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PREFÁCIO
Este material didático tem como objetivo dar suporte aos interessados em conhecer
mais sobre a tecnologia que vem ganhando destaque no mercado nacional de maneira
clara e objetiva.
Esperamos que com esta apostila o leitor possa se familiarizar com os equipamentos
e conceitos empregados nesta tecnologia. Tentamos apresentar o conteúdo de forma
que ele seja útil tanto para pessoas com conhecimentos técnicos prévios, quanto para
leigos em eletricidade. Obviamente, é inevitável que alguns termos técnicos apareçam,
mas nada tão complexo a ponto de prejudicar o compreendimento do todo.
SUMÁRIO
1. Energia ..................................................... 3
1.1 Fontes renováveis ........................... 3
1.2 Energia alternativa .......................... 3
1.3 Exemplos de fontes renováveis ...... 3
1.4 Energias renováveis no mundo ....... 5
1.5 Geração distribuída no Brasil .......... 7
2. Eletricidade Básica ................................. 10
2.1 Grandezas elétricas ....................... 11
2.2 Lei de Ohm .................................... 12
2.3 Múltiplos e submúltiplos .............. 16
2.4 Circuitos elétricos.......................... 16
2.5 Corrente contínua (CC) e corrente
alternada (CA) ............................................ 18
2.6 Sistema trifásico ............................ 20
2.7 Potência e energia elétrica ........... 21
2.8 Instrumentos de medição ............. 23
3. Solarimetria ........................................... 32
3.1 Radiação solar ............................... 32
3.2 Radiação solar no Brasil ................ 35
3.3 Movimento Terra-Sol .................... 38
3.4 Orientação e inclinação dos módulos
fotovoltaicos .............................................. 39
3.5 Rastreamento da posição do Sol –
Solar Tracker .............................................. 40
4. Módulos Fotovoltaicos ........................... 42
4.1 Células fotovoltaicas ...................... 42
4.2 Tipos de células fotovoltaicas ........ 42
4.3 Construção de um módulo
fotovoltaico ................................................. 45
4.4 Características dos módulos
fotovoltaicos ............................................... 46
4.5 Condições de teste e operação ..... 48
4.6 Associação de módulos fotovoltaicos
....................................................... 50
4.7 Sombreamento, pontos quentes e
diodos de proteção ..................................... 51
Anotações ................................................... 53
5. Sistemas Fotovoltaicos ........................... 54
5.1 Sistemas fotovoltaicos conectados à
rede 54
6. Montagem de Sistemas Fotovoltaicos ... 69
6.1 Painel e arranjo fotovoltaico ......... 69
6.2 Estruturas ...................................... 69
6.3 Estrutura de fixação dos painéis
fotovoltaicos – pontos principais ................ 72
6.4 Orientação e inclinação do painel
fotovoltaico ................................................. 75
Referências ...................................................... 78
3
1. ENERGIA
1.1 FONTES RENOVÁVEIS
As energias renováveis são fontes de energia que são geradas a partir de processos
e recursos naturais que são continuamente reabastecidos em uma escala de tempo
humana. Isso inclui a energia solar, calor geotérmica, energia eólica, energia das marés,
energia hídrica (água), e várias formas de bioenergia (biomassa). Estas energias
renováveis não podem ser esgotadas e são constantemente renovadas. A energia
renovável substitui combustíveis convencionais.
1.2 ENERGIA ALTERNATIVA
A energia alternativa é um termo usado para uma fonte de energia limpa (fonte de
energia que não polui o meio ambiente) que é uma alternativa ao uso de combustíveis
fósseis. Geralmente, isso indica energias que são não-tradicionais e de baixo impacto
ambiental. O termo alternativo é usado para contrastar com combustíveis fósseis de
acordo com algumas fontes. Energias alternativas não prejudicam o meio ambiente,
uma distinção que as separa de energia renovável que pode ou não ter um impacto
ambiental significativo.
1.3 EXEMPLOS DE FONTES RENOVÁVEIS
1.3.1 ENERGIA OCEÂNICA
O oceano oferece várias formas de energia renovável, e cada uma é impulsionada
por forças diferentes. Energia a partir das marés e das ondas do mar pode ser
aproveitada para gerar energia sustentável, o calor armazenado na água do mar
também pode ser convertido em eletricidade através de trocadores de calor.
ENERGIA OCEÂNICA NO BRASIL
Aqui no Brasil existe o empreendimento energético instalado na Ponta do Pecém no
Ceará que tem capacidade de gerar 50 kW. Este conceito de geração de energia
renovável está sendo expandido e um segundo projeto piloto que está sendo construído
na Ilha Rasa, em frente à praia de Ipanema no Rio de Janeiro.
1.3.2 ENERGIA GEOTÉRMICA
O calor no interior da Terra produz vapor e água quente que podem ser usados por
geradores de energia, como turbinas, para produzir energia elétrica sustentável ou, para
outras aplicações de energia renovável, tais como o aquecimento e geração de energia
para a indústria. A energia geotérmica pode ser extraída de reservatórios subterrâneos
profundos por perfuração, ou de outros reservatórios geotérmicos mais próximos da
superfície.
4
ENERGIA GEOTÉRMICA NO BRASIL
No Brasil, a energia geotérmica é utilizada apenas na forma de água aquecida, como
no caso dos parques termais de Caldas Novas (GO) e Poços de Caldas (MG) mas
ainda não é utilizado para se gerar energia renovável.
1.3.3 ENERGIA SOLAR
A energia solar é uma forma de energia renovável, sustentável e limpa que é criada
a partir de luz solar, ou calor do sol. A energia solar é captada quando a energia do sol
é convertida em eletricidade ou usada para aquecer o ar, água ou outros líquidos. O
potencial da energia solar é tão grande que se estima que se toda a energia solar fosse
aproveitada seria suficiente para gerar mais de 1800 vezes a quantidade de energia
consumida no mundo.
ENERGIA SOLAR TÉRMICA
São sistemas de energia renovável que convertem o calor da luz solar em energia
térmica. A maioria dos sistemas solares térmicos utilizam a energia solar para
aquecimento de água (como o aquecedor solar). No entanto, esta energia limpa e
sustentável pode ser utilizada para acionar um ciclo de refrigeração para proporcionar
arrefecimento. O calor também pode ser utilizado para produzir vapor, que pode então
ser utilizado para gerar energia elétrica utilizando turbinas.
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA (FV)
A energia solar fotovoltaica, fonte de energia renovável, converte a luz solar
diretamente em eletricidade usando células fotovoltaicas. Sistemas fotovoltaicos podem
ser instalados em telhados para produzir a energia para o autoconsumo, em regiões
isoladas e até mesmo em veículos elétricos como barcos e carros movidos a energia
solar. A energia solar fotovoltaica também é utilizada em grandes centrais fotovoltaicas
para gerar energia limpa para milhares de consumidores.
1.3.4 ENERGIA EÓLICA
A energia eólica é gerada através da conversão de correntes de vento em outras
formas de energia usando turbinas eólicas. A energia eólica é considerada uma fonte
de energia limpa, renovável e sustentável. As turbinas eólicas convertem a força do
vento em torque (força de rotação), o qual é então usado para propulsionar um gerador
elétrico para gerar eletricidade. Centrais de energia eólica são conhecidas como
fazendas eólicas. Os geradores eólicos são produzidos nas mais diversas potências
indo desde alguns poucos Watts de potência até grandes geradores de MWs de
potência. No Brasil esta fonte de energia renovável está crescendo cada vez mais e já
começa a fazer diferença na matriz energética brasileira, que está se tornando mais
sustentável e limpa.
ENERGIA EÓLICA NO BRASIL
A primeira turbina de energia eólica do Brasil foi instalada em Fernando de Noronha
em 1992. Dez anos depois, o governo criou o Programa de Incentivo às Fontes
5
Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa). Atualmente, esta fonte de energia renovável
está amplamente difundida no Brasil onde temos 254 usinas eólicas instaladas com uma
capacidade total instalada de 6.39GW de potência.
1.3.5 ENERGIA HÍDRICA
A energia hidrelétrica é uma fonte renovável de energia que utiliza a força ou energia
da água em movimento para gerar energia elétrica.
A ‘hidroeletricidade’, é gerada quando a água que cai é canalizada através de
turbinas hidráulicas. A pressão da água que flui sobre as lâminas de uma turbina roda
um eixo e aciona um gerador elétrico, convertendo o movimento em energia elétrica. A
energia hidrelétrica é a tecnologia mais avançada e madura de energia renovável,
fornece geração de energia elétrica em mais de 160 países em todo o mundo.
A ENERGIA HIDRELÉTRICA NO BRASIL
No Brasil esta fonte de energia renovável representa 70% da geração de energia do
país. As usinas hidrelétricas são divididas em Centrais Hidrelétricas (usinas maiores que
30MW) e PCHs Pequenas Centrais hidrelétricas (menores que 30MW). A maior usina
hidrelétrica do Brasil é Itaipu, com uma potência instalada de 14.000MW.
1.3.6 ENERGIA DE BIOMASSA
A biomassa tem sido uma importante fonte de energia renovável desde que as
primeiras pessoas começaram utilizar a lenha para cozinhar alimentos e aquecer-se
contra o frio do inverno. A madeira ainda é a fonte mais comum de energia de biomassa,
mas outras fontes de energia da biomassa também tem sido cada vez mais utilizadas,
como resíduos do bagaço da cana de açúcar, componentes orgânicos de resíduos
urbanos e industriais, gás metano dos aterros e outros. A biomassa pode ser usada para
produzir eletricidade ou como combustível para o transporte e para fabricar produtos
que normalmente exigiriam o uso de combustíveis fósseis não renováveis.
ENERGIA DA BIOMASSA NO BRASIL
Biocombustíveis, tais como etanol, biodiesel e biogás são as principais fontes de
energia através da biomassa utilizadas no Brasil. Outras formas de energia renovável
por Biomassa já são utilizadas como briquetes para queima e produção de energia,
biomassa das algas e outras.
1.4 ENERGIAS RENOVÁVEIS NO MUNDO
A energia renovável foi estabelecida globalmente como uma fonte principal de
geração de eletricidade por vários anos. A participação estimada de renováveis na
geração global de eletricidade era superior a 26% no final de 2018. As adições líquidas
de capacidade para energia renovável foram maiores do que para combustíveis fósseis
e nuclear combinados pelo quarto ano consecutivo, e as renováveis agora compõem
mais de um terço da capacidade de energia instalada global. Isso se deve, em parte, a
iniciativas e metas de políticas estáveis que enviam sinais positivos para a indústria,
juntamente com a redução de custos e avanços tecnológicos.
6
A energia renovável é cada vez mais competitiva em termos de custo quando
comparada às usinas convencionais movidas a combustível fóssil. Até o final de 2018,
a eletricidade gerada a partir de novas usinas eólicas e fotovoltaicas solares tornou-se
mais econômica do que a energia de usinas movidas a combustíveis fósseis em muitos
lugares. Além disso, em alguns locais, foi mais rentável construir novas centrais elétricas
de energia eólica e solar fotovoltaica do que continuar a operar as usinas de
combustíveis fósseis existentes. Leilões para energia renovável foram realizadas em
muitos países ao redor do mundo, especialmente para energia solar fotovoltaica e
eólica.
Nos países com economias emergentes e em desenvolvimento (esse é o caso do
Brasil), os sistemas de energia renovável distribuída continuaram a desempenhar um
papel importante na conexão de residências em áreas distantes da rede elétrica
convencional.
Em 2017, a população global sem acesso a eletricidade caiu abaixo de 1 bilhão,
com cerca de 122 milhões de pessoas em todo o mundo tendo acesso desde o ano
anterior, e durante o mesmo período, cerca de 100 milhões de pessoas tiveram acesso
a equipamentos de cozinha limpos.
Vale destacar que o setor privado está desempenhando um papel fundamental na
condução da implantação de energia renovável por meio de suas decisões de aquisição
e investimento. No início de 2019, 175 empresas aderiram à RE100 - comprometendo-
se com 100% de metas de eletricidade renovável - de 130 empresas no ano anterior.
Essas e outras metas do setor privado têm apoiado a expansão dos contratos
corporativos de compra de energia, que estão se espalhando para novos países e
regiões, mas continuam concentrados nos Estados Unidos e na Europa.
As informações da figura acima nos revelam que a energia renovável é responsável
por 10,6% da fatia de toda a energia consumida em 2017. Parece uma pequena fatia,
mas o crescimento por trás desse número se torna maior a cada ano devido à
preocupação mundial em renovar a matriz energética.
Figura 1 - Consumo total de energia no mundo em 2017
7
1.5 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NO BRASIL
A geração distribuída é caracterizada pela instalação de geradores de pequeno
porte, normalmente a partir de fontes renováveis ou mesmo utilizando combustíveis
fósseis, localizados próximos aos centros de consumo de
energia elétrica. De forma geral, a presença de
pequenos geradores próximos às cargas pode
proporcionar diversos benefícios para o sistema
elétrico, dentre os quais se destacam a
postergação de investimentos em expansão
nos sistemas de distribuição e transmissão; o
baixo impacto ambiental; a melhoria do nível de
tensão da rede no período de carga pesada e a
diversificação da matriz energética.
Por outro lado, há algumas desvantagens
associadas ao aumento da quantidade de pequenos
geradores espalhados na rede de distribuição, tais
como: o aumento da complexidade de operação da
rede, a dificuldade na cobrança pelo uso do sistema
elétrico, a eventual incidência de tributos e a necessidade de alteração dos
procedimentos das distribuidoras para operar, controlar e proteger suas redes.
Desde 17 de abril de 2012, quando a ANEEL criou o Sistema de Compensação de
Energia Elétrica, o consumidor brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir
de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a
rede de distribuição de sua localidade.
Conforme classificado pela Resolução Normativa n° 482/2012, a micro e a
minigeração distribuída consistem na produção de energia elétrica a partir de pequenas
centrais geradoras que utilizam fontes renováveis de energia elétrica ou cogeração
qualificada, conectadas à rede de distribuição por meio de instalações de unidades
consumidoras.
Para efeitos de diferenciação, a microgeração distribuída refere-se a uma central
geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 quilowatts
(kW), enquanto que a minigeração distribuída diz respeito às centrais geradoras com
potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 megawatt (MW), para a fonte
hídrica, ou 5 MW para as demais fontes.
E OS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS?
Como a resolução normativa que permite a geração distribuída entrou em vigor em
2012, todas as estatísticas de crescimento iniciam nesse ano.
