O projeto dos arranjos fotovoltaicos

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para se enfrentar os desafios dos novos tempos. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas, em sua maioria, da energia do Sol. Um arranjo fotovoltaico é um conjunto de módulos fotovoltaicos ou subarranjos fotovoltaicos mecânica e eletricamente integrados, incluindo a estrutura de suporte. Não inclui sua fundação, aparato de rastreamento, controle térmico e outros elementos similares. Um arranjo fotovoltaico com aterramento funcional possui um condutor intencionalmente conectado à terra com o objetivo de garantir o correto funcionamento do sistema, ou seja, por propósitos não relacionados à segurança, por meios que não estejam em conformidade com os requisitos para equipotencialização de proteção. Conheça os requisitos de projeto das instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, incluindo disposições sobre os condutores, dispositivos de proteção elétrica, dispositivos de manobra, aterramento e equipotencialização do arranjo fotovoltaico.

fotovoltaica2Hayrton Rodrigues do Prado Filho –

A partir da energia do Sol se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade ou hidroeletricidade. A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar.

As reações químicas às quais a matéria orgânica foi submetida, a altas temperaturas e pressões, por longos períodos de tempo, também utilizaram o Sol como fonte de energia. É também por causa da energia do Sol que a matéria orgânica, como a cana-de-açúcar, é capaz de se desenvolver, fazer fotossíntese para, posteriormente, ser transformada em combustível nas usinas.

A energia solar fotovoltaica é a obtida por meio da conversão direta da luz em eletricidade, denominado efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839. Ele é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão.

A Terra recebe anualmente 1,5 x 1018 kWh de energia solar, o que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.).

Uma das possíveis formas de conversão da energia solar é conseguida por meio do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas que são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em eletricidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o material mais empregado.

No Hemisfério Sul, o sistema de captação solar fixo deve estar orientado para o norte geográfico de modo a melhor receber os raios solares durante o ano, e ser colocado inclinado com relação à horizontal de um ângulo próximo ao da latitude do lugar, conseguindo-se captar um máximo de energia solar ao longo do ano.

É evidente que, próximo à linha do Equador, o melhor posicionamento é o horizontal, sendo dada, no entanto, pequena inclinação para a drenagem de água na superfície externa do equipamento. Há entretanto, como mencionado, outras formas de montagem para um sistema de captação solar que seguirá o Sol.

Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possuir uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente vazia a temperaturas muito baixas. A separação entre as duas bandas de energia permitida dos semicondutores é da ordem de 1 eV (elétron Volt), o que os diferencia dos isolantes onde o intervalo é de vários eV.

Isso faz com que os semicondutores apresentem várias características interessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade com a temperatura, devido à excitação térmica de portadores da banda de valência para a banda de condução.

Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons, na faixa do visível, com energia superior ao do material, excitarem os elétrons na banda de condução. Esse efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, também chamados de intrínsecos, não garante por si só o funcionamento de células fotovoltaicas.

Para obtê-las é necessário uma estrutura apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente útil. O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuir quatro elétrons de ligação que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará sobrando, fracamente ligado a seu átomo de origem. Isso faz com que, com pouca energia térmica, esse elétron se livre, indo para a banda de condução.

A NBR 16690 de 10/2019 – Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos – Requisitos de projeto estabelece os requisitos de projeto das instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos, incluindo disposições sobre os condutores, dispositivos de proteção elétrica, dispositivos de manobra, aterramento e equipotencialização do arranjo fotovoltaico. O escopo inclui todas as partes do arranjo fotovoltaico até, mas não incluindo, os dispositivos de armazenamento de energia, as unidades de condicionamento de potência ou as cargas.

Uma exceção é a de que disposições relativas a unidades de condicionamento de potência e/ou a baterias são abordadas apenas onde a segurança das instalações do arranjo fotovoltaico está envolvida. A interligação de pequenas unidades de condicionamento de potência em corrente contínua para conexão a um ou dois módulos fotovoltaicos também está incluída no escopo.

