aos módulos que comporão o painel fotovoltaico. Por isso uma etapa importante durante o estudo de caso e proposta de projeto é a fase de medição dos espaços disponíveis. Figura 63 - Módulos montado sobre o peril de suporte O que prende os módulos ao peril de suporte são as presilhas rosqueadas, que são adaptáveis à grande maioria dos módulos, tanto os standard quando os non-standard, desde que sejam emoldurados e a www.blue-sol.com 57 sua moldura esteja dentro dos padrões (com espessura entre 3 e 4,5cm). Figura 64 - Detalhes das presilhas e peril de suporte dos módulos para telhados Nas estruturas em telhado inclinado, principalmente os de telhas de argila, não é recomendável uilizar de ajustes para corrigir a inclinação, que tornam a instalação mais diícil, pois o suporte deverá suportar cargas de vento maiores. Além disso, o esforço extra no telhado pode ser perigoso, se este não for suicientemente forte para suportá-lo. O melhor seria arquitetar o telhado com a devida orientação e inclinação, mas isso só é possível na fase de projeto da ediicação. Depois de pronta, se não há necessidade de reformas, um ajuste para a instalação do sistema fotovoltaico pode inviabilizar o projeto. Figura 65 - Suporte com correção da inclinação, instalado em telhado metálico 6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal A construção do painel fotovoltaico no chão ou cobertura permite maior lexibilidade quanto à orientação e inclinação. É a escolha para grandes instalações, onde alguns cuidados devem ser tomados, principalmente quanto ao sombreamento que, como já vimos, pode ser prejudicial às células fotovoltaicas. www.blue-sol.com60 www.blue-sol.com Figura 68 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreio solar No caso de pequenos sistemas dentro da zona tropical, mesmos os residenciais, o uso de um suporte em mastro permite a mudança manual da inclinação e orientação, pelo técnico responsável pela manutenção. Figura 69 - Painel fotovoltaico em mastro 6.2. Cálculos de Sombreamento Tanto nos sistemas maiores, quanto nas pequenas instalações, é importante evitar a projeção de sombras sobre o painel fotovoltaico. No caso das instalações menores, as sombras a serem evitadas são das árvores e ediicações ao redor. Para se calcular a projeção das sombras durante o dia, é necessário conhecer a posição do sol em cada momento, nas diferentes estações do ano. www.blue-sol.com 61 Figura 70 - Diferenças na posição do sol nas diferentes estações do ano Para fazer cálculos de sombreamento mais soisicados, é recomendável o uso de sotwares especíicos, que através de uma imagem digital, devidamente orientada, descrevem a trajetória do sol e as projeções de sombras. Para calcular uma sombra simples, podemos recorrer a equações simpliicadas que dão bons resultados, podendo ser adicionadas a planilhas automáicas de dimensionamento, facilitando o seu uso. Essas equações não são recomendadas para sistemas complexos, em localidades urbanas com grande quanidade de altos ediícios circunvizinhos ao local de instalação do painel fotovoltaico. Figura 71 - Relações geométricas entre possíveis geradores de sombra No caso de sombras causadas por objetos frontais, podemos calcular a sombra no solsício de inverno, quando a projeção é maior. Se conseguirmos evitar essa sombra, nesse período, evitaremos as sombras o ano todo. Nas Laitudes abaixo de 20° há o risco de objetos anteriores projetarem sombras, já que em tais localidades o sol declina a sul em alguns períodos do ano. Em localidades com Laitude entre 0° e 15° a situação é mais criica, pois o sol declina a sul em metade do ano. Portanto o entorno do painel fotovoltaico deve ser vistoriado a procura de possíveis causadores de sombra. A seguinte equação permite o cálculo da projeção de sombras frontais: d = z/tan h 0 Onde: d = distância entre o painel e um obstáculo frontal; z = altura do obstáculo; www.blue-sol.com62 www.blue-sol.com h 0 = altura solar, no solsício de inverno, ao meio dia solar; O fator h0 pode ser calculado mediante a seguinte equação: h 0 = (90° – laitude da localidade) – 23,5° Figura 72 - Distância mínima entre o painel e um obstáculo frontal No caso de instalações que dispõem de grande quanidade de painéis, como a mostrada na igura 62, uilizamos a seguinte equação: d = l * (sin ß /tang h 0 + cos ß) Onde: l = altura do painel em metros; ß = inclinação do painel em graus; Figura 73 - Cálculo da distância entre paineis d 2 = Z * cos ß Estas equações calculam a projeção de sombra ao meio-dia-solar. Para estender às duas horas próximas, adicione 25% ao valor encontrado para d. ß www.blue-sol.com 65 Figura 75 - Inversores Grid-Tie Para fornecer o máximo de energia à rede, o inversor grid-ie deve operar no ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico. Como