Curso básico para instaladores: Fundamentos da energia fotovoltaica

1. Introdução

Existem, basicamente, duas formas de se aproveitar a energia solar: aquecimento solar e energia fotovoltaica. O aquecimento solar
aproveita a energia térmica em que se transforma a irradiação solar quando atinge um corpo. O corpo pode ser um coletor solar, onde o calor
do sol é transferido para a água que percorre o coletor e encaminhada para o reservatório.

O uso final é água quente para tomar banho, para uso em cozinhas ou em processos industriais. Aquecimento de ar é outra tecnologia simples e empregada em regiões com clima moderado, mas nunca ganhou grande escala. Resfriamento solar transforma o calor em frio, usando máquinas de gelo. Como é uma tecnologia bem mais complexa do que a combinação de energia fotovoltaica com aparelhos de ar condicionado comuns, ela perdeu viabilidade na medida que os painéis fotovoltaicos caíram de preço.

Usinas termossolares concentram a irradiação mediante espelhos para aquecer um fluído e gerar energia numa turbina. A vantagem é o armazenamento da energia térmica por algumas horas após o pôr do sol e a consequente continuação de geração de eletricidade além da presença do sol.

2. Tipos de sistemas fotovoltaicos

Podemos dividir os sistemas fotovoltaicos em três grupos conforme a figura a seguir. O primeiro é representado por bombas solares, única aplicação onde os módulos fotovoltaicos são conectados diretamente a um aparelho. Estas bombas adaptam sua velocidade à energia disponível e são indicadas em locais sem rede elétrica, como fazendas.

2.1. Sistemas autônomos (off-grid)

A característica principal de sistemas autônomos é o armazenamento da energia em baterias, para uso à noite ou em dias chuvosos. Essa tecnologia já é empregada há muitas décadas em localidades sem acesso à rede elétrica, aplicações automatizadas, como pontos de transmissão telefônica ou estações meteorológicas.

Aplicações novas incluem pontos de aluguel de bicicletas, para os quais uma instalação elétrica fixa seria muito onerosa frente ao baixo consumo de energia.

O custo das baterias e a capacidade limitada delas torna sistemas autônomos desinteressantes onde há opção para usar a rede da concessionária.

Postes solares também ganham na simplicidade da instalação, porém devem ser avaliados financeiramente em longo prazo por causa da troca das baterias no final da vida útil.

Localidades afastadas, como sítios ou aldeias na região amazônica, frequentemente contam com mais do que uma fonte de energia: solar, eólica e gerador a diesel. Neste caso, o gerador é ligado somente em última necessidade, por causa do custo de combustíveis e manutenção. A combinação requer um controle automatizado que atenda às características de cada fonte.

O termo “sistema híbrido” é ambíguo e é usado tanto para sistemas que usam fontes diferentes, explicados acima, quanto para inversores conectados à rede com baterias adicionais, que serão abordados no final do manual.

2.2. Sistemas conectados à rede (on-grid)

Usinas representam o tipo clássico de sistemas conectados à rede: toda a energia gerada é escoada instantaneamente à rede da concessionária, sem armazenamento local. Essa modalidade é denominada de Geração Centralizada (GC).

A Geração Distribuída (GD) ocorre em locais onde há consumo próprio, como residências, prédios ou empresas. A energia gerada é aproveitada em primeiro lugar na instalação local, e apenas o excedente é injetado na rede da concessionária.

No Brasil, a legislação determina que a concessionária devolva a energia injetada em outro horário, como se fosse uma bateria, apenas cobrando pelo uso da rede.

Há duas situações distintas onde a combinação com baterias em sistemas híbridos pode ser interessante: no backup solar, a energia armazenada é revertida quando a rede da concessionária falha. Neste caso, o objetivo é a segurança energética.

Já o gerenciamento de energia por baterias tem como fim uma economia financeira. A energia solar é armazenada ao longo do dia e alimenta os consumidores durante a noite ou em horário de tarifa maior (horário de ponta). Em países como a Alemanha, baterias já viraram padrão.

Uma outra opção são locais com restrição da energia injetada (zero grid, mercado livre etc.), onde a energia gerada é armazenada para não ser desperdiçada.

Os próximos capítulos que publicaremos focarão em sistemas de geração distribuída.

3. Conexão do sistema solar à instalação predial

Na geração distribuída, o sistema solar é introduzido em uma unidade de consumo que é formada por consumidores (iluminação, motores, refrigeração etc.), conectados a um quadro de distribuição, que recebe energia da rede da concessionária com medição unidirecional do consumo.

