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Termo de responsabilidade Todas as informações contidas neste livro são provenientes de minhas experiências pessoais com o aprendizado teórico e prático ao longo de vários anos de estudo. Embora não tenha medido esforços para garantir ao máximo a precisão e a mais alta qualidade dessas informações para que todas as técnicas e métodos aqui ensinados sejam altamente efetivos para que qualquer estudante de sistemas fotovoltaicos possa colocar o esforço necessário para aplicá-los conforme instruído, esses métodos e informações não foram testados ou comprovados cientificamente. As técnicas e informações aqui presentes são para todos mas, não para qualquer um. Você precisa estar disposto. Além disso, sua situação particular pode não se adequar perfeitamente as técnicas ensinadas neste livro. Assim você deverá utilizá-lo ajustando as informações de acordo com a sua necessidade específica e por essa razão os resultados podem variar de pessoa para pessoa. Não existe qualquer garantia. Há somente a minha experiência com diversos clientes que ficaram satisfeitos com seus resultados devido a aplicação das técnicas aqui apresentadas. O presente documento foi redigido meramente para fins de informação. As informações aqui presentes não devem ser consideradas e aplicadas a todas as circunstâncias em virtude das características específicas de cada projeto de sistema fotovoltaico. O autor não se responsabiliza por qualquer dano ou prejuízo causado pelo uso das informações aqui contidas, uma vez que esse documento não dispensa a consulta às normas técnicas brasileiras e internacionais sobre o tema e outras fontes normativas aplicáveis para realização de projetos de energia solar fotovoltaica. Atenção Todos os nomes de marcas de produtos e serviços mencionados aqui, são de propriedade dos seus respectivos donos e são usados somente como uma referência. Além disso, não existe a intenção de difamar, desrespeitar, insultar, humilhar ou de menosprezar você leitor ou qualquer outra pessoa, cargo ou instituição. Caso você acredite que alguma parte desse livro seja de alguma forma desrespeitosa ou indevida e deva ser removida ou alterada, você pode entrar em contato diretamente comigo através do e-mail danielrosaenergia@gmail.com . Direitos autorais Este livro está protegido por leis de direitos autorais. Todos os direitos sobre o livro são reservados. Você não tem permissão para vender esse livro nem para copiar/reproduzir o conteúdo em sites, blogs e jornais ou quaisquer outros veículos de distribuição e mídia. Qualquer tipo de violação dos direitos autorais estará sujeita a sanções da lei. Sobre o autor A história por trás do propósito Meu nome é Daniel Rosa Junior, nasci em Votuporanga, interior de São Paulo, em dia 17 de fevereiro de 1978. Sou neto de ferroviários que vieram de Araraquara-SP e que escolheram essa cidade para constituírem às suas famílias. Meu pai vem de uma família de cinco irmãos, por isso, começou a trabalhar bem cedo como ajudante de pedreiro para ajudar nas despesas da casa. Também foi jogador de futebol profissional no extinto AEJ – Associação Esportiva Jalesence, clube da cidade de Jales. Se tornou eletricitário da Companhia Energética do Estado de São Paulo (CESP), empresa distribuidora de energia elétrica, onde teve uma carreira de 30 anos. Já minha mãe, vem de uma família de seis irmãos. Sua avó era descendente de alemães da região de Catanduva-SP, que chegaram ao Brasil no século XVIII, quando ocorreu o movimento migratório europeu para várias regiões do país. Ela também começou a trabalhar muito cedo auxiliando nas tarefas de casa e na agricultura familiar em pequeno espaço de terra dos meus avós. A vida dos meus pais nunca foi fácil, por isso, se dedicaram sem medir esforços para dar o melhor estudo que podiam para mim e meus irmãos, Carlos e Fabiana. Desde muito jovem, fui curioso e sempre quis saber sobre a engenharia das coisas – saber como funcionavam. Gostava de inventar e reinventar meus brinquedos, sempre me indagando sobre os fenômenos físicos à minha volta. Meu primeiro contato com a eletricidade, foi em 1990, quando eu tinha 12 anos. O episódio foi um tanto quanto engraçado e ao mesmo tempo com um alto potencial de risco. Foi quando eu resolvi desenvolver o meu primeiro projeto elétrico. Escuta isso! Era um projeto extremamente simples. Eu queria fazer uma campainha soar e acender uma lâmpada quando a mesma fosse acionada. Eu queria fazer isso, porque eu achava o máximo um programa de TV, que os mais antigos devem se lembrar, que se chamava "Passa ou Repassa". Era um programa de perguntas e respostas, onde os participantes das equipes apertavam uma campainha e uma lâmpada se acendia quando a equipe supostamente sabia a resposta para uma determinada pergunta. O meu desejo era fazer exatamente aquilo que assistia no programa, para poder jogar com meus primos e irmãos. Nessa época, nós morávamos com os meus avós maternos e meu avô tinha uma oficina fantástica nos fundos da casa dele com um armário enorme cheio de ferramentas. Aquilo pra mim, era um parque de diversões. Então, despertado o forte desejo de desenvolver aquele projeto, comecei a colocar a ideia em prática quando chegava do colégio. Claro que fazia isso escondido dos meus avós e dos meus pais, porque meu avô morria de ciúmes das ferramentas dele. Como eu sabia onde meu avô escondia a chave do armário, executar o plano, foi uma tarefa fácil. Levei praticamente uma semana para montar toda aquela parafernália. Até que chegou o grande dia. O momento mais esperado. Era hora de testar o funcionamento daquele que seria o primeiro de muitos outros projetos. O momento que eu escolhi para o teste, foi durante a noite, porque eu queria ver o forte brilho da lâmpada. Nesse horário meu pai assistia ao Jornal Nacional. Ele adorava ver esse telejornal. Na verdade adora até hoje. Você já podem imaginar o que aconteceu quando eu coloquei os dois fios na tomada para ligar minha "obra prima"... Em milésimos de segundos, após conectar os fios na energia, houve um estouro e a casa dos meus avós ficou totalmente no escuro por alguns segundos até que meu pai logo gritou lá da sala! - Moleque! O que você está aprontando aí? Nesse momento eu retiro rapidamente os fios da tomada e a luz volta. Sem saber, meu pai tinha acabado de salvar a minha vida. Meu herói! Fiquei com os olhos arregalados, totalmente assustado e ao mesmo tempo decepcionado, porque meu projeto não tinha funcionado conforme planejado. Meu pai então, sai da sala “voando” e vem até mim pra ver o que eu tinha “aprontado” dessa vez e me encontra com o que sobrou do meu projeto na mão, um tanto quanto carbonizado, devido uma ligação, equivocada, que mais tarde eu viria a aprender que na eletricidade denominamos de curto-circuito. Logo em seguida chega a minha mãe que olha para o meu pai e diz: - Esse menino ainda vai botar fogo nessa casa! E foi assim a minha iniciação na eletricidade, com uma experiência um tanto quanto perigosa mas, que despertou naquele garoto curioso, ainda mais o desejo de saber como era possível produzir luz, através de um simples clique em uma tecla. Quando completei 14 anos, ingressei em uma escola técnica do SENAI em São José do Rio Preto-SP chamada Escola SENAI Antonio Devisate, onde conheci meu grande mestre, Prof. Ademir. Me dediquei muito durante 2 anos. Estudava dia e noite para ser um dos melhores alunos do colégio, pois, queria recompensar todos os esforços que meus pais colocaram sobre mim. E assim foi feito. Me formei como um dos melhores alunos do colégio e comecei a trabalhar na mesma empresa que meu pai trabalhou. Por lá desenvolvi minha carreira durante 24 anos, porém, em 2014 eu não me sentia feliz com o trabalho que estava desenvolvendo e tive que tomar uma das decisões mais difíceis da minha vida, que foi pedir demissão. Apesarde todo sucesso que eu alcancei, aquilo era tudo o que os meus pais sonharam e lutaram para que eu tivesse. Aquilo não era o meu sonho. O meu sonho era empreender e fazer a diferença de verdade na vida das pessoas. Mas deixar para trás uma carreira e um salário como aquele que eu tinha, era simplesmente desesperador para mim e minha esposa. O momento da Virada Em 2014 eu me apaixonei pela energia solar fotovoltaica e a partir daí, investi 5 anos em treinamentos e capacitação, aprendendo a integrar sistemas de energia solar fotovoltaica nas edificações. Até que no início de 2019 eu pedi demissão da distribuidora de energia para me dedicar ao próprio negócio na área de energia solar. Depois de tomar essa decisão e comunicar ao meu chefe, fiquei praticamente uma semana sem dormir. Acredito que essa tenha sido a decisão mais difícil que eu já tomei mas, passados esses dias, era hora de colocar a mão na massa. E hoje eu sou um integrador e instrutor de sistemas fotovoltaicos e estou me dedicando ao que considero minha missão de vida, que é levar conhecimento a todas as pessoas que queiram aprender sobre energia solar e ajudar a mudar a forma com que o mundo consome energia elétrica, para que possamos ter uma planeta cada vez mais sustentável. “Ouse e faça a diferença.” Daniel Rosa Junior Como usar este livro O seu aprendizado e desenvolvimento é diretamente proporcional ao foco e a imersão no que você quer aprender. Isso não vale só para sistemas de energia solar fotovoltaica mas, para qualquer coisa que você decida aprender. Logo, uma coisa que você vai precisar fazer é criar o seu próprio mundo onde em boa parte do tempo você praticamente vai respirar sistemas fotovoltaicos. Esse livro vai ser o guia central mas, ler uma boa parte dele e passar o resto do seu dia nas redes sociais, não vai ajudar muito. Você vai precisar ter mais controle