o MPP muda de acordo às condições climatológicas, o inversor deve possuir um sistema de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT ฀ sigla em inglês de maximum power point tracker), que ajusta automaicamente a tensão de entrada do inversor, de acordo à tensão MPP a cada instante. São funções do inversor grid-ie: 1. Converter a corrente conínua, gerada pelo arranjo fotovoltaico, em corrente alternada, de acordo com funcionamento da rede de distribuição; 2. Ajustar-se ao ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico, conseguindo o seu maior rendimento; 3. Registro Operacional, guardando/transmiido os dados durante o seu funcionamento, através de displays, cartões de memória, transmissão direta a computador, etc. 4. Possuir disposiivos de proteção em CC e CA, como por exemplo: proteção contra curtos-circuitos (CC/CA), proteção contra inversão de polaridade, proteção contra sobrecargas e sobre tensões, proteção para a conexão com a rede. Fabricantes de inversores grid-ie: Até 10 kWp: Aixcon, ASP, Conergy, Dorfmiller, Eletronica Santerno, Exendis, Fronius, G & H Elektronic, Ingeteam, Kaco, Karschny, Kyocera, Magnetek, Mastervolt, Pairan, Philips, Phoenixtec, RES, Siemens, SMA, Solar-Fabrik, Solar Konzept, Solarstocc, Solarworld, Solon, Solutronic, Sputnik, Sun Power, Sunset, Sunways, Total Energy, UfE, Victron, Wiirth Solergy, Wuseltronik, Xantrex. Acima de 10 kWp: ACE, Conergy, Eletronica Santerno, Energeica, Kaco, RES, SatCon, Siemens, SMA, Solar Konzept, Sputnik, Xantrex 7.1.1. Classiicação e Tipos de Inversores Grid-Tie De acordo ao seu modo de operação, os inversores grid-ie podem ser classiicados em inversores controlados/chaveados pela rede e inversores autocontrolados. 7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede A consituição básica de um inversor controlado/chaveado pela rede é um a de uma ponte de iristores. O uso de inversores iristorizados em sistemas de automação (ex: controladores de motores), levou ao uso de iristores nos primeiros inversores para uso fotovoltaico. Este ipo de inversor ainda é uilizado em sistemas de grande potência. Para os sistemas menores, com potências até 5 kWp, existem poucos fabricantes que ainda uilizam essa tecnologia. www.blue-sol.com66 www.blue-sol.com Figura 76 - Inversor chaveado pela rede com ponte de iristores O inversor controlado pela rede uiliza a frequência e tensão da rede para chavear os iristores, por isso o seu nome. Se houver uma queda na rede, o inversor desliga-se automaicamente, o que faz com que esse ipo de inversor não possa funcionar de modo autônomo. Durante o seu funcionamento são gerados pulsos de corrente de onda quadrada, por isso este ipo de inversor também é chamado de inversor de onda quadrada. Figura 77 - Formato da tensão e da corrente de um inversor comutado pela rede As diferenças da forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o aparecimento de grandes distorções harmônicas e alto consumo de potência reaiva. Devido a isso são uilizados iltros de saída e disposiivos para limitar os harmônicos. Para isolar a rede, é uilizado um transformador principal (de 50 Hz, para sistemas europeus). Nos inversores mais recentes, os pulsos são emiidos por um microprocessador. Retardando o impulso (controle por ângulo de fase) é possível implementar um sistema de MPPT. 7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) Nos inversores autorregulados são uilizados disposiivos semicondutores que podem ser ligados e desligados, em um circuito em ponte. De acordo ao nível de tensão e desempenho do sistema, podem ser uilizados os seguintes componentes: • MOSFET (Transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico); • Transístores bipolares; • GTO (Tiristor de Desligamento Pela Porta – até 1kHz); • IGBT (Transistor bipolar de porta isolada); www.blue-sol.com 67 Figura 78 - Diagrama de ponte de MOSFET’s em inversor auto-chaveado Através do princípio de modulação por largura de pulso (PWM) estes componentes eletrônicos conseguem reproduzir muito bem uma onda senoidal. Através do chaveamento rápido do estado dos componentes em frequências em torno de 10-100 kHz, são formados pulsos, com duração e espaçamento semelhantes aos de uma onda senoidal. Após o uso de um iltro passa-baixa, teremos um sinal elétrico compaível com a rede. Devido à alta frequência de chaveamento para a formação dos pulsos, estes disposiivos criam interferências em alta frequência, exigindo medidas de compaibilidade eletromagnéica (EMC), através do uso de circuitos de proteção e blindagem Os inversores com a marca CE, e que possuem ceriicado de Conformidade com a Comunidade Européia (EC) geralmente mantém os valores de EMC abaixo dos limites. Os inversores auto-chaveados são adequados, a princípio, 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. 