Confira!
Segundo levantamento realizado no primeiro trimestre de 2019 pela Grenner
(empresa de pesquisa e consultoria especializada no setor de energia solar
fotovoltaica), o Brasil possui 715,8 MW de potência instalada proveniente de sistemas
Figura 2 - Geração distribuída
8
fotovoltaicos conectados à rede. De toda essa potência instalada, os sistemas
residenciais e comerciais são responsáveis por 558,32 MW, ou seja, os sistemas
fotovoltaicos estão mais presentes em comércios e residências.
Já com relação a potência instalada por estado, podemos perceber que Minas
Gerais é o líder (147,47 kW), seguido por Rio Grande do Sul (117,15 kW) e São Paulo
(87,84 kW). Mas quando se fala em número de conexões por estado Rio Grande do Sul
e São Paulo trocam de posição.
0,4 1,4 2,4 9,649,5
125,7
386,1
140,6
715,7
0
100
200
300
400
500
600
700
800
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019* Total
Potência conectada à rede de sistemas fotovoltaicos (MW)
Figura 3 - Potência conectada à rede de sistemas fotovoltaicos
Figura 4 - Potência instalada e número de sistemas por estado
9
ANOTAÇÕES
10
2. ELETRICIDADE BÁSICA
UM BREVE HISTÓRICO
A eletricidade é algo que sempre despertou a curiosidade e o interesse das pessoas desde a Antiguidade, não é verdade? Entender os diversos fenômenos que aconteciam naquela época se tornou alvo de pesquisa de diversos estudiosos e cientistas ao longo da história.
As primeiras observações que se tem registro se reportam ao sábio grego Tales de Mileto. Ele percebeu que um pedaço de lã em atrito com uma substância resinosa denominada âmbar, a substância adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como fios de palha ou pequenas penas.
Um dos experimentos mais conhecidos e lembrados por grande parte das pessoas se refere ao fato idealizado por Benjamin Franklin, quando empinou uma pipa de seda com ponta de metal, em meio a uma tempestade, com a finalidade de confirmar a sua teoria sobre a natureza elétrica do raio.
Inúmeras teorias e modelos atômicos existiram para explicar como a matéria que existe na natureza é constituída, e a partir disso também poder explicar os fenômenos relacionados à eletricidade.
O modelo atômico que nos permite compreender a constituição da matéria foi concebido pelo físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr. De acordo com esse modelo, a matéria é constituída de átomos e cada átomo por sua vez é constituído por três tipos fundamentais de partículas: os prótons, os elétrons e os nêutrons.
O átomo, que em grego significa indivisível, é constituído
essencialmente de duas partes: núcleo e eletrosfera. Para
esses elementos que constituem o átomo se convencionou que
os prótons têm carga
elétrica positiva, os elétrons
carga elétrica negativa e os
nêutrons, por sua vez, não
têm carga elétrica. No
estado natural, a quantidade
de prótons e elétrons é a
mesma, o que torna o átomo
eletricamente neutro, pois
possui a mesma quantidade
de cargas negativas e
positivas, como você pode
verificar na figura ao lado.
Tales de Mileto: foi o
primeiro matemático grego,
nascido por volta do ano 640
e falecido em 550 a.C. Tales
foi incluído entre os sete
sábios da Antiguidade. Após
estudar Astronomia e Ge-
ometria no Egito, Tales
voltou para Mileto e passado
algum tempo abandonou os
negócios e a vida pública
para se dedicar inteiramente
às especulações filosóficas,
às observações as-
tronômicas e às
matemáticas. Fundou a mais
antiga escola filosófica que
se conhece – a Escola
Jônica (UNIVERSIDADE de
Lisboa, 2009).
Benjamin Franklin: suas
descobertas sobre a
eletricidade lhe trouxeram
uma reputação internacional.
Além de ser eleito membro
da Royal Society, ganhou a
medalha Copley em 1753 e
seu nome passou a designar
uma medida de carga
elétrica. Franklin identificou
as cargas positivas e
negativas e demonstrou que
os trovões são um fenômeno
de natureza elétrica. Esse
conhecimento serviu de base
para seu principal invento, o
para-raios. Ele criou também
o Franklin Stove (um
aquecedor a lenha muito po-
pular) e as lentes bifocais
(UOL educação, 2009).
VOCÊ SABIA? TUDO AQUILO
QUE VOCÊ CONSEGUE
SEGURAR EM SUAS MÃOS,
ASSIM COMO ESTE
MATERIAL NESTE
MOMENTO, É CONSTITUÍDO
POR ELEMENTOS
DENOMINADOS ÁTOMOS.
Figura 5 - Modelo atômico
11
2.1 GRANDEZAS ELÉTRICAS
2.1.1 TENSÃO ELÉTRICA
Tensão elétrica pode ser caracterizada como a força que empurra os elétrons, ou mais tecnicamente, é a diferença de potencial (abreviado para ddp) entre dois pontos.
Sua unidade de medida no Sistema Internacional (SI) é o Volt – V.
2.1.2 CORRENTE ELEÉTRICA
A corrente elétrica nada mais é do que o movimento de forma ordenada de elétrons em um condutor ocorrido devido à existência de uma ddp.
Para se estabelecer essa ddp entre dois pontos de um condutor, e fazer surgir a corrente elétrica, utiliza-se um gerador, como por exemplo, uma pilha ou bateria.
Sua unidade de medida no Sistema Internacional (SI) é o Ampere – A.
• Sentido real da corrente elétrica: os elétrons são as cargas que se movimentam
saindo do ponto com menor potencial para o ponto com maior potencial;
• Sentido convencional da corrente elétrica: sentido convencionado do movimento de
cargas, ou seja, do polo com maior potencial para o polo com menor potencial.
O instrumento utilizado para medir a corrente
elétrica é o amperímetro, que pode ser do tipo digital ou analógico, podendo ter diversos formatos, variando de um fabricante para outro. O mais recomendado e utilizado é o do tipo alicate, pois não requer que o circuito seja aberto para se fazer a medição, basta envolver a fiação com o anel do alicate. Veja um modelo de alicate amperímetro na figura ao lado.
EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA
Quando a corrente elétrica percorre um condutor elétrico, ela pode produzir os seguintes efeitos:
• Efeito térmico ou efeito Joule: esse fenômeno acontece porque durante o movimento dos elétrons no interior do condutor ocorrem constantes choques entre eles, transformando a maior parte da energia cinética em calor, provocando dessa forma o aumento de temperatura do condutor. Este efeito é a base de funcionamento de vários aparelhos: chuveiro elétrico, secador de cabelos, aquecedor de ambiente e ferro elétrico;
• Efeito luminoso: em determinadas condições, a passagem da corrente elétrica por meio de um gás rarefeito faz com que ele emita luz. As lâmpadas fluorescentes e os anúncios luminosos são aplicações deste efeito. Neles há a transformação direta de energia elétrica em energia luminosa;
• Efeito magnético: um condutor percorrido por uma corrente elétrica cria um campo magnético na região próxima a ele. Este é um dos efeitos mais
Figura 6 - Alicate amperímetro
12
importantes, constituindo a base do funcionamento dos motores, transformadores e relés;
• Efeito químico: uma solução eletrolítica sofre decomposição quando é atravessada por uma corrente elétrica. É a eletrólise. Este efeito é utilizado, por exemplo, no revestimento de metais: cromagem e niquelação;
• Efeito fisiológico: ao percorrer o corpo ser vivo, a corrente elétrica provoca a contração dos músculos, causando a sensação de formigamento e dor, proporcional à intensidade da corrente, podendo chegar a provocar queimaduras, perda de consciência e parada cardíaca. Esse efeito é conhecido como choque elétrico.
TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA
Existem dois tipos de corrente elétrica: a corrente contínua (CC) (geralmente utilizada em circuitos eletrônicos), cuja intensidade na maioria das vezes é constante e sempre no mesmo sentido; e a corrente alternada (CA) (geralmente utilizada pelos sistemas residenciais, industriais), cuja intensidade varia de forma senoidal no tempo e com sentido invertido periodicamente.
2.1.3 RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Resistência elétrica é a dificuldade que os elétrons encontram para percorrer um circuito elétrico, ou seja, é a oposição que um material apresenta ao fluxo de corrente elétrica. A resistência elétrica, assim como outras grandezas, pode adotar o sistema de múltiplos e submúltiplos.
Sua unidade de medida no Sistema Internacional (SI) é o Ohm - Ω.
Agora que você já conhece os conceitos iniciais, é importante compreender melhor a resistência elétrica, cujo elemento mais utilizado em eletricidade é o Resistor.
A função básica do resistor é a de limitar a corrente (como você estudará mais adiante).
Limitar a corrente?
Sim, isso mesmo! Na verdade, qualquer componente apresenta um nível de resistência, que varia com o material empregado na sua construção, dentre outros fatores.
Um isolante elétrico é um material de altíssima resistência (como por exemplo, a borracha), enquanto um condutor apresenta uma resistência muito baixa (como um fio de cobre).
2.2 LEI DE OHM
As Leis de Ohm permitem calcularmos importantes grandezas físicas, como a tensão, corrente e a resistência elétrica dos mais diversos elementos presentes em um circuito. No entanto, essas leis só podem ser aplicadas a resistências ôhmicas, isto é, corpos cujas resistências tenham módulo constante.
Figura 7 - Simbologia de resistência
13
2.2.1 1ª LEI DE OHM
A 1ª Lei de Ohm determina que a diferença de potencial entre dois pontos de um resistor é proporcional à corrente elétrica que é estabelecida nele. Além disso, de acordo com essa lei, a razão entre o potencial elétrico e a corrente elétrica é sempre constante para resistores ôhmicos.
𝑈 = 𝑅. 𝐼 U – Tensão ou potencial elétrico (V)
R – Resistência elétrica
I – Corrente elétrica
Na lei mostrada na equação acima, chamamos de U a tensão elétrica ou o
potencial elétrico. Essa grandeza é escalar e é medida em Volts. A diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um circuito, por sua vez, indica que ali existe uma resistência elétrica, como mostra a figura:
Quando a corrente elétrica passa pelo elemento resistivo R, há uma queda de
potencial elétrico. Essa diferença decorre do consumo da energia dos elétrons, uma vez que essas
partículas transferem parte de sua energia aos átomos, quando conduzidos por meios que apresentem resistência à sua condução. O fenômeno que explica tal dissipação de energia é chamado de efeito Joule.
A figura abaixo mostra o perfil do potencial elétrico antes e após a passagem da corrente por um elemento resistivo de um circuito elétrico, observe a queda de energia:
Figura 9 - Efeito Joule
Quando a corrente elétrica é conduzida em um corpo com resistência elétrica, parte de sua energia é dissipada. A corrente elétrica I mede o fluxo de cargas pelo corpo em Ampères, ou em C/s. A corrente elétrica é diretamente proporcional à resistência
Figura 8 - Circuito elétrico com resistência
14
elétrica dos corpos: quanto maior a resistência elétrica de um corpo, menor será a corrente elétrica a atravessá-lo.
2.2.2 2ª LEI DE OHM
A resistência elétrica R é uma propriedade do corpo que é percorrido por uma corrente elétrica. Essa propriedade depende de fatores geométricos, como o comprimento ou a área transversal do corpo, mas também depende de uma grandeza chamada de resistividade. Tal grandeza relaciona-se exclusivamente ao material do qual um corpo é formado. A lei que relaciona a resistência elétrica a essas grandezas é conhecida como segunda Lei de Ohm. A segunda lei de Ohm é mostrada na figura abaixo:
𝑅 = ρ. L
𝐴
R – Resistência elétrica (Ω)
ρ – Resistividade (Ω.m)
L – Comprimento (m)
A – Área transversal (mm²)
Chamamos de resistor ôhmico todo corpo capaz de apresentar resistência elétrica constante para um determinado intervalo de tensões elétricas. O gráfico de tensão em função da corrente elétrica para os resistores ôhmicos é linear, como mostra a figura ao lado.
Tomando-se o segmento reto do gráfico, sabe-se que o potencial elétrico entre os terminais de um resistor sofrerá uma variação em seu potencial elétrico que é sempre proporcional à corrente elétrica que o percorre.
Analisando o gráfico mostrado ao lado, vemos que a resistência elétrica pode ser entendida como a inclinação da reta, dada pela tangente do ângulo θ. Como sabemos, a tangente é definida como a razão entre os catetos oposto e adjacente e, portanto, pode ser calculada com a fórmula R = U/i, no caso em que as resistências são ôhmicas.
Figura 10 - Curva UxI
Figura 11 - Curva de razão da resistência
15
MACETE
Há um macete que pode facilitar o uso da 1ª lei de Ohm. Esse macete, chamado de macete do triângulo, consiste em tamparmos a variável que queremos descobrir no triângulo mostrado abaixo, de forma que revelemos a fórmula a ser usada. Confira:
Por exemplo, se quisermos calcular a tensão elétrica (U), basta tamparmos o U na figura acima, dessa forma, veremos que U é igual à corrente elétrica (I) multiplicada pela resistência (R). De maneira similar, se tamparmos a corrente elétrica (I), veremos que ela pode ser calculada pela divisão de U com R.
Figura 12 - Triângulo da Lei de Ohm
16
2.3 MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS
Em eletricidade é muito comum expressar um determinado valor – tanto da corrente, da resistência ou da tensão elétrica – por meio de um múltiplo ou submúltiplo.
Múltiplo, submúltiplo? O que é isso?
• Múltiplos: são valores acima da unidade, no
caso 1.000 vezes maior;
• Submúltiplos: são valores abaixo da unidade, no
caso 1.000 vezes menor.
No dia a dia também é usual expressar um potencial (uma tensão) em milésimos de Volts, uma corrente em milionésimos de Amperes ou uma resistência em milhares de Ohms.
A seguir veja uma tabela com os múltiplos e submúltiplos que acompanham as unidades da ten-são, corrente e resistência elétrica (e outras grandezas que você estudará na sequência), bem como seu valor expresso em potências de dez:
Então, esses múltiplos e submúltiplos já lhe eram familiares? Você já conhecia algum deles? Possivelmente você os conhecia a partir de uma linguagem mais do dia a dia, não é mesmo?
Isso não significa que não esteja correto, mas não é usual, ou seja, em vez de dizer, por exemplo, 10 milésimos de Volt, se diz 10 milivolts (10 mV = 10.10-3 V) ou então, em vez de 100.000 Ohms, se diz 100 Quilo-ohms (100 kΩ = 100.103).