sobre os inputs que vão aparecer principalmente quando você terminar esse livro e começar a aplicar as técnicas nos seus projetos. Por isso, eu gostaria de compartilhar com você algumas dicas para facilitar o seu processo de imersão nesse universo de sistemas fotovoltaicos. Um passo além Reserve um tempo para aplicar seu aprendizado. Assista aos vídeos complementares que preparei para você expandir seus conhecimentos. Faça resumos Procure ler com calma e resumir os principais conteúdos, em um caderno. Faça isso de tal maneira que você consiga explicar o conteúdo aprendido para outra pessoa. Assine meu canal no YouTube Lá você vai encontrar aulas sobre energia solar fotovoltaica. https://www.youtube.com/c/DanielRosaJunior Curta minha página no Facebook www.facebook.com/rosajuniordaniel Siga meu perfil no Instagram www.instagram.com/rosajuniordaniel Crie grupo de estudos Indique este livro para outras pessoas e forme um grupo de estudos. Discutir os aprendizados do livro com um amigo, colegas e pessoas próximas, ajuda você a ir além. Lembre-se. Se quer ir rápido vá sozinho, se quer ir longe vá acompanhado. https://www.youtube.com/c/DanielRosaJunior https://www.youtube.com/c/DanielRosaJunior file:///D:/FÓRMULA%20DE%20LANÇAMENTO/FL%20INSIDER%202020/CURSO%20PROJETISTA%20FOTOVOLTAICO_2020/www.facebook.com/rosajuniordaniel file:///D:/FÓRMULA%20DE%20LANÇAMENTO/FL%20INSIDER%202020/CURSO%20PROJETISTA%20FOTOVOLTAICO_2020/www.facebook.com/rosajuniordaniel http://www.instagram.com/rosajuniordaniel http://www.instagram.com/rosajuniordaniel Introdução Eu acredito que este livro será útil para muitos. Por um lado ele serve para quem já trabalha na área de energia solar fotovoltaica e quer fortalecer sua base e por outro, serve para quem sonha em trabalhar na área. O que apresento aqui serve como base para sistemas fotovoltaicos de diversas potências. Vou ficar muito feliz se você terminar esse livro conseguindo enxergar as múltiplas oportunidades de aplicação dessa metodologia. Eu verdadeiramente acredito que o conteúdo desse livro possa transformar a sua maneira de dimensionar e construir sistemas fotovoltaicos, porque o conhecimento que eu divido aqui com você transformou desempenho dos meus projetos trazendo satisfação para vários clientes. Por isso, é muito importante que você consuma o conteúdo deste livro na ordem em que ele está sendo apresentado. Acredite, eu investi pesado no planejamento e organização dessas informações para que você consiga consumir, aprender e aplicar da maneira mais eficiente possível. E o mais importante, leia, aprenda, aplique e indique para as pessoas ao seu redor se ele for útil pra você. A energia solar é uma fonte praticamente inesgotável na escala de tempo terrestre e uma alternativa energética de suma importância para o desenvolvimento humano, pois, sabemos que devido a energia do sol, surgem também outras fontes de energia na Terra. A energia solar direta pode ser dividida em cinco blocos bem definidos. O primeiro seria a energia solar passiva que é utilizada nas arquiteturas bioclimáticas, ou seja, nas construções projetadas para que a luz do sol penetre no ambiente por mais tempo, auxiliando no iluminação e controle de temperatura com o objetivo de economia de energia. O segundo seria a energia solar ativa que pode ser utilizada para aquecimento e refrigeração de fluídos. O terceiro é da energia solar fotovoltaica, utilizada para produção de eletricidade a partir de células solares. O quarto, é o de geração de energia elétrica utilizando-se de concentradores solares térmicos para altas temperaturas. E o quinto bloco é o uso da energia solar em um reator para produção de hidrogênio que é utilizado como combustível para células de energia. Sabemos que a energia solar térmica e a energia solar fotovoltaica, são as mais conhecidas e mais utilizadas hoje em dia e no conteúdo desse livro nós trataremos especificamente da energia solar fotovoltaica para geração de energia elétrica de forma distribuída. Qual é o tipo de dimensionamento que dá resultado na prática? Devido à grande produção de módulos fotovoltaicos pelas fábricas chinesas, nós tivemos uma significativa redução nos custos da tecnologia. Com isso a procura dos consumidores pelos sistemas de energia solar fotovoltaica conectados à rede, teve um aumento muito expressivo. Consequentemente, cresceu também o número de instaladores oferecendo seus serviços aos consumidores que ainda detém pouco conhecimento sobre o assunto. Mas infelizmente, existe uma parcela de “profissionais”, que eu acredito ser pequena, que não detém o domínio da tecnologia e está realizando a integração de sistemas fotovoltaicos sem ter os devidos cuidados necessários para se extrair do sistema fotovoltaico, todo o potencial energético que ele é capaz de oferecer. Isso, devido à falta de conhecimento e de observação de diversos pontos importantes que devemos levar em consideração quando o assunto é projeto fotovoltaico. Então, o que dá resultado na prática é dimensionar dominando as características da tecnologia aplicada e realizar uma análise técnica profissional, lançando mão de todas as ferramentas tecnológicas disponíveis que estejam ao seu alcance, observando e obedecendo os avisos de segurança dos equipamentos a serem utilizados em uma instalação, conhecer seus limites operacionais, suas características elétricas, suas características mecânicas, fazer uma análise de sombreamento adequada, verificar qual a melhor orientação do arranjo, melhor inclinação, refrigeração, enfim. Os pontos fundamentais que devem ser observados na elaboração de um projeto e na integração de qualquer sistema fotovoltaico. Seja ele residencial, comercial ou industrial, para extração do maior potencial energético do sistema de forma que o investidor, possa ter o retorno financeiro de forma mais rápida e segura possíveis. O que eu vou te mostrar aqui nesse livro, é uma parte do que aprendi com a minha experiência nos últimosanos trabalhando com sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica para sistemas de microgeração distribuída, de forma que você também seja capaz de dimensionar sistemas fotovoltaicos de microgeração. Como implementar esse tipo de dimensionamento partindo do zero? Para que você possa dimensionar corretamente um sistema fotovoltaico, por menor que seja, primeiramente você vai precisar conhecer algumas técnicas de análise. Depois, você precisa conhecer os equipamentos e estruturas de fixação que você vai utilizar em um determinado projeto. Aprender a realizar uma inspeção preliminar, que possa ser feita através de ferramentas digitais e posteriormente no local onde se pretende instalar o sistema fotovoltaico. Isso vai te ajudar a observar todos os pontos que podem influenciar, tanto positivamente, quanto negativamente, na geração de um sistema fotovoltaico. Você precisa tomar conhecimento também dos cálculos que envolvem o dimensionamento e por fim, você vai precisar saber como utilizar um software de simulação para energia solar, com recursos que irão te auxiliar na análise do projeto e na integração do mesmo à uma determinada edificação buscando o melhor desempenho anual em termos energéticos. É fácil ter resultados extraordinários? Eu acredito que qualquer pessoa que esteja realmente comprometida em aprender e aplicar as técnicas deste livro vai poder colher bons frutos. Eu não digo isso por intuição ou nada do tipo. Digo isso porque no momento em que eu escrevo esse livro, existem mais 30 projetos, de diversas potências em funcionamento, de clientes meus que estão extremamente satisfeitos com os resultados de seus investimentos. Mas é fácil alcançar esses resultados e mostrar para os clientes que o barato na maioria das vezes não é o melhor? Apesar de possível não é fácil fazer o que tem que ser feito. Neste livro eu vou te dar o caminho, a direção. Mas, o esforço e dedicação de estudar, aprender e aplicar é com você. É como se diz por aí, “Você pode levar o cavalo até o rio mas, não pode obrigá-lo a beber água". E infelizmente, nem todo mundo está disposto a fazer a sua parte. Nem todos estão dispostos a entrar em campo sem desistir na primeira dificuldade. Ler este livro e ficar sentado na cadeira sem fazer nada, não vai fazer com que os resultados apareçam magicamente para você. Mas, se você tiver disposto a arregaçar as mangas, ir à luta e se esforçar, esse livro vai te dar o caminho que muitos já trilharam para conseguir chegar lá. " As pessoas não sabem o que querem até você mostrar a elas." Steve Jobs Sumário Introdução a energia solar fotovoltaica ...................................................................................... 11 Vantagens .................................................................................................................................... 11 Desvantagens .............................................................................................................................. 12 Uma breve história da energia solar fotovoltaica ....................................................................... 13 A energia solar fotovoltaica no Brasil ......................................................................................... 14 O Sol ............................................................................................................................................ 15 O princípio da luz ......................................................................................................................... 15 O Sol como fonte energética ....................................................................................................... 15 Energia do Sol na Terra ............................................................................................................... 