As normas técnicas para a energia solar fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica é a obtida por meio através da conversão direta da luz do sol em eletricidade e a célula fotovoltaica é a unidade fundamental para este processo.

Da Redação –

solar

O efeito fotovoltaico é um recurso de alta tecnologia na conversão de luz solar diretamente em energia elétrica, visando alimentar os diversos tipos de carga, sejam elas acionadas por corrente contínua (cc) ou corrente alternada (ca). A tecnologia fotovoltaica vem sendo usada, em muitas aplicações seja em sistemas híbridos, conectados à rede elétrica ou isolados. Os sistemas isolados são predominantes principalmente quando se tratam de locais remotos, ou até mesmo para consumidores que residem em áreas urbanas mas possuem recurso financeiro para escolher o tipo de sistema que deseja utilizar.

Deve ser ressaltado que a adoção da tecnologia fotovoltaica, como alternativa para a gerar energia elétrica, requer um estudo da energia solar disponível na região, como, por exemplo, o nível de insolação da região, e de um estudo sobre a possibilidade de extensão da rede elétrica convencional até o local onde se deseja utilizar a eletricidade.

Para esses sistemas há duas normas. A NBR 16149 de 03/2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição estabelece as recomendações específicas para a interface de conexão entre os sistemas fotovoltaicos e a rede de distribuição de energia elétrica e estabelece seus requisitos. Aplica-se aos sistemas fotovoltaicos que operam em paralelo com a rede de distribuição. Não contempla compatibilidade eletromagnética e os procedimentos de ensaio de anti-ilhamento. Os requisitos para a conexão dos sistemas fotovoltaicos à rede podem variar quando é utilizado um sistema de armazenamento de energia ou os sinais de controle e comando são provenientes da distribuidora.

A NBR 16150 de 03/2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) — Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição — Procedimento de ensaio de conformidade especifica os procedimentos de ensaio para verificar se os equipamentos utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede de distribuição de energia estão em conformidade com os requisitos da NBR 16149. Aplica-se aos conversores estáticos mono ou polifásicos utilizados em sistemas fotovoltaicos de conexão à rede elétrica, conhecidos como inversores de conexão à rede e, aos outros componentes utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede de distribuição de energia. Não trata dos procedimentos de ensaio contra ilhamento, os quais são tratados na NBR IEC 62116 bem como não trata dos procedimentos de ensaio referentes às IEC 62109-1 e IEC 62109-2.

A norma determina que a qualidade da energia fornecida pelo sistema fotovoltaico às cargas em corrente alternada locais e à rede elétrica é regida por práticas e normas referentes à tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência. O desvio dos padrões estabelecidos por essas normas caracteriza uma condição anormal de operação, devendo o sistema fotovoltaico deve ser capaz de identificar esse desvio e cessar o fornecimento de energia à rede.

Todos os parâmetros de qualidade de energia (tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência) devem ser medidos na interface da rede/ponto de conexão comum, exceto quando houver indicação de outro ponto.

A tensão, a potência e a frequência do sistema fotovoltaico devem ser compatíveis com a rede elétrica local. Os valores nominais de frequência e tensão estão contidos nas seções pertinentes do Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST).

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede normalmente não regulam tensão, e sim a corrente injetada na rede. Portanto, a faixa operacional normal de tensão do sistema fotovoltaico é selecionada como uma função de proteção, que responde às condições anormais da rede. O sistema fotovoltaico deve operar dentro dos limites de variação de tensão definidos no item 5.2.1.

A operação do sistema fotovoltaico não pode causar cintilação acima dos limites mencionados nas seções pertinentes das IEC 61000-3-3 (para sistemas com corrente inferior a 16 A), IEC 61000-3-11 (para sistemas com corrente superior a 16 A e inferior a 75 A) e IEC/TS 61000-3-5 (para sistemas com corrente superior a 75 A).

As formas de onda devem ser medidas por um instrumento de medição com armazenamento de dados, por exemplo, um osciloscópio com memória ou um sistema de aquisição de dados, com taxa de amostragem de 10kHz ou superior. A exatidão de medida deve ser melhor ou igual a 1 % da tensão nominal de saída do inversor e melhor ou igual a 1 % da corrente de saída nominal do inversor.