Percebeu como é fácil? O importante é que você conheça bem quais são os múltiplos e submúltiplos que acompanham as unidades de tensão, corrente e resistência elétrica. Depois é só questão de se habituar com as nomenclaturas e começar a utilizá-las.
2.4 CIRCUITOS ELÉTRICOS
Um circuito elétrico consiste em um caminho para a corrente elétrica.
Para ser caracterizado como um circuito elétrico é necessário que o caminho para a corrente elétrica contenha no mínimo:
• uma fonte de tensão ou corrente;
• uma carga, que pode ser uma resistência, uma lâmpada, um motor ou qualquer outro dispositivo que absorva energia;
• condutores que interliguem os componentes e que permitam a passagem da corrente;
• dispositivo de controle para interromper o circuito, que pode ser um interruptor, disjuntor, etc.
É importante destacar que por meio do dispositivo de controle, o circuito poderá estar fechado ou aberto.
Acompanhe no quadro a seguir os principais elementos dos circuitos elétricos e seus símbolos!
Figura 13 - Múltiplos e submúltiplos
17
Os elementos ao lado constituem grande parte dos circuitos elétricos encontrados no dia a dia, mas além de conhecer seus símbolos também é importante saber como eles podem ser associados.
Confira a seguir os tipos de associação utilizando resistores!
2.4.1 ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE
Nessa associação o terminal final de um resistor está conectado ao terminal inicial do outro resistor, e assim por diante, conforme você pode verificar na figura a seguir:
Uma característica desse tipo de associação é que a tensão elétrica aplicada entre os terminais A e B se divide proporcionalmente para cada carga no circuito. Já a corrente será única para todo o circuito, ou seja, o mesmo valor de corrente passará em cada resistor.
Mas e se fossem fontes de tensão com esse tipo de associação, mais precisamente células fotovoltaicas? Simples, na associação de células fotovoltaicas as tensões de cada célula seriam somadas e a corrente permaneceria a mesma fornecida por uma única célula.
2.4.2 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO
Nessa associação os terminais iniciais de cada resistor estão ligados juntos, bem como os terminais finais dos mesmos, conforme figura a seguir.
Uma característica desse tipo de
associação é que a corrente elétrica que circula entre os terminais A e B se divide proporcionalmente para cada carga no circuito. Já a tensão será única para todos os elementos.
E se aplicarmos novamente as células fotovoltaicas? Simples, na associação em paralelo as correntes fornecidas por cada célula seriam somadas e a tensão permaneceria a mesma fornecida por uma única célula.
Figura 14 - Elementos elétricos e seus símbolos
Figura 15 - Associação série de resistores
Figura 16 - Associação paralela de
resistores
ATENÇÃO! Saiba que as células fotovoltaicas são conectadas umas às outras
somente em série.
18
2.5 CORRENTE CONTÍNUA (CC) E CORRENTE ALTERNADA
(CA)
A diferença entre os dois tipos é o sentido da corrente. Como já vimos antes, uma corrente elétrica nada mais é que um fluxo de elétrons (partículas que carregam energia) passando por um fio, algo como a água que circula dentro de uma mangueira. Se os elétrons se movimentam num único sentido, essa corrente é chamada de contínua. Se eles mudam de direção constantemente, estamos falando de uma corrente alternada. Tal diferença se dá devido a forma como elas são geradas.
2.5.1 CORRENTE CONTÍNUA
Esse tipo de corrente é fornecido por baterias de automóveis ou de motos (6, 12 ou 24V), pequenas baterias (geralmente de 9V), pilhas (1,2V e 1,5V), dínamos, células fotovoltaicas e fontes de alimentação de várias tecnologias, que retificam a corrente alternada para produzir corrente contínua. Normalmente é utilizada para alimentar aparelhos eletrônicos (entre 1,2V e 24V) e os circuitos digitais de equipamento de informática (computadores, modems, hubs, etc.). Este tipo de circuito possui um polo negativo e outro positivo (ou seja, é polarizado).
As correntes contínuas podem ser constantes ou pulsantes.
• Correntes contínuas constantes: A CC é considerada constante quando sua intensidade e sentido não se altera com o passar do tempo. É comumente encontrada em pilhas e baterias.
• Correntes contínuas pulsantes: Nesse modelo, a corrente tem seu sentido constante, porém o fluxo de elétrons no interior do fio se comporta como pulsos, fazendo com que a intensidade passe por variações no decorrer do tempo. Geralmente é encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.
Como a corrente não muda de sentido, sua forma de onda nunca troca de sinal.
VOCÊ SABIA? A CORRENTE
ALTERNADA NO
BRASILPOSSUI
FREQUÊNCIA DE 60 HZ,
ENTRETANTO, A CORRENTE
CONTÍNUA TAMBÉM PODE
SER UTILIZADA PARA
TRANSMISSÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA EM GRANDES
DISTÂNCIAS DEVIDO AS
VANTAGENS, EM
CIRCUNSTÂNCIAS
MUITO ESPECÍFICAS ,
COMPARADA A
TRANSMISSÃO ALTERNADA
CONVENCIONAL.
A Usina Hidrelétrica de Itaipu
possui duas linhas de
transmissão de 600 kV em
corrente contínua que vão
até Ibiúna (São Paulo) para
serem convertidas em
corrente alternada a 60 Hz.
Isso acontece pois o Brasil
compra parte da energia do
Paraguai em 50 Hz e para
evitar incompatibilidades a
transmite em corrente
contínua.
Figura 17 - Corrente contínua constante e pulsante
19
2.5.2 CORRENTE ALTERNADA
A corrente alternada é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal. Por ser uma forma de transmissão de energia mais eficiente, normalmente a CA é o tipo de corrente que chega nas residências. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos polos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro).
2.5.2.1 FREQUÊNCIA
Um ciclo corresponde ao conjunto dos valores positivos e negativos de uma senóide completa. Dessa forma podemos considerar que meia senóide corresponde a um semiciclo.
Ao número de ciclos que ocorrem em um segundo damos o nome de frequência, representada por f. A unidade de frequência é o hertz (Hz). O tempo necessário para a ocorrência de um ciclo completo corresponde ao período, representado por T, e sua unidade é o segundo (s).
Existe uma relação matemática entre a frequência e o período, na qual o aumento no valor de um resulta em uma redução no valor de outro. Assim, quando temos uma senóide com grande frequência, essa terá um período pequeno.
No Brasil e na maior parte dos países do mundo, a corrente alternada é gerada na frequência de 60 Hz. Em alguns países, como o Paraguai, por exemplo, a frequência utilizada é de 50 Hz.
2.5.2.2 TENSÃO DE PICO (VP), PICO A PICO (VPP) E EFICAZ (VRMS)
Chama-se valor de pico o valor máximo atingido por uma onda senoidal, podendo ser esse valor positivo ou negativo. Analisando o gráfico a seguir, você poderá observar que a onda senoidal parte de zero, vai até o valor máximo positivo, retorna a
zero, vai até o valor máximo negativo e retorna a zero novamente. Confira!
Tem-se, então, em destaque o valor
máximo positivo (representado pela siglaVP+) e o valor máximo negativo (representado pela sigla VP-).
A tensão de pico a pico da CA senoidal é o valor medido entre os picos positivo e negativo de um ciclo. A tensão de pico a pico é representada pela notação VPP.
Essas medições e, consequente-mente, a visualização da forma de onda da tensão CA são feitas com um instrumento de medição denominado de osciloscópio.
Da mesma forma que as medidas de pico e de pico a pico se aplicam à tensão alternada senoidal, aplicam-se também à corrente alternada senoidal.
Figura 18 - Ciclo e semiciclo
Figura 19 - Tensão de pico e pico a pico
20
Valor eficaz da corrente alternada é o valor da corrente alternada que efetivamente corresponde ao da corrente contínua.
2.6 SISTEMA TRIFÁSICO
Diferenças entre sistema trifásico, bifásico e monofásico!
Sabemos que todo o sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica do Brasil é imenso e sem essas etapas não seria possível chegar energia elétrica a nós, consumidores. Graças a todo este sistema é que nas instalações elétricas industriais, prediais e residenciais as concessionárias podem fornecer uma rede trifásica, bifásica ou monofásica, mas afinal qual a diferença entre elas e onde cada uma delas devem ser usadas?
É importante destacar que os valores de potência elétrica, tensão de fase e linha além de seus respectivos valores mudarem de acordo com a concessionária, também pode mudar estes parâmetros dependendo do local, como por exemplo dentro das indústrias, onde a necessidade de níveis de tensões especiais.
2.6.1 SISTEMA MONOFÁSICO
Em um sistema monofásico a rede dispõe de dois condutores elétricos, sendo um condutor de fase e um condutor neutro, de forma com que a tensão elétrica deste sistema nas instalações elétricas seja de 127V ou 220V, podendo variar de acordo com a concessionária de energia elétrica.
Nas instalações elétricas a rede monofásica é distribuída através de tomadas de uso geral, e é utilizada para a alimentação de equipamentos do cotidiano, como notebooks, computadores, carregadores de celular, iluminação, chuveiro elétrico e televisões. Geralmente as instalações elétricas de rede monofásica consomem em média no máximo 8KW (8000W).
2.6.2 SISTEMA BIFÁSICO
O sistema bifásico possui como característica a existência de três condutores elétricos sendo entregues ao estabelecimento, dois condutores de fase e um condutor neutro, de forma com que a tensão de fase e linha pode variar entre 127/220V ou 220/380V, dependendo da concessionária de energia. Geralmente as instalações elétricas de rede bifásica consomem em média no máximo 25KW (25000 W).
2.6.3 SISTEMA TRIFÁSICO
No sistema trifásico, a rede elétrica dispõe de quatro condutores, três condutores de fase (R, S, T) e um condutor neutro. Assim como no sistema bifásico, as tensões de fase e linha podem variar entre 127/220V ou 220/380V e em algumas situações os sistemas trifásicos fornecem em média potências de até 75KW (75000W), muito usado em indústria e comércios.
O transformador trifásico é alimentado por três fases, ou seja, têm três condutores entrando na parte superior do transformador, mas como vimos anteriormente, o fornecimento é realizado a quatro condutores. Com isso podemos observar que o neutro surge no transformados, na entrada do transformador o fechamento é em triângulo e em o fechamento na saída do transformador é em triângulo.
O sistema elétrico é caracterizado por três ondas monofásicas que trabalham juntas, sendo que as fases estão defasadas no tempo de 120 graus. Assim a tensão é sempre muito próxima da tensão máxima disponível, devido a este deslocamento de 120 graus.
21
Figura 20 - Sistema trifásico
2.6.4 SISTEMAS TRIFÁSICOS – VANTAGENS
A distribuição de energia elétrica na maior parte do mundo é feita por sistemas trifásicos, isso ocorre porque o sistema trifásico de fato oferece diversas vantagens quando comparado ao sistema monofásico, como podemos ver a seguir:
O sistema trifásico necessita de uma quantidade menor de cobre ou alumínio para entregar a mesma potência que um sistema monofásico entregaria, ou seja, condutores de menor secção.
Os geradores trifásicos são menores e mais leves que seus equivalentes monofásicos por usarem com maior eficiência seus enrolamentos.
Os motores trifásicos são menores que os motores monofásico equivalentes, ou seja, de mesma potência elétrica.
Devido ao campo girante produzido pelas três fases, os motores elétricos trifásicos partem sem a necessidade de dispositivos especiais, enquanto os motores monofásicos exigem um enrolamento extra de partida.
Motores trifásicos produzem um torque constante e por isso são menos sujeitos a vibrações, o que não é possível nos motores monofásicos;
Em comparação aos retificadores monofásicos, os retificadores trifásicos apresentam menores ondulações na tensão retificada, ou seja, a tensão de ripple é menor (ripple).
A potência total em um sistema trifásico nunca é nula, porque no sistema monofásico a potência elétrica sempre é anulada quando a tensão elétrica ou a corrente elétrica passam pelo zero.
O sistema trifásico é a forma mais eficiente de distribuir energia elétrica a longas distâncias e permite que grandes equipamentos industriais operem com mais eficiência.
2.7 POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICA
Uma das grandes diferenças entre kW e kWh é que um deles, o kW, é uma medida de Potência e o outro, o kWh, é uma medida de energia. É essencial que esses conceitos sejam entendidos, ainda mais se você possui o interesse de atuar no setor de energia solar fotovoltaica.
A potência elétrica quantifica em números a capacidade que um equipamento elétrico tem de realizar uma função a qual ele foi projetado. Em termos práticos, a potência é dada em Watts (W) ou em Quilowatt (kW), que é a quantidade de Watts multiplicada por 1.000.
22
Ou seja, um aparelho sonoro com 550 W de potência tem maior capacidade de emissão de som, que um outro aparelho com 200 W.
Já energia, é o resultado da potência multiplicada pelo tempo.
𝐸𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑥 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜
Em linhas gerais, a energia elétrica é a quantidade de potência elétrica utilizada
durante um certo período. Para isso, utilizamos as seguintes unidades de medida:
• Energia elétrica é o Quilowatt-hora (kWh)
• Potência elétrica é o Quilowatt (kW)
• Tempo é a quantidade de horas (h) que aquela potência foi exigida.
DIFERENÇA ENTRE KW E KWH NO SISTEMA FOTOVOLTAICO
Para um sistema solar fotovoltaico, o raciocínio é o mesmo. Não se deve confundir energia com potência! Já que um módulo fotovoltaico com potência de 265 W, semelhante ao ilustrado na figura abaixo, pode gerar diferentes quantidades de energia elétrica, dependendo da localidade onde ele é instalado.
Lembrando que, o ‘k’ (quilo) significa x1.000. Em Campinas, por exemplo, esse módulo gera até 38,95 kWh/mês ou 38.950 Wh/mês. Em Recife, 45,40 kWh/mês. E, em Porto Alegre, 35,37 kWh/mês.
Imagine que, por um equívoco, um projetista se confundisse potência com energia elétrica e fosse dito que o módulo fotovoltaico estudado gerasse 265 kWh/mês. Sabe o que isso significa?
Que um único módulo seria capaz de gerar a energia elétrica para sua residência ou comércio que, aproximadamente, 7 módulos fotovoltaicos de 265 W gerariam, juntos.
Figura 21 - Módulo fotovoltaico
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2.8 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
Instrumento de medida, ou, sendo preciso, instrumento de medição, é o aparelho que utilizamos para saber na prática os valores de grandezas elétricas presentes em circuitos elétricos.