16 O efeito fotovoltaico ................................................................................................................... 17 Aspectos físicos de Eficiência das células solares ....................................................................... 18 Reflexão da luz solar.................................................................................................................... 18 Os principais componentes de um sistema ................................................................................ 19 O inversor .................................................................................................................................... 19 Módulos fotovoltaicos ................................................................................................................ 28 Características dos módulos fotovoltaicos.................................................................................. 29 Coeficientes de temperatura ...................................................................................................... 30 Análise do recurso energético local ............................................................................................ 34 Análise da fatura de energia e pré-dimensionamento ............................................................... 34 Pré-dimensionamento SFVCR para compensação de energia .................................................... 35 Estimativa da quantidade de módulos fotovoltaicos .................................................................. 36 Fator de compensação por temperatura dos módulos fotovoltaicos ........................................ 36 Especificação dos coeficientes de temperatura do módulo fotovoltaico ................................... 37 Compensação de potência pico .................................................................................................. 37 Compensação de tensão de circuito aberto ............................................................................... 37 Compensação de tensão Nonimal .............................................................................................. 38 Compensação de corrente de curto circuito ............................................................................... 38 Compensação de corrente de máxima potência ........................................................................ 39 Geração conforme cálculos de compensação por temperatura ................................................. 39 Dados elétricos do módulo fotovoltaico corrigidos pelo fator temperatura .............................. 39 Orçamento preliminar ................................................................................................................. 40 Análise e verificação local (Site Survey) ...................................................................................... 40 Dispositivos de proteção ............................................................................................................. 41 Estruturas de fixação ................................................................................................................... 41 Comissionamento........................................................................................................................ 42 Bibliografia .................................................................................................................................. 44 11 Introdução à energia solar fotovoltaica A energia solar fotovoltaica é produzida através da conversão direta da radiação luminosa em eletricidade através do efeito fotovoltaico. Para tal, são utilizadas células fotovoltaicas que é um dispositivo fabricado geralmente à base de silício, um material semicondutor encontrado em grande abundância na natureza. A célula é a base de todo processo de geração de energia elétrica em maior escala. As células de silíco podem ser fabricadas de silício monocristalino ou policristalino, sendo este último o mais utilizado devido apresentar melhor custo-benefício. Há também ascélulas fotovoltaicas fabricadas a partir de filmes finos. Podem ser de silício amorfo, disseleneto de cobre e índio, disseleneto de cobre índio gálio e telureto de cádmio. As células de filmes finos não são tão difundidas devido a algumas dificuldades de disponibilidade desses materiais, menor rendimento, maior desgaste do material devido à radiação solar e no caso do cádmio, devido a toxicidade do material. Existe também as células de multi-junção que apesar de apresentarem um potencial energético de alta eficiência o custo para a sua produção não é tão competitivo quanto o das células fotovoltaicas de silício monocristalino e policristalino. Vantagens O comportamento dos sistemas fotovoltaicos é algo extraordinário e muito útil para a humanidade. Eles reagem a recepção da luz, conseguindo transformar parte dela em eletricidade. Além disso a energia solar fotovoltaica possui uma série de vantagens sobre outras fontes de energia que nós conhecemos atualmente. São elas: Não possui partes móveis que possam se desgastar e exigir manutenção. Como é caso de geradores mecânicos movidos a combustíveis fósseis; Não contêm fluidos ou gases (exceto em sistemas híbridos) que podem vazar, assim como alguns sistemas solares-térmicos; Não queima combustível durante sua operação; 12 Responde rapidamente à recepção da luz, obtendo energia na saída do sistema de forma praticamente instantânea; Pode operar em temperaturas moderadas; Não produz poluição enquanto produz eletricidade; Requer pouca manutenção, quando fabricada e instalada adequadamente, dentro das normas e padrões nacionais e interacionais; Pode ser feito de silício, o segundo elemento mais abundante no planeta. Os sistemas podem ser construídos em módulos, permitindo uma ampla variedade de fontes; Pode ser usada em pequena escala como aplicações em áreas remotas e residências que não têm acesso à rede elétrica convencional; Pode ser usada em sistemas distribuídos nos centros de consumo abastecendo empresas e residências; Pode ser utilizada em grande escala como em fazendas para a produção de energia centralizada para injeção no sistema elétrico nacional; Têm uma alta eficiência de conversão de luz em eletricidade comparado com qualquer outro sistema com de mesma função; Possui amplo recurso de manuseio da potência energética dos sistemas. Desde pequenas potencias em Watts (W) até grandes potências em Megawatts (MW); Têm uma ótima relação entre a potência e peso dos equipamentos, tornando-os adequados para aplicações sobre telhados. Desvantagens Para não dizer que não há nenhuma desvantagem nos sistemas fotovoltaicos, podemos citar uma preocupação com o meio ambiente, durante o processo de produção dos módulos fotovoltaicos onde há a produção de resíduos e grande consumo de energia elétrica. Mas enfim, a energia solar é inesgotável e está disponível para qualquer utilização prática mesmo que a quantidade de energia solar emitida pelo Sol que chega à Terra, seja bastante diluída. 13 Uma breve história da energia solar fotovoltaica O efeito fotovoltaico foi observado primeiramente pelo físico francês, Alexandre Edmond Becquerel, em 1839. Ele percebeu o surgimento de uma diferença de potencial, ou seja, de uma tensão elétrica, nos eletrodos imersos em uma solução ácida a partir da absorção da luz. Os dispositivos que podemos chamar de células fotovoltaicas propriamente ditas foram fabricadas com selênio em 1883 por Charles Fritts e apenas em 1950, com o avanço dos estudos e pesquisas no desenvolvimento de materiais semicondutores que foram fabricadas nos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, as primeiras células de silício. A tecnologia fotovoltaica deu os seus primeiros passos através da sua utilização pelas empresas de telecomunicação que utilizaram a tecnologia como fontes de energia para sistemas instalados em locais isolados. Depois ela foi utilizada em satélites para alimentação dos mesmos no espaço, porque a célula fotovoltaica era a tecnologia que possuía o menor custo e o tamanho mais adequado para fornecer a quantidade de energia necessária para esses satélites por longos períodos de tempo em órbita. Devido à crise do petróleo que ocorreu em 1973, a procura pela tecnologia de energia solar fotovoltaica acabou se ampliando para aplicações terrestres, porém, o grande desafio era reduzir o custo de produção das células para que fosse viável a geração de energia elétrica de forma prática, para utilização em consumidores de energia, maiores que os satélites espaciais. Em 1978, a indústria fotovoltaica mundial chegou a marca de 1 MWp (1 Mega Watt-pico) por ano de produção em células fotovoltaicas. Os Estados Unidos, foram um dos grandes líderes mundiais na produção dessa tecnologia durante a maior parte da década de 1990 e logo na sequência a Alemanha e Japão aumentaram o seu desenvolvimento nesse mercado. Em 1998 a produção de células fotovoltaicas no mundo atingiu a marca de 150 MWp (150 Mega Watt-pico) sendo o silício o material mais utilizado. Em 2006 foi quando ocorreu a grande ascensão da tecnologia fotovoltaica depois que a China começou a produzir de forma muito rápida, as células fotovoltaicas. Em pouco tempo a China se tornou o líder mundial na produção de células e módulos. O mercado europeu é onde encontramos a maior parte dos módulos fotovoltaicos do mundo, cerca de 74%. Depois da Europa, os maiores mercados para sistemas fotovoltaicos são Japão 14 e Estados Unidos. Com a produção em grande escala pelas indústrias chinesas, o valor do investimento sobre o sistema fotovoltaico tem reduzido drasticamente, o que permitiu que diversos consumidores no mundo pudessem