O sistema solar é composto por:

• um conjunto de módulos fotovoltaicos interligados, que gera a energia em corrente contínua, chamado de arranjo fotovoltaico; e
• inversor(es) que transformam a energia gerada para corrente alternada em sincronismo com a rede.

O sistema solar é conectado à instalação predial em algum quadro de distribuição adequado, conforme a figura acima, não necessariamente o quadro do ponto de conexão. Após aprovação da instalação, a concessionária substitui o medidor por um modelo bidirecional que mede a energia consumida e a energia injetada, de forma independente. As duas leituras são usadas para emitir a conta de energia a cada mês (abordaremos detalhes em outro capítulo).

4. Funcionamento dinâmico ao longo do dia

A figura acima mostra o fluxo de energia em momentos com geração superior ao consumo: do inversor, a energia flui em direção ao quadro de distribuição. Dali, ela alimenta os consumidores, no chamado Autoconsumo. O excedente é injetado na rede da concessionária e contabilizado pelo medidor de injeção.

Na figura acima observamos o momento de passagem de uma nuvem. A energia gerada cai instantaneamente e não supre mais a demanda total dos consumidores. A energia da concessionária complementa a energia solar.

A alimentação oscilante entre inversor e concessionária funciona em fluxo natural, sem chaveamento. O inversor simplesmente gera energia em uma tensão levemente superior à da rede, o que garante o escoamento preferencial.

A situação descrita acima ocorre em diversas ocasiões, não somente numa passagem de nuvens:

• No início e no final do dia, quando a irradiação é baixa;
• Em dias nublados ou chuvosos;
• Quando o consumo supera a geração, mesmo em dias ensolarados; e
• Na ocasião de defeitos do sistema solar

Observamos um ponto muito importante: o funcionamento dos aparelhos não depende do sol ou do sistema solar. Os moradores ou funcionários da empresa não precisam mudar sua rotina conforme o tempo – é a concessionária que garante a alimentação da unidade.

A figura acima mostra que à noite não ocorre mais geração solar (aliás, é um mito que a lua consiga gerar energia) e toda a energia é suprida pela rede da concessionária.

A figura acima mostra a situação da falta de energia. O inversor desliga automaticamente, por duas razões:

1. Primeiramente, para evitar um choque no técnico da concessionária;
2. Segundo, porque o sistema solar sem baterias não consegue garantir a potência necessária para alimentar qualquer aparelho.

O desligamento automático é chamado de proteção “anti-ilhamento” (mais detalhes no capítulo sobre inversores) e a reconexão é automática.

5. Características do sistema fotovoltaico

A instalação elétrica em uma residência ou uma empresa é simples, já que dispensa modificações na instalação existente. Apenas no quadro da conexão é inserido mais um disjuntor (vemos detalhes da instalação elétrica mais adiante).

O sistema traz as seguintes vantagens:

• Redução do custo de energia;
• Maior autonomia: para muitas pessoas é importante saber que grande parte do consumo é gerado no próprio telhado;
• Silencioso: na maioria dos inversores só se escutam os relês na hora de ligar. Alguns poucos têm um cooler de resfriamento que liga automaticamente quando o inversor esquenta
• Reduz carga térmica no prédio: a cobertura recebe muito menos sol, o que diminui a demanda por ar-condicionado na edificação.
• Um sistema de alta qualidade requer como manutenção constante somente a limpeza dos módulos, duas vezes ao ano, que é efetuada com água e um pano macio. Apenas em locais com elevada carga de sujeira atmosférica recomenda-se uma limpeza mais frequente.Além disso, uma revisão periódica da instalação física e elétrica garante a longevidade com os benefícios previstos.

Autor: Hans Rauschmayer

Rauschmayer é um reconhecido especialista em energia solar, capacitado em cursos no Brasil e na Alemanha. Consultor e instrutor do Sebrae e da Rede Tecnologia do RJ em energias renováveis, professor convidado para cursos na UFRJ, PUC-RJ entre outros. Palestrante em congressos nacionais e internacionais. Projetou o primeiro sistema solar conectado à rede no Rio de Janeiro, que também foi a primeira instalação residencial a receber o Selo Solar do Instituto Ideal.

A Solarize oferece serviços em tecnologia ambiental com foco em cursos de energia solar. Outros serviços abrangem projetos e consultoria, sempre adaptados à demanda individual do cliente. Com raízes na Alemanha e no Brasil, a Solarize também oferece serviços de consultoria para implementação de projetos individuais de energia fotovoltaica e solar térmica.

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