Para a medição da tensão, frequência, corrente e potência de entrada e saída do Energy Solar Electric (ESE), deve-se utilizar instrumentos de medição com exatidão de medida melhor ou igual a 0,2 % da leitura de tensão, melhor ou igual a 0,01 Hz, melhor ou igual a 1 % da corrente nominal do ESE e melhor ou igual a 0,5 % da leitura de potência, respectivamente.

Para um ESE polifásico, os equipamentos de ensaio e medida devem registrar cada corrente de fase e cada tensão fase neutro ou fase fase, de acordo com o que for mais apropriado ao ensaio. Para a medição do fator de potência e componente contínua, deve-se utilizar um instrumento de medição, por exemplo, um analisador de qualidade de energia ou sistema de aquisição de dados, que seja capaz de medir esses parâmetros com exatidão melhor ou igual a 0,5%. O instrumento de medição da THDi deve estar em conformidade com a IEC 61000-4-7. O instrumento de medição do ângulo de fase da tensão deve ter exatidão melhor ou igual a 10.

Um problema significativo é criado quando os custos de um sistema conectado à rede são erroneamente aplicados aos sistemas isolados ou híbridos. Os sistemas isolados ou híbridos necessitam de outros componentes tais como baterias, geradores de apoio, assim como sistemas de controle. Os custos destes componentes aumentam o custo global do sistema fotovoltaico, por exemplo, em residências onde a energia elétrica é exclusivamente fornecida através de sistema fotovoltaico, a bateria e outros componentes de controle são indispensáveis.

No final da década 70 e início da década de 80, um estudo feito nos Estados Unidos, paralelo ao programa de incentivo ao uso de sistemas fotovoltaicos em diversas regiões do país, constatou que o custo com estes equipamentos (incluindo preparação do local, fundações, estrutura, instalação elétrica e preparação do sistema) representavam dois terços do custo total de aquisição de equipamentos de um sistema fotovoltaico, ou seja, cerca de 67% do valor total, para sistemas que utilizavam coletores do tipo placa plana. Atualmente, estes dados não apresentam valores muito diferentes. Ou seja, em alguns casos, pode tornar-se possível a minimização de alguns custos que não estão ligados diretamente aos equipamentos fotovoltaicos como, por exemplo, o tipo de fundação, a escolha do material, mão de obra de instalação, etc.

Uma planta básica para conversão de energia solar em energia elétrica é composta dos seguintes elementos físicos e construtivos:

– radiação solar – a radiação solar é uma forma energia emitida pelo sol devido a sua temperatura. Portanto, a radiação pode ser considerada como o combustível de um sistema de potência solar.

– módulo fotovoltaico – o módulo é composto de várias células fotovoltaica interligadas.

– regulador de carga – é o elo entre o módulo, bateria e equipamentos. Ele protege a bateria de sobrecargas ou de descarga excessiva.

– inversor ou conversor – esse elemento é responsável pela conversão de corrente contínua (cc) gerada pelo módulo fotovoltaico em corrente alternada (ca).

– bateria – é o elemento responsável pela estocagem da energia gerada pelo módulo solar.

– estrutura de montagem – é o suporte de fixação do módulo em seu local de funcionamento.

Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em autônomos e interligados à rede. Os autônomos podem se dividir naqueles que só fornecem corrente continua, aqueles que fornecem corrente alternada e ainda existem aqueles que fornecem ambas as correntes. Os autônomos produzem eletricidade independentemente de outras fontes de energia. Existem sistemas autônomos utilizados para bombeamento de água, sendo a água armazenada no reservatório para utilização no instante do consumo.

Os sistemas autônomos com armazenamento são utilizados onde se necessita alimentar cargas à noite ou em períodos nublados. Eles compreendem a maioria das aplicações de sistemas fotovoltaicos em regiões remotas ao redor do mundo sendo a eletrificação rural a mais difundida. Podem operar em conjunto com uma outra fonte geradora de energia (geradores eólicos, diesel etc.). Em certas situações podem ser mais econômicos que os sistemas fotovoltaicos puros no fornecimento de eletricidade em projetos isolados de maior escala.