investir na tecnologia. A energia solar fotovoltaica no Brasil O mercado brasileiro, teve um crescimento de mais de 300% no número de instalações fotovoltaicas de 2017 para 2018. O Brasil possui altos índices de radiação solar principalmente quando se compara com os índices dos países europeus, que é onde se encontra hoje instalada a maior parte da tecnologia fotovoltaica. O grande marco na história da tecnologia fotovoltaica no Brasil ocorreu no final de 2012, quando foi publicada a resolução normativa 482 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). A partir desse momento, estava então regulamentada a possibilidade de um consumidor comum, produzir a sua própria energia elétrica para abater uma parte do seu consumo, obtendo uma redução na sua fatura de até 95%. Desde então, o mercado nacional tem crescido a passos largos no número de consumidores que já aderiram ao sistema de compensação de energia elétrica, através de sistemas de microgeração e minigeração de energia distribuída. Nós ainda temos muito a avançar apesar das regras da resolução normativa 482/2012 terem sido revisadas e melhoradas pela resolução normativa 687/2015. A quantidade do potencial fotovoltaico instalado no Brasil, no momento que escrevo este livro, corresponde a aproximadamente 0,4% do total de consumidores existentes no território nacional. Isso significa que o Brasil tem um vasto campo de crescimento ainda pela frente quando o assunto é geração de energia elétrica por fontes renováveis. 15 O Sol O princípio da luz Luz é energia. Quando você toca uma superfície preta exposta ao sol, percebe ali um acumulo dessa energia. O princípio da luz ajuda a compreender como as células solares funcionam. A luz do sol parece branca porque é composta pela junção das diferentes cores do espectro visível que combinadas, produzem a luz branca. A luz visível representa apenas uma pequena porção do espectro de radiação eletromagnética. Estudos mostram que a maneira com que um raio de luz interage com outros raios e objetos físicos, muitas vezes podem ser explicados como se a luz estivesse se movendo em forma de uma onda ou de partículas. Todas as ondas têm um certa distânciaentre picos (chamada comprimento de onda). Esse comprimento de onda também pode ser expresso como uma frequência (o número de picos em um determinado espaço de tempo de propagação especificado). Portanto, uma onda com uma longa distância entre picos, tem uma frequência mais baixa que a de menor comprimento de onda. A frequência e o comprimento de onda, são inversamente proporcionais. Para ondas de luz, a energia associada à onda aumenta à medida que a frequência aumenta e diminui à medida em que se aumenta o comprimento. O Sol como fonte energética O Sol é uma estrela que têm aproximadamente 4,5 bilhões de anos e os cientistas estimam que ele ainda deva ter pelo menos mais 6,5 bilhões, antes de entrar em erupção e devastar com os planetas do seu sistema. Algumas estrelas são enormes fontes de raio-x, outras são grandes geradoras de sinais de rádio. Já o Sol, além de produzir estes tipos energia, produz também outras, sendo que libera 95% de sua produção energética em forma de luz. Algumas faixas dessa luz não podem ser vistas pelo nossos olhos. O sol é responsável por quase todas as formas de energia disponíveis no Planeta. Praticamente tudo é uma forma de energia que foi convertida através da energia do sol. Como 16 exemplo, podemos citar a energia hidrelétrica que é possibilitada pela evaporação devido ao calor solar radiante; os ventos que são causados pelas diferenças de temperatura entre a atmosfera e a Terra usados na geração de energia eólica; os combustíveis fósseis que abastecem geradores à combustão, são restos de vida orgânica previamente nutrida pelo sol; e a energia fotovoltaica que é produzida diretamente pela radiação solar. Energia do Sol na Terra O sol envia para a Terra, uma produção de energia de aproximadamente 3,86 x 1020 MW (Megawatts) por segundo, atingindo a Terra com um fornecimento constante de 1,37 kW/m2 (quilowatts por metro quadrado). Porém, nem toda luz solar que passa pela atmosfera terrestre chega a superfície, pois, uma parte da radiação é refletida para o espaço e outra é espalhada de forma aleatória na atmosfera, fazendo com que o céu pareça azul. É importante dizer que a quantidade de luz solar que atinge a superfície da Terra, depende da quantidade de massa de ar (AM) da atmosfera através da qual a luz deve passar. A intensidade da luz solar que atingi o solo, também se enfraquece devido aos ângulos do sol, uma vez que os raios têm mais massa de ar para atravessar quando os raios estão inclinados em relação a superfície da Terra. Nesse processo, a atmosfera pode absorver mais de 50% da radiação solar que chega ao planeta. As áreas da Terra que mais recebem a luz solar, são as que estão compreendidas entre as latitudes 30º norte e 30º sul, já que essas áreas têm menor quantidade de nuvens. Também existem as variações de radiação de acordo com as estações do ano, causadas pela inclinação da Terra em relação ao sol e pelo movimento de translação. Assim, o sol de inverno, que é quando o Sol está mais baixo no céu e os dias são mais curtos, fornecerá diariamente 20% menos energia do que no verão. Todos esses fatores afetam a quantidade de radiação local na Terra, que dificilmente são ideais e devem ser levados em consideração quando se projetar um sistema fotovoltaico. Um bom sistema fotovoltaico não pode ser projetado sem prever 17 as variações associadas ao espectro de energia e sua disponibilidade. O efeito fotovoltaico O efeito fotovoltaico ou fotoelétrico é a base para a conversão da luz em eletricidade. A luz solar carrega uma certa quantidade de energia em forma de onda eletromagnética que quando penetra em uma célula fotovoltaica, faz com que surja nela, uma diferença de potencial entre os eletrodos da célula. Como substância simples, o silício - que é a base para a fabricação das células mais utilizadas, não conduz corrente elétrica, pois, não possui elétrons de valência, que são elétrons livres, na última camada eletrônica do átomo, fracamente ligados ao núcleo e que têm a facilidade de saltar entre as camadas quando ganham ou perdem energia (fóton). Mas quando o silício é dopado tendo a sua estrutura cristalina modificada com a inserção de outros elementos que são chamados de impurezas, esses elementos potencializam a quantidade de elétrons livres na face negativa da célula e a formação de "buracos" na face positiva. Os materiais mais usados para dopagem das células de silício são: o fósforo, que é um dopante negativo que deixa o eletrodo tipo-N da célula com sobra de elétrons livres e o boro, que faz com que o eletrodo positivo tipo-P da célula, fique com falta de elétrons, com "buracos" na estrutura cristalina do silício que chamamos de lacunas. Quando um fóton de luz, que é a energia liberada pela radiação eletromagnética, excita os elétrons livres do eletrodo negativo da célula, esses elétrons, preenchem as lacunas do eletrodo positivo, próximas à área de junção da célula, formando o que chamamos de barreira de potencial. E quando o circuito é fechado, os elétrons rompem a barreira de potencial e começam a saltar de um átomo para outro dando origem à corrente elétrica. 18 Aspectos físicos de Eficiência das células solares A maior parte da energia que atinge uma célula na forma de luz solar é perdida antes que possa ser convertida em eletricidade. A máxima eficiência de conversão de luz solar em eletricidade pelas células fotovoltaicas podem chegar hoje em testes laboratoriais a pouco mais de 40%. Os valores mais típicos de células comerciais, são as que têm uma eficiência de 14% a 22%. Constantemente busca-se trabalhar para o desenvolvimento de células mais eficientes e de menor custo para maior difusão da tecnologia. Os principais fenômenos que limitam a eficiência da célula solar são: 1. Reflexão da superfície da célula; 2. Luz que não é energeticamente suficiente para separar elétrons de suas ligações atômicas; 3. Luz que possui energia extra além da necessária para separar elétrons das suas ligações; 4. Elétrons e lacunas gerados pela luz, que se encontram aleatoriamente e se recombinam antes que eles possam contribuir para o desempenho da célula; 5. Elétrons e lacunas gerados pela luz que são reunidos por defeitos na superfície e nos materiais a célula; 6. Resistência ao fluxo de corrente; 7. Auto-sombreamento resultante da impressão dos contatos elétricos na superfície superior; 8. Degradação do desempenho em condições não ideais de temperaturas (alta ou baixas) de operação. Reflexão da luz solar Parte da luz solar que atinge uma célula solar é refletida. O silício não tratado normalmente reflete 36% (ou mais) da luz do sol que o atinge. Isso seria um perda muito ruim em termos de eficiência. Felizmente, existem várias maneiras de se tratar as superfícies das células para reduzir a reflexão de forma eficiente. Entre elas estão o revestimento e texturização química da superfície. Devido a estes dois métodos, a reflexão pode ser reduzida a valores maiores que 5%. 