ASSOCIAÇÃO DE PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS
No módulo básico do nosso curso já vimos como realizar a associação série e paralelo de baterias e vimos também à importância dessas associações para a adequação dos circuitos que desejamos alimentar. Da mesma forma que as baterias, também poderemos realizar esse procedimento com os painéis fotovoltaicos.
BATERIAS SÉRIE X PARALELO
A associação série e paralelo trará implicações na forma de atuação das principais grandezas elétricas, a tensão e corrente.
Quando associamos baterias em série, um fenômeno ocorrerá a tensão das baterias serão somadas, enquanto a corrente permanecerá a mesma.
Exemplo: Duas baterias de 12V e 1A associadas em série, teremos 24V e os mesmos 1A.
Agora quando associamos baterias em paralelo, o fenômeno será um pouco diferente, a tensão das baterias permanecerá a mesma e a corrente será somada.
Exemplo: Duas baterias de 12V e 1A associadas em paralelo, teremos 12V e 2A.
MODELO DE BATERIAS
As baterias são o pulmão de um sistema fotovoltaico isolado e servem para garantir o fornecimento de energia quando não houver sol (noite e dias nublados). São as baterias que determinam a autonomia de um sistema isolado. Um sistema de alarme, por exemplo, não pode deixar de funcionar devido a alguns dias sem sol e por isso as baterias poderiam ser dimensionadas para 7 dias de autonomia, por segurança. Já uma aplicação mais simples ou menos essencial, poderia ser dimensionada para 3 dias sem sol. Sistemas conectados à rede não necessitam de baterias já que a falta de sol é compensada pela energia da rede.
ESCOLHA A BATERIA CERTA
As baterias adequadas para sistemas de energia renovável são as baterias estacionárias ou de ciclo profundo. Estas baterias suportam grandes descargas que uma bateria comum não suportaria e é por isso que baterias de carro não devem ser evitadas.
As baterias mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são geralmente do tipo estacionárias “ciclo profundo” ou seja, podem ser descarregadas entre 20% e 80% de sua capacidade máxima e recarregadas novamente todos os dias, durando muitos anos, conforme especificação do fabricante.
Baterias automotivas: DEVEM SER EVITADAS. Estas baterias foram projetadas para fornecer grandes correntes por curtos períodos de tempo, como durante as partidas, por exemplo. No entanto, não suportam descargas profundas e por isso sua vida útil fica extremamente reduzida se utilizada em sistemas solares. Embora tenham custo menor, serão inutilizadas se forem descarregadas abaixo de 20% de sua capacidade por várias vezes.
A capacidade da bateria ou banco de baterias determina sua autonomia. Um banco de baterias precisa ser dimensionado para suprir energia entre dois e quatro dias sem insolação para uso residencial e cinco dias ou mais para aplicações específicas.
Baterias do tipo seladas requerem pouca manutenção. Deve-se, no entanto, verificar o aperto dos terminais e manter os seus terminais livre de corrosão. As baterias precisam ser instaladas em local seco e ventiladas. Em nenhuma circunstância as baterias de chumbo ácido podem ser mantidas descarregadas totalmente, pois isto poderá danificá-las permanentemente.
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS IGUAIS (SÉRIE)
Após relembrar como as grandezas elétricas se comportam em um sistema de baterias série e paralelo, veremos o funcionamento agora das placas fotovoltaicas.
Quando tivermos dois ou mais painéis solares de mesma corrente e potência e desejarmos aumentar a sua tensão, a conexão que se adapta ao nosso caso, é a conexão série.
Conectando vários painéis em série aumenta a tensão do sistema. Em um sistema fotovoltaico quanto maior for a tensão do sistema, menores serão as perdas de energia ao longo dos cabos. Para descobrir a tensão máxima do sistema que podemos obter, você precisa verificar o valor Maximun System Voltage normalmente informado no rótulo dos painéis. Após essa introdução, vamos ver como é a conexão série.
Observe a imagem acima, como é claramente visível na figura, basta ligar o terminal positivo de um painel para o terminal negativo do outro e encontra uma duplicação de tensão de saída. Considerando o exemplo da figura, dois painéis de 5A 12V ligados em série, produzem uma tensão de saída de 24V e uma corrente de 5A, observe que a corrente permanece inalterada.
Obs: Fique atento, paralelamente aos painéis adicionamos um diodo, chamado de diodo by-pass.
