Painel e arranjo fotovoltaico e inversores autorregulares

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 um grande número de módulos, mas, na verdade, podemos ter vários painéis, do ponto de vista elétrico. Quando a potência de um painel é muito grande, de tal maneira que as correntes elétricas geradas são demasiadamente grandes para os 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.

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 ipo de telha ou de madeiramento – a estrutura que suporta o telhado. Nas instalações em plano horizontal deve ser verificada a altura mínima e também as cargas de vento que adicionam um esforço mecânico aos suportes e ancoragens.

Em todos os casos deve ser observada a correta orientação e inclinação do painel. A correta orientação permite captar o máximo de energia ao meio dia solar e horas próximas, que é o momento de maior concentração da radiação solar. A inclinação adequada permite a melhor captação durante o ano, compensando a menor irradiância nos períodos de inverno, no caso dos sistemas autônomos, ou maximizando a captação e geração nos períodos de verão, no caso das instalações on-grid.

Figura 60 - Painel fotovoltaico montado em telhado

Para fixar os módulos em telhados, é necessário instalar um perfil de suporte que pode ser afixado nas telhas (no caso de telhas metálicas) ou no suporte do telhado (no caso de telhas de cerâmica/argila ou concreto.

Figura 61 - Presilha para telhas de argila

Em todos os casos deve-se ter especial cuidado quando à impermeabilização, tanto pelo sistema fotovoltaico, quanto pela própria edificação.

Figura 62 - Presilha para telhas de metal

As presilhas são dispostas 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.

Figura 63 - Módulos montado sobre o perfil de suporte

O que prende os módulos ao perfil de suporte são as presilhas rosqueadas, que são adaptáveis à grande maioria dos módulos, tanto os standard quando os non-standard, desde que sejam emoldurados e a sua moldura esteja dentro dos padrões (com espessura entre 3 e 4,5cm).

Figura 64 - Detalhes das presilhas e peril de suporte dos módulos para telhados

Nas estruturas em telhado inclinado, principalmente os de telhas de argila, não é recomendável 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 65 - Suporte com correção da inclinação, instalado em telhado metálico

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.

Figura 66 - Painéis fotovoltaicos montados no chão, com inclinação adequada

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 67 - Suporte para instalação em plano horizontal

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.

A inclinação ideal dos painéis fotovoltaicos varia de acordo à Latitude da localidade, e também quanto ao ipo 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

Em latitudes acima de entre 15° e 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.

Os mastros comportam bem os sistemas de rastreamento solar, que só são rentáveis nos grandes sistemas.

Figura 68 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreio solar

No caso de pequenos sistemas dentro da zona tropical, mesmos os residenciais, o uso de um suporte em mastro permite a mudança manual da inclinação e orientação, pelo técnico responsável pela manutenção.

Figura 69 - Painel fotovoltaico em mastro

Tanto nos sistemas maiores,quanto nas pequenas instalações, é importante evitar a projeção de sombras sobre o painel fotovoltaico.No caso das instalações menores, as sombras a serem evitadas são das árvores e edificações ao redor. Para se calcular a projeção das sombras durante o dia, é necessário conhecer a posição do sol em cada momento, nas diferentes estações do ano.

Figura 70 - Diferenças na posição do sol nas diferentes estações do ano

Para fazer cálculos de sombreamento mais sofisticados, é recomendável o uso de softwares específicos, que através de uma imagem digital, devidamente orientada, descrevem a trajetória do sol e as projeções de sombras.

Para calcular uma sombra simples, podemos recorrer a equações simplificadas que dão bons resultados, podendo ser adicionadas a planilhas automáticas de dimensionamento, facilitando o seu uso. Essas equações não são recomendadas para sistemas complexos, em localidades urbanas com grande quantidade de altos edifícios circunvizinhos ao local de instalação do painel fotovoltaico.

Figura 71 - Relações geométricas entre possíveis geradores de sombra

No caso de sombras causadas por objetos frontais, podemos calcular a sombra no solstício de inverno, quando a projeção é maior. Se conseguirmos evitar essa sombra, nesse período, evitaremos as sombras o ano todo. Nas Latitudes abaixo de 20° há o risco de objetos anteriores projetarem sombras, já que em tais localidades o sol declina a sul em alguns períodos do ano.

Em localidades com Latitude entre 0° e 15° a situação é mais critica, pois o sol declina a sul em metade do ano. Portanto o entorno do painel fotovoltaico deve ser vistoriado a procura de possíveis causadores de sombra.

A seguinte equação permite o cálculo da projeção de sombras frontais:

Onde:

d = distância entre o painel e um obstáculo frontal;

z = altura do obstáculo;

hº= altura solar, no solstício de inverno, ao meio dia solar; O fator h° pode ser calculado mediante a seguinte equação:

Figura 72 - Distância mínima entre o painel e um obstáculo frontal

No caso de instalações que dispõem de grande quantidade de painéis, como a mostrada na figura 62, utilizamos a seguinte equação:

Figura 73 - Cálculo da distância entre paíneis

d² = Z * cos ß

Estas equações calculam a projeção de sombra ao meio-dia-solar. Para estender às duas horas próximas, adicione 25% ao valor encontrado para d.

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 luindo nas linhas de distribuição, copiando esse padrão e fornecendo o mesmo ipo 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.