19 Os principais componentes de um sistema O inversor O inversor interativo é um conversor estático de potência, quem têm a função de converter a corrente contínua produzida pelo gerador fotovoltaico em corrente alternada e entregar essa energia para a rede de distribuição dentro dos níveis adequados de tensão e frequência, segundo alguns parâmetros que são estabelecidos pelas normas nacionais e internacionais. A características elétricas do arranjo fotovoltaico devem estar sempre de acordo com os dados de placa do inversor para que o mesmo não seja exposto a um superdimensionamento não suportável. Também, os módulos de um gerador fotovoltaico que serão conectados ao inversor, devem estar de acordo com a norma da Comissão Eletrotécnica internacional, IEC61730, possuir classificação energética tipo A e certificação do INMETRO. Caso sejam conectados ao inversormódulos fotovoltaicos que não possuem as especificações técnicas do fabricante, estes módulos poderão comprometer o funcionamento correto das suas proteções. A primeira parte da norma IEC61730, trata da qualificação construtiva dos módulos fotovoltaicos. Nessa norma são especificados e descritos os requisitos fundamentais de construção para módulos fotovoltaicos, de forma que eles possam fornecer uma operação elétrica e mecânica segura. Nela também são fornecidos tópicos específicos para avaliação e prevenção contra choque elétrico, riscos de incêndio e lesões corporais devido a tensões mecânicas e ambientais. Na segunda parte da IEC61730, são definidos os requisitos para teste dos módulos fotovoltaicos. Ela é destinada à módulos fotovoltaicos de longo prazo de operação, expostos às ações do tempo, instalados em circuitos fotovoltaicos com uma tensão máxima de 1.500V. Esta norma também deve ser aplicada a todos os materiais utilizados na construção de módulos de placas planas de silício e de película fina, instalados ao longo na superfície terrestre. O inversor deve realizar a conexão e desconexão entre o gerador fotovoltaico e a rede, de acordo com a norma NBR16149, que trata das características que devem ter a interface de conexão do sistema fotovoltaico, que atua em paralelo com a rede elétrica de distribuição, estabelecendo as recomendações e requisitos específicos para tal. A NBR16149 não abrange sistemas fotovoltaicos com dispositivos de armazenamento de energia e sistemas fotovoltaicos com condicionamento de 20 potência. O inversor também devem satisfazer os requisitos das normas IEC60634-7-712 que trata sobre os requisitos para instalação de sistemas fotovoltaicos em edificações, a norma IEC61000-3-3 que trata sobre a compatibilidade eletromagnética entre os sistemas fotovoltaicos e a rede, informando as limitações de tensão e cintilação das redes de distribuição de baixa tensão, quando se utiliza inversores com corrente nominal menor ou igual a 16A por fase, que não são submetidos a conexão condicional. Deve obedecer também a norma IEC61000-3-11, também de compatibilidade eletromagnética, para inversores com corrente nominal menor ou igual a 75A e que são submetidos a conexão condicional. E a IEC61000-3-5 que trata da compatibilidade eletromagnética para sistemas com inversores com corrente nominal maior que 75A, submetidos a conexão condicional. A qualidade da energia fornecida pelo inversor para as cargas e para a rede em corrente e tensão alternada dentro dos parâmetros de cada local ou região, é regida por práticas e normas referentes a tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência. Qualquer desvio do padrão estabelecido por essas normas, caracteriza uma condição anormal de operação, devendo o inversor interativo ser capaz de identificar esse desvio e cessar o fornecimento de energia à rede. A tensão, potência e frequência do inversor devem ser compatíveis com a rede elétrica local. Os valores nominais de tensão para as redes brasileiras estão contidos nos Procedimentos de Distribuição do Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) onde encontramos os seguintes valores: a) 220/127V b) 220/110V c) 380/220V d) 440/220V e) 230/115V f) 240/120V g) 254/127V h) 208/120V As tensões de conexão padronizadas para média tensão são: a) 13,8 kV (MT); 21 b) 34,5 kV (MT). E para alta tensão a) 69 kV (AT) e b) 138 kV (AT). Os inversores para conexão à rede, normalmente não regulam tensão e sim regulam a corrente que é injetada na rede. Dessa forma o range (faixa) de operação normal de tensão do inversor é “setado” (configurado) como uma função de proteção que vai monitorar e reagir quando a rede apresentar condições consideradas anormais para que ele continue em operação. O inversor deve ser capaz de identificar os desvios dos parâmetros de tensão, frequência, cintilação, distorção harmônica e fator de potência da rede elétrica cessando o fornecimento de energia. Se a tensão nominal da rede atingir um valor menor que 80% da tensão nominal, ou seja, cair mais que 20%, o inversor terá que se desconectar da rede num tempo máximo de 0,4s. Se a tensão da rede atingir um valor maior que 110% da nominal, o inversor deve se desconectar da rede num tempo máximo de 0,2s. Quando a tensão variar para valores considerados anormais e retornar a normalidade dentro do tempo máximo de desligamento estipulado, o inversor deve continuar em operação normal. Esse tempo máximo de desligamento, refere-se ao tempo transcorrido desde que ocorreu o evento anormal de tensão, até a atuação do inversor que vai se desconectar eletricamente da rede cessando o fornecimento de energia. Esse tempo de retardo no desligamento, têm objeto de evitar que o inversor fique realizando desconexões excessivas e desnecessárias quando ocorrerem distúrbios de curta duração na rede. Porém, o inversor permanece conectado mecanicamente à rede e deve continuar monitorando os parâmetros de tensão, de forma que seja realizada a reconexão do sistema fotovoltaico, quando as condições normais da rede forem restabelecidas. Então, os valores de tensão considerados normais para o inversor, conforme a NBR16149, estão compreendidos na faixa de 80 e 110% da tensão nominal de referência. Muito cuidado no momento de dimensionar os condutores do lado CA, porque deve- se levar em consideração a queda de tensão, entre o inversor e o ponto de conexão do sistema fotovoltaico com a rede elétrica. 22 Este ponto é considerado pela norma como sendo o padrão de entrada de energia. Se a queda de tensão nesse trecho do inversor até o padrão, for muito alta, pode haver um mau funcionamento do inversor. Um outro parâmetro importante são valores de cintilação que não devem ser maiores que os valores estabelecidos nas normas IEC61000-3-3, parte 3-11 e parte 3-5. Inversores interativos sem transformador, devem possuir uma proteção contra a injeção da componente de corrente contínua na rede elétrica, desligando o inversor no tempo máximo de 1s, quando essa corrente atingir um valor maior que 0,5% da corrente nominal do inversor. Já os inversores com transformador na sua constituição interna e com isolamento galvânico em 60Hz, não precisam ter esse tipo de proteção. Como sabemos o inversor deve operar em sincronismo com a rede elétrica, dentro de alguns limites de variação de frequência. Quando a frequência da rede atingir um valor de 57,5Hz, o inversor deve se desconectar dessa rede em um tempo de até 0,2s cessando o fornecimento de potência. Podendo se reconectar somente quando a frequência chegar a 59,9Hz em um tempo mínimo que pode variar de 20 a 300s dependendo do ciclo religamento automático da rede de distribuição. Agora, quando a frequência da rede ultrapassar o valor de 60,5Hz, ficando abaixo de 62Hz, o inversor deve automaticamente reduzir a sua potência ativa injetada na rede. Se após o inversor iniciar o processo de redução de potência, a frequência da rede abaixar, ele deve manter a potência reduzida por no mínimo 300s, até que a frequência atinja a faixa de 60Hz, mais ou menos 0,05Hz. É conveniente que a energia injetada na rede pelo inversor, tenha baixos níveis de distorção harmônica de corrente, para garantir que outros equipamentos elétricos conectados à rede de distribuição sofram alguma operação indesejada, devido as distorções harmônicas provocadas pela eletrônica do inversor. Níveis aceitáveis de distorção harmônica de tensão e corrente, dependem das características da rede de distribuição, tipo de serviço, cargas conectadas e procedimentos adotados para a rede. A distorção harmônica total (THD) de corrente de um inversor, deve ser inferior a 5% em relação a corrente fundamental (60Hz) na potência nominal do inversor. Cada harmônica individual têm o seu limite estabelecido pela norma esses valores da tabela a seguir.23 Limites de distorção harmônica de corrente – Fonte NBR16149 Harmônicas ímpares Limite de distorção 3ª a 9ª < 4% 11ª a 15ª < 2% 17ª a 21ª < 1.5% 23ª a 33ª < 0,6% Harmônicas pares Limite de distorção 2ª a 8ª < 1% 10ª a 32ª < 1.5% Se a potência ativa injetada na rede pelo inversor for maior de 20% da sua potência nominal, o inversor deve ser capaz de operar dentro de alguns valores estabelecidos na norma NBR16149 para o fator de potência. Todo inversor deve sair de fábrica configurado com fator de potência igual a 1, podendo trabalhar com uma tolerância na faixa de 0,98 indutivo até 0,98 capacitivo, para inversores com potência menor ou igual a 3kW, na faixa de 0,95 indutivo a 0,95 capacitivo, para inversores com potência de 3 a 6kW e na faixa de 0,90 indutivo até 0,90 capacitivo, para inversores maiores que 6kW. Sempre que houver uma variação da potência ativa na saída do inversor, ele deve ajustar a potência reativa na sua saída automaticamente no tempo máximo de 10s para que o fator de potência pré-definido seja obedecido. Para prevenir que o sistema fotovoltaico trabalhe em ilhamento (geração isolada), sempre que ocorrer a perda de uma das fases da rede, o inversor deve cessar o fornecimento de potência em até 2s. Se o inversor possuir na sua entrada de corrente contínua o sistema dc Safety extra-low voltage (SELV), e apresentar uma potência acumulada menor que 1kW, em apenas um único padrão de entrada de energia, após a desconexão, não será necessária a desconexão física do inversor da rede através de relés. A desconexão completa do inversor da rede elétrica de distribuição, deve ocorrer sempre em condições anormais de variação de tensão e