7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF) Nos inversores auto-chaveados e nos inversores chaveados pela rede, podem ser uilizados transformadores de baixa frequência (LF) – 50 Hz no padrão europeu ฀ para ajustar a tensão de saída com a tensão da rede. O campo magnéico do transformador isola eletricamente o circuito CC do circuito CA. Figura 79 - Diagrama de um Inversor com transformador 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 eletromagnéicas. www.blue-sol.com70 www.blue-sol.com Figura 80 - Curvas caracterísica de vários inversores (especiicações dos fabricantes) As curvas de eiciência são precisas sob determinada temperatura ambiente para o inversor e dependem da tensão de entrada. 7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO De maneira a facilitar a comparação entre inversores baseando-se na sua eiciência, foi criado um padrão europeu de medição da eiciência, a Eiciência Europeia (Euro), que é calculada para um ípico clima europeu. A igura abaixo mostra a frequência e a energia de diferentes classes de radiação solar em um ano ípico na Alemanha (lembre-se que é eiciência européia). Figura 81 - Frequência e energia de diferentes classes de irradiância, baseado em um sistema inclinado em 30° em Munique, Alemanha Observamos que, nessa região, raramente há irradiâncias em torno de 800 W/m², o que faz os inversores funcionarem em regime parcial. Considerando diferentes cenário de carga, a Eiciência Euro é calculada através da média de eiciências estáicas em 6 regimes – carga nominal e mais cinco cargas parciais: η EURO = (0,03 * η 5% ) + (0,06 * η 10% ) + (0,13 * η 20% ) + (0,1 * η 30% ) + (0,48 * η 50% ) + (0,2 * η 100% ) Os valores ηn% representam as eiciências estáicas – η100% = 100% de eiciência, η5% = 5% de eiciência. Os valores como 0,03 ou 0,48 representam a fração do ano em que o inversor está na eiciência indicada – em 48% do tempo estará funcionando com 50% da eiciência. www.blue-sol.com 71 Apesar de a Eiciência Euro oferecer um bom parâmetro de comparação entre inversores, é um conceito não muito aplicável em território brasileiro, devido às diferenças entre as condições climatológicas e de Irradiância solar. 7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga Em sistemas que não tem uma correta orientação que maximize a captação da energia solar – como sistema de integração arquitetônica (BIPV) – ou que estejam sujeitos a sombreamentos parciais, pode ser interessante subdimensionar o inversor, desde que este possua uma reação adequada à sobrecarga, que pode ser: 1. Variação do ponto de operação; 2. Limitação da potência; 3. Desligamento/corte; Quando o inversor recebe uma potência superior à sua nominal, seus componentes estarão sujeitos a uma forte carga térmica, o que aiva o sistema de limitação de potência (no caso 2). Quando é aingida a temperatura limite dos componentes, alguns inversores se desligam (caso 3), outros aivam exaustores e/ ou variam o ponto de trabalho. Os ipos 1 e 2 são os adequados a subdimensionamentos nas condições descritas acima. 7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais A maioria dos fabricantes oferecem sistemas de aquisição dos dados de operação dos inversores, geralmente integrados a estes, ou com disposiivos externos que apresentam diretamente os dados ou os envia para um computador, permiindo a avaliação dos sistemas fotovoltaicos, em muitos casos em tempo real. Figura 82 - Disposiivos de aquisição de dados para inversores SMA Em geral os disposiivos coletam as seguintes informações: • Entrada: Tensão V DC , corrente I DC e potência P DC • Saida: tensão V AC , corrente I AC , potência P AC e frequência f| • Tempo de operação • Volume de energia gerada • Status e falhas Os mais novos modelos possuem ainda, interfaces mais modernas, como USB, Bluetooth e Wi-Fi, permiindo a comunicação de um disposiivo com os que estão próximos, e a uniicação mais simples dos dados de vários aparelhos. www.blue-sol.com72 www.blue-sol.com 7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie As tabelas abaixo demonstram as caracterísicas que costumam aparecer nas tabelas de dados dos inversores grid-ie, e são de extrema importância na hora de escolher o melhor disposiivo para determinado sistema fotovoltaico. www.blue-sol.com 75 proteção, dentro de uma caixa estanque, que está de acordo às várias normas internacionais. Figura 83 - Caixa de junção comercial As caixas de junção podem ser de ileiras (string-box) ou de painel/arranjo (array-box) e já possuem os terminais para a conexão direta dos cabos, uilizando os conectores padrão MC3, MC4 ou Tyco. A grande maioria já possui o interruptor geral DC. 7.2.2. Conigurações e Conceitos Os sistemas fotovoltaicos on-grid são limitados pela área disponível. Isto quer dizer que, durante a concepção do sistema, é possível a arquitetura de sistemas de qualquer tamanho e capacidade. Nos países que possuem incenivos à inserção de energias renováveis, a capacidade instalada pode inluenciar no preço da eletricidade, o que faz os projeistas tomarem cuidados especiais quanto à potência instalada. Vejamos agora alguns conceitos de sistemas fotovoltaicos, que podem ser uilizados como base para vários projetos. 