De forma resumida, um sistema solar fotovoltaico é um gerador de energia elétrica, onde suas células fotovoltaicas transformam a radiação solar diretamente em energia elétrica. Apesar deste tipo de energia ter ganho maior relevância no Brasil apenas a partir de 2012, seus primeiros estudos são do século 19, vindo a ganhar suas características atuais na década de 1950, com o início da corrida espacial americana.
Introdução
A energia solar vem de reações termo nucleares que acontecem no interior do sol. Uma imensa quantidade de energia atravessa as diferentes camadas do sol e se transforma em calor e radiação luminosa.
O termo fotovoltaico vem da associação das palavras foto, do grego photos, que significa luz, e voltaica, proveniente de Volta, em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, que inventou a pilha elétrica em 1799.
A transformação da energia contida na radiação luminosa solar em energia elétrica é um fenômeno físico conhecido como efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico foi relatado primeiramente em 1839 pelo cientista francês Alexandre Edmond Becquerel. Ele observou que alguns materiais semicondutores tinham capacidade de absorver a energia contida na radiação luminosa incidente e produzir energia elétrica. Semicondutores são materiais sólidos, geralmente cristalinos e com capacidade de conduzir a eletricidade de forma intermediária entre condutores e isolantes. Os materiais mais usados para fabricar estes semicondutores são o germânio (Ge); silício (Si) monocristalino, policristalino e amorfo; arseneto de gálio (GaAs); disseleneto de cobre e índio (CuInSe2); disseleneto de cobre, índio e gálio (CuInGaSe2) e telureto de cádmio (CdTe). A escolha destes materiais para uso em sistemas fotovoltaicos comerciais leva em consideração as características de absorção de radiação luminosa, disponibilidade e custo de fabricação, além dos impactos ambientais causados na fabricação e no descarte final. Diante disso, o silício é o material mais utilizado.
A partir de 1950, o desenvolvimento da tecnologia de fabricação e uso dos semicondutores permitiu o crescimento da indústria fotovoltaica, atendendo inicialmente aplicações aeroespaciais e militares e, a partir de 1980, para a geração de eletricidade para fins comerciais.
Classificação dos sistemas fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos são classificados em:
- sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica - SFCR (on-grid);
- sistemas isolados (off-grid).
Sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica - SFCR (on-grid)
Um sistema fotovoltaico conectado à rede de distribuição (SFCR) é um conjunto de equipamentos que realiza a captação da radiação solar, a sua conversão em eletricidade e a sua injeção na rede pública de distribuição local, alimentando, indiretamente, as instalações (cargas) conectadas à rede.
A Figura 1 mostra de forma resumida como um sistema fotovoltaico conectado á rede funciona (SFCR), esquematicamente.
Figura 1 - Sistema fotovoltaico conectado à rede de distribuição
Fonte: LJ Solar
Dos componentes associados ao SFCR cabe comentar os principais:
Painel solar fotovoltaico: o painel fotovoltaico, também conhecido como placa solar, atua como gerador de energia elétrica na forma de corrente contínua. Ele é composto, resumidamente, por módulos fotovoltaicos formados pela associação de dezenas de células fotovoltaicas. A célula fotovoltaica é a menor unidade de geração de energia elétrica por absorção da radiação solar e usa os semicondutores citados anteriormente no processo fotovoltaico. Células de silício policristalino e, mais recentemente, de silício monocristalino são os tipos de células mais usadas em sistemas fotovoltaicos off-grid e on-grid. A Figura 2 mostra uma célula de silício policristalino típica. Esta célula gera uma voltagem entre 0,46 e 0,56 Volts (V), independentemente do seu tamanho. A corrente elétrica gerada varia de acordo com a área de absorção da radiação solar e, por isso, uma célula fotovoltaica de silício cristalino gera em torno de 30 a 40 miliAmpere por centímetro quadrado (mA/cm²). Uma célula fotovoltaica típica mede 16 x 8 cm, aproximadamente.
Figura 2 - Célula fotovoltaica de silício policristalino de 16 x 8 cm.