O objetivo é especificar os requisitos de segurança que surgem das características particulares dos sistemas fotovoltaicos. Os sistemas em corrente contínua, e arranjos fotovoltaicos em particular, trazem riscos além daqueles originados de sistemas de potência convencionais em corrente alternada, incluindo a capacidade de produzir e sustentar arcos elétricos com correntes que não sejam maiores do que as correntes de operação normais (ver Anexo D).

Em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, os requisitos de segurança descritos são, contudo, criticamente dependentes da conformidade dos inversores associados ao arranjo fotovoltaico com os requisitos da IEC 62109-1 e da IEC 62109-2. Não se aplica aos arranjos fotovoltaicos menores que 100 Wp (nas condições-padrão de ensaio – STC) ou com tensão de circuito aberto menor que 35 V cc ou maior que 1 500 V cc (nas STC).

Os requisitos adicionais podem ser necessários para instalações mais especializadas, como, por exemplo, sistemas com concentrador, sistemas de rastreamento solar ou sistemas integrados à edificação. Os requisitos adicionais podem ser obtidos, por exemplo, nas especificações de fabricantes. Os arranjos fotovoltaicos são utilizados para fornecer energia a um circuito de aplicação. A figura abaixo ilustra a configuração funcional geral de um sistema fotovoltaico.

Três tipos de circuitos de aplicação são considerados nesta norma: arranjo fotovoltaico conectado a cargas em corrente contínua; arranjo fotovoltaico conectado a um sistema em corrente alternada via unidade de condicionamento de potência (UCP) que inclui ao menos a isolação galvânica; e arranjo fotovoltaico conectado a um sistema em corrente alternada via UCP que não inclui isolação galvânica.

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A conexão de um arranjo fotovoltaico à terra é caracterizada pela existência ou não de qualquer aterramento por razões funcionais, pela impedância desta conexão à terra e, também, pelo tipo de aterramento do circuito de aplicação (por exemplo, inversor ou outro equipamento) a que o arranjo fotovoltaico está conectado. Isto e a localização do ponto de aterramento afetam a segurança do arranjo fotovoltaico (ver Anexo B).

As especificações dos fabricantes de módulos fotovoltaicos e de UCP a que o arranjo fotovoltaico é conectado devem ser levadas em consideração na determinação do tipo de esquema de aterramento mais apropriado. O aterramento por razões de proteção de qualquer condutor vivo do arranjo fotovoltaico não é permitido.

O aterramento funcional deve ser feito de acordo com todas as condições a seguir: existir no mínimo isolação galvânica entre os circuitos em corrente contínua e em corrente alternada. Esta isolação pode ser tanto interna quanto externa à UCP.

Quando for externa à UCP e a UCP for um inversor, este deve ser compatível com este tipo de configuração e a isolação galvânica deve ser realizada por: um transformador por inversor; ou um transformador com diversos enrolamentos, com um enrolamento para cada inversor. O inversor deve ser compatível com este tipo de configuração. O aterramento de um dos condutores vivos em corrente contínua deve ser feito em um único ponto do arranjo fotovoltaico, próximo à entrada em corrente contínua da UCP ou na própria UCP, preferencialmente o mais próximo possível do dispositivo interruptor-seccionador do arranjo fotovoltaico, entre este dispositivo e a entrada em corrente contínua da UCP.

Destaca-se que uma das seguintes condições adicionais pode ser aplicada: quando um condutor vivo do arranjo fotovoltaico for diretamente aterrado por razões funcionais, é requerida proteção por desconexão automática do aterramento para eliminar qualquer corrente de falta pelo condutor do aterramento funcional. Quando um condutor vivo do arranjo fotovoltaico for aterrado por razões funcionais via resistência, é requerida proteção por um dispositivo supervisor de isolamento.