7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central Nos sistemas com inversor central, um único inversor toma conta do arranjo fotovoltaico. Podem ser classiicados de acordo à forma como o inversor (ou inversores) são integrados ao projeto. 7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC) É uilizado com inversores com transformador. As correntes elétricas são maiores, mas as tensões são menores. Por possuírem ileiras com menos módulos, são menos prejudicados pelos sombreamentos parciais. Devido à grande quanidade de ileiras em paralelo, tem maiores perdas de corrente e demandam cabeamento com maior seção transversal. www.blue-sol.com76 www.blue-sol.com Figura 84 - Sistema com Inversor central com transformador. 7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC) Uilizado com os inversores sem transformador. As tensões são maiores, com maior risco de choque elétrico. As correntes são menores, o que reduz as perdas por efeito Joule e a bitola dos cabos. Figura 85 - Sistema com alta tensão de entrada (120 VCC) Neste ipo de coniguração é necessário sistemas de proteção Classe II, devido à ausência do isolamento proporcionado pelo transformador. Também sofrem mais com os sombreamentos parciais, pois as ileiras são muito longas, e caso um módulo venha a receber sombra, uma parcela muito grande da potência do painel deixa de ser gerada (a ileira inteira pode funcionar abaixo do esperado). www.blue-sol.com 77 7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave) No caso de sistemas grandes, é possível o uso de vários inversores que entram em funcionamento de acordo ao nível de Irradiância Solar. Um dos inversores está ligado o tempo todo e, à medida que aumenta o potencial solar, aiva os demais inversores, que também são desaivados em caso de baixa Irradiância. Para evitar o excessivo desgaste de apenas um inversor, acontece automaicamente um revezamento de qual inversor é o máster. Figura 86 - sistema com coniguração master-slave 7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos No caso de arranjos com painéis de diferentes orientações, inclinações ou sombreamentos parciais, é recomendável o uso de um inversor para cada grupo, o que permite um melhor aproveitamento das condições de irradiação. As principais vantagens desse ipo de sistema são listadas a seguir: • Omissão da caixa de junção PV • Omissão do cabo principal DC • Redução no cabeamento para as ligações em série Os inversores são instalados, geralmente, próximos aos painéis. Devido a isso devem ter alto grau de proteção – IP65. Mesmo considerando-se essa proteção, as condições de climáicas mais adversas podem causar falhas e diminuir a vida úil dos inversores. Por isso é recomendável que sejam instalados em local protegido da radiação solar direta e de outras intempéries. A uilização de inversores de grupos de módulos facilita a instalação dos sistemas fotovoltaicos e reduz, em certos casos, os custos de instalação. www.blue-sol.com80 www.blue-sol.com Sistemas Fotovoltaicos Autônomos www.blue-sol.com 81 8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos Um sistema fotovoltaico isolado (of-grid) é aquele que não está em contato com a rede elétrica da concessionária. Um sistema isolado pode ser feito numa cidade sem problema algum. O “isolado” do nome diz respeito também ao afastamento da rede elétrica. 8.1. Painel Fotovoltaico O painel fotovoltaico para sistemas autônomos é conigurado para fornecer tensões entre 12 e 48 volts, sendo as tensões de 12 V e 24 V as mais comuns, enquanto a tensão de 48 Volts é uilizada em sistemas maiores. O painel é dimensionado para fornecer o potencial elétrico para um dia médio de uso. Essa energia será armazenada em baterias ou uilizada imediatamente, no caso dos sistemas fotovoltaicos sem armazenamento. Figura 90 - Painel fotovoltaico 24 V de sistema autônomo Geralmente são uilizados módulos de 36 ou 72 células, que tem as tensões nominais adequadas para os controladores de carga sem MPPT. Além disso, os módulos para sistemas isolados, não possuem, em sua grande maioria, cabos de conexão com conectores padrão. 