Um sistema fotovoltaico, complementado por outra fonte de energia, requer menor potência instalada de painéis fotovoltaicos e baterias, podendo reduzir os custos totais. Os sistemas interligados à rede são aqueles em que o arranjo de módulos fotovoltaicos atua como uma fonte de energia complementar ao sistema elétrico ao qual está conectado. Esses sistemas não utilizam armazenamento de energia, pois toda a energia gerada durante o dia é entregue à rede e, durante a noite ou em períodos nublados, dela é extraída a energia necessária para alimentar as cargas.

A célula solar é o dispositivo mais importante do sistema fotovoltaico, visto que é responsável pela conversão da energia solar em energia elétrica. Uma célula solar é, basicamente, um sanduíche contendo uma grade metálica, uma lâmina que coleta os raios solares, uma lâmina absorvedora dos fótons e um contato metálico posterior. Fundamentalmente, este sanduíche é fabricado de modo a conter em seu interior um campo elétrico que permita separar os portadores de carga elétrica gerados pela luz.

Nas células solares de silício cristalino, o campo elétrico interno é fabricado por processos de contaminação controlada e seletiva do material semicondutor. As impurezas mais comumente utilizadas são o fósforo (na camada coletora, semicondutor do tipo-n) e o boro (na camada absorvedora, semicondutor do tipo-p) , que permitem construir internamente a barreira de potencial desejada. A corrente elétrica produzida é coletada pelos contatos metálicos nas superfícies.

As células solares normalmente são quadradas ou redondas dependendo do processo de fabricação utilizado. Esta corrente depende da intensidade da radiação solar e da área iluminada. A tensão gerada é apenas uma fração de Volt. A célula solar mais comumente utilizada, de silício cristalino, possui uma tensão de trabalho de aproximadamente 0,5 V. Para uma utilização prática é necessário conectar várias células em série. Este conjunto de células conectadas é chamado módulo fotovoltaico.

Normalmente, são utilizadas de 30 a 36 células de silício cristalino em cada módulo, dependendo do local onde os sistemas serão instalados (clima frio ou quente). Assim, quando um módulo de 12 V é exposto ao sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, com tensão máxima variando entre 17 e 21 V. Para carregar uma bateria de 12 V, devido às perdas em cabos e diodos, os módulos devem gerar em torno de até 16 V. Para proteger as células solares, os módulos são encapsulados com materiais plásticos (EVA ou PVB). O lado onde a radiação incide é coberto com vidro temperado e a parte posterior com plástico Tedlar.

Finalmente, o módulo é emoldurado com uma estrutura de alumínio anodizado, que lhe dá rigidez e tudo isto o protege contra as intempéries. Normalmente os fabricantes dão uma garantia de 10 a 25 anos (uma garantia típica é de 25 anos para o nível de produção de energia e 10 anos contra defeitos de fabricação), porém espera-se que a vida útil dos módulos fabricados de silício cristalino seja superior a isso. Estão em desenvolvimento módulos fotovoltaicos cujas células solares não são fabricadas de silício (monocristalino, policristalino ou silício amorfo hidrogenado), tais como: disseleneto de cobre e índio (CIS), telureto de cádmio (CdTE), dentre outros.

Um número variado de módulos, por sua vez, pode ser conectado eletricamente até se alcançar a potência desejada, dependendo da quantidade de energia elétrica a ser consumida e da insolação do local, formando um painel fotovoltaico. Os módulos podem ser ligados em série ou em paralelo dependendo da corrente e tensão desejadas. A ligação em série dos módulos fotovoltaicos é feita do terminal positivo de um módulo a um terminal negativo de outro módulo, enquanto as conexões em paralelo compreendem ligações de terminais de mesma polaridade.

Por exemplo sistemas fotovoltaicos para iluminação, TV/vídeo, refrigeração, de médio porte são conectados para operar em tensões de 12 V ou 24 V. Os sistemas de bombeamento d’água trabalham normalmente em tensões superiores. Quando o módulo está exposto ao Sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, dependendo da intensidade da radiação solar e da temperatura ambiente. A capacidade de um módulo fotovoltaico é dada pela potência de pico em Wp.