O dispositivo responsável pela injeção de energia na rede é o inversor grid-ie. Devido ao seu alto grau de sofisticação, os inversores grid-ie 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-ie possuem.

Figura 74 - Diagrama de ligação com a rede, de um sistema PV on-grid

Os inversores grid-ie 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-ie para sistemas com potência-pico até 5 kWp são, geralmente, monofásicos. Para sistemas de maior potência, geralmente trifásicos. Existem tanto grandes inversores centrais trifásicos, quanto inversores monofásicos que podem ser agrupados, formando se assim, um sistema trifásico.

Figura 75 - Inversores Grid-Tie

Para fornecer o máximo de energia à rede, o inversor grid-ie deve operar no ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico. Como o MPP muda de acordo às condições climatológicas, o inversor deve possuir um sistema de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT sigla em inglês de maximum power point tracker), que ajusta automaticamente a tensão de entrada do inversor, de acordo à tensão MPP a cada instante.

São funções do inversor grid-ie:

1. Converter a corrente contínua, gerada pelo arranjo fotovoltaico, em corrente alternada, de acordo com funcionamento da rede de distribuição;
2. Ajustar-se ao ponto de máxima potência (MPP) do arranjo fotovoltaico, conseguindo o seu maior rendimento;
3. Registro Operacional, guardando/transmitido os dados durante o seu funcionamento, através de displays, cartões de memória, transmissão direta a computador, etc.
4. 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.

De acordo ao seu modo de operação, os inversores grid-ie podem ser classificados em inversores controlados/chaveados pela rede e inversores autocontrolados.

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 ipo 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 76 - Inversor chaveado pela rede com ponte de tiristores

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 ipo de inversor não possa funcionar de modo autônomo. Durante o seu funcionamento são gerados pulsos de corrente de onda quadrada, por isso este ipo de inversor também é chamado de inversor de onda quadrada.

Figura 77 - Formato da tensão e da corrente de um inversor comutado pela rede

As diferenças da forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o aparecimento de grandes distorções harmônicas e alto consumo de potência 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.

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);
• Transístores bipolares;
• GTO (Tiristor de Desligamento Pela Porta – até 1kHz); 
• IGBT (Transistor bipolar de porta isolada);

Figura 78 - Diagrama de ponte de MOSFET’s em inversor auto-chaveado

Através do princípio de modulação por largura de pulso (PWM) estes componentes eletrônicos conseguem reproduzir muito bem uma onda senoidal.

Através do chaveamento rápido do estado dos componentes em frequências em torno de 10-100 kHz, são formados pulsos, com duração e espaçamento semelhantes aos de uma onda senoidal. Após o uso de um 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 Européia (EC) geralmente mantém os valores de EMC abaixo dos limites.

Os inversores auto-chaveados são adequados, a princípio, para sistemas fotovoltaicos autônomos. Se forem conectados à rede, a frequência da potência injetada deve ser sincronizada com a da rede, gerando os pulsos de chaveamento de acordo com essa frequência.

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 79 - Diagrama de um Inversor com transformador

Devido ao isolamento, o inversor permite que o arranjo fotovoltaico forneça tensões menores, torna desnecessário o aterramento conjunto do inversor e do arranjo fotovoltaico e reduz interferências 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

Utilizando transformadores em alta frequência – 10-50 kHz, conseguem-se menores tamanhos, menores perdas, menor peso e menor custo. Entretanto, o circuito deste ipo de inversor é mais complexo, fazendo com que a diferença de preço não seja tão significativa.

Para potências menores, temos os inversores sem transformadores, cujas vantagens são os menores: tamanho, peso, perdas e custo. Neste ipo 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 6 - Comparação entre os tipos de inversores

A seguir veremos as principais características que se destacam nos inversores grid-ie comerciais.

Eficiência de Conversão (Conversion Eiciency) – 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.

Onde:
PCA  = Potência de Saída Efetiva
PCC = Potência  de  Entrada    Efetiva

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.

Os primeiros inversores grid-ie 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 garanir 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.

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 (data-sheets). Além disso, frequentemente, é exibida a eficiência máxima, que geralmente é entre 50% e 80% da potencia 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.

Figura 80 - Curvas característica 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.

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 européia).

Figura 81 - Frequência e energia de diferentes classes de irradiância, baseado em um sistema inclinado em 30° em Munique, Alemanha

Observamos que, nessa região, raramente há irradiâncias em torno de 800 W/m², o que faz os inversores funcionarem em regime parcial. Considerando diferentes cenário de carga, a Eiciência Euro é calculada através da média de eficiências estáticas em 6 regimes – carga nominal e mais cinco cargas parciais:

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.

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 ipos 1 e 2 são os adequados a subdimensionamentos nas condições descritas acima.

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.

Figura 82 - Dispositivos de aquisição de dados para inversores SMA

Em geral os dispositivos coletam as seguintes informações:

Os mais novos modelos possuem ainda, interfaces mais modernas, como USB, Bluetooth e Wi-Fi, permitindo a comunicação de um dispositivos com os que estão próximos, e a unificação mais simples dos dados de vários aparelhos.

As tabelas abaixo demonstram as características que costumam aparecer nas tabelas de dados dos inversores grid-ie, e são de extrema importância na hora de escolher o melhor dispositivo para determinado sistema fotovoltaico.