SOMBREAMENTO
Para obtermos um desempenho ideal do sistema fotovoltaico é bom que os painéis não sombreiem uns aos outros, que tenham o mesmo ângulo e que sejam posicionados longe de possíveis causas de sombreamento como, por exemplo, árovres, postes ou projeções das mais variadas. É claro que, em caso de sombreamento, devido às condições atmosféricas não é fisicamente possível fazer muito. Conhecendo o comportamento de toda a cadeia em caso de sombreamento é essencial para evitar perdas de produtividade drástica da produção de energia elétrica. Como explicado anteriormente, um painel fotovoltaico é composto por várias células solares ligas em série. Se uma parte do painel é obscurecida, naquela parte é formada uma alta resistência que impede o fluxo da corrente. No pior dos casos, em vez de células solares sombreadas produzir energia, provoca um aumento de temperatura e o aumento na temperatura pode até causar o fogo das células ou a dissolução de soldaduras, é o conhecido efeito hotspot.
Viu com uma pequena sombra pode resultar em uma grande perda de energia para toda a placa?
Para evitar ou melhor para reduzir esse problema, alguns fabricantes de painéis fotovoltaicos têm dividido o painel em várias seções que compreendem um centro número de células, e em cada seção foi inserido um diodo by-pass. Este diodo tem a função de excluir a seção do painel que está localizada na sombra, em modo que esta seção não afete adversamente todo o painel. Por isso, fique atento, durante a escolha dos painéis fotovoltaicos, escolha aqueles que tenham os diodos bypass.
Mas o que ocorrerá se a sombra atingir um painel inteiro, e o outro não? Aqui é que deve ser inserido em paralelo em cada um dos painéis um diodo bypass. Desta forma, se um painel é sombreado, irá ser excluído através do diodo by-pass e não afetam negativamente a produção de outros painéis ligados em série.
QUAL DIODO DE BYPASS ESCOLHER?
O diodo que utilizaremos será de um modelo específico denominado Schottky, que poderá com segurança suportar a corrente dos painéis e que tem uma tensão de limiar muito baixo.
LIGAÇÃO SÉRIE DE PAINÉIS SOLARES COM POTÊNCIAS DIFERENTES
Caso você possua dois ou mais painéis com a mesma tensão, mas com potência diferente não será possível a ligação em série. Fique atento a esse detalhe para evitar futuros problemas nas instalações que você virá a realizar.
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM PARALELO
A ligação de vários painéis em paralelo surge da necessidade de se alcançar determinados valores de corrente de saída, sem alterar a tensão. De fato, ao ligar vários painéis fotovoltaicos em série, aumentamos a tensão e mantemos a corrente, enquanto que ligando-os em paralelo, aumentamos a corrente e matemos a tensão.
LIGAÇÃO EM PARALELO DE DOIS PAINÉIS SOLARES IGUAIS
Quando tivermos a disposição dois painéis solares da mesma voltagem e potência, a conexão é muito fácil. Como é claramente visível na figura abaixo, será suficiente ligar o terminal positivo de um painel ao polo positivo do outro, e ligar o terminal negativo de um painel ao terminal negativo do outro. Em série, para cada um dos painéis devemos inserir um diodo de bloqueio.
O diodo de bloqueio é bom ser inserido para proteger toda a cadeia de falhas ou possíveis curtos-circuitos que podem ocorrer nos painéis. Durante o dia, o diodo de bloqueio também pode evitar a descarga de bateria causada por células danificadas. Ao anoitecer a bateria produz uma tensão maior do que as células solares, sem um diodo de bloqueio, a bateria enviará energia para os painéis, em vez do contrário, com o tempo, isto pode descarregar a bateria.
Este tipo de conexão é muito eficiente se as seguintes condições forem atendidas:
1)Coloque os painéis um ao lado do outro e orientados para o sol com a mesma angulação.
2)Verifique se os painéis não se sombreem um ao outro e estejam longe de possíveis causas de sombreamento.
3)Escolha uma seção apropriada do cabo de ligação eléctrica de acordo com a distância dos painéis.
4)Utilização de caixas de junção para ligar ordenadamente entre ele os terminais dos painéis.
LIGAÇÃO EM PARALELO DE DOIS PAINÉIS SOLARES COM POT. DIFERENTES
Quando tivermos a disposição dois painéis solares de mesma tensão, mas com potências diferentes não teremos problemas, você pode realizar facilmente a conexão em paralelo. Mas se os dois painéis são tanto de potência como de tensão diferente, então não será possível a ligação em paralelo.