Os esquemas elétricos de arranjos fotovoltaicos apresentam as configurações elétricas básicas formados por uma única série fotovoltaica, múltiplas séries fotovoltaicas e múltiplos subarranjos fotovoltaicos conectados a uma UCP com apenas uma entrada em corrente contínua e as configurações com UCP de múltiplas entradas em corrente contínua com seguimento do ponto de máxima potência (SPMP) individuais ou conectadas em paralelo internamente à UCP. Arranjos fotovoltaicos são frequentemente conectados à UCP com múltiplas entradas em corrente contínua.

Se múltiplas entradas em corrente contínua estiverem em uso, o dimensionamento da proteção contra sobrecorrente e dos condutores nos vários setores do arranjo fotovoltaico dependente criticamente do limite da corrente de realimentação fornecida pelos circuitos de entrada da UCP (ou seja, a corrente que flui da UCP para um setor do arranjo fotovoltaico proveniente das demais setores). Quando os circuitos de entrada da UCP oferecerem SPMP individuais, a proteção contra sobrecorrente dos setores do arranjo fotovoltaico conectadas a cada uma destas entradas deve levar em consideração qualquer corrente de realimentação conforme especificado na IEC 62109-1.

Cada setor do arranjo fotovoltaico conectado a uma entrada pode ser tratado, para os fins desta norma, como um arranjo fotovoltaico independente. Cada arranjo fotovoltaico deve possuir um dispositivo interruptor-seccionador para prover a isolação do inversor. Aplicam-se as disposições para múltiplos dispositivos interruptores-seccionadores em 6.3.7, e um sinal de alerta, conforme requerido em 10.5.2, deve ser fornecido.

Quando os múltiplos circuitos de entrada de uma UCP forem conectados em paralelo internamente em um barramento em corrente contínua comum, cada setor do arranjo fotovoltaico conectado a cada uma das entradas deve ser tratado, para os efeitos desta norma, como um subarranjos fotovoltaico e todos os setores combinados devem ser tratados como um arranjo fotovoltaico completo. Cada subarranjo fotovoltaico deve possuir um dispositivo interruptor-seccionador para prover a isolação do inversor.

Aplicam-se as disposições para múltiplos dispositivos interruptores-seccionadores em 6.3.7, e um sinal de alerta, conforme 10.5.2, deve ser fornecido. O subarranjo fotovoltaico na entrada da UCP cc deve observar os requisitos estabelecidos nesta norma. Os circuitos de saída das UCP cc podem ser conectados em série e/ou em paralelo. Na conexão em série, todas as saídas são ligadas em série para formar uma única série fotovoltaica.

Não são exigidos dispositivos interruptores-seccionadores nos circuitos entre o módulo fotovoltaico e a UCP cc desde que a entrada da UCP cc esteja disposta de maneira que: a tensão máxima por entrada da UCP cc seja limitada na faixa I da tabela A.1 da NBR 5410; exista dispositivo de obstrução de entradas em aberto para garantir, no mínimo, o mesmo grau de proteção IP do equipamento; o comprimento do cabo entre o módulo fotovoltaico e a UCP cc não seja maior que 5 m. Os requisitos para dispositivos interruptores-seccionadores entre o arranjo fotovoltaico e a UCP devem ser os mesmos das outras configurações de arranjo fotovoltaico, como descrito nesta norma.

Considerando as especificações de tensão e de corrente dos equipamentos a jusante do circuito formado pelas UCP cc, se a UCP cc possuir proteção contra faltas, de modo que não haja possibilidade de produzir tensão superior à tensão nominal da UCP a qual está conectada sob condições operacionais normais ou condições de falta simples, os dispositivos interruptores-seccionadores e o cabeamento podem ser dimensionados em relação à tensão e às correntes máximas de entrada da UCP.