Fonte: http://www.energias.bienescomunes.org/
As células fotovoltaicas, devido à sua fragilidade e pequena produção de energia elétrica, devem ser interligadas eletricamente e encapsuladas na forma de módulos fotovoltaicos, de forma a protegê-las das intempéries e a gerar uma quantidade de eletricidade adequada para o uso a que for destinada. A Figura 3 mostra esquematicamente a estrutura física de um módulo fotovoltaico de silício cristalino. Entre o vidro e as células fotovoltaicas e entre estas e o silicone são utilizadas folhas do filme plástico EVA (etileno vinil acetato). Após as etapas de soldagem, laminação e prensagem, obtêm-se os módulos fotovoltaicos com grande resistência mecânica, ao calor e às intempéries. Os módulos fotovoltaicos formam os painéis fotovoltaicos que são instalados sobre os telhados ou lajes, fixados sobre o solo ou até mesmo em sistemas flutuantes sobre lagos, principalmente. Existem módulos de diferentes tamanhos. Um módulo típico usado em SFCR mede 2 x 1 m, aproximadamente, com 144 células. O peso de um módulo com a parte da estrutura metálica que serve para suporte é de 38 kg, aproximadamente.
Figura 3 -Estrutura física de um típico módulo fotovoltaico feito com células de silício policristalino
Fonte: Manual de Engenharia para Sistema Fotovoltaico CEPEL - CRESESB
http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2014.pdf
Nestes últimos anos, a produção de módulos fotovoltaicos tem evoluído de forma significativa, em especial com relação ao aumento da eficiência na absorção da energia solar. Isso permitiu que a potência dos módulos passasse da faixa dos 300 W para mais que 500 e até mesmo 600W e hoje já estão disponíveis módulos bifaciais.
A Figura 4 apresenta dois modernos módulos fabricados pela empresa CanadianSolar. Os módulos PERC de célula dupla bifacial de alta potência, modelo CS7N com 2384 x 1303 x 35 mm e faixa de potência do lado frontal de 635 ~ 655 W; e o modelo CS7L: 2172 x 1303 x 35 mm com faixa de potência do lado frontal de 570 ~ 595 W.
Figura 4 – Módulos fotovoltaicos bifaciais fabricados pela CanadianSolar modelos CS7N e CS7L.
Fonte: csiolar.com/bihiku7/
A Figura 5 apresenta uma casa com vários painéis fotovoltaicos fixados sobre um telhado do tipo “cerâmico”.
Figura 5 – Exemplo de painéis fotovoltaicos instalados em telhado com telhas tipo “cerâmico”.
Fonte: LJ Solar Energia Sustentável
Inversor fotovoltaico: A função básica do inversor é transformar a corrente elétrica produzida pelo painel fotovoltaico de contínua para alternada. Para um SFCR, a energia elétrica injetada precisa estar em sincronia com os níveis de tensão e frequência da rede da concessionária. O inversor deve ser capaz de se desconectar da rede automaticamente em caso de anomalias e de se religar, também automaticamente, após corrigida a falha. Desta forma, o inversor precisa ser “interativo à rede”. Este tipo de inversor é fabricado unicamente para trabalhar com a rede e devido às suas características ele não é capaz de alimentar equipamentos (cargas) diretamente. Esta é uma das razões por que o SFCR alimenta a rede da concessionária e esta alimenta as necessidades de energia da unidade consumidora.
Os inversores atuais dispõem de um sistema wifi e um aplicativo para computador e, ou celular para gestão da geração elétrica pelo sistema solar fotovoltaico.
A Figura 6 apresenta modelos de inversores interativos para uso residencial disponíveis no mercado brasileiro
Figura 6 - Inversores interativos dos fabricantes: Fronius, PHB e SMA.
https://www.energiasolarphb.com.br/inversor-solar-fotovoltaico.php
https://renovigi.com.br/produto/inversores/inversor-4-0-kw-reno-4k-plus-mono-220v-60hz
Medidor bidirecional: a diferença entre um medidor convencional e um medidor bidirecional é que este mede a energia consumida como também a energia produzida e injetada na rede da concessionária. Por isso que, quando instalamos um SFCR, é necessário fazer a troca do medidor. Esta troca é feita pela concessionária na fase final de homologação do sistema sem custo para o usuário.
A Figura 7 mostra um medidor bidirecional típico fabricado pela Growatt.
Figura 7 - Medidor bidirecional Growatt, Smart Energy Manager
O que devo fazer para instalar um sistema solar fotovoltaico conectado à rede?