Porém, se tivermos um painel de 12V e dois de 6V, você poderá realizar um circuito misto, onde os dois de 6 poderão ser ligados em série e depois associados em paralelo com o de 12. Logo, antes de realizar uma conexão paralela é necessário verificar bem a tensão dos painéis fotovoltaicos.
DETALHES ACERCA DA CORRENTE ELÉTRICA
Através da ligação em paralelo, você poderá realizar a ligação de diversos painéis solares, porém você deve prestar atenção aos valores de corrente. Se o seu valor de saída é maior do que 70Ampéres, os seus painéis e seu sistema podem sofrer danos e problemáticas relacionadas com a gestão da corrente.
Para evitar isso, se usa a forma de ligação mista dos painéis solares, em modo de aumentar a tensão e corrente ao mesmo tempo. Por exemplo, se fôssemos conectar em paralelo seis painéis de 10ª encontraremos em saída uma corrente suficiente alta, ou seja, 60Ampéres. Para resolver este problema e para melhorar a eficiência de energia de todo o sistema, é aconselhável conectar dois painéis em série que resultará numa duplicação de voltagem e, em seguida, conectar em paralelo os três pares previamente conectados em série. Na figura abaixo, você poderá ver o contorno desta conexão, esse modelo é utilizado frequentemente para instalações de considerável potência.
CIRCUITO INVERSOR
O inversor, é um equipamento utilizado em sistemas fotovoltaicos, cuja função é converter corrente contínua (cc) da bateria ou banco de baterias em corrente alternada (ca) para alimentar eletrodomésticos e demais equipamentos convencionais.
CIRCUITOS RESIDENCIAIS
Atualmente já temos duas formas de ligação dos circuitos residências a partir das placas fotovoltaicas.
1.Sistema de Baterias
Através do sistema de baterias, as placas fotovoltaicas produzem energia, essa energia gerada carregará um sistema de baterias e em seguida fornecerá a tensão dc necessária para o funcionamento do circuito inversor.
2.Ligação Direta
Através do sistema de ligação direta, o usuário solicita a rede concessionária de energia a troca dos eu contador convencional por um contador bidirecional, onde ele creditará a tensão ac gerada pelo sistema fotovoltaico e o consumido pelo usuário, no final do mês a conta de luz apresentará a diferença entre a produção de energia e o consumo.
Na explicação abaixo falaremos exemplificaremos detalhes sobre o inversor nesses dois modelos.
FUNCIONAMENTO DO INVERSOR
O inversor é um dos mais importantes e complexos componentes em um sistema de energia fotovoltaica independente. Para escolher um inversor é necessário conhecer algumas de suas funções básicas, características e limitações. Os sistemas fotovoltaicos possuem um ponto comum que são as baterias para armazenamento de energia. As baterias recebem, armazenam e fornecem energia em forma de corrente contínua cc.
Um inversor converte cc para ca, e também muda o valor da tensão. Em outras palavras é um adaptador de energia. O inversor permite que a energia armazenada em uma bateria possa alimentar aparelhos eletrodomésticos, eletrônicos etc. Existem aparelhos eletrodomésticos tais como frigoríficos, TV e lâmpadas que podem ser ligados diretamente em baterias sem o uso de um inversor, porém seu custo é na maioria dos casos, muito superior aos aparelhos convencionais.
O inversor moderno deve lidar com um grande número de cargas, desde uma simples lâmpada até a partida de um motor de bomba ou uma ferramenta elétrica. O inversor deve regular a qualidade de energia de sua saída, com um mínimo de perda de potência.
NECESSIDADES DO INVERSOR
Defina suas necessidades: Para escolher um inversor você deve primeiro definir suas necessidades. É necessário para isto, conhecer algumas características dos inversores disponíveis no mercado, normalmente disponibilizadas nas folhas de dados dos fabricantes.
Veja abaixo os principais fatores que devem ser considerados:
Tensão de entrada e saída: Como já vimos, a tensão cc de entrada do inversor deve estar de acordo com o sistema fotovoltaico e o banco de baterias, que comumente utilizam 12, 24 ou 48Vcc. Sistemas fotovoltaicos que utilizam tensões cc maiores (24, 48V) são vantajosos pois operam com correntes menores, o que torna o circuito da fiação elétrica mais barato e fácil de instalar.
A saída ca do inversor deve estar de acordo com o padrão utilizado em cada país, para compatibilizar com os eletrodomésticos e demais equipamentos. Normalmente utilizado é 220Vac 50Hertz (ciclos por segundo).