frequência, tendo inversor que responder a essas anormalidades protegendo o sistema elétrico contra o ilhamento de sistemas distribuídos de forma a garantir a segurança das equipes de manutenção de 24 linha morta, segurança da rede, das pessoas em geral, bem como evitar danos ao sistema fotovoltaico e ao próprio inversor. O inversor deve possuir proteção contra curto-circuito e ser aterrado conforme a IEC60364-7-12. Os testes do inversor devem ser realizados conforme a NBR16150 que especifica os procedimentos de ensaios para verificar se os equipamentos utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede de distribuição de energia estão em conformidade com os requisitos da norma NBR16149 que citei anteriormente. É importante frisar que antes de realizar a instalação, operação ou manutenção de um inversor interativo é importante conhecer as características do equipamento que você está trabalhando e as normas vigentes pra se evitar lesões ao operador ou instalador, lesões à terceiros e danos ao inversor. Por isso as instruções de segurança devem ser lidas e seguidas antes de qualquer intervenção. Não é permitida a conexão ou desconexão dos conectores de CA e CC quando o inversor estiver em funcionamento. Isso pode danificar seriamente o inversor. Os polos positivo (+) e negativo (-) dos módulos fotovoltaicos não devem ser aterrados. A instalação, conexão e manutenção dos inversores devem ser realizadas por pessoa qualificada seguindo as normas e regulamentações locais como a NBR5410 que estabelece as condições a que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens. Outra referência importante é a NBR16690 que foi finalmente publicada em 2019 e que trata sobre as Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, escrita com base na norma IEC/TS62548, onde são estabelecidos os requisitos de projeto das instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, incluindo disposições sobre os condutores, dispositivos de proteção elétrica, dispositivos de manobra, aterramento e equipotencialização do arranjo fotovoltaico. O escopo desta norma inclui todas as partes do arranjo fotovoltaico, mas não inclui, os dispositivos de armazenamento de energia, as unidades de condicionamento de potência ou as cargas. Uma exceção é a de que as disposições relativas a unidades de condicionamento de potência, são abordadas apenas onde a segurança das instalações do arranjo fotovoltaico está envolvida. A interligação de pequenas unidades de condicionamento de potência em corrente contínua 25 para conexão a 1 (um) ou 2 (dois) módulos fotovoltaicos também está incluída no escopo da NBR16690. Vou citar aqui também a importância de conhecer o PRODIST Módulo 8 para se instalar e conectar um inversor interativo em uma rede de distribuição. Pra quem não conhece, o PRODIST é uma série de documentos dividido em módulos e emitidos pela ANEEL. O módulo 8 trata especificamente sobre a qualidade da energia elétrica. Como nós sabemos o inversor interativo é uma fonte de potência de energia elétrica que é conectada paralelamente à rede de distribuição contribuindo com a injeção de potência no sistema elétrico. Esse paralelismo deve obedecer certos parâmetros para que a rede não acabe sofrendo com distúrbios ou perturbações que podem prejudicar a qualidade da energia para os consumidores. Então, o módulo 8 do PRODIST estabelece os procedimentos relativos à qualidade da energia elétrica, abordando a qualidade do produto, a qualidade do serviço prestado pelas distribuidoras e a qualidade do tratamento de reclamações. Para a qualidade da energia, o módulo 8 define a terminologia e os indicadores, caracteriza os fenômenos, estabelece os limites ou valores de referência para essa energia, a metodologia de medição, a gestão das reclamações relativas à conformidade de tensão em regime permanente, às perturbações na forma de onda de tensão e os estudos específicos de qualidade da energia elétrica para fins de acesso aos sistemas de distribuição. As regras que especificam quais devem ser os requisitos mínimos que uma central geradora dever possuir em função da potência instalada, para conexão à rede de distribuição são encontradas na seção 3.7 do módulo 3 do PRODIST, que trata sobre os procedimentos para acesso de projetos de micro e minigeração distribuída, participantes do sistema de compensação de energia elétrica ao sistema de distribuição. De acordo com a potência de central geradora os requisitos mínimos obrigatórios estão na tabela seguinte: 26 Vale lembrar que o inversor interativo possui algumas dessas proteções inseridas no próprio inversor, o que dispensa a instalação de proteção externa de forma redundante. Mas olha só, a distribuidora pode propor proteções adicionais, desde que justificadas tecnicamente, em função de características específicas do sistema de distribuição acessado, sem custos para microgeração distribuída, que são as centrais geradoras de até 75kW segundo as regras atuais. A quantidade de fases e o nível de tensão de conexão da central geradora, serão definidos pela distribuidora, em função das características técnicas da rede e em conformidade com a regulamentação vigente. Para iniciar o dimensionamento de um inversor o primeiro passo, é definir qual será a sua potência de saída ou do conjunto de inversores. Para isso, nós vamos dividir o valor da energia elétrica que dever ser compensada diariamente em Wh, pela média anual de irradiação solar disponível no local da instalação do sistema. 𝑃𝑎𝑐 = 𝐸𝑐𝑑 𝐻𝑆𝑃 27 Onde: Pac = potência alternada da rede Ecd = energia de compensação diária HSP = horas de sol pico É importante que esse valor de irradiação (HSP), já esteja ajustado, considerando a influência de inclinação, orientação e o poluição da superfície do gerador fotovoltaico. Para que o gerador fotovoltaico possa fornecer o valor de energia elétrica capaz de suprir às necessidades da edificação, será necessário que a potência desenvolvida por ele possua níveis adequados. Essa potência será determinadaa partir da potência elétrica de saída do inversor e da sua eficiência de conversão. Então, a potência do gerador fotovoltaico deverá ser calculada, dividindo-se o valor da potência elétrica CA na saída do inversor interativo, pela sua eficiência, que pode ser encontrada no seu Datasheet. PV = Pac out ᶯ Onde: PV = Potência do gerador fotovoltaico (Wp) Pac out = potência CA de saída do inversor (W) ᶯ = eficiência do inversor Tome muito cuidado no momento de definir a quantidade de módulos fotovoltaicos para o seu arranjo de forma que nunca seja ultrapassada a máxima tensão de entrada do inversor. Sempre leve em consideração a temperatura ambiente máxima e mínima em que o gerador fotovoltaico será exposto no local do projeto. 28 Módulos fotovoltaicos Os módulos fotovoltaicos são constituídos por várias células fotovoltaicas ligadas entre si, em série e paralelo, de forma que se obtenha uma potência elétrica que possa ser utilizada para fins práticos tendo em vista que a potência que uma célula fotovoltaica disponibiliza apresentar valores muito baixos, em torno de 0,5 A 0,7 V (Volts). A fabricação das células fotovoltaicas tem como base os materiais semicondutores, dos quais o mais difundido é o silício. As células de silício são fabricadas através de um lingote que é fatiado em diversas lâminas (wafer) que vão formar a sua base. As lâminas passam por vários processos até que se obtenha a célula fotovoltaica propriamente dita com 0,4 a 0,5mm de espessura. Os módulos fotovoltaicos que utilizam da tecnologia de filmes finos são fabricados sobre o próprio material que vai formar o módulo, não ocorrendo primeiramente a fabricação de células. O objetivo de encapsular as células fotovoltaicas em forma de módulo, é prover proteção mecânica, garantido maior vida útil às células e o bom funcionamento, pois, as células são extremamente finas e quebráveis. O módulo garante também uma facilidade de integração nas estruturas de fixação das edificações, de forma que a associação de módulos possa produzir uma potência suficiente que realmente traga ganhos energéticos. Você deve estudar todos os detalhes das folhas de dados dos módulos fotovoltaicos, para que saiba exatamente as suas especificações e as suas restrições de segurança. É extremamente proibido pisar ou caminhar sobre os módulos, porque isso pode provocar microfissuras nas células fotovoltaicas, invisíveis a olho nu, e o surgimento de pontos quentes, chamados de hotspot e que podem danificar o módulo ou todo o arranjo, provocado por incêndio devido às altas temperaturas de trabalho a que as células trincadas ou quebradas são submetidas. 