A condição padrão para determinação desta potência é definida para o módulo exposto a uma radiação solar de 1000 W/m² (radiação recebida na superfície da Terra em dia claro, ao meio dia) e temperatura da célula de 25°C. Pode-se comparar estas condições a um dia ensolarado mas muito frio, ao meio dia, com o Sol a pino, sem nuvens e temperaturas amenas, o que é difícil de obter.

Existem vários outros parâmetros elétricos de um módulo, porem o mais importante é a potência que reflete, por exemplo, a capacidade de um conjunto de módulos carregar as baterias (para suprimento de cargas tais como lâmpadas, TV/vídeo etc. à noite ou em períodos chuvosos) ou encher um reservatório d’água (no caso de bombeamento d’água) o mais rápido possível.

As medidas de tensão e corrente de um módulo podem ser desenhadas em um gráfico, que é chamado Curva IxV ou curva característica do módulo (veja a figura ilustrativa abaixo). A corrente elétrica depende da irradiação solar variando significantemente com a variação da intensidade da luz. A tensão elétrica é fortemente influenciada pela temperatura. O aumento da intensidade da luz incidente no módulo aumenta a temperatura das células, diminuindo a tensão do módulo, e consequentemente reduzindo sua eficiência. A tensão diminui significativamente com o aumento da temperatura enquanto que a corrente sofre uma redução muito pequena.

É importante enfatizar que não há geração de potência para as condições de circuito aberto, Voc (porque a corrente é zero) e curto circuito, Isc (porque a tensão é zero). Consequentemente existe somente uma tensão e uma corrente para a qual a potência máxima, Pm, é extraída.

A corrente correspondente a tensão de potência máxima é chamada a corrente de potência máxima (Imp). O ponto de potência máxima (Pm) é o ponto da curva IxV para o qual a máxima potência é extraída. Este ponto corresponde ao produto da tensão de potência máxima (Vmp) e corrente e potência máxima (Imp), dado por: Pm = Imp x Vmp.

Portanto, os cinco parâmetros utilizados pelos fabricantes para especificar a característica elétrica de seus módulos, sob determinadas condições de radiação solar, temperatura ambiente e massa de ar são: potência máxima (Pm), tensão e corrente de potência máxima (Vmp, Imp), tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto circuito (Isc).

Deve-se entender que as células fotovoltaicas ou células de energia solar são feitas a partir de materiais semicondutores (normalmente o silício). Quando a célula é exposta à luz, parte dos elétrons do material iluminado absorve fótons (partículas de energia presentes na luz solar).

Os elétrons livres são transportados pelo semicondutor até serem puxados por um campo elétrico. Este campo elétrico é formado na área de junção dos materiais, por uma diferença de potencial elétrico existente entre esses materiais semicondutores. Os elétrons livres são levados para fora das células de energia solar e ficam disponíveis para serem usados na forma de energia elétrica.

O sistema fotovoltaico não requer alta irradiação solar para funcionar. Contudo, a quantidade de energia gerada depende da densidade das nuvens, de forma que um número alto de nuvens pode resultar em uma menor produção de eletricidade em comparação a dias de céu completamente aberto.

A eficiência da conversão é medida pela proporção de radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Normalmente, as células mais eficientes proporcionam 25% de eficiência.

Um sistema de produção fotovoltaica é uma fonte de energia que, através da utilização de células fotovoltaicas, converte diretamente a energia luminosa em eletricidade. Suas vantagens fundamentais incluem o não consumo de combustível, a não produção de poluição nem contaminação ambiental, ser silencioso, ter uma vida útil superior a 20 anos, ser resistente a condições climáticas extremas (granizo, vento, temperatura e umidade), não ter peças móveis e, portanto, exigir pouca manutenção (só a limpeza do painel), permitir o aumento da potência instalada por meio da incorporação de módulos adicionais.

Geralmente, é utilizado em zonas afastadas da rede de distribuição elétrica, podendo trabalhar de forma independente ou combinada com sistemas de produção elétrica e suas aplicações são: eletrificação rural: luz, TV, rádio, comunicações, bombeamento de água. eletrificação de cercas; iluminação exterior; sinalização; proteção catódica e náutica.