2.8.1 CONCEITOS GERAIS DE INSTRUMENTO DE MEDIDA ELÉTRICA:
Figura 22 - Instrumentos de medição
Com esses instrumentos podemos avaliar, controlar e transmitir a grandeza elétrica a ser medida.
2.8.2 CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO
EXATIDÃO
A Exatidão de um instrumento de medida é o quão próximo o valor mostrado no display está próximo do valor que queremos ver, que esperamos medir. Se queremos medir 5 V (volts), esperamos encontrar algo em torno disso, como 5,1 ou 4,9.
PRECISÃO
A Precisão de um instrumento de medida é o que diz se os valores medidos estão próximos entre si. Perceba que não é necessário ficar próximo do valor que queremos medir. Seguindo o exemplo anterior, ao fazer algumas medidas, poderíamos encontrar: 5,70; 5,71; 5,73; 5,68.
Esse instrumento é preciso, porque as amostras estão próximas. O problema é que queremos medir 5 V e as amostras estão ficando em torno de 5,7 V. Concluímos que esse instrumento é preciso, porém não tem boa exatidão.
Se quiséssemos medir 5,7 V, aí sim ele seria preciso e exato! Esse foi um exemplo didático, para facilitar o entendimento.
24
2.8.3 ANALÓGICO E DIGITAL
Os instrumentos digitais têm o voltímetro (medida de tensão) como base para realizar suas medições. Nos instrumentos analógicos a base é o amperímetro (medida de corrente).
A partir desses blocos iniciais de circuitos outros tipos de medidas poderão ser feitas ao adicionar mais módulos ao projeto. Como exemplo: frequência, capacitância e temperatura.
Nos instrumentos digitais é usada a conversão análogo-digital, em que sinais analógicos de entrada são transformados em digitais por circuitos eletrônicos.
Como a operação dos instrumentos analógicos se dá basicamente por algum tipo de fenômeno eletromagnético ou eletrostático, eles são sensíveis a campos elétricos ou magnéticos externos. Assim, às vezes, é necessário blindá-los contra esses campos.
Figura 23 - Multímetro analógico e digital (direita)
25
2.8.4 INSTRUMENTOS DE MEDIDA
MULTÍMETRO
Como o próprio nome indica (multi = vários / metro = medida), multímetro é o aparelho que mede várias grandezas elétricas e até não-elétricas através do uso de sensores, como o termopar.
Atualmente existem multímetros com várias funções. Além das tradicionais medições de resistência, tensão e corrente, podemos encontrar em um bom multímetro opções para medir frequência, temperatura, capacitância e indutância.
Por tudo isso, e por ser portátil, ele é muito prático na análise de circuitos com defeitos. Ele está presente em praticamente toda bancada.
Com ele também podemos fazer testes de continuidade elétrica e verificar se um transistor é NPN ou PNP.
ALICATE AMPERÍMETRO
Existe um tipo de “alicate”, conhecido como alicate amperímetro, que facilita a medição em situações na quais é difícil interromper o circuito – como ocorre geralmente na prática.
Como na maioria dos circuitos é inviável interromper a ligação para conectarmos o amperímetro em série, podemos fazer o cabo passar pelo alicate. As bobinas presentes nos “braços” do alicate captam a variação de campo eletromagnético. Assim, a corrente elétrica é calculada pelo aparelho e exibida no mostrador.
Ele também mede resistência e tensão elétrica, como pode ser visto nas escalas e valores ao lado do botão central.
Figura 25 - Display LED vs Display LCD
Figura 24 -
Multímetro digital
Figura 26 - Alicate amperímetro
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CAPACÍMETRO
O capacímetro é utilizado para medir capacitância. Mesmo os multímetros com cada vez mais opções, pode ser interessante comprar um capacímetro, dependendo de duas aplicações e interesses. O capacímetro possui uma ampla faixa de opções em sua escala de medição.
Na imagem ao lado vemos o botão ADJ. Através dele fazemos o chamado ajuste manual de zero, que serve para reduzir a capacitância das pontas de prova que encaixamos no capacímetro.
Um capacitor alterado em um circuito pode gerar grandes problemas de funcionamento.
É um instrumento que agiliza descoberta de defeitos em capacitores. E pode ser que você prefira um aparelho que tenha também indutímetro.
INDUTÍMETRO
Geralmente encontrado em um aparelho que também possui a função de capacímetro. Na escala tem os valores acompanhados de F (Faraday para capacitância) e H (Henry para Indutância).
Com o indutímetro medimos indutância. Existem alguns circuitos que montamos, até por hobby, para encontrarmos o valor de um indutor.
Muitos preferem isso, pelo prazer de montar, pelo hobby ou pela educação, caso seja usado em alguma aula prática de Física ou Engenharia.
Mas fazer montagens pode não ser tão prático em algumas aplicações. Quando compramos o equipamento é que realmente percebemos que é legal ter um em casa. É muito prático.
OSCILOSCÓPIO
O osciloscópio é um instrumento de medida que permite visualizar, em um display, sinais elétricos (formas de ondas). Ou, como comentei antes, se for virtual, você vê o sinal na tela do computador.
Ao analisar o sinal e usar os recursos do instrumento, podemos obter informações completas e de extrema relevância para uma determinada aplicação. Veja algumas:
• Determinar valores de tensão e valores temporais de um sinal;
• Determinar a frequência de um sinal periódico;
• Determinar a componente contínua (CC) e alternada (CA) de um sinal;
• Detectar a interferência de ruído num sinal e, por vezes, eliminá-lo;
• Comparar dois sinais num dado circuito para concluir, por exemplo, se um componente está avariado;
• Analisar fenômenos transitórios, muito comuns nas análises e estudos na área elétrica;
• Traçar curvas características de circuitos e componentes;
• Analisar e testar, com o suporte de outros instrumentos (como fonte de alimentação e gerador de sinais), circuitos e componentes.
Figura 27 – Capacímetro
e indutímetro
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Hoje em dia não é tão comum assistências técnicas para serviço de TV e vídeo, mas o osciloscópio é um instrumento de medida muito usado nesses locais, sendo praticamente obrigatório.
Em datasheets (manual técnico) de TV, por exemplo, tem as formas de onda em pontos específicos do circuito. Assim, o profissional pode comparar e ver se o que aparece no osciloscópio está de acordo com o impresso no manual.
ANALISADOR DE ESPECTRO
Esse aqui é muito usado em telecomunicações e não é um instrumento comum em cursos por ser bem caro.
Com o analisador de espectro podemos saber a frequência e a intensidade das componentes de um sinal. Podemos detectar precisamente ruídos e componentes harmônicas que podem deformar o sinal.
Figura 28 - Osciloscópio
Figura 29 - Analisador de espectro
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FREQUENCÍMETRO
Como o próprio nome indica, esse instrumento mede a frequência de um sinal elétrico, numa ampla faixa de frequências. Em geral, os equipamentos eletrônicos funcionam com sinais que tem frequências que variam de poucos a bilhões de hertz.
O frequencímetro utiliza, em seu funcionamento, os conceitos de Registradores e Contadores, aprendidos em Eletrônica Digital .
O frequencímetro é um instrumento de medida muito preciso, com muitos dígitos no display. Ele também é de muito útil na descoberta de problemas, ajuste e comprovação de funcionamento de muitos equipamentos eletrônicos.
WATTÍMETRO
Ele mede potência, fator de potência, distorção harmônica, resistência, temperatura, frequência, tensão e corrente. Assim, é um instrumento muito versátil, no sentido de conter várias funcionalidades para vários tipos de uso.
Com ele podemos gravar o Peak Hold, para pico de corrente em partidas de motores. Alguns modelos servem como um osciloscópio. Podem ter um display grande, o que permite a exibição de formas de onda.
Um Wattímetro desejado tem as seguintes características de funcionamento:
• Mínimo desvio de fluxo de corrente quando medir tensão.
• Quando medir corrente, não introduzir queda de tensão nos seus terminais.
Figura 30 - Frequencímetro
Figura 31 -
Wattímetro
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TERRÔMETRO
O terrômetro ou telurimetro, serve para medir resistência do solo.
Terrômetro é um medidor de resistência de terra, que pode ser usado tanto para medição de resistência de aterramento como para medição das tensões espúrias geradas pelas correntes parasitas no solo.
Entre as aplicações mais comuns do terrômetro, podemos destacar a medição de resistência de terra em indústrias, edifícios, residências, para-raios, antenas e subestações, permitindo avaliar a qualidade de um sistema de aterramento.
MEGÔMETRO
Com o Megômetro (ou medidor de isolamento) fazemos testes de isolação elétrica entre duas partes de um equipamento (motores e transformadores, por exemplo).
O Megômetro é muito importante na manutenção preditiva (capacidade de prever falhas) de instalações elétricas.
Em testes acumulados durante um certo período podem ocorrer variações bruscas de resistência por causa de problemas de isolamento.
TERMOVISOR
Muitos efeitos em processos industriais, em circuitos elétricos, podem ser vistos ou medidos com um instrumento de medida elétrica.
Por exemplo, efeitos térmicos estão fora do campo de visão que podemos perceber a olho nu. Só que esses efeitos térmicos são de extrema importância para acompanharmos o comportamento de máquinas e instalações elétricas.
Então, precisamos ter algo que “enxergue” por nós essa irradiação luminosa. Esse “algo” é chamado de termovisor.
Figura 32 - Terrômetro
Figura 33 - Megômetro
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Assim, podemos controlar a temperatura em que o equipamento está trabalhando. Se deixarmos o equipamento trabalhar fora de faixas já estabelecidas de temperatura, ele poderá sofrer um desgaste prematuro e até parar de funcionar.
Figura 34 - Termovisor
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ANOTAÇÕES
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3. SOLARIMETRIA
Para o desenvolvimento de projetos com intuito de captação e conversão de energia solar é importante a medição da radiação solar na superfície terrestre, pois como normalmente as regiões possuem variações da intensidade dessa radiação ao longo do ano, essas medições terão a funcionalidade de garantir o máximo de aproveitamento dos recursos naturais, viabilizando instalações e sistemas fotovoltaicos.
Os dados são coletados por institutos especializados no assunto utilizando diversos instrumentos de medição. Esses dados devem ser verificados observando a veracidade dos mesmos mediante alguns parâmetros como os valores obtidos por modelos, bem como se existe proximidade de valores entre sensores diferentes.
Em primeiro momento os dados coletados, após os filtros descritos anteriormente, serão reduzidos culminando em várias formas de apresentação, dentre elas pode-se citar as curvas de distribuição de frequência da irradiância.
As estações de medição de dados e técnicas de medição da radiação solar a partir de satélites estão sendo aprimoradas proporcionando maior abrangência das áreas estudadas. Além disso, os sistemas computacionais são grandes aliados nas obtenções dos dados de medição da irradiação solar, porém deve-se observar que estes dados são normalmente indicados em superfícies horizontais, enquanto os painéis fotovoltaicos geralmente são colocados em planos inclinados e com diferentes orientações.
3.1 RADIAÇÃO SOLAR
A energia em forma de ondas eletromagnéticas provenientes do sol recebe o nome de radiação solar, sendo que esta pode ser transmitida através do vácuo, ou seja, não precisa de meio para se propagar.
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 superfície (chamada de fotosfera), e daí se irradia em todas as direções.
Essa energia irradiada chega à Terra vinda do espaço através das partículas 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.
3.1.1 IRRADIÂNCIA X IRRADIAÇÃO
O que era chamado de radiação solar, após entrar na atmosfera do planeta, passa a ser chamado de irradiação solar ou irradiância.
• Irradiância solar: é a relação entre a potência e área da região de incidência. Assim, a mesma é expressa em W/m².
• Irradiação solar: é a relação entre a quantidade de energia solar incidente e a área de determinada superfície durante um período definido. Assim, a mesma é expressa por kWh/m².dia ou kWh/m².mês ou kWh/m².ano.
VOCÊ SABIA? A irradiância que chega à Terra advinda do Sol possui valor médio de
aproximadamente 1367 W/m². Além disso, para instalação solar fotovoltaica a irradiação solar
anual em determinada localidade é considerada um parâmetro fundamental.
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3.1.2 COMPONENTES DA RADIAÇÃO SOLAR
Radiação direta: incide diretamente na superfície sem ter sido espalhada pela atmosfera.
Radiação difusa: radiação incidente na superfície após ter sido dispersada de raios solares diretos por moléculas em suspensão na atmosfera.
Radiação refletida: radiação que incide na superfície após reflexão (devida ao albedo).
Albedo: é a capacidade de reflexão da radiação solar de uma determinada superfície.
3.1.3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO PARA SOLARIMETRIA
A medição da radiação solar, tanto a componente direta como a componente difusa na superfície terrestre são de maior importância para os estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalações de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo aproveitamento ao longo do ano onde, as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações.
De acordo com as normas preestabelecidas pela OMM (Organização Mundial de Meteorologia) são determinados limites de precisão para quatro tipos de instrumentos: de referência ou padrão, instrumentos de primeira, segunda e terceira classe. As medições padrões são: radiação global e difusa no plano horizontal e radiação direta normal.
A seguir mostramos alguns instrumentos de medida da radiação, o uso mais frequente e a classe associada ao seu desempenho.
3.1.3.1 PIRANÔMETROS
Os piranômetros medem a radiação global. Este instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. A expansão sofrida pelas superfícies provoca um diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar.
Um outro modelo bem interessante de piranômetro é aquele que utiliza uma célula fotovoltaica de silício monocristalino para coletar medidas solarimétrias. Estes piranômetros são largamente utilizados pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos tradicionais. Pelas características da célula fotovoltaica, este aparelho apresenta limitações quando apresenta sensibilidade em apenas 60% da radiação solar incidente.
Existem vários modelos de piranômetros de primeira (2% de precisão) e também de segunda classe (5% de precisão).
Figura 35 - Componentes da radiação solar
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3.1.3.2 PIRELIÔMETROS
Os pireliômetros são instrumentos que medem a radiação direta. Ele se caracteriza por apresentar uma pequena abertura de forma a "visualizar" apenas o disco solar e a região vizinha denominada circunsolar. O instrumento segue o movimento solar onde é constantemente ajustado para focalizar melhor a região do sensor.
Muitos dos pireliômetros hoje são autocalibráveis apresentando precisão na faixa de .5% quando adequadamente utilizados para medições.