Baterias em sistemas fotovoltaicos podem ser uma fonte de altas correntes de falta e devem possuir proteção contra sobrecorrente. A localização do dispositivo de proteção contra sobrecorrente em sistemas fotovoltaicos com bateria geralmente é entre a bateria e o controlador de carga e tão perto quanto possível da bateria. Este dispositivo de proteção contra sobrecorrente pode ser utilizado para fornecer proteção contra sobrecorrente para o cabo do arranjo fotovoltaico desde que ele tenha sido projetado para suportar uma corrente igual ou superior à corrente nominal do dispositivo de proteção contra sobrecorrente da bateria. A proteção contra sobrecorrente deve ser instalada em todos os condutores vivos não aterrados.

Em qualquer instalação, as fontes de correntes de falta necessitam ser identificadas. Sistemas com baterias têm altas correntes de falta devido às características próprias das baterias – baixa resistência interna. Em um sistema fotovoltaico sem baterias, as células fotovoltaicas (e consequentemente os arranjos fotovoltaicos) comportam-se como fontes de corrente durantes faltas com baixa impedância.

Desta forma, correntes de falta não são muito maiores do que as correntes de carga total normais, mesmo sob condições de curto-circuito. A corrente de falta depende do número de séries fotovoltaicas, da localização da falta e do nível de irradiância. Isto faz com que a detecção de curto-circuito dentro de um arranjo fotovoltaico seja muito difícil.

Arcos elétricos podem ser formados em um arranjo fotovoltaico com correntes de falta que não provocariam a atuação de um dispositivo de proteção contra sobrecorrente. As implicações para o projeto elétrico de arranjos fotovoltaicos que surgem a partir destas características são as seguintes: a possibilidade de faltas entre as linhas e a terra e de desconexões inadvertidas entre cabos no arranjo fotovoltaico necessita ser minimizada; detecção de falta à terra e interrupção da falta podem ser necessárias como parte das funções do sistema de proteção, dependendo do tamanho do arranjo e da localização da falta, para eliminar o risco de incêndio.

A temperatura máxima de operação de qualquer componente da instalação não pode ser excedida. As características nominais de módulos fotovoltaicos são obtidas nas STC (25 °C). Em condições normais de operação, a temperatura das células fotovoltaicas aumenta significativamente acima da temperatura ambiente. Por exemplo, um aumento típico de temperatura de 35 °C é comum em relação à temperatura ambiente em módulos fotovoltaicos de silício cristalino operando no ponto de máxima potência, mesmo com menos de 1.000 W/m² de irradiância e com ventilação adequada.

O aumento na temperatura das células fotovoltaicas pode ser consideravelmente maior quando os níveis de irradiância forem maiores que 1 000 W/m² e os módulos fotovoltaicos tiverem pouca ventilação. Os requisitos para a detecção de faltas à terra, as ações de proteção e os alarmes necessários dependem do tipo de aterramento do sistema e se a UCP possui ou não isolação galvânica entre o arranjo fotovoltaico e o circuito de saída em corrente alternada (por exemplo, a rede elétrica). A tabela abaixo apresenta os requisitos para as medidas de resistência de isolamento e supervisão da corrente residual do arranjo fotovoltaico, bem como as ações e indicações requeridas em caso de uma falta ser detectada.

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Em uma UCP não isolada conectada a um circuito de saída aterrado (por exemplo, a rede elétrica), uma falta à terra do arranjo fotovoltaico irá provocar um fluxo de corrente potencialmente perigoso assim que o conversor de potência se conectar ao circuito ligado à terra. Por exemplo, um inversor conectado à rede elétrica, devido à ligação de neutro aterrado na rede, não pode se conectar à rede em caso de falhas de isolação no arranjo fotovoltaico.

Em uma UCP isolada, se uma falta à terra no arranjo fotovoltaico flutuante ou com aterramento funcional não for detectada, uma falta à terra subsequente pode causar fluxos de corrente perigosos. A detecção e a indicação da primeira falta à terra são necessárias. Deve ser fornecido um meio de medir a resistência de isolamento do arranjo fotovoltaico à terra antes de iniciar a operação e ao menos uma vez a cada 24 h. Durante a medição, o aterramento funcional deve ser desconectado.



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