8.2. Banco de baterias Um banco de baterias é consituído por uma quanidade calculada de elementos conectados em serie e/ou paralelo, que fornecerão a potência demandada pelas cargas, no período de autonomia em que devem funcionar sem receber recarga do arranjo fotovoltaico nos dias sem insolação. www.blue-sol.com82 www.blue-sol.com Figura 91 - Banco de baterias em uma grande central PV 8.2.1. Funções do banco de baterias Em sistemas isolados, a baterias tem as seguintes funções: • Autonomia: essa é a função mais importante, que é suprir a energia para os consumos, quando o painel não é capaz de gerar energia suiciente. Isso acontece todas as noites, e também nos períodos chuvosos ou nublados, que podem varia durante o dia. • Estabilizar a tensão: os módulos fotovoltaicos tem uma grande variação de tensão, de acordo à irradiância recebida. A conexão de cargas de consumo diretamente aos módulos pode expô-los a tensões muito altas ou muito baixas para o seu funcionamento. As baterias possuem uma faixa de tensões mais estreita que os módulos fotovoltaicos, e garanirão uma faixa de operação mais uniforme para as cargas. • Fornecer correntes elevadas: a bateria opera como um bufer, fornecendo correntes de parida elevadas. Alguns disposiivos (como motores) requerem altas correntes (de 4 até 9 vezes a corrente nominal) para iniciar o seu funcionamento, estabilizando e uilizando correntes mais baixas depois de alguns segundos. Outros disposiivos mais vorazes entrarão em funcionamento por curto período de tempo, mas consumirão muita potência. As baterias fornecerão essa alta potência momentânea, e serão carregadas lentamente pelo painel fotovoltaico durante o dia. 8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos As baterias para uso fotovoltaico costumam ser de chumbo-ácido ou de níquel-cadmio. As baterias de níquel-cádmio suportam descargas maiores e tem maior vida-úil, mas seu alto custo e baixa disponibilidade as tornam viáveis em sistemas muito especíicos que necessitam de alta coniabilidade. Outros ipos de baterias, como as de Íons de Líio, não são viáveis para sistemas fotovoltaicos, devido à capacidade dos bancos de baterias para essa aplicação. É a relação custo-beneício que faz com que as baterias de chumbo-ácido sejam as escolhidas para a maioria dos sistemas PV isolados. Como são as mais uilizadas, as baterias de chumbo-ácido serão o objeto do nosso estudo a parir de agora. 8.2.2.1. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido Baterias de chumbo-ácido são consituídas de células individuais – também chamadas de pilhas – com tensão nominal de 2 V cada uma, que nas baterias em monobloco são ligadas em série para alcançar a tensão nominal.(6 células consituem uma bateria de 12 volts). www.blue-sol.com 85 8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido De acordo ao ipo de eletrólito e a tecnologia de construção das placas, as baterias de chumbo ácido pode ser classiicadas em: • Baterias de Eletrólito Liquido: as baterias mais comuns em instalações fotovoltaicas, são compostas pelas placas e pelo eletrólito em estado líquido. Essa é a concepção das baterias automoivas, produzidas em larga escala, por isso são as mais baratas e facilmente encontradas no mercado. Nas baterias automoivas, chamadas de baterias de parida ou SLI, sigla em inglês para Staring-Lighining-Igniion, os eletrodos posiivos e negaivos são grades onde são depositados as matérias aivas, chumbo e dióxido de chumbo. Essas baterias uilizadas para a parida de motores — que requerem altas correntes (até 200 A) por alguns segundos — não são adequadas para sistemas fotovoltaicos, pois são construídas para fornecerem apenas uma fração da sua capacidade (até 10%) em descargas muito altas e períodos muitos curtos. Suas placas são mais inas e em maior número, além do eletrólito possuir maior teor de ácido. Se forem submeidas a profundidade de descarga maior que 50%, podem falhar em poucos dias. As baterias para sistemas fotovoltaicos são desenvolvidas para funcionamento intermitente. Diferenciam-se das anteriores pela sua capacidade de suportar muitos ciclos de descarga, com descarga profunda. Possuem placas com mais matéria aiva e em menor número, e o ácido é menos concentrado. Devido a esses fatores, esse ipo de bateria não é recomendado para a parida de motores, ou mesmo para uso em veículos elétricos. Figura 94 - BAteria de eletrólito líquido • Baterias de Eletrólito Imobilizado: possuem o eletrólito imobilizado, seja na forma de gel (com a adição de dióxido de silício), ou pelo sistema AGM (Absorbed Glass Material), nas quais o eletrólito está em forma cristalina envolto em esponjas de ibra de vidro. Ao contrário das baterias de eletrólito líquido, as baterias de eletrólito imobilizado não necessitam serem instaladas em locais venilados, pois são fechadas e possuem um sistema com válvula de segurança que limitam a saída dos gases liberados em casos de sobrecargas, por isso são chamadas também de baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula (VRLA, do inglês: Valve Regulated Lead Acid). Não requerem a reposição de água, por isso são seladas e não necessitam de manutenção. Os controladores de carga devem ser especíicos ou ajustados para trabalhar com as baterias de eletrólito imobilizado, pois estas não podem receber sobrecargas. São baterias com grande vida úil, geralmente o dobro da vida úil das baterias de eletrólito líquido, sob as mesma condições de profundidade de descarga. Devido a tais caracterísicas, são mais caras que as baterias comuns. www.blue-sol.com86 www.blue-sol.com Figura 95 - Bateria de eletrólito imobilizado (VRLA) • Baterias Estacionárias de Placa Tubular (OPzS e OPzV): são as baterias certas para sistemas robustos, de uso permanente em períodos entre 10 a 20 anos. Podem ser do ipo OPzS, sigla em alemão (Ortsfeste Panzerplate Spezial) que signiica Placa Tubular Estacionária Especial, com eletrólito líquido e separadores especiais; ou do ipo OPzV (Ortsfeste Panzerplate Verschlossen) que signiica Placa Tubular Estacionária Selada, que tem eletrólito em gel e reguladas por válvula. A diferença entre essas baterias e as anteriores está na forma dos eletrodos posiivos, que são tubulares, com tubos permeáveis em torno das varetas, através dos quais circula o eletrólito. Esses tubos mantem a matéria aiva coninada, evitando alguns dos efeitos do envelhecimento das baterias (veja 8.2.4), aumentando o tempo de vida das baterias. Estas baterias tem vida úil muito superior às baterias comuns, mas são mais volumosas, mais pesadas e tem maior custo de instalação, inclusive nos preços comerciais muito superiores a outros ipos de baterias. As baterias OPzS necessitam de manutenção em períodos de 6 meses a 3 anos, enquanto as baterias OPzV não requerem manutenção durante a sua vida úil. Figura 96 - Eletrodos posiivos de uma baterias OPzS • Baterias de Bloco com Placas Posiivas Planas (Blocos OGi): as baterias OGi (do alemão: Ortsfeste Giterplaten, que signiica: Placas Estacionárias Radiais) são do ipo estacionária, com os eletrodos posiivos em formato de placa plana com uma coniguração que está entre a das baterias de grade e as baterias de eletrodo tubular. As varetas encaixadas em um protetor comum, que possibilita a fabricação de placas planas mais baratas que as tubulares, mas com vida úil muito maior. Os eletrodos negaivos de uma bateria de bloco são em formato de grade. www.blue-sol.com 87 As baterias OGi alcançam 1300 ciclos com profundidade de descarga de 75% e 4500 ciclos com 30% de Pd. Devido à grande reserva de ácido no vaso, a manutenção será necessária em períodos entre 3 a 5 anos. São muito uilizadas nos sistemas PV autônomos na Europa, pois conseguem ser recarregadas mesmo com baixas correntes. Figura 97 - Placa posiiva de bateria OGi As baterias estacionárias podem ser disponibilizadas em monobloco (quando os vasos que compõem a bateria estão dentro de uma carcaça única) ou em vasos independentes (quando temos vários vasos, geralmente transparentes que devem ser ligados em série para alcançar a tensão nominal). Os vasos tem maior capacidade de carga (em Ampère hora), mas a tensão é menor (2 volts nominais, nas baterias de chumbo-ácido) e são os mais indicados para sistemas muito grandes. As baterias especiais para sistemas fotovoltaicos (OPzS, OPzV e OGi) são disponibilizadas, geralmente, em formato se vasos transparentes. Baterias especiais, pela sua tecnologia, são desenvolvidas para vida úil entre 10 e 20 anos. As baterias monobloco tem vida úil entre 2 e 5 anos. Figura 98 - Vaso de 2V e bateria monobloco de 12V É possível, mas não é recomendável, a conexão de baterias em paralelo para aumento de corrente. Como os elementos podem ter envelhecimento não uniforme, podem surgir correntes parasitas entre as baterias. Em instalações de baixa potência, esse efeito não é tão nocivo quanto em instalações de alta potência. Recomenda o número máximo de 6 conexões em paralelo. Por moivo de segurança, recomenda- se pelo menos 2 blocos em paralelo. 8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido Vejamos alguns termos relaivos às baterias que devemos considerar, no momento de projetar um banco de baterias: • Carga/Descarga: processo de conversão da energia elétrica em energia química e vice versa. www.blue-sol.com90 www.blue-sol.com determina o im da bateria. • Manter os terminais limpos e apertados, evitando aumento de resistência ou possibilidade de curto-circuito causado pelo acúmulo de sujeira úmida. • Usar EPI durante o trabalho com as baterias. As baterias são a maior fonte de perigo numa instalação PV autônoma. As medidas de segurança são aplicadas tanto às parte elétrica, quanto à parte química, pois o ácido sulfúrico é nocivo para seres humanos e para o meio ambiente, podendo provocar sérias