Veja o resumo que preparamos para você:
1) Para começar você precisa conhecer o que é e como funciona um sistema solar fotovoltaico conectado à rede da distribuidora e porque fazer este investimento. Para isso, acesse: https://ljsolar.com.br/por-que-investir ;
2) Peça um orçamento preliminar em ORÇAMENTO, informando os dados solicitados;
3) Faremos um orçamento preliminar que dará uma ordem de grandeza do investimento a ser realizado. Chamamos este orçamento de preliminar pois nele não foram considerados o tipo de cobertura da sua residência ou empresa, o acesso ao local da instalação, a ocorrência de sombreamento no local de instalação dos painéis, possíveis correções no quadro de distribuição e no padrão de entrada etc.;
4) Com a aprovação do orçamento preliminar, será agendada uma visita técnica para levantamento detalhado de informações e elaboração do orçamento definitivo;
5) Aprovado o orçamento definitivo, faremos o projeto deste sistema fotovoltaico, que será encaminhado à concessionária de energia;
6) Após aprovação do projeto pela concessionária, faremos a instalação do sistema fotovoltaico;
7) Com a instalação, a concessionária fará a vistoria e troca do medidor de energia por um medidor bidirecional;
8) Após a troca do medidor, a energia será ligada e você passará a usufruir das inúmeras vantagens que o sistema solar fotovoltaico conectado à rede oferece.
Sistema fotovoltaico isolado (off-grid)
Um sistema fotovoltaico isolado é aquele que não tem contato com a rede de distribuição de eletricidade das concessionárias, ou seja, a energia produzida é entregue diretamente às cargas (aparelhos consumidores de energia elétrica). Os sistemas isolados costumam ser utilizados em locais remotos ou onde o custo de se conectar à rede elétrica é elevado. Os exemplos mais comuns são casas de campo, bombas d’água, postes de iluminação e de telecomunicações, radar em rodovias etc. De forma resumida, os sistemas isolados possuem os seguintes componentes:
- gerador fotovoltaico;
- controlador de carga/descarga das baterias;
- banco de baterias (não é obrigatório);
- inversor (para transformar a corrente contínua em alternada para atender às cargas);
- cargas (equipamentos atendidos pelo sistema fotovoltaico).
Os sistemas fotovoltaicos isolados podem ser classificados em híbridos e autônomos.
Sistemas híbridos
Um sistema fotovoltaico híbrido trabalha em conjunto com outro sistema de geração elétrica auxiliar, que pode ser um motogerador a diesel ou qualquer outro combustível líquido ou gasoso, bem como quaisquer outros sistemas de geração elétrica, dos quais os aerogeradores têm ganho uma importância muito grande em todo o mundo e em algumas regiões do Brasil. O sistema de geração auxiliar serve para suprir a produção de eletricidade no período noturno ou em dias nublados.
Um sistema híbrido pode ou não possuir sistema de armazenamento de energia. Quando possui, o sistema de armazenamento é realizado por baterias e tem uma autonomia variável dependendo das cargas que alimenta.
Sistemas autônomos “puros”
Um sistema fotovoltaico puro é aquele que não possui outro sistema de geração de eletricidade.
Devido ao fato de o sistema puro só gerar eletricidade nas horas de sol, estes sistemas precisam ser equipados com acumuladores de energia, em geral bancos de baterias. Nestes casos, tanto o gerador solar fotovoltaico quanto os acumuladores são projetados para atender à autonomia que o sistema precisa ter e o projeto deve considerar a intensidade da radiação solar na região, possível ocorrência de sombreamento, instalação dos módulos etc.
Sistemas Autônomos Sem Armazenamento
São sistemas que funcionam somente durante as horas de sol. Temos como exemplo os sistemas de bombeamento de água, postes de iluminação e de telecomunicações, radar em rodovias, etc.
Informações mais detalhadas sobre os sistemas fotovoltaicos isolados, inclusive, podem ser conseguidas no Manual de Engª para Sistema Fotovoltaico publicado pelo Centro de Referência para as Energia Solar e Eólica Sérgio de S. Brito – CRESESB que pode ser acessado aqui:
Sistemas híbridos de produção de energia têm ganho uma atenção maior nestes últimos anos em função de diferentes associações de fontes energéticas hoje disponíveis e, em especial, pelo sistema hidráulico/solar, no qual uma usina fotovoltaica flutuante é instalada sobre o lago de uma usina hidrelétrica. Nesse sentido a Empresa de Pesquisa Energética - EPE, do Ministério de Minas e Energia publicou em 2018 o trabalho intitulado USINAS HÍBRIDAS: Uma análise qualitativa de temas regulatórios e comerciais relevantes ao planejamento,
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