3.1.3.3 HELIÓGRAFO
Instrumento que registra a duração do brilho solar. A radiação solar é focalizada por uma esfera de cristal de 10 cm de diâmetro sobre uma fita que, pela ação da radiação é enegrecida. O cumprimento desta fita exposta a radiação solar mede o número de horas de insolação.
Figura 40 - Heliógrafo Capbell-Stokes
Figura 37 - Piranômetro de segunda
classe Figura 37 - Seção transversal de um
piranômetro
Figura 39 -
Pireliômetros de
cavidade absoluta
Figura 39 - Pireliômetros de
incidência normal
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3.1.3.4 ACTINÓGRAFO
Instrumento usado para medir a radiação global. Este instrumento é composto de sensores baseados na expansão diferencial de um par bi metálico. Os sensores são conectados a uma pena que, quando ocorrem expansões, registram o valor instantâneo da radiação solar. Sua precisão encontra-se na faixa de 15 a 20% e é considerado um instrumento de terceira classe.
Figura 41 - Actinógrafo Robitzsch-Fuess
3.2 RADIAÇÃO SOLAR NO BRASIL
Quando se compara o Brasil com outros países da Europa com relação a incidência de irradiação solar verifica-se que nós possuímos um índice mais elevado, facilitando a instalação de estruturas com intuito de captação da energia solar para conversão em energia elétrica.
No Brasil, o desenvolvimento de módulos fotovoltaicos foi iniciado em meados dos anos 50 no INT – Instituto Nacional de Tecnologia e no CTA – Centro Tecnológico da Aeronáutica.
Por volta de 1970, o IME – Instituto Militar de Engenharia com parceria internacional iniciou o desenvolvimento de tecnologias de filmes finos para geração de energia elétrica.
No final dos anos 70 e início da década de 80, duas fábricas de módulos fotovoltaicos (silício cristalino) iniciaram suas atividades no Brasil, porém elas tiveram baixa produtividade devido à falta de incentivo.
Nos anos 80 e 90, países como a Alemanha e Japão tiveram grande desenvolvimento na área de tecnologia fotovoltaica enquanto a difusão da tecnologia no Brasil ficou defasada.
Atualmente, o Brasil possui várias linhas de pesquisa em universidades bem com laboratórios destinados a testes e análises de módulos fotovoltaicos, inversores e controladores de carga, porém o Brasil ainda está bastante defasado em relação ao desenvolvimento de países europeus no quesito utilização da energia solar.
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Figura 42 - Mapa de irradiação solar global horizontal
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar – 2ª Edição
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3.2.1 FONTES DE DADOS SOLARES
A fonte de dados sobre irradiação solar no Brasil atualmente é o Atlas Brasileiro de Energia Solar – 2ª Edição. Este material foi produzido a partir de um total de 17 anos de imagens de satélite e com informações de mais de 72.000 pontos em todo o território brasileiro, o Atlas Brasileiro de Energia Solar – 2ª Edição é o que se tem de mais moderno em informações de irradiação solar no Brasil. Vale lembrar que as informações apresentadas são indicativas e possuem as limitações dos modelos utilizados. Para avaliações mais precisas recomenda-se a medição da irradiação no local de interesse.
Todos os dados do Atlas Brasileiro se encontram no site do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – CRESESB (http://www.cresesb.cepel.br) dentro da plataforma SunData 3.0. Plataforma essa que por sua vez destina-se ao cálculo da irradiação solar diária média mensal em qualquer ponto do território nacional e constitui-se em uma tentativa do CRESESB de oferecer uma ferramenta de apoio ao dimensionamento de sistemas fotovoltaicos.
3.2.2 HORAS DE SOL PICO (HSP)
A radiação solar varia durante o dia e tem sua maior intensidade ao meio-dia-solar. A partir do momento em que o sol aparece no horizonte até o pôr do sol, a radiação solar vai do mínimo ao máximo (ao meio-dia-solar), e de volta ao mínimo. As nuvens influenciam a radiação direta, fazendo com que mesmo ao meio-dia-solar possamos captar menos energia que no começo da manhã ou final da tarde.
Se colocarmos em um gráfico 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.
Cada ponto do gráfico é um valor de irradiância (W/m²) correspondente a determinada hora do dia. Para se descobrir a irradiação (kWh/m²) é necessário integrar toda a região do gráfico. Entretanto, para fins de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos deve-se nivelar todo o gráfico para o valor de 1000 W/m² pois dessa forma encontraremos quantas horas de sol uma região terá nessa condição.
Logo, podemos interpretar HSP como horas de sol que determinada região possui nas condições de 1000 W/m².
Figura 43 - Exemplo da irradiação solar horizontal em Aracaju/SE
0%5%
10%15%20%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%
100%1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Irradiância diária (Hora x W/m²)
38
3.3 MOVIMENTO TERRA-SOL
A Terra descreve uma trajetória elíptica em seu movimento de translação em torno do Sol, tal movimento é o que gera as estações do ano. Ao mesmo tempo em que orbita o Sol, nosso planeta gira em torno de seu próprio eixo no movimento chamado rotação, esse é o movimento que gera os dias e noites.
Ainda precisamos ter em mente que o eixo de rotação da Terra, que é o eixo dos polos norte e sul geográficos, é levemente inclinado num ângulo de aproximadamente 23,5° com relação ao eixo do movimento da órbita de translação.
A inclinação do eixo de rotação da Terra faz com que os hemisférios norte e sul do planeta fiquem mais próximos ou distantes do Sol em cada dia do ano, dependendo
da posição da Terra em sua trajetória de translação, dando origem às estações do ano.
Nas proximidades da linha do equador a inclinação do eixo de rotação da Terra tem pouca influência sobre as estações do ano. Entretanto, conforme nos afastamos do equador e nos aproximamos dos polos norte e sul do planeta, no verão os dias tornam-se mais longos e no inverno tornam-se mais curtos.
A quantidade de energia recebida do Sol diariamente numa certa localidade é diferente em cada dia do ano e naturalmente é maior no verão e menor no inverno por causa da duração dos dias. Há ainda fatores atmosféricos que podem influenciar o trajeto dos raios solares até o solo, como já sabemos, e contribuem para aumentar ou diminuir a energia solar disponível em cada dia do ano em uma determinada localidade.
Portanto, existem duas datas importantes para quem trabalha com sistemas fotovoltaicos no Brasil. São elas:
Figura 45 - Movimento de translação/rotação e inclinação do planeta Terra
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• Solstício de Verão – 21 de dezembro: dia do ano em que os dias são mais longos pois a distância entre o hemisfério sul e o Sol é menor.
• Solstício de Inverno – 21 de junho: dia do ano em que os dias são mais curtos pois a distância entre o hemisfério sul e o Sol é maior.
Um observador que olha em direção ao norte enxerga o Sol descrevendo uma trajetória circular no céu. A altura do Sol no céu é maior nos dias de Verão, o que significa que nessa época os raios solares incidem sobre a cabeça do observador. Nessa situação a distância percorrida pelos raios solares é menor.
Nos dias de inverno a altura solar no céu é menor e o observador enxerga o Sol mais baixo, próximo da linha do horizonte. Neste caso a distância percorrida pelos raios solares é maior.
3.4 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Para que ocorra a máxima captação da energia solar, deve-se observar tanto a orientação como a inclinação dos módulos fotovoltaicos.
Com relação a orientação, os módulos devem ser orientados em direção à linha do equador.
• Instalações localizadas no hemisfério sul: A face do módulo fotovoltaico deverá estar voltada para o norte geográfico;
• Instalações localizadas no hemisfério norte: A face do módulo fotovoltaico deverá estar voltada para o sul geográfico.
Com relação a inclinação dos módulos fotovoltaicos, com o intuito de obter a máxima geração de energia ao longo do ano, o mesmo dever ser igual (ou mais próximo) à latitude onde o sistema será instalado.
Isso não significa que os módulos não possam ser orientados e inclinados com desvios em relação ao norte ou a latitude, pois à medida que nos aproximamos da linha do equador menor será a perda por desvios na orientação e inclinação. Além disso, a instalação de módulos fotovoltaicos precisa (principalmente em residências) harmonizar com a estética da edificação, respeitar a orientação da descida dos telhados e área disponível para instalação.
Figura 46 - Solstício de verão e inverno
Figura 47 - Altura solar
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3.5 RASTREAMENTO DA POSIÇÃO DO SOL – SOLAR TRACKER
Módulos solares com rastreamento automático da posição do Sol otimizam o ângulo de incidência dos raios solares automaticamente ao longo do dia e ao longo dos meses do ano. O sistema pode ter um ou dois eixos de liberdade.
O sistema com apenas um eixo de liberdade permite ajustar somente um dos ângulos de instalação do módulo: a inclinação ou orientação.
Com um eixo de liberdade adicional é possível alterar os dois ângulos simultaneamente, fazendo com que o módulo esteja sempre recebendo os raios solares com o melhor ângulo de incidência possível. Neste caso o movimento no eixo vertical permite ao módulo rastrear o movimento do Sol ao longo do dia e o movimento no eixo horizontal permite ajustar a inclinação do módulo para adaptar-se à altura solar.
Os sistemas com rastreamento aumentam a captação de energia dos módulos. Entretanto, apesar de serem mais eficiente do ponto de vista de geração de energia, esse tipo de sistema tem custo mais elevado e requer a manutenção das partes mecânicas móveis e dos sistemas eletrônicos de controle.
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ANOTAÇÕES
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4. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
4.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
A célula fotovoltaica é o elemento principal na geração de eletricidade a partir da energia solar. Quando uma célula fotovoltaica é exposta a luz surge uma tensão em seus terminais e assim a capacidade de gerar corrente elétrica. A palavra fotovoltaica vem de foto, que tem sua raiz na língua grega que significa “luz” e voltaica, da unidade de medida de tensão elétrica volt.
As células fotovoltaicas são feitas de materiais semicondutores onde o material que é mais utilizado para fabricação das mesmas é o silício. No entanto, o silício por si só não é capaz de gerar muita eletricidade quando exposto à luz. Para conseguir níveis elevados de corrente elétrica o silício é misturado com outros materiais (a exemplo do fósforo e boro) para conseguir gerar eletricidade a níveis satisfatórios.
A mistura desses materiais com o silício faz com que a célula fotovoltaica gere corrente elétrica em apenas um sentido, em outras palavras as células fotovoltaicas geram corrente contínua.
A grade e a base metálica inferior são os terminais elétricos que fazem a coleta da corrente elétrica produzida pela ação da luz. A base inferior é uma película de alumínio ou de prata. A parte superior da célula, que recebe a luz, precisa ser translúcida, portanto, os contatos elétricos são construídos na forma de uma fina grade metálica impressa na célula.
Uma célula comercial ainda possui uma camada de material
antirreflexo, normalmente feita de nitreto de silício ou de dióxido de titânio, necessária para evitar a reflexão e aumentar a absorção de luz pela célula.
4.2 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
As células fotovoltaicas mais comuns encontradas atualmente no mercado são de três tipos, as de silício monocristralino, as de silício policristalino e as de filme fino de silício. Vejamos a seguir as diferenças entre essas tecnologias.
4.2.1 SILÍCIO MONOCRISTALINO
A Uma das formas de se obter o cristal único de silício, é através do método Czochralski. Durante esse processo, uma semente de cristal de silício é inserida uma caldeira com silício policristalino e, enquanto o conjunto gira lentamente, essa semente é erguida. A semente de silício orienta os átomos do mosto que se cristaliza em uma única formação cristalina, por isso o nome: monocristal.
Após o corte do cristal em pastilhas, é depositado o fósforo, através de difusão de vapor a temperaturas entre 800-1200°C, e criada a rede de contatos frontais e traseiras que recolherão os elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico. Também é feito um tratamento antirreflexo na parte posterior.
Figura 48 - Estrutura de uma célula fotovoltaica
Figura 49 - Célula monocristalina
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• Eficiência: 15 – 18% (Czochralski);
• Forma: Geralmente arredondadas, ou em formato de faia de pizza;
• Tamanho: geralmente 10x10 cm² ou 12,5x12,5 cm²; diâmetro 10, 12,5 ou 15 cm;
• Espessura: 0,3 mm;
• Cor: geralmente azul-escuro ou quase preto (com antirreflexo), cinza ou azul-acinzentado (sem antirreflexo).
4.2.2 SILÍCIO POLICRISTALINO
Um dos processos de criação de silício policristalino mais utilizado é o de fundição de lingotes, onde o silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500°C e depois resfriado até uma temperatura de 800°C. Pode-se aproveitar o processo de purificação do silício, e já adicionar o Boro.
Nesse processo é utilizado menos energia. Serão criados blocos de silício de 40x40 cm² com altura de 30 cm. O processo segue como o do silício monocristalino, com o corte, tratamento antirreflexo e criação dos contatos frontais.
• Eficiência: 13 – 15% (com antirreflexo)
• Forma: geralmente quadrada.
• Tamanho: 10x10 cm², 12,5x12,5 cm², 15x15 cm².
• Espessura: 0,3 mm.
• Estrutura: durante o resfriamento, formam-se vários cristais de silício com orientações diversas. Essa formação multicristalina é facilmente reconhecida.
• Cor: azul (com antirreflexo), cinza prateado (sem antirreflexo).
4.2.3 CÉLULAS DE FILME FINO
O desenvolvimento das células fotovoltaicas de película fina vem desde a década de 90. O material semicondutor é aplicado em um substrato, geralmente vidro, através de deposição por vaporização, deposição catódica ou banho eletrolítico. Os semicondutores mais utilizados são o silício amorfo (a-Si), o disseleneto de cobre e índio (gálio) (CIS-CIGS) e o telureto de cádmio (CdTe). Devido à alta absorção luminosa, camadas de menor espessura (0,001 mm) são, em teoria, suficientes para converter a luz solar em eletricidade. Além disso, esses materiais são mais facilmente dopados e requerem menores temperaturas (entre 200°C e 500°C) para sua fabricação, o que, combinado com a capacidade de automação para produção em larga escala, pode baratear o preço inal dos módulos.
As células de película fina não têm o tamanho e o formato restrito, como as células de silício cristalizado.
Figura 50 - Célula policristalina
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4.2.3.1 SILÍCIO AMORFO (A-SI)
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 plasmáticos, através de vaporização química de silano gasoso (SiH4), que requer temperaturas relativamente baixas, em torno de 200°C a 250°C.
A grande desvantagem das células de a-Si é a sua baixa eficiência, que diminui nos primeiros 6 a 12 meses de funcionamento, devida à degradação provocada pela luz, pelo chamado Efeito Staebler-Wronski, até atingir um valor estável.