queimaduras em contato com a pele. Os olhos e narinas devem estar protegidos durante o manuseio das baterias. As baterias de eletrólito imobilizado têm a vantagem serem menos críicas quanto à segurança. • Fazer manutenção periódica, no mínimo a cada 6 meses, ao uilizar baterias de eletrólito úmido. Nas baterias de eletrólito imobilizado é recomendável a manutenção anual. • Evitar baterias automoivas para a concepção do banco de baterias, pois não são adequadas e terão que ser subsituídas em períodos muito curtos. Quanto à reciclagem, o Brasil já tem legislação que exige que o fabricante recolha uma bateria para cada unidade vendida. O chumbo e a carcaça podem ser reciclados para a criação de uma nova unidade, enquanto os restos de ácido podem ser tratados antes de serem depostos. Esses procedimentos minimizam o impacto ambiental de se uilizar as baterias de chumbo para acumular energia em instalações fotovoltaicos autônomas. 8.3. Controlador/Regulador de Cargas Em um sistema fotovoltaico autônomo, a tensão do arranjo fotovoltaico deve ser compaível com a tensão nominal do banco de baterias, que costuma ser de 12 V, 24 V, ou 48 V. O controlador (ou regulador) de carga/descarga aumenta o rendimento do sistema fotovoltaico e a vida úil (quanidade de ciclos) das baterias. As tensões de carga e equalização devem ser maiores que a tensão nominal, podendo ser em torno de 14,4 V numa bateria com tensão nominal de 12 V. Módulos standard, com 36 a 40 células fotovoltaicas de silício cristalizado, geram tensões nominais entre 15 V e 18 V. Com o aumento da temperatura, a tensão dos módulos PV diminui, mas ainda assim deve ser maior que a tensão de carga das baterias. Quando a temperatura é menor, a tensão em ponto de máxima potência (Vmpp) do módulo citado acima será de aproximadamente 21 V e a tensão em circuito aberto será de 25 V, ultrapassando o limite máximo de tensão para recarga das baterias. Um controlador de carga mede a tensão das baterias e as protege de sobrecargas indevidas, de uma das seguintes formas: • Desconectando o arranjo fotovoltaico quando sua tensão ultrapassa a tensão limite para recarga, como fazem os controladores em série. • Aplicando um curto-circuito no arranjo PV através de um controlador shunt. • Ajustando a tensão do arranjo, como fazem os controladores com MPPT. Quando o nível de irradiância é baixo, o nível de tensão do arranjo PV será inferior à das baterias, fazendo com que as baterias se descarreguem nos módulos. Para evitar isto, os controladores possuem diodos de bloqueio integrados. www.blue-sol.com 91 Figura 99 - Controladores de carga As funções fundamentais de um controlador de carga são: • Controle da perfeita recarga do banco de baterias. • Proteção contra sobrecargas indevidas. • Proteção contra descarga excessiva (acima de 80%, ou ajustável). • Informação do nível de carga do banco de baterias. O melhor funcionamento das baterias para um longo período de vida, requer certa inteligência dos controladores de carga, que devem se adequar as tensões de carga, ao nível de carga, idade, temperatura de operação e ipo (gel, eletrólito líquido, etc.) de bateria. Como a tensão de recarga deve variar em função da temperatura, os controladores de carga devem possuir um sensor, que se for integrado ao controlador, esse deve ser instalado próximo ao banco de baterias. Em alguns modelos o sensor é externo, permiindo sua instalação sobre as baterias. Os controladores de carga e descarga possuem um sistema de Desconexão em Baixa Tensão (LVD — Low Voltage Disconnect), que protegem as baterias de descargas excessivas que evitam profundidades de descarga maiores que 80%. Essa proteção é aiva quando a tensão do banco de baterias cai abaixo de determinado valor, e pode ser ajustado em alguns modelos de controladores. Os controladores suportam correntes limitadas, tanto de entrada (do arranjo fotovoltaico), quanto de saída (das cargas CC). Possuem fusíveis de proteção para os componentes sensíveis contra o excesso de corrente e, geralmente possuem o mesmo limite tanto na entrada quanto na saída. Os controladores comerciais tem capacidade que vão de 5 A até 60 A. Para arranjos fotovoltaicos maiores, podem ser uilizados vários controladores em paralelo, ou o arranjo é dividido em painéis menores ligados ao mesmo banco de baterias. Esta úlima coniguração dá mais segurança e lexibilidade ao sistema pois, no caso de falha de um dos painéis, os demais coninuam fornecendo potencial. Nos dois casos, não é recomendado o uso de controladores diferentes. www.blue-sol.com92 www.blue-sol.com 8.3.1. Formas de Controle de Carga De acordo à forma como controlam a carga do banco de baterias, os controladores podem ser classiicados em: controladores série, controladores shunt ou controladores com MPPT. Vejamos