29 Características dos módulos fotovoltaicos As características elétricas de um módulo fotovoltaico, são registradas graficamente na sua a curva I-V (corrente-tensão), que é traçada com o valor da corrente elétrica em função da tensão produzida. As curvas I-V dependem das condições climáticas do local, da irradiância solar média (kWh/m2.dia-1) incidente na superfície e da temperatura na junção das células solares. A irradiância solar tem influência direta sobre a intensidade da corrente elétrica produzida pelos módulos, pois, quanto maior for a irradiância incidente na superfície geradora, maior será a intensidade da corrente elétrica produzida. Agora, quando a irradiância for baixa, com valores inferiores a 600 W/m2 (Watts por metro quadrado), ocorre também uma diminuição da tensão elétrica produzida pelos módulos, por isso, os valores de irradiância no local do gerador fotovoltaico, precisam ser corrigidos para valores mais próximos da realidade local de acordo com as variáveis que influenciam essa grandeza. Chamamos de Horas Sol Pico (HSP) a representação da quantidade de horas por dia, onde o valor da irradiância média que incide sobre uma determinada região do planeta é de 1.000 W/m2 (Watts por metro quadrado) . O valor das horas de sol pico e da temperatura de operação das células que compõem os módulos do arranjo, são e suma importância para dimensionar um sistema. Esta temperatura, é influenciada pela temperatura ambiente e pela irradiação solar que altera diretamente os valores de tensão gerada pelos módulos fotovoltaicos. Com o aumento da temperatura, há uma queda da tensão e consequentemente da potência máxima de cada módulo. Para fazer a correção da temperatura de trabalho em que o arranjo fotovoltaico será submetido no local do projeto, é preciso conhecer a temperatura de operação das células especificadas nas condições padrão de teste STC (Standard Test Conditions). A seleção de um módulo para um sistema será de acordo com as suas especificações técnicas de tensão de circuito aberto (Voc), corrente de curto- circuito (Isc), tensão de operação no ponto de máxima potência (Vmp), corrente de operação no ponto de máxima potência (Imp) e potência nominal (Wp). Essas especificações e as informações sobre o desempenho dos módulos fotovoltaicos encontram-se no seu datasheet e são determinadas nas condições padrão de teste – STC (Standard Test Conditions) - que são a 30 referência para todos os fabricantes de módulos fotovoltaicos. Abaixo seguem os valores de referência do padrão STC. Tstc = 25ºC Gstc = 1000W m2 AM = 1,5 Onde: Tstc = Temperatura da célula solar em STC Gstc = Irradiação solar padrão em W/m2 AM = Massa de ar da atmosfera do local. Importante: A performance dos módulos fotovoltaicos é dada com base nesses valores das condições padrão de teste. Isso significa que as características elétricas que os módulos fotovoltaicos vão apresentar para cada local de instalação será de acordo com as variáveis de influência desse local. Assim um módulo com potência nominal de 330Wp só vai apresentar esse valor sob uma irradiância de 1000W/m2 a uma temperatura de operação das células de 25◦C. A irradiância que incide na superfície de um módulo fotovoltaico determina a intensidade da corrente elétrica que será produzida por ele. Isso porque quanto mais fótons dos raios solares incidem sobre a superfície das células, mais elétrons são liberados aumentando fluxo de corrente. Coeficientes de temperatura O desempenho do módulo depende da temperatura de operação das células. E os parâmetros mais influenciados por essa variável são a tensão de circuito (Voc) e a tensão no ponto de máxima potência (Vmp). Dificilmente a temperatura de operação de uma célula fotovoltaica na vida real, será igual a temperatura das condições padrão de teste, ou seja 25º C. Por isso, a correção da temperatura é imprescindível para avaliarmos o desempenho real dos 31 módulos. A temperatura média de uma célula fotovoltaica em operação no mundo real é sempre superior a temperatura média do ambiente e pode ser calculada usando a expressão abaixo: Treal Cel = Tamb + ∆t Onde: Treal Cel = Temperatura real de operação em ºC, na junção das células solares Tamb = média anual das temperaturas máximas do ambiente de instalação ∆t = valor de temperatura em ºC acima da temperatura de operação de acordo com o tipo de instalação dos módulos. Uma célula fotovoltaica quando entra em operação no mundo real, exposta às condições da temperatura ambiente, terá uma temperatura de operação significativamente maior do que a temperatura de laboratório porque a radiação solar aquece a junção das células. E para se estimar qual seria a temperatura de operação de uma célula solar, acima da temperatura ambiente, podemos utilizar a expressão abaixo: ∆t = 0,034 . G – 4 Onde: ∆t = valor de temperatura em ºC acima da temperatura de operação de acordo com o tipo de instalação dos módulos 0,0034 = constante G = irradiância solar em W/m2 - 4 = constante Os fabricantes dos módulos fotovoltaicos disponibilizam nas folhas de dados dos módulos, os coeficientes de temperatura, que nos possibilitam estimar a variação das caraterísticaselétricas dos módulos (potência, tensão e corrente) em função da temperatura das células, para qualquer local de instalação. Dessa forma é possível verificar qual será a potência que um arranjo fotovoltaico vai desenvolver de acordo com as condições a que será exposto. 32 Importante: Para você corrigir as características de potência, tensão e corrente, terá que utilizar 2 variáveis importantes durante os cálculos. Uma delas é a Porcentagem de correção (LºCx) e a outra é o Coeficiente de temperatura (ºCx). Dessa forma, para se obter o valor da potência elétrica de um módulo já corrigida de acordo com os coeficientes de temperatura, usamos as seguintes expressões: Expressão 1: LºCPmáx = ºCPmáx . Tamb Onde: LºCPmáx = Porcentagem de correção para potência máxima do módulo ºCPmáx = Fator do coeficiente de temperatura do módulo para a potência máxima Tamb = Temperatura ambiente Expressão 2: RºCPmáx = 100% + LºCPmáx Onde: RºCPmáx = Coeficiente de correção real para Pmáx Expressão 3: Pmáx’ = RºCPmáx . Pmáx Onde: Pmáx’ = Potência máxima real do módulo, corrigida para a temperatura ambiente Pmáx = Potência máxima do módulo sob as condições padrão de teste (STC) Para se obter o valor da tensão de circuito aberto (Voc) e da tensão no ponto de máxima potência (Vmpp) já corrigidas de acordo com os coeficientes de temperatura, usamos as seguintes expressões: 33 Expressão 1: LºCVoc = ºCVoc . Tamb Onde: LºCVoc = Porcentagem de correção para tensão Voc do módulo ºCVoc = Fator do coeficiente de temperatura do módulo para a tensão Voc ou Vmpp Tamb = Temperatura ambiente Expressão 2: RºCVoc = 100% + LºCVoc Onde: RºCVoc = Coeficiente de correção real para Voc Expressão 3: Voc’ = RºCvoc . Voc Onde: Voc’ = Tensão real de circuito aberto do módulo, corrigida para a temperatura ambiente E para se obter o valor da corrente de curto-circuito (Isc) e a corrente do ponto de máxima de operação (Impp) já corrigida de acordo com os coeficientes de temperatura, usamos as seguintes expressões: Expressão 1: LºCISC = ºCIsc . Tamb Onde: LºCIsc = Porcentagem de correção para a corrente de curto-circuito do módulo ºCIsc = Fator do coeficiente de temperatura do módulo para ISC ou Impp Tamb = Temperatura ambiente Expressão 2: RºCIsc = 100% + LºCIsc Onde: RºCISC = Coeficiente de correção real para Isc 34 Expressão 3: Isc’ = RºCIsc . Isc Onde: Isc’ = Corrente de curto-circuito real do módulo, corrigida para a temperatura ambiente Análise do recurso energético local Para que você possa iniciar o dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica (SFVCR) para geração de créditos de energia em kWh, será necessário levantar qual é a disponibilidade média anual da energia solar para o local do projeto em kWh/m2.dia-1 que equivale às Horas de Sol Pico (HSP). Você pode encontrar essa informação nos bancos de dados solarimétricos existentes, no Brasil ou exterior, com base na sua coordenada geográfica. No Brasil nós temos o programa Sundata, que é um banco dados idealizado pelo Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sergio de Salvo Brito (CRESEB - http://www.cresesb.cepel.br/), com o objetivo de que os projetos de energias renováveis possam ser cada vez mais difundidos em nosso país. Importante: Para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos off-grid, você deve avaliar o mês mais crítico de disponibilidade do recurso solar, que é no inverno, para que o sistema seja capaz de suprir a necessidade energética da carga mesmo nesse período de menor irradiação. Análise da fatura de energia e pré-dimensionamento A fatura de energia elétrica dos consumidores atendidos em baixa tensão pelas distribuidoras de energia elétrica, possui um histórico de consumo, geralmente http://www.cresesb.cepel.br/ 35 dos últimos 13 meses, através do qual pode-se levantar a média de consumo mensal em kWh (quilowatt-hora) do cliente em questão. Para se estimar de forma preliminar qual a potência pico do sistema fotovoltaico em kWp (quilowatt pico), a quantidade de módulos fotovoltaicos e a potência aproximada do inversor para um arranjo com ângulo de azimute menor que 30º e inclinação menor que 20º, basta seguir o exemplo abaixo: Pré-dimensionamento SFVCR para compensação de energia Local: Votuporanga-SP Categoria da unidade consumidora: Bifásico (127/ 220V) Radiação solar média anual no plano horizontal (HSP) : 5,11KWh//m2.dia-1 Fonte de dados de radiação: Sundata Latitude: -20.424033 Longitude: -49.953263 Análise Preliminar Consumo médio mensal (FMM – Fatura média mensal) FMM = 240KWh/mês Custo de disponibilidade para cliente bifásico (FMIN - Fatura mínima) FMIN = 50KWh/mês Compensação de energia mensal (ECM – Energia de compensação mensal) ECM = FMM – FMIN = 240 – 50 = 190KWh/mês Compensação de energia diária (ECD) ECD = ECM / 30 ECD = 190/ 30 ECD ~ 6,33KWh/dia Cálculo da potência necessária para o cliente (Wp) Wp = ECD / HSP Wp = 6,33 / 5,11 Wp = 1,24KWp 36 Seleção preliminar do Inversor Interativo de acordo com a máxima potência do arranjo: 1,5kW (Valor Comercial). Módulo escolhido para o projeto Fabricante: Canadian Solar Modelo CSP6-P 255P Dados elétricos do módulo (STC): Nominal Max. Power (Pmax): 255 W Opt. Operating Voltage (Vmp): 30.2 V Opt. Operating Current (Imp): 8.43 A Open Circuit Voltage (Voc) : 37.4 V Short Circuit Current (Isc): 9.00 A Module Efficiency: 15.85% Operating Temperature: -40°C ~ +85°C Max. System Voltage: 1000 V (IEC) or 1000 V (UL) Module Fire Performance: TYPE 1 (UL 1703) or CLASS C (IEC 61730) Max. Series Fuse Rating :15 A Application Classification Class A Power Tolerance 0 ~ + 5 W Estimativa da quantidade de módulos fotovoltaicos Nmódulos = Wp/ Wp módulo Nmódulos = 1240/ 255 Nmódulos = 4,86 5 módulos Fator de