• Eficiência: entre 5% a 9% de eficiência do módulo;
• Forma: formato livre;
• Tamanho: módulo standard 0,77x2,44 m4; módulos especiais 2x3 m²;
• Espessura: 1-3 mm para o substrato (plástico, vidro, etc.), com um revestimento de silício amorfo de aproximadamente 0,001 mm;
• Cor: castanho avermelhado a azul escuro.
4.2.3.2 DISSELENETO DE COBRE E ÍNDIO (CIS)
Para se fabricar as células CIS o substrato é revestido com uma fina camada de molibdênio através de deposição catódica, e a camada CIS do tipo 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 utilizado como contato frontal transparente. Esse material é do tipo N e é depositada uma camada intermediária de óxido de zinco intrínseco (i-ZnO). Uma camada de sulfato de cádmio (CdS) do tipo N é utilizada para reduzir as perdas causadas combinação inadequada das redes cristalinas das camadas de CIS e ZnO.
Diferentemente do silício amorfo, células CIS não são susceptíveis à degradação causada pela luz, mas
apresentam problemas de estabilidade em ambientes quentes e húmidos. Por isso, os módulos fabricados com esse tipo de célula têm que ter boa selagem.
Os módulos CIS são os mais eficientes, dentre os mostrados aqui, e é provável que a produção em massa torne os seus preços mais atrativos que os de silício amorfo. Infelizmente as reservas de índio estão cada vez mais reservadas à produção das telas
Figura 51 - Silício amorfo (a-Si)
Figura 52 - Célula CIS
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touch-screen dos smartphones e tablets, comprometendo o uso desse material para a indústria fotovoltaica.
• Eficiência: 7,5% a 9,5 % de eficiência do módulo;
• Forma: formato livre;
• Tamanho: geralmente entre 1,2 x 0,6 m²;
• Espessura: 3 mm para o substrato com revestimento de 0,003 mm;
• Cor: preto.
4.2.3.3 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 revestido com uma camada transparente de sulfato de cádmio (CdS) do tipo N, e depois com a camada de telureto de cádmio (CdTe) do tipo P. Podem ser fabricados por silkscreen, deposição galvânica ou pirólise pulverizada.
Assim como o CIS, a tecnologia de fabricação do CdTe pode ficar 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.
• Eficiência: 6 – 9% de eficiência dos módulos;
• Forma: formato livre;
• Espessura: 3 mm para o substrato com 0,008 mm de revestimento;
• Tamanho: geralmente 1,2 x 0,6 m²;
• Cor: verde-escuro a preto.
4.3 CONSTRUÇÃO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO
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).
O processo de montagem do módulo fotovoltaico pode ser feito de maneira automática, através de maquinário especializado, ou por manufatura, onde o processo de produção não permite uma alta produção em escala.
Após a conexão, as células serão encapsuladas na seguinte ordem:
• Uma lâmina de vidro temperado; Figura 54 - Composição de um módulo fotovoltaico
Figura 53 - Telureto de cádmio
46
• Um material orgânico, como o EVA (etileno-vinil-acetato);
• As células são inseridas;
• Mais uma lâmina de EVA (ou similar);
• Uma cobertura, que pode ser vidro, tedlar, PVC, ou outros polímeros.
O conjunto será levado a uma máquina laminadora, que sinaliza a laminagem, dando estanqueidade ao conjunto. Por fim o conjunto será emoldurado (utilizando geralmente alumínio anodizado), é inserida a caixa de conexão (junction box) e os cabos/conectores. Por fim o módulo é levado a um teste de irradiância.
Além do teste de irradiância, 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.
Os testes mecânicos determinam a capacidade dos módulos resistirem 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.
4.4 CARACTERÍSTICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Cada tipo de módulo, de acordo com a tecnologia utilizada na célula, tem suas características particulares. Apresentaremos aqui, as características dos módulos de silício cristalizado, pois são os mais utilizados atualmente.
Os módulos são classificados no mercado de acordo à sua potência-pico (Wp), e ao tipo de célula. Mas para um técnico ou projetista, existem outras características a serem consideradas.
CARACTERÍSICAS FÍSICAS E MECÂNICAS
Os módulos fotovoltaicos comerciais têm forma quadrada ou retangular. A espessura, sem a moldura, não costuma ultrapassar 4 cm. Não são muito pesados e, apesar da aparência rígida, suportam ligeiras deformações, adaptando-se a esforços mecânicos.
As caixas de conexão possuem o isolamento necessário para a conexão dos cabos e a outros módulos. Além disso, os módulos têm um ponto de aterramento, para os casos em que as conexões entre módulos cheguem a tensões maiores.
As dimensões e o peso dos módulos variam de acordo ao fabricante e à potência-pico, mas seguem padrões gerais seguidos por todos. Módulos para sistemas on-grid costumam vir de fábrica com os conectores especiais para conexão rápida. Os mais comuns são os modelos MC3 e MC4, desenvolvidos pela empresa Mulicontact, mas que são fabricados por diversos outros fabricantes no mesmo padrão. Figura 55 - Conector MC4
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Outro modelo de conector para
sistemas fotovoltaicos é desenvolvido pela empresa Tyco Eletronics. Os modelos não são compatíveis entre si, e alguns fabricantes usam diferentes modelos de conector em seus diferentes modelos de módulo. A falta de compatibilidade entre os conectores serve como o indicativo da recomendação de não se agrupar módulos de características distintas.
Tenha bastante atenção quanto ao conector utilizado pelo fabricante, na fase de projeto do sistema FV, pois a remoção e/ou troca do conector, em muitos casos, invalida a garantia contra defeitos de fabricação do módulo. É possível contornar a incompatibilidade entre os conectores dos módulos e os conectores dos dispositivos de condicionamento de potência (como os inversores) através das caixas de junção de strings e painéis.
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 possuindo apenas a caixa de conexão.
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Tensão Nominal: é a tensão padrão para a qual o módulo foi desenvolvido para trabalhar. A quantidade de células fotovoltaicas determina esse parâmetro, segundo a tabela abaixo:
Número de células Tensão Nominal Tensão de Circuito Aberto (VOC)
18 células 6 V 9,2 V
36 células 12 V 17,4 V
72 células 24 V 34,8 V
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 podem ser utilizados em sistemas isolados.
Tensão de Máxima Potência (VMP): é a tensão máxima que o módulo consegue
gerar, 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 multímetro.
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.
Figura 56 - Conector MC3
48
Potência Máxima (PMÁX): 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, esses são chamados Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPPT).
Eficiência: é o quociente entre a potência gerada e a irradiância incidente sobre o módulo.
4.5 CONDIÇÕES DE TESTE E OPERAÇÃO
Para os testes de performance e rotulagem dos módulos fotovoltaicos, são utilizados dois padrões de teste.
O primeiro é o Condições Padrão de Teste (STC – Standard Test Conditions) e o segundo se chama Temperatura Nominal de Operação da Célula (NOCT – Nominal Operating Cell Temperature). Esses padrões são conseguidos em laboratório através do controle de teste controlados. Em situações práticas, não temos as mesmas condições para o trabalho dos módulos fotovoltaicos. Veja abaixo os valores comparativos nessas duas condições:
Irradiação 1000 W/m² 800 W/m²
Temperatura da célula 25 °C -
Temperatura ambiente - 20 °C
Massa de Ar 1,5 1,5
Velocidade do vento - 1 m/s
Figura 58 - Padrões de teste
Figura 57 - Curva de máxima potência (MPP)
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Todos os módulos comerciais têm em suas fichas de dados (datasheets) os resultados dos testes em STC. É recomentado aos fabricantes, pela norma DIN EM 50380, que 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 submetidas a temperaturas diferentes de 25°C.
Abaixo a variação de tensão em circuito aberto e corrente de curto circuito de acordo à Irradiância.
Segundo o gráfico ao lado, podemos ver que a tensão varia menos que a corrente. Isto porque um fóton (com energia suficiente) energiza um elétron. Com maior irradiância, maior a quantidade de fótons que energizam os elétrons, provocando um aumento na corrente elétrica gerada.
As variações de temperatura também influenciam o desempenho das células fotovoltaicas. Com o aumento da temperatura, a tensão de circuito aberto cai e a corrente de curto circuito aumenta levemente.
A queda de tensão é maior que o incremento de corrente, portanto, o aumento da temperatura reduz significativamente a potência dos módulos.
Além disso, a temperatura das células fotovoltaicas não é a mesma do ambiente, pois as células sofrem um aumento de temperatura ao receber a irradiação solar, por conta do efeito fotovoltaico.
Figura 59 – Curva IxV com irradiâncias
Figura 60 - Curva IxV com temperatura
50
4.6 ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Dificilmente um único módulo fotovoltaico será suficiente para constituir o arranjo de um sistema fotovoltaico. Um arranjo fotovoltaico é um conjunto de módulos fotovoltaicos eletricamente ligados entre si, que fornecem determinado potencial, e geralmente estão ligados a um dispositivo de condicionamento de potência e/ou controle.
Na associação em série, chamada de fileira (string), os módulos terão suas tensões somadas, e a tensão do arranjo será a soma das tensões individuais de cada módulo. A corrente será a média das correntes de cada módulo, por isso não é aconselhável a associação de módulos de capacidades distintas.
Figura 61 - Módulos fotovoltaicos em série
Na associação em paralelo teremos o aumento direto da corrente que será, no painel, soma das correntes individuais de cada módulo. A tensão será a média das tensões geradas.
Figura 62 - Módulos fotovoltaicos em paralelo
Na maioria dos casos, será necessário associar os módulos em série para
alcançar a tensão nominal do sistema, e em algumas situações também associar os modelos em paralelo, para alcançar a potência-pico calculada no projeto. Nesses casos, temos as características das duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar módulos de características diferentes.
51
4.7 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 danificado pelo calor. Aparecem os chamados pontos quentes (hot-spots), que danificam o módulo permanentemente. Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe corrente.
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.
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 suficiente, teremos a formação do hot-spot. A maior corrente que uma célula, nessas condições pode receber, é a corrente de curto circuito.
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
Figura 63 - Pontos quentes (hotspot)
Figura 64 - Funcionamento normal de um
conjunto de células
Figura 65 - Célula sombreada
convertendo eletricidade em calor
52
18 a 24 células, de maneira que um módulo de 36 células tem 2 diodos e um módulo de 72 células tem 3 diodos.
DIODOS DE BLOQUEIO
Os diodos de bloqueio são utilizados nas fileiras de módulos em série, para evitar que um módulo sombreado transforme a fileiras inteira em uma carga. Em alguns sistemas autorregulados, os diodos são utilizados para evitar que a bateria se descarregue sobre o painel fotovoltaico. Nos sistemas que utilizam controladores não é necessário, sendo até desencorajado o seu uso, pois o diodo provoca uma queda de tensão, que em sistemas menores pode ser significativa.
De acordo com a norma IEC 6036-7-712, os diodos de bloqueio não são necessários se forem utilizados módulos do mesmo tipo, com proteção Classe II e cerificados para funcionar com 50% da corrente nominal de curto-circuito, quando polarizados inversamente.
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 fileiras que protegem o cabeamento contra correntes excessivas.
Figura 66 - Fileiras de módulos com diodos
de bloqueio
53
ANOTAÇÕES
54
5. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
5.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
Como, nos sistemas on-grid, a energia elétrica gerada é entregue diretamente à rede, os dispositivos de condicionamento de potência devem se adequar ao modo como a eletricidade está fluindo nas linhas de distribuição, copiando esse padrão e fornecendo o mesmo tipo de sinal elétrico.
Para a conexão à rede, utilizamos dispositivos e configurações específicas para tal. Veremos agora os componentes e configurações comumente utilizados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede.
5.1.1 INVERSORES GRID-TIE
O dispositivo responsável pela injeção de energia na rede é o inversor on-grid ou grid-tie. Devido ao seu alto grau de sofisticação, os inversores grid-tie não são comparáveis aos inversores autônomos. Estes NÃO PODEM ser ligados diretamente às redes de distribuição, pois não possuem o mesmo controle sobre a tensão, fase e frequência que os inversores grid-tie possuem.
Os inversores grid-tie são conectados à de duas formas:
• Diretamente à rede: onde a energia é rapidamente escoada para o sistema e utilizada pelos consumidores mais próximos.
• Através do ponto de conexão da edificação com a concessionária: onde a energia elétrica gerada é consumida pela própria edificação/residência, e somente o excedente é fornecido à rede.
Os inversores grid-tie para sistemas com potência-pico até 5 kWp são, geralmente, monofásicos. Para sistemas de maior potência, geralmente trifásicos.
Figura 67 - Diagrama de ligação com a rede, de um sistema FV on-grid
Figura 68 - Inversores grid-tie
55
Existem grandes inversores centrais trifásicos, bem como inversores monofásicos que podem ser agrupados, formando se assim, um sistema trifásico.
Para fornecer o máximo de energia à rede, o inversor grid-tie 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 automaticamente a tensão de entrada do inversor, de acordo à tensão MPP a cada instante.
São funções do inversor grid-tie:
• Converter a corrente contínua, gerada pelo arranjo fotovoltaico, em corrente alternada, de acordo com funcionamento da rede de distribuição;
• Ajustar-se ao ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico, conseguindo o seu maior rendimento;
• Registro Operacional, guardando/transmitido os dados durante o seu funcionamento, através de displays, cartões de memória, transmissão direta a computador, etc.
• Possuir dispositivos 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.
5.1.2 CLASSIFICAÇÃO E TIPOS DE INVERSORES GRID-TIE
De acordo ao seu modo de operação, os inversores grid-tie podem ser classificados em inversores controlados/chaveados pela rede e inversores autocontrolados.
INVERSORES CONTROLADOS/CHAVEADOS PELA REDE
A constituição básica de um inversor controlado/chaveado pela rede é um a de uma ponte de tiristores. O uso de inversores tiristorizados em sistemas de automação (ex: controladores de motores), levou ao uso de tiristores nos primeiros inversores para uso fotovoltaico. Este tipo de inversor ainda é utilizado em sistemas de grande potência. Para os sistemas menores, com potências até 5 kWp, existem poucos fabricantes que ainda utilizam essa tecnologia.