o funcionamento de cada um desses ipos. 8.3.1.1. Controladores Série Quando o banco de baterias alcança a tensão máxima de carga, esse ipo de controlador desconecta o arranjo fotovoltaico através de um relê ou uma chave de estado sólido, voltando a conectar o arranjo PV quando a tensão cai para determinado valor. Essas conexões e desconexões criam uma oscilação de tensão próxima à tensão máxima de carga, mas também cria perdas de energia. Figura 100 – Esquema de funcionamento de um controlador de carga do ipo Série 8.3.1.2. Controladores Shunt Um controlador shunt reduz coninuamente a potência do arranjo fotovoltaico, a parir do momento em que a tensão máxima de carga é alcançada. Como o arranjo coninua gerando energia, a corrente excedente é usada como corrente de curto circuito no arranjo PV, que pode trabalhar em curto circuito – sofrendo apenas um leve aumento de temperatura. Este é o método ideal para as baterias, pois a recarga é feita de forma segura e eiciente. Figura 101 - Esquema de funcionamento de um controlador de carga do ipo Shunt www.blue-sol.com 95 adequados para motores. Tem distorção harmônica que pode chegar a até 40%, e rendimentos em torno de 60%. • Inversores de onda senoidal modiicada: São os que apresentam a melhor relação custo-beneício. O formato da onda de saída não é uma senóide pura, mas se aproxima muito. Podem alimentar quase todo ipo de carga, mas não são recomendados para aparelhos eletrônicos mais delicados. Tem distorção harmônica em torno de 20%, e rendimentos em torno de 90%. • Inversores de onda senoidal pura: São os que têm formato de onda de saída igual à rede elétrica das concessionárias. São indicados pra alimentar disposiivos eletroeletrônicos mais sensíveis e atualmente estão sendo mais uilizados que os outros ipos de inversores. Não apresentam problemas quanto a distorções harmônicas ou estabilidade da tensão. São mais caros que os inversores de onda quadrada ou senoidal modiicada. 8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo Fontes de energia em corrente conínua de 12 V ou 24 V alcançam seus limites quando é necessário alimentar cargas mais poderosas ou quando é necessário um segmento de cabo muito comprido. Baixas tensões requerem altas correntes para fornecerem o mesmo potencial elétrico, e isso determina o uso de cabeamento com grande seção transversal. Soma-se a estes fatores a não disponibilidade da maioria dos eletrodomésicos e outros aparelhos em corrente conínua. Em alguns casos, até mesmo os sistema de iluminação ica mais eiciente, se alimentado por um inversor. Em sistemas fotovoltaicos autônomos (isoladas) o inversor é conectado diretamente à bateria, desde que possua sistema de desconexão por baixa tensão (LVD). Esses inversores são, geralmente, monofásicos em tensão de 110/115 volts (padrão americano) com frequência de 60 Hz, e tensão nominal de entrada de 12 e 24 volts. Temos no mercado grande disponibilidade de inversores em várias potências, que vão desde alguns Wats até quilowats. Os inversores para potencias maiores que 500 W geralmente possuem tensão de entrada de 24 V. Inversores acima de 5 kW de potência, geralmente, tem tensões de entrada igual ou maior que 48 V. Os inversores inluenciam diretamente a tensão nominal d sistema fotovoltaico, pois não é recomendável uilizar um conversor CC/CC, o que baixaria o rendimento global do sistema PV. Para a escolha da potência nominal do inversor, uilizamos a seguinte equação: Onde: P I = Potência nominal do inversor W AC = Potência das cargas CA ligadas simultaneamente F S = Fator de segurança. O fator de segurança será dimensionado de acordo à quanidade de cargas com altas potências de parida, como geladeira, lavadora de roupas, ferramentas e outros motores. Sistemas fotovoltaicos autônomos residenciais podem se beneiciar do uso de vários inversores, dividindo as cargas de acordo ao peril de uso e simultaneidade. Como exemplo, poderia todo o circuito do sistema de iluminação estar concentrado em um inversor de menor capacidade; os aparelhos eletrônicos comuns às salas de estar poderiam ser ligados a outro inversor; a geladeira poderia ter um inversor devidamente calculado para as suas necessidades; enquanto os pequenos eletrodomésicos comuns à cozinha poderia fazer uso do inversor dedicado à lavadora de roupas e micro-ondas, que não são aivados simultaneamente. Tal coniguração pode tornar o sistema mais coniável, além de mais barato em alguns casos, pois um inversor que suportasse todas as cargas seria mais caro que vários inversores menores. t www.blue-sol.com96 www.blue-sol.com Figura 104 - Esquema de ligações simpliicado. www.blue-sol.com97 www.blue-sol.com Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos Autônomos.
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