Potência de Saída: Qual a carga que pode ser ligada em um inversor? A potência de saída de um inversor é expressa em Watts (Watts=Amperes x Volts). Devem ser considerados três níveis de potência: Contínua, Máxima limitada por tempo e de surto. Potência contínua refere-se a potência que o inversor pode fornecer por um período indefinido de horas. Quando um inversor é especificado por um certo número de Watts, este número geralmente se refere a sua potência contínua de operação.
Potência máxima limitada por tempo: Significa a potência máxima que o inversor poderá fornecer por um certo tempo, tipicamente 10 ou 20 minutos. O terceiro nível de potência, a potência de surto refere-se a sua capacidade de partir motores, e será discutido abaixo.
Qualidade da Energia – Onda Senoidal x Onda Senoidal Modificada:
Alguns inversores produzem uma forma de onda senoidal em sua saída, livre de distorções, semelhante a forma de onda da energia entregue pela concessionária de energia elétrica, sendo portanto os mais apropriados para utilização doméstica. Existem também os inversores que produzem uma onda senoidal modificada em sua saída, são mais baratos, mas podem afetar o funcionamento de alguns equipamentos. Estes inversores reduzem a eficiência de motores e transformadores entre 10% e 20%. Ruídos podem ser ouvidos em alto-falantes ou emitidos por algumas lâmpadas fluorescentes, ventiladores de teto e transformadores. Alguns fornos de micro-ondas podem também emitir algum ruído e aquecer menos os alimentos. TVs e monitores de vídeo de computadores podem mostrar uma “faixa” deslocando-se pelo monitor.
Obs: Lembre-se do que falamos no módulo básico sobre os no-breaks online e off-line. O online, possui a sua saída senoidal, por conta da qualidade do seu inversor, enquanto o off-line possui a sua saída retangular, também por conta do inversor. Por isso o off-line não pode ser ligado a motores ou estabilizadores, podem provocar a danificação desses aparelhos.
Não é possível converter energia sem que haja alguma perda. Eficiência é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada, expressa em percentagem. Se um inversor tem eficiência de 90%, significa que 10% da potência é perdida ou consumida no próprio inversor.
Proteções Internas: Os circuitos internos mais sensíveis de um inversor devem ser bem protegidos contra surtos causados por descargas elétricas, partidas de motores e condições de sobrecarga. Sobrecargas podem ser causadas por mau funcionamento de equipamentos, problemas com fiação elétrica ou simplesmente pelo excesso de equipamentos ligados ao mesmo tempo. Um inversor deve se autodesligar caso a tensão das baterias esteja muito baixa, para protegê-las contra danos por descarga excessiva.
Cargas Indutiva e Potência de Surto: Algumas cargas como motores de bombas, máquinas de lavar, refrigeradores demandam uma potência extra em sua partida. É comum encontrarmos motores com corrente de partida igual a 7 ou 8 vezes a corrente nominal (corrente normal de funcionamento). Porém, para os motores de produção seriada, normalmente encontrados no mercado, a corrente de partida situa-se entre 5,5 e 7,00 vezes a corrente nominal. (5,5 x IN < IP < 7,00 x IP). Se o inversor não estiver dimensionado para isto ele pode simplesmente desligar-se ao invés de partir o equipamento. Se sua potência de surto for inadequada, sua tensão de saída poderá ter uma redução momentânea, o que pode causar redução na iluminação da casa e até mesmo desligar um microcomputador. Baterias pouco carregadas, problemas com o cabeamento também podem dificultar a partida de motores. Um banco de baterias mal dimensionado, em condições ruins ou com conexões corroídas podem ser um ponto fraco para o sistema. Os cabos do inversor e de interligação entre as baterias devem estar bem dimensionados já que a corrente que flui por eles aumenta significantemente durante a partida de motores.
Consumo sem carga: Um inversor consome energia mesmo estando sem carga. Em aplicações onde o sistema permanece por muito tempo sem carga ou com carga muito baixa, esta é uma característica importante. O consumo típico está entre 15 e 100 Watts. As folhas de especificações dos fabricantes costumam informar o consumo em Amperes. Para obter este consumo em Watts multiplique o valor da corrente pela tensão cc do inversor.
Desligamento automático: Para economizar a carga das baterias, alguns inversores para uso doméstico possuem um sensor que detecta a ausência de carga desligando sua saída quando não há nenhum consumo de energia, voltando a religar sua saída novamente ao identificar algum consumo energia.