Figura 69 - Inversor chaveado pela rede com ponte de tiristores
56
O inversor controlado pela rede utiliza a frequência e tensão da rede para chavear os tiristores, por isso o seu nome. Se houver uma queda na rede, o inversor desliga-se automaticamente, o que faz com que esse tipo de inversor não possa funcionar de modo autônomo. Durante o seu funcionamento são gerados pulsos de corrente de onda quadrada, por isso este tipo de inversor também é chamado de inversor de onda quadrada.
As diferenças da forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o
aparecimento de grandes distorções harmônicas e alto consumo de potência reativa.
Devido a isso são utilizados filtros de saída e dispositivos para limitar os harmônicos.
Para isolar a rede, é utilizado um transformador principal (de 50 Hz, para sistemas
europeus). Nos inversores mais recentes, os pulsos são emitidos por um
microprocessador. Retardando o impulso (controle por ângulo de fase) é possível
implementar um sistema de MPPT.
INVERSORES AUTORREGULADOS (AUTO CHAVEADOS)
Nos inversores autorregulados são utilizados dispositivos semicondutores que podem ser ligados e desligados, em um circuito em ponte. De acordo ao nível de tensão e desempenho do sistema, podem ser utilizados os seguintes componentes:
• MOSFET (Transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico);
• Transistores bipolares;
• GTO (tiristor de desligamento pela porta – até 1kHz);
• IGBT (transistor bipolar de porta isolada).
Figura 70 - Formato da tensão e da corrente de um inversor comutado pela rede
57
Figura 71 - Diagrama de ponte de MOSFETs em inversor 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 filtro passa-baixa, teremos um sinal elétrico compatível com a rede.
Devido à alta frequência de chaveamento para a formação dos pulsos, estes dispositivos criam interferências em alta frequência, exigindo medidas de compatibilidade eletromagnética (EMC), através do uso de circuitos de proteção e blindagem. Os inversores com a marca CE, e que possuem certificado de Conformidade com a Comunidade Europeia (EC) geralmente 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.
INVERSORES AUTO-CHAVEADOS COM TRANSFORMADOR DE BAIXA FREQUÊNCIA (LF)
Nos inversores auto chaveados e nos inversores chaveados pela rede, podem ser utilizados transformadores de baixa frequência (LF) – 50 Hz no padrão europeu, para ajustar a tensão de saída com a tensão da rede. O campo magnético do transformador isola eletricamente o circuito CC do circuito CA.
Figura 72 - Diagrama de um inversor com transformador
58
Devido ao isolamento, o inversor permite que o arranjo fotovoltaico forneça tensões menores, tornando desnecessário o aterramento conjunto do inversor e do arranjo fotovoltaico e reduz interferências eletromagnéticas.
As desvantagens são aumento da perda de potência e do tamanho e peso do inversor, fazendo com que alguns fabricantes utilizassem transformadores menores ou os eliminassem por completo.
INVERSORES COM TRANSFORMADORES DE ALTA FREQUENCIA (HF)
Utilizando transformadores em alta frequência – 10-50 kHz, conseguem-se menores tamanhos, menores perdas, menor peso e menor custo. Entretanto, o circuito deste tipo de inversor é mais complexo, fazendo com que a diferença de preço seja mais significativa.
INVERSORES SEM TRANSFORMADORES
Para potências menores, temos os inversores sem transformadores, cujas vantagens são os menores: tamanho, peso, perdas e custo. Neste tipo de inversor, a tensão de entrada dever ser maior que a tensão de pico da rede, ou deve ser elevada através de um conversor CC/CC, geralmente integrado ao circuito do inversor que, infelizmente aumentam as perdas energéticas, diminuído a vantagem de não possuir o transformador.
Como não possuem isolamento elétrico, necessitam de severas medidas de segurança na sua instalação, exigindo a instalação de dispositivos de proteção contra corrente residual, tanto do lado CC, quanto no lado CA. Deve-se observar que, durante o funcionamento dos sistemas fotovoltaicos com inversores sem transformador, formam-se correntes residuais capacitivas de mais de 30 mA entre os módulos e a terra, o que inviabiliza o uso de Interruptores Diferenciais Residuais (IDR) comuns, que desconectam em 30 mA.
Tabela - Comparação entre os tipos de inversores
Com Transformador Sem Transformador
Características
Tensões de entrada e saída eletricamente
isoladas;
Muito difundido, representam a maioria dos
Inversores Centrais.
Tensão do arranjo FV deve ser maior que a
da rede (ou usar Conversor CC/CC);
Representam a maioria dos inversores de
fileira (string).
Vantagens
Pode trabalhar com tensões reduzidas na
entrada (V < 120 V);
Menores interferências eletromagnéticas;
Não necessita de ligação equipotencial ao
ponto de aterramento do arranjo PV.
Maior eficiência (se não tem conversor
CC/CC);
Menor peso;
Menor volume;
Instalação CC menor, (para os inversores de
fileiras e de módulos CA).
Desvantagens
Perdas no transformador;
Maior peso;
Maior volume.
Uso de dispositivos de proteção adicionais;
Flutuação do ponto de funcionamento;
Instalação completa com Proteção Classe II;
Maiores interferências eletromagnéticas.
59
5.1.3 CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS INVERSORES GRID-TIE
A seguir veremos as principais características que se destacam nos inversores grid-tie comerciais.
EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO (CONVERSION EFFICIENCY) – ΗCON
A Eficiência de Conversão representa as perdas na conversão direta de corrente contínua (CC), em corrente alternada (CA), compreendendo as perdas causadas pelo transformador – nos inversores que o possuem –, nos dispositivos chaveadores e o controlador, nos dispositivos de coleta de dados, etc.
A Eficiência de Conversão é muito dependente da potência de entrada. A porcentagem também varia de acordo à tensão de entrada do inversor, um fato importante que foi desprezado por muito tempo.
EFICIÊNCIA DE RASTREAMENTO (TRACKING EFFICIENCY) – ΗTR
Os primeiros inversores grid-tie possuíam um controle fixo – o ponto de operação do inversor era definido para determinado nível de tensão, e qualquer ajuste em função da variação de condições meteorológicas eram mais restritos.
Os modernos inversores atuais, para sistemas fotovoltaicos conectados à rede devem garantir uma perfeita adaptação às curvas características do arranjo fotovoltaico (curvas I-V), mesmo com as variações de Irradiância e temperatura, que mudam o Ponto de Máxima Potência (MPP). A capacidade do inversor de ajustar o seu ponto trabalho, é descrita pela Eficiência de Rastreamento.
A flutuação do ponto de operação – causada pelo indesejado acoplamento da frequência da rede na parte CC – deve ser a menor possível, efeito mais evidente nos inversores sem transformador.
EFICIÊNCIA ESTÁTICA (STATIC EFFICIENCY) – ΗINV
A Eficiência Estática é o produto da Eficiência de Conversão pela Eficiência de Rastreamento e pode ser calculada para vários regimes de carga.
Geralmente, apenas a Eficiência De Conversão obtida durante condições nominais de operação é apresentada, como eficiência nominal, nas folhas de dados (datasheets). Além disso, frequentemente, é exibida a eficiência máxima, que geralmente é entre 50% e 80% da potência nominal.
Essa máxima eficiência só e alcançada sob determinadas condições de Irradiância e temperatura, cujas variações são responsáveis pelo frequente funcionamento do inversor em estado parcial de carga e raramente em estado nominal. A relação entre a eficiência do inversor, tensão do arranjo fotovoltaico e o regime de carga tem alta influencia na produção anual de energia.
60
Figura 73 - Curvas características de vários inversores (especificações dos fabricantes)
As curvas de eficiência são precisas sob determinada temperatura ambiente para o inversor e dependem da tensão de entrada.
EFICIÊNCIA EUROPEIA (EURO EFFICIENCY) – ΗEURO
De maneira a facilitar a comparação entre inversores baseando-se na sua eficiência, foi criado um padrão europeu de medição da eficiência, a Eficiência Europeia (Euro), que é calculada para um típico clima europeu. A figura abaixo mostra a frequência e a energia de diferentes classes de radiação solar em um ano típico na Alemanha (lembre-se que é eficiência europeia).
Observamos que, nessa região, raramente há irradiâncias em torno de 800 W/m², o que faz os inversores funcionarem em regime parcial. Considerando diferentes cenários de carga, a Eficiência Euro é calculada através da média de eficiências estáticas em 6 regimes – carga nominal e mais cinco cargas parciais:
ηEURO = (0,03 * η5%) + (0,06 * η10%) + (0,13 * η20%) + (0,1 * η30%) + (0,48 * η50%) + (0,2 * η100%)
Os valores η % representam as eficiências estáticas – η100% = 100% de eficiência, η5% = 5% de eficiência. Os valores como 0,03 ou 0,48 representam a fração
Figura 74 - Frequência e energia de diferentes classes de irradiância,
baseado em um sistema inclinado em 30° em Munique, Alemanha
61
do ano em que o inversor está na eficiência indicada – em 48% do tempo funcionará com 50% da eficiência.
Apesar de a Eficiência 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.
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 ativa o sistema de limitação de potência (no caso 2). Quando é atingida a temperatura limite dos componentes, alguns inversores se desligam (caso 3), outros ativam exaustores e/ ou variam o ponto de trabalho. Os tipos 1 e 2 são os adequados a subdimensionamentos nas condições descritas acima.
REGISTRO DE DADOS OPERACIONAIS
A maioria dos fabricantes oferecem sistemas de aquisição dos dados de operação dos inversores, geralmente integrados a estes, ou com dispositivos externos que apresentam diretamente os dados ou os envia para um computador, permitindo a avaliação dos sistemas fotovoltaicos, em muitos casos em tempo real.
Em geral os dispositivos coletam as seguintes informações:
• Entrada: Tensão VDC, corrente IDC e potência PDC;
• Saída: tensão VAC, corrente IAC, potência PAC 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, permitindo a comunicação de um dispositivo com os que estão próximos, e a unificação mais simples dos dados de vários aparelhos.
Figura 75 - Dispositivos de aquisição de dados para inversores SMA
62
5.1.4 PAINEL FOTOVOLTAICO PARA SISTEMAS ON-GRID
A configuração elétrica do painel fotovoltaico está intimamente ligada à forma de trabalho do inversor grid-tie escolhido para o projeto do sistema.
A configuração mais comum atualmente é a de alta tensão de entrada para os inversores sem transformador. Os inversores de fileira (string-inverters), com potências nominais entre 1 kWp e 3 kWp, que requerem fileiras (strings) com associações de 6 a 18 módulos, são os mais utilizados em instalações residenciais ou comerciais de pequeno e médio porte. Deve ser levada em consideração a tensão máxima suportável pelos módulos que é, geralmente, em torno de 600 V.
Os painéis fotovoltaicos para inversores sem transformador necessitam de um sistema de proteção elétrica mais aprimorado, mas alguns fabricantes já incorporam em seus produtos essas proteções, ficando para a equipe de instalação montar as caixas de junção de fileiras ou painéis.
CAIXAS DE JUNÇÃO (STRING BOX)
Essas caixas estanques terão em seu interior todos os elementos de proteção das fileiras e módulos:
• Fusíveis, que protegerão os cabos de excessos de corrente;
• Diodos de bloqueio, que protegerão as fileiras e módulos em casos de sombreamento parcial;
• Dispositivos de proteção contra surtos, imprescindíveis tanto do lado CC (painel fotovoltaico), quanto do lado CA (rede de distribuição);
• Interruptor DC, que permita o desligamento do painel ou fileira para tarefas de manutenção.
Para facilitar a conexão dos módulos em um painel, alguns fabricantes de materiais elétricos possuem entre seus produtos, caixas de junção prontas. Estas caixas de junção já vêm com todos os elementos de proteção, dentro de uma caixa estanque, que está de acordo às várias normas internacionais.
As caixas de junção podem ser de fileiras (string-box) ou de painel/arranjo (array-box) e já possuem os terminais para a conexão direta dos cabos, utilizando os conectores padrão MC3, MC4 ou Tyco. A grande maioria já possui o interruptor geral DC.
Figura 76 - Caixa de junção comercial
63
5.1.5 CONFIGURAÇÕES 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 incentivos à inserção de energias renováveis, a capacidade instalada pode influenciar no preço da eletricidade, o que faz os projetistas tomarem cuidados especiais quanto à potência instalada.
Vejamos agora alguns conceitos de sistemas fotovoltaicos, que podem ser utilizados como base para vários projetos.
SISTEMAS COM INVERSOR CENTRAL
Nos sistemas com inversor central, um único inversor toma conta do arranjo fotovoltaico. Podem ser classificados de acordo à forma como o inversor (ou inversores) são integrados ao projeto.
SISTEMA COM BAIXA TENSÃO DE ENTRADA (<120 VCC)
É utilizado com inversores com transformador. As correntes elétricas são maiores, mas as tensões são menores. Por possuírem fileiras com menos módulos, são menos prejudicados pelos sombreamentos parciais. Devido à grande quantidade de fileiras em paralelo, tem maiores perdas de corrente e demandam cabeamento com maior seção transversal.
Figura 77 - Sistema com inversor central com transformador
64
SISTEMAS COM ALTA TENSÃO DE ENTRADA (>120 VCC)
Utilizado 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.
Neste tipo de configuração é necessário sistemas de proteção Classe II, devido
à ausência do isolamento proporcionado pelo transformador. Também sofrem mais com os sombreamentos parciais, pois as fileiras são muito longas, e caso um módulo venha a receber sombra, uma parcela muito grande da potência do painel deixa de ser gerada (a fileira inteira pode funcionar abaixo do esperado).
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, ativa os demais inversores, que também são desativados em caso de baixa Irradiância. Para evitar o excessivo desgaste de apenas um inversor, acontece automaticamente um revezamento de qual inversor é o máster.
Figura 78 - Sistema com alta tensão de entrada (120 Vcc)
65
Figura 79 - Sistema com configuração mestre-escravo
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 tipo de sistema são listadas a seguir:
• Omissão da caixa de junção FV;
• 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 climáticas mais adversas podem causar falhas e diminuir a vida útil dos inversores. Por isso é recomendável que sejam instalados em local protegido da radiação solar direta e de outras intempéries.
A utilização de inversores de grupos de módulos facilita a instalação dos sistemas fotovoltaicos e reduz, em certos casos, os custos de instalação.
66
Figura 80 - Sistema de grupos de inversores
Sistema até 3 kWp são, em sua grande maioria, concebidos no conceito de grupos (ou cadeias) de módulos, utilizando inversores de fileiras (string-inverters).