compensação por temperatura dos módulos fotovoltaicos Local: Votuporanga-SP Temp. máxima média anual: 31°C Fonte dos dados de temperatura: Normais Climatológicas do INMET (http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=clima/normaisClimatologicas) Tipo de fixação: Integrado ao telhado ΔT (entre o ambiente e as células devido fixação): +29°C http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=clima/normaisClimatologicas 37 Especificação dos coeficientes de temperatura do módulo fotovoltaico Modelo CS6P-255P Temperature Coefficient (Pmax) -0.41% / °C Temperature Coefficient (Voc) -0.31% / °C Temperature Coefficient (Isc) 0.053% / °C Nominal Operating Cell Temperature 45±2°C Compensação de potência pico L°Cpmax (%) = °Cwp * (Treal - Tref°C) L°Cpmax (%) = -0,41 *[(31+29)-25] L°Cpmax (%) = -14,35% R°Cpmax (%) = 100% + L°Cpmax R°Cpmax (%) = 100% + (-14,35%) R°Cpmax (%) = 85,65% Wpc = Wp * R°Cpmax Wp c= 255 * 0,8565 Wpc = 218,41Wpc Compensação de tensão de circuito aberto L°Cvoc (%) = °Cvoc * (Treal - Tref°C) L°Cvoc (%) = -0,31 * [(31+29)-25] L°Cvoc (%) = -10,85% R°Cvoc (%) = 100% + L°Cvoc R°Cvoc (%) = 100% + (-10,85%) R°Cvoc (%) = 89,15% 38 Vmpp’ = Vmppstc* R°Cvoc Vmpp’ = 37,4 * 0,8615 Vmpp’ = 32,22V Compensação de tensão Nonimal L°Cvmp(%) = °Cvmp * (Treal - Tref°C) L°Cvmp (%) = -0,31 *[(31+29)-25] L°Cvmp (%) = -10,85% R°Cvmp (%) = 100% + L°Cvn R°Cvmp (%) = 100% + -10,85% R°Cvmp (%) = 100% + (-10,85%) R°Cvmp (%) = 89,15% Vmp’ = Vmp* R°Cvn Vmp’ = 30,2* 0,8915 Vmp’ = 29,92V Compensação de corrente de curto circuito L°CIsc (%) = °CIsc * (Treal - Tref°C) L°CIsc (%) = 0,053 *[(31+29)-25] L°CIsc(%) = 1,855% R°CIsc (%) = 100% + L°CIsc R°CIsc (%) = 100% + 1,855% R°CIsc (%) = 101,855% Isc’ = Isc * R°CIsc Isc’ = 9 * 1,01855 Isc’ = 9,2 A 39 Compensação de corrente de máxima potência L°CImp (%) = °CImp * (Treal - Tref°C) L°CImp (%) = 0,053 *[(31+29)-25] L°CImp(%) = 1,855% R°CImp (%) = 100% +L°CImp R°CImp (%) = 100% + 1,855% R°CImp (%) = 101,855% Imp’ = Isc * R°CImp Imp’ = 8,43 * 1,01855 Imp’ = 8,59 A Geração conforme cálculos de compensação por temperatura Potência pico x Radiação no plano horizontal Local: Votuporanga – SP HSP: 5,11 kWh/m2. dia-1 Wpc: 218,41Wpc Geração = 218,41Wpc * 5,11 kWh/m2. dia-1 Geração = 1,12 kWh/dia Dados elétricos do módulo fotovoltaico corrigidos pelo fator temperatura Nominal Max. Power (Pmax): 218,41 W Opt. Operating Voltage (Vmp): 29,92 V Opt. Operating Current (Imp) 8,59 A Open Circuit Voltage (Voc): 32,22 V Short Circuit Current (Isc): 9,2 A 40 Orçamento preliminar Com base no pré-dimensionamento é possível se estimar o valor aproximado do sistema fotovoltaico de microgeração para uma determinada unidade consumidora realizando a emissão de um orçamento preliminar. Nessa fase ocorre um alinhamento de expectativa por parte do cliente que toma ciência do investimento necessário para a implantação do projeto fotovoltaico e também do retorno financeiro que este ativo pode lhe retornar ao longo de sua vida útil. Entendo que é muito importante a emissão de um orçamento preliminar antes de passar para a próxima fase do processo, que é a verificação local, que deve ser realizada para afinar a análise e determinar o valor real da obra. Análise e verificação local (Site Survey) O Site Survey basicamente consiste em realizar uma inspeção/verificação no local onde se pretende instalar o sistema fotovoltaico levantando todas as necessidades de equipamentos para acesso ao local de instalação, ferramental, materiais elétricos, condições das instalações elétricas e civis da edificação, localização geográfica enfim, tudo que tenha relação com a instalação do sistema. A escolha do sistema ideal não é simplesmente a de escolher o melhor equipamento. É uma questão de escolher o equipamento que é a melhor opção para o sistema. O melhor sistema de fato, é que têm o custo- benefício mais adequado. O primeiro passo no desenvolvimento de um sistema fotovoltaico é avaliar o motivo da aplicação e ambiente de instalação. Para fazer isso, analisa-se a necessidade energética da carga durante determinados períodos de tempo em que as quais as mesmas consomem energia. Essa etapa envolve também o estabelecimento das condições da luz solar (ângulo, intensidade, duração, etc.) e do clima em que o sistema fotovoltaico irá operar. A análise das restrições de projeto como, obstáculos que podem provocar sombreamento, desempenham um papel vital para um projeto de sistema fotovoltaico. 41 Dispositivos de proteção A string box de corrente contínua é geralmente montada com dispositivos de proteção com encaixe padrão DIN. Nela você deve instalar os fusíveis de proteção para as fileiras de módulos, tanto para o lado positivo quanto para o lado negativo dos circuitos, utilizando fusíveis devidamente dimensionados de acordo com a corrente de cada circuito. Esta prática deve ser adotada para garantir a proteção do circuito contra correntes reversas que podem surgir caso haja defeito no diodo de by-pass de algum módulo. Instalar também um DPS de CC para cada circuito, atento à tensão suportada pelo dispositivo e uma chave seccionadora CC para comutação em carga. Já na string box CA encontraremos um disjuntor monopolar, bipolar ou tripolar dependendo do tipo de conexão entre o inversor e a rede elétrica do consumidor. Também são intalados os DPS’s e terminais de conexão. Essas duas string box não podem ser integradas em uma única caixa devido possuirem diferentes fontes de potência o que é proibido segundo a NBR-5410. Estruturas de fixação Uma boa estrutura de fixação de um arranjo fotovoltaico é um elemento fundamental na construção de um projeto. Ela deve possuir boa resistência mecânica e ser instalada de tal forma que não seja danificada pela força dos ventos. Podem ser montadas sobre vários tipos de telhados e em diversas inclinações, porém, alguns pontos devem ser observados. Devemos nos atentar quanto à dilatação térmica na instalação dos módulos fotovoltaicos sobre as estruturas para que os mesmos não sejam danificados, garantir boa ventilação entre os módulos fotovoltaicos e a cobertura do telhado, pois os módulos podem atingir temperaturas maiores do que 60ºC, garantir inclinação suficiente para que os módulos não retenham folhas e também deixar pequenos espaços entre os módulos de forma a aliviar a pressão dos ventos. O tipo de estrutura escolhida para a montagem depende do tipo de cobertura ou solo. Nunca improvise estruturas, pois, a sua fabricação demanda estudo aprofundado, muitos cálculos, 42 ensaios e testes para garantir a segurança e eficiência da mesma. Existem hoje no mercado brasileiro diversos fabricantes que oferecem um amplo leque de opções de estruturas para fixação de sistemas fotovoltaicos, porém, é preciso ser bastante criterioso no momento de escolher a estrutura adequada para o seu projeto. Desde de 2014 venho acompanhando o mercado de estruturas e percebi que com o aumento da concorrência muitos fornecedores oferecem materiais de baixa resistência mecânica com a utilização de menor quantidade de material em seus produtos para conseguir praticar preços mais atrativos. Também tenho visto muitas adaptações realizadas por instaladores que não se preocupam com a durabilidade dos produtos que utilizam. Um exemplo disso é a utilização de materiais como porcas e parafusos que são suscetíveis à ferrugem e corrosão. As estruturas de fixação dos módulos fotovoltaicos devem ter alta durabilidade (superior a 20 anos), por isso, devem ser fabricadas de materiais com boa resistência mecânica e que suporte as ações do tempo. De tudo que vi no mercado até hoje, as estruturas de alumínio e aço inox são as melhores opções para a realização de um excelente projeto de integração fotovoltaica durável. Recomendo a utilização de perfis de alumínio anodizado 6063-T5 e periféricos em aço inox 304. Comissionamento Antes de realizar o start do sistema fotovoltaico são necessárias algumas verificações e testes na instalação para detectar prováveis falhas ou defeitos que possam ocasionar mau funcionamento ou parada do sistema fotovoltaico. Realize os passos seguintes: 1. Realize a medição da tensão de circuito aberto de cada módulo fotovoltaico antes de conectá- los; 2. Verifique se todos os conectores MC4 estão bem conectados e travados; 3. Verifique se os cabos não estão prensados sob módulos, estruturas ou calhas; 43 4. Cheque o torque de todos os terminais (chaves, fusíveis, DPS, aterramento etc); 5. Verifique se todas as partes metálicas estão aterradas; 6. Confira a polaridade do cabeamento das strings utilizando um voltímetro; 7. Verifique a capacidade de cada fusível; 8. Verifique a ligação dos DPS; 9. Verifique a ligação das chaves de CC; 10. Realize a medição da tensão CA na entrada do disjuntor de conexão; 11. Realize um teste de isolação da instalação realizando um meghômetro; 12. Realize a medição da resistência de aterramento com um terrômetro; 13. Verifique se a capacidade dos disjuntores estão de acordo com a corrente do circuito; 14. Ligue o inversor e cheque as medições de tensão do mesmo; 15. Ligue o disjuntor CA e verifique o tempo de sincronismo do inversor com a rede elétrica; 16. Realize a medição da corrente CA nos condutores utilizando um alicate amperímetro; 17. Acompanhe todas medições do inversor e compare com os dados de projeto para verificar se a potência entregue está ok. 44 Bibliografia Ayrão, Vinícius. Energia solar fotovoltaica no Brasil conceitos, aplicações e estudos de caso. 2018. Internacional Cooper Association Brazil. Treinamento energia solar fotovoltaica PHB 2019. Catálogo de estruturas Carport 2019. PHB Solar. Disponível em https://www.energiasolarphb .com.br/tutoriais.php/#downloads
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