Como componentes do sistema há que se ter uma corrente contínua de 12V com painéis ou módulos de células fotovoltaicas, suportes para os painéis, controlador de carga de baterias e banco de baterias; para corrente alternada de 110/220V, além dos elementos anteriores, entre as baterias e o consumidor será necessário instalar um inversor de corrente com potência adequada. O inversor converte a corrente contínua (cc) das baterias em corrente alternada (ca), pois a maioria dos eletrodomésticos utiliza a corrente alternada.

Segundo o relatório Renewables 2018 Global Status Report da REN 21, a energia renovável contribuiu com 70% do acréscimo líquido para a capacidade de produção de energia eletricidade em 2017, o maior aumento de capacidade de produção através de renováveis na história moderna. No entanto, os setores do aquecimento, arrefecimento e transportes continuam a apresentar um atraso em relação ao setor eléctrico. O relatório apresentado é a visão global anual mais completa do estado das energias renováveis no mundo.

A nova capacidade de energia solar fotovoltaica atingiu níveis recordes: o aumento de energia solar fotovoltaica foi superior a 29% relativamente a 2016, representando 98 GW. Foi adicionada mais capacidade de produção através de energia solar fotovoltaica do que o acréscimo líquido do carvão, gás natural e energia nuclear juntos. A energia eólica também contribuiu para o aumento de renováveis com 52 GW adicionados a nível global.

O investimento em nova capacidade de produção através de renováveis foi mais do dobro do valor líquido da capacidade adicionada através de combustíveis fósseis e energia nuclear combinados, apesar dos contínuos subsídios elevados para a produção através de combustíveis fosseis. Mais de dois terços do investimento em produção de energia em 2017 foi através de renováveis, graças ao aumento de competitividade do preço – e é expectável que a percentagem de renováveis no sector eléctrico continue apenas a aumentar.

O investimento em renováveis concentrou-se a nível regional: China e Estados Unidos da América contabilizaram aproximadamente 75% do investimento global em renováveis em 2017. No entanto, quando contabilizado por unidade do Produto Interno Bruto (PIB), as Ilhas Marshall, Ruanda, Ilhas Salomão, Guiné-Bissau e outros países em desenvolvimento estão a investir tanto ou mais em energias renováveis do que os países desenvolvidos e as economias emergentes.

Tanto a procura de energia como as emissões de CO2 relacionadas com a energia aumentaram substancialmente pela primeira vez em quatro anos. As emissões de CO2 relacionadas com a energia aumentaram 1,4%. A nível global a procura de energia aumentou cerca de 2,1% em 2017 devido ao crescimento económico das economias emergentes e do aumento da população. O aumento de energias renováveis não está a conseguir acompanhar o aumento da procura de energia e o continuo investimento em produção fóssil e nuclear.

No setor energético, a transição para as renováveis está a acontecer, mas a um ritmo mais lento do que seria possível ou desejável. O compromisso assumido no Acordo de Paris em 2015 para limitar o aumento da temperatura global “bem abaixo” dos 2 graus Celsius em relação aos níveis pré-industriais torna mais clara a natureza deste desafio.

Na Índia, por exemplo, instalações de coletores solares térmicos aumentaram aproximadamente 25% em 2017 quando comparado com 2016. A China tem por objetivo que 2% da carga de arrefecimento dos seus edifícios seja proveniente de energia solar térmica em 2020. Nos transportes, o aumento da eletrificação oferece oportunidades para o aumento das renováveis, apesar da predominância dos combustíveis fosseis.

Mais de 30 milhões de veículos elétricos de duas e três rodas têm sido colocados nas estradas por todo o mundo a cada ano e, 1,2 milhões de automóveis eléctricos de passageiros foram vendidos em 2017, mais de 58% em relação a 2016. A eletricidade fornece 1,3% das necessidades energéticas para os transportes, das quais cerca de um quarto são renováveis e 2,9% biocombustíveis.

De uma forma geral, no entanto, 92% da procura de energia nos transportes continuam a ser satisfeita por petróleo e apenas 42 países têm metas nacionais para o uso de renováveis nos transportes. Para haver uma mudança nestes setores, tem que ser posto em prática o enquadramento político certo, incentivando a inovação e o desenvolvimento de novas tecnologias de energias renováveis.



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