SISTEMAS COM MICROINVERSORES
Nesse tipo de sistema é utilizado um inversor para cada módulo, constituindo um módulo CA, já disponível no mercado. Existem inversores de tamanho reduzido o bastante para caber na caixa de conexão do módulo. Cada módulo tendo seu próprio inversor permite que trabalhem em seu ponto de máxima potência individualmente, o que não acontece em outras configurações. Outra vantagem está na modularidade, que permite uma expansão do sistema que em outros conceitos não seria tão simples.
Como desvantagem dos módulos CA, podemos citar a menor eficiência dos microinversores em relação aos de grupos de módulos e seu preço ainda proporcionalmente superior ao dos inversores convencionais. Esse conceito é interessante para o caso de sistemas fotovoltaicos integrados à arquitetura em que são mais comuns os sombreamentos parciais.
67
Figura 82 - Sistemas com microinversores
Figura 81 - Microinversor comercial para módulos FV
68
ANOTAÇÕES
69
6. MONTAGEM DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
6.1 PAINEL E ARRANJO FOTOVOLTAICO
Define-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 muitos 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 dispositivos 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 dispositivos de controle correspondentes.
Veremos agora os cuidados e formas de instalação de um painel fotovoltaico, que podem ser utilizadas tanto para sistemas isolados, quanto sistemas on-grid, pois os conceitos são os mesmos.
6.2 ESTRUTURAS
6.2.1 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 investimento na tecnologia limpa da energia solar.
Para cada caso, há uma solução. No caso de telhados, deve ser verificado o tipo de telha ou de madeiramento – a estrutura que suporta o telhado. Nas instalações em plano horizontal deve ser verificada a altura mínima e 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 83 - Painel fotovoltaico montado em telhado
70
6.2.2 SUPORTES PARA TELHADO
Para fixar os módulos em telhados, é necessário instalar um gancho de suporte que pode ser fixado nas telhas (no caso de telhas metálicas) ou no suporte do telhado (no caso de telhas de cerâmica/argila ou concreto.
Em todos os casos deve-se ter especial cuidado quando à impermeabilização, tanto pelo sistema fotovoltaico, quanto pela própria edificação.
Os ganchos são dispostos para receber o perfil 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.
O que prende os módulos ao perfil de suporte são os grampos, que são adaptáveis à grande maioria dos módulos, tanto os standards quando os non-standard, desde que sejam emoldurados e a sua moldura esteja dentro dos padrões (com espessura entre 3 e 4,5cm).
Nas estruturas em telhado inclinado, principalmente os de telhas de argila, não é recomendável utilizar de ajustes para corrigir a inclinação, que tornam a instalação mais difícil, pois o suporte deverá suportar cargas de vento maiores. Além disso, o esforço extra no telhado pode ser perigoso, se este não for suficientemente 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 edificação. Depois de pronta, se não há necessidade de reformas, um ajuste para a instalação do sistema fotovoltaico pode inviabilizar o projeto.
Figura 84 – Gancho (hook) para telha
cerâmica
Figura 85 - Gancho em telha de fibrocimento
Figura 86 - Detalhes dos ganchos perfil de
suporte dos módulos para telhados
Figura 87 - Suporte com correção de inclinação instalado
em telhado metálico
71
6.2.3 SUPORTES PARA INSTALAÇÃO EM PLANO HORIZONTAL
A construção do painel fotovoltaico no chão ou cobertura permite maior flexibilidade 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.
Para instalação no chão, o painel deverá ter altura mínima de 30 cm do chão, para evitar o sombreamento causado pelo crescimento de ervas, ou a sujeira na base dos módulos mais baixos, causada pelas gotas de chuva. Esses cuidados são especialmente importantes para os sistemas instalados em localidades remotas e/ou inóspitas.
Para painéis montados em cobertura, a altura mínima recomendável é de 5 cm. Isto é para permitir o escoamento da água da chuva, e a quebra da força do vento em duas componentes, o que diminui a carga de vento sobre o painel.
Figura 88 - Painéis fotovoltaicos montados no chão, com inclinação adequada
6.2.4 SOLUÇÕES ALTERNATIVAS
Além das estruturas mais comuns para sistemas fotovoltaicos já apresentadas, existem diversas soluções alternativas desenvolvidas para casos específicos. Existem soluções para montagem de sistemas fotovoltaicos em fachadas de edifícios, como quebra-sol em janelas, no teto de veículos e, até mesmo, estruturas para sistemas fotovoltaicos flutuantes. Neste momento reforça-se o papel do engenheiro em identificar os requisitos e escolha dos materiais, dimensões e formas adequadas a cada aplicação. No tópico a seguir são listadas algumas características essenciais e alguns cuidados que devem ser tomados ao se escolher a estrutura para seu sistema fotovoltaico.
72
Figura 89 - Sistema fotovoltaico flutuante
6.3 ESTRUTURA DE FIXAÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS – PONTOS
PRINCIPAIS
O suporte para fixação do painel solar que é de qualidade e instalado corretamente, irá prover segurança no processo de instalação e contra ações de ventos ou tempestades, garantindo assim que o seu painel não sairá voando.
Sistemas de suporte para fixação de placas solares podem ser desenhados para serem fixados com ganchos em telhados de barro ou até mesmo inclinados sobre uma laje para garantir uma inclinação ideal para os painéis.
Geralmente feitos de alumínio ou aço inoxidável, a maioria das estruturas de fixação para painéis fotovoltaicos são concebidas para aplicações universais, como: coberturas de telha de barro, telha de concreto, telhado metálico, telha de fibrocimento, seguidores solares e fixação direta sobre o solo.
As estruturas de fixação podem ser customizadas para atender as mais diversas necessidades das instalações fotovoltaicas.
Uma boa estrutura de suporte para fixação de painéis fotovoltaicos deve ser fácil de instalar, feita com materiais de alta qualidade e com proteção contra corrosão.
73
DICA 1
A estrutura de fixação é a base do seu sistema de energia solar - uma boa base assegura a eficiência do seu sistema, a segurança e o retorno de seu investimento.
DICA 2
Pergunte ao seu fornecedor de estruturas se o produto foi fabricado para atender ao mercado brasileiro? E se a estrutura está apta para suportar ventos de até 120km/h?
DICA 3
É claro que é possível fabricar uma estrutura caseira, mas como saber se os cálculos corretos foram feitos para garantir que o seu sistema fotovoltaico estará realmente seguro? Você gostaria que R$ 15.000,00 em painéis solares corram o risco de sair voando do seu telhado? Compre sempre estruturas de fixação de Painel Solar pré-fabricadas de empresas especializadas.
DICA 4
A qualidade de um manual de instalação é um bom indicador da qualidade da estrutura de fixação dos painéis. Fabricantes confiáveis, que fornecem produtos de alta qualidade, irão fornecer manuais com o passo-a-passo para lhe auxiliar a fazer a instalação corretamente.
EQUÍVOCOS SOBRE AS ESTRUTURAS DE FIXAÇÃO DO PAINEL FOTOVOLTAICO
Quando se pensa na estrutura que será utilizada para suportar os módulos de um sistema fotovoltaico pensa-se, inicialmente, na sua resistência mecânica. O sistema fotovoltaico, quando instalado, está sujeito a uma série de solicitações mecânicas, sejam estáticas ou dinâmicas. Essas forças geram tensões e deformações que, se ultrapassados os limites do material (geralmente alumínio ou aço), podem resultar em falhas e graves acidentes.
É trabalho do engenheiro calcular as forças que atuam no sistema fotovoltaico a fim de selecionar as dimensões e materiais adequados para a estrutura. As principais forças estáticas presentes no sistema são: O próprio peso dos módulos fotovoltaicos, das estruturas de fixação e, quando aplicável o peso da neve e do gelo. No Brasil, país de clima tropical, esse tipo de solicitação mecânica não costuma gerar grandes problemas.
Além das forças estáticas, o sistema fotovoltaico precisa resistir também a solicitações dinâmicas. O principal exemplo de solicitação dinâmica são os ventos. A constante mudança na direção e na velocidade do vento faz com que as estruturas sofram com constantes variações no sentido e direção das tensões. Isso obriga o sistema a apresentar resistência mecânica para as mais diferentes solicitações. Outro agravante gerado por esse caráter dinâmico das tensões provocadas pelo vento é a necessidade de resistência à falha por fadiga. Esse fenômeno ocorre quando uma estrutura falha devido à aplicação de tensão e compressão de maneira repetitiva no material, possibilitando sua ruptura em tensões significativamente menores do que a necessária para um rompimento por tensões estáticas. Para os materiais mais comuns em estruturas de sistemas fotovoltaicos, a fadiga é um problema mais grave nas estruturas de alumínio em comparação às estruturas de aço.
Outro ponto importante a ser analisado nas estruturas fotovoltaicas é a resistência à corrosão. Deve-se considerar, além das solicitações mecânicas, as
74
interações que os materiais da estrutura podem ter com o ambiente e entre si. A principal forma de corrosão é a oxidação do metal. Essa corrosão ocorre de maneira uniforme em todo o material e, eventualmente resulta em sua falha. Esse tipo de corrosão é extremamente comum, especialmente no aço. Ela pode ser controlada com a escolha correta do material e tratamento superficial, não sendo um grande problema para estruturas fotovoltaicas.
Um tipo de corrosão muito mais prejudicial a sistemas fotovoltaicos é a corrosão galvânica. Esse fenômeno ocorre quando dois metais com diferentes potenciais estão em contato através de um meio condutor ou corrosivo. Nesse tipo de corrosão o metal menos nobre (anodo) passa por um processo de corrosão em relação ao material mais nobre (catodo).
A Tabela abaixo apresenta uma versão simplificada da série galvânica. Para minimizar esse tipo de corrosão deve-se usar metais similares ou com potenciais galvânicos próximos.
Figura 90 - Versão simplificada de série galvânica
Mito: Todos os sistemas de fixação são iguais.
Existem grandes diferenças entre os sistemas de montagem das placas, particularmente quando se trata de qualidade e serviço. Fabricantes diferentes oferecem estruturas com características e benefícios diferentes. Quando você compra uma estrutura de fixação para os painéis solares, normalmente as que tem o preço mais alto são também melhores.
Mito: Você precisa de alguns poucos parafusos para prender a estrutura no seu telhado.
Você precisa de muitos parafusos para fixar a estrutura! Principalmente quando instalado em telhados metálicos ou batentes de madeira. Como qualquer construção, o sistema de fixação deve aguentar as tempestades mais severas.
Observação: alguns sistemas de fixação utilizam cola para telhados de metal. Certifique-se que o fabricante é de primeira linha e irá garantir a fixação do sistema. Leia sempre o manual e siga exatamente as recomendações do fabricante.
75
6.4 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO DO PAINEL FOTOVOLTAICO
6.4.1 ORIENTAÇÃO
Os painéis fotovoltaicos devem estar orientados para o ponto azimutal, e de preferência com ângulo azimutal de superfície igual a zero. O azimute é o equador, portanto no hemisfério norte os painéis são orientados para o sul, e no hemisfério sul são orientados para o norte. Dentro da zona tropical, o sol declina para norte e para sul durante as diferentes estações do ano, o que pode fazer com que um painel corretamente orientado, não receba os raios solares diretamente em alguns períodos do ano. Nesses casos é recomendável a utilização de mastros, tanto para as pequenas instalações, quanto para as grandes usinas.
Este último caso se beneficia dos sistemas de seguimento do sol (sun-tracking). No caso das instalações residenciais, ou as que aproveitam o espaço livre dos telhados, o melhor é compensar essa dificuldade durante os cálculos do projeto.
Em todo caso devem ser evitados os ângulos maiores que 30°, tanto para Leste, quanto para Oeste.
Para cada 15° de desvio do Norte geográfico, teremos uma hora de diferença para a captação máxima. Para Leste, haverá um adiantamento, e para Oeste haverá atraso. O adiantamento em determinadas localidades pode ser benéfico, como em locais tropicais, onde chove no meio ou fim da tarde, prejudicando a geração.
Além disso, a maior irradiância que acontece ao meio dia solar não será aproveitada em sua totalidade.
Também não é recomendável distribuir os módulos nas duas águas de um telhado não orientado para o norte, pois teríamos pouco mais da metade da geração durante a manhã, e o mesmo valor durante a tarde.
6.4.2 INCLINAÇÃO
A inclinação ideal dos painéis fotovoltaicos varia de acordo à Latitude da localidade, e quanto ao tipo de sistema fotovoltaico. Para sistemas isolados um painel com maior inclinação é recomendável, pois garante maior captação nos períodos de menor irradiância, próximo ao solstício de inverno. Para os sistemas conectados à rede, inclinações menores propiciam maior captação nos períodos próximos ao solstício de verão, o que gera mais energia e, nos países com tarifas diferenciadas, maiores ganhos financeiros.
É possível calcular a melhor inclinação, para um sistema isolado, utilizando a seguinte equação:
β = φ + (φ/4)
Onde:
β = inclinação do painel em relação ao plano horizontal.
φ = Latitude da localidade
Esta equação retorna um valor aproximado, e a inclinação real pode ser arredondada em até 5° sem perda de desempenho.
Para os sistemas conectados à rede, podemos utilizar a seguinte equação:
β = 3,7+0,69φ
76
Em latitudes 15° entre 30° podemos aproximar os cálculos em:
• Latitude + 5°, para sistemas autônomos;
• Latitude – 5°, para sistemas on-grid.
Em nenhum dos casos é recomendável inclinações menores que 10°, pois a
limpeza natural dos módulos pela água da chuva será prejudicada. Isso é especialmente importante em sistemas autônomos instalados em localidades remotas ou inóspitas, nas quais a manutenção é reduzida.
77
ANOTAÇÕES
78
REFERÊNCIAS
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – Conceitos e Aplicações – Sistemas Isolados e Conectados à Rede 2ª Edição. Editora Érica, 2015.
OS SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – Livro Digital de Introdução aos Sistemas Solares. BlueSol Educacional.
GREENPRO. Energia Fotovoltaica- Manual de Tecnologias, Projeto e Instalação.
CERAGIOLI, Paulo César. Manual de Energia Solar Fotovoltaica.
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de
Salvo Brito. Grupo de Trabalho de energia Solar. Manual de Engenharia Para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CRESESB, 1999.
Caderno Temático - Micro e Minigeração Distribuída Sistema de Compensação de Energia Elétrica. ANEEL.
2ª Edição do Atlas Brasileiro de Energia Solar
RENEWABLES 2019 GLOBAL STATUS REPORT
BP Statistical Review of World Energy 2019 | 68th Edition