DIAGRAMA DE BLOCOS NO CIRCUITO INVERSOR
Na figura abaixo temos um diagrama de blocos de um inversor típico para uso geral.
Um inversor desse tipo é formado por um circuito oscilador de potência que converte a tensão contínua pura em tensão contínua pulsante para que ela possa ser aplicada a um transformador.
Isso é necessário, pois os transformadores só podem operar com correntes que variam, e uma corrente contínua pura não passaria por esse componente.
O transformador é o elemento seguinte do circuito e sua finalidade é elevar os pulsos de baixa tensão do oscilador, obtendo-se em seu secundário uma alta tensão alternada.
É importante observar que na maioria dos circuitos, a tensão alternada não é perfeitamente senoidal, mas sim dotadas de alguns picos que podem ser perigosos se os aparelhos alimentados forem sensíveis.
Outro problema comum nesses circuitos é o fato da frequência nem sempre ser de 60 Hz. Muitos inversores que se destinam à lâmpadas fluorescentes e outros aparelhos não sensíveis à frequência podem operar com frequências mais altas, entre 200 e 1000 Hz.
Um ponto crítico no projeto do inversor é a qualidade do transformador. De fato, esse componente determina o rendimento do circuito e se não for bem dimensionado, a maior parte da energia pode ser perdida na forma de calor.
ENERGIA NÃO SE CRIA
O circuito inversor não é capaz de criar energia, ele apenas transformará a tensão fornecida dos painéis fotovoltaicos em tensão AC para alimentar o circuito desejado.
Vamos agora analisar um exemplo prático de inversor transformando a tensão DC 12 em AC 120.
Supondo que você está alimentando o circuito inversor com painéis fotovoltaicos de 12V e 10A, estaríamos produzindo 120W de potência. De acordo com a função P=V X I.
Isso, significa que, se convertermos os 12 V dessa bateria para 120 V a corrente máxima teórica será 1 A visto que através da função da potência, I = P/V = 120W/120V = 1A e nenhum aparelho de mais de 120 W poderá ser alimentado, conforme mostra a figura abaixo. Isso, é claro, supondo que 100% da energia possa ser convertida, o que não ocorre na prática.
Conversão de 100%.
RESUMO DO PROCESSO
1) Painel fotovoltaico: Converte a luz solar em energia elétrica, normalmente 12Vcc ou 24Vcc etc… – corrente contínua.
2) Controlador de carga: Gerencia o carregamento da bateria, evitando sobrecargas e protegendo contra descargas abaixo do permitido.
3) Bateria: Armazena a energia elétrica gerada pelo painel ao longo do dia, para ser usada à noite ou em dias muito nublados ou chuvosos.
Obs: Fique atento, a etapa 2 e 3 podem não existir caso você tenha trocado o seu contador diretamente com a rede concessionária e esteja trabalhando com os sistemas de crédito.
4) Inversor: Converte a tensão da bateria, tipicamente de 12Vcc ou 24Vcc para 127Vca ou 220Vca- corrente alternada, para alimentar equipamentos como TVs, rádios e outros.
PASSO A PASSO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA
Após o inversor teremos apenas os dispositivos de segurança, necessário para adicionar segurança extra ao circuito, fique atento, pois cada concessionária possui as suas regras e exigências.
Em seguida, a energia que sai do inversor será direcionado ao Quadro de Distribuição e alimentará todo o circuito elétrico.
1.Painel Solar Fotovoltaico – produz energia elétrica em corrente contínua;
2.Inverso Solar – converte a corrente contínua em corrente alternada e equaliza com a rede elétrica – Desta forma a energia gerada pelo painel solar fica idêntica a energia da rede elétrica e assim pode ser utilizada para consumo;
3.Dispositivos de Segurança – Necessário para adicionar segurança extra ao sistema de energia solar fotovoltaico conectado à rede. Cada distribuidora de energia tem a sua regra e suas exigências;
4.QDC – A energia que sai do inversor solar vai para o “quadro de luz” e assim é distribuída para a residência;
Eletricidade gerada alimenta utensílios, eletrodomésticos, equipamentos e máquinas que utilizam energia elétrica;
5.Excesso de energia volta para a rede elétrica através do medidor, gerando um “crédito de energia” para ser utilizado de noite ou nos próximos meses. Em outras palavras: você produz energia limpa com a luz do sol e reduz a sua conta de luz!
Os créditos de energia são regulamentados pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) possuindo regras específicas que variam de acordo com a sua localização e sua classe de consumo (residência, comercial ou industrial).