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Os sistemas fotovoltaicos vieram para ficar
A tecnologia fotovoltaica vem sendo usada, em muitas aplicações seja em sistemas híbridos, conectados à rede elétrica ou isolados.
O efeito fotovoltaico é um recurso de alta tecnologia na conversão de luz solar diretamente em energia elétrica, visando alimentar os diversos tipos de carga, sejam elas acionadas por corrente contínua (cc) ou corrente alternada (ca). A tecnologia fotovoltaica vem sendo usada, em muitas aplicações seja em sistemas híbridos, conectados à rede elétrica ou isolados. Os sistemas isolados são predominantes principalmente quando se tratam de locais remotos, ou até mesmo para consumidores que residem em áreas urbanas mas possuem recurso financeiro para escolher o tipo de sistema que deseja utilizar.
Deve ser ressaltado que a adoção da tecnologia fotovoltaica, como alternativa para a gerar energia elétrica, requer um estudo da energia solar disponível na região, como, por exemplo, o nível de insolação da região, e de um estudo sobre a possibilidade de extensão da rede elétrica convencional até o local onde se deseja utilizar a eletricidade. Para esses sistemas foram publicadas duas normas.
A NBR 16149 de 03/2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição, prevista para entrar em vigor 12 meses após sua publicação, estabelece as recomendações específicas para a interface de conexão entre os sistemas fotovoltaicos e a rede de distribuição de energia elétrica e estabelece seus requisitos. Aplica-se aos sistemas fotovoltaicos que operam em paralelo com a rede de distribuição.
Não contempla compatibilidade eletromagnética e os procedimentos de ensaio de anti-ilhamento. Os requisitos para a conexão dos sistemas fotovoltaicos à rede podem variar quando é utilizado um sistema de armazenamento de energia ou os sinais de controle e comando são provenientes da distribuidora.
E a NBR 16150 de 03/2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) — Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição — Procedimento de ensaio de conformidade que especifica os procedimentos de ensaio para verificar se os equipamentos utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede de distribuição de energia estão em conformidade com os requisitos da NBR 16149. Aplica-se aos conversores estáticos mono ou polifásicos utilizados em sistemas fotovoltaicos de conexão à rede elétrica, conhecidos como inversores de conexão à rede e, aos outros componentes utilizados na interface de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede de distribuição de energia.
Não trata dos procedimentos de ensaio contra ilhamento, os quais são tratados na NBR IEC 62116 bem como não trata dos procedimentos de ensaio referentes às IEC 62109-1 e IEC 62109-2.
A norma determina que a qualidade da energia fornecida pelo sistema fotovoltaico às cargas em corrente alternada locais e à rede elétrica é regida por práticas e normas referentes à tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência. O desvio dos padrões estabelecidos por essas normas caracteriza uma condição anormal de operação, devendo o sistema fotovoltaico deve ser capaz de identificar esse desvio e cessar o fornecimento de energia à rede.
Todos os parâmetros de qualidade de energia (tensão, cintilação, frequência, distorção harmônica e fator de potência) devem ser medidos na interface da rede/ponto de conexão comum, exceto quando houver indicação de outro ponto. A tensão, a potência e a frequência do sistema fotovoltaico devem ser compatíveis com a rede elétrica local. Os valores nominais de frequência e tensão estão contidos nas seções pertinentes do Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST).
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede normalmente não regulam tensão, e sim a corrente injetada na rede. Portanto, a faixa operacional normal de tensão do sistema fotovoltaico é selecionada como uma função de proteção, que responde às condições anormais da rede. O sistema fotovoltaico deve operar dentro dos limites de variação de tensão definidos no item 5.2.1. A operação do sistema fotovoltaico não pode causar cintilação acima dos limites mencionados nas seções pertinentes das IEC 61000-3-3 (para sistemas com corrente inferior a 16 A), IEC 61000-3-11 (para sistemas com corrente superior a 16 A e inferior a 75 A) e IEC/TS 61000-3-5 (para sistemas com corrente superior a 75 A).
As formas de onda devem ser medidas por um instrumento de medição com armazenamento de dados, por exemplo, um osciloscópio com memória ou um sistema de aquisição de dados, com taxa de amostragem de 10kHz ou superior. A exatidão de medida deve ser melhor ou igual a 1 % da tensão nominal de saída do inversor e melhor ou igual a 1 % da corrente de saída nominal do inversor. Para a medição da tensão, frequência, corrente e potência de entrada e saída do ESE, devem-se utilizar instrumentos de medição com exatidão de medida melhor ou igual a 0,2 % da leitura de tensão, melhor ou igual a 0,01 Hz, melhor ou igual a 1 % da corrente nominal do ESE e melhor ou igual a 0,5 % da leitura de potência, respectivamente.
Para um ESE polifásico, os equipamentos de ensaio e medida devem registrar cada corrente de fase e cada tensão fase neutro ou fase fase, de acordo com o que for mais apropriado ao ensaio. Para a medição do fator de potência e componente contínua, deve-se utilizar um instrumento de medição, por exemplo, um analisador de qualidade de energia ou sistema de aquisição de dados, que seja capaz de medir esses parâmetros com exatidão melhor ou igual a 0,5 %. O instrumento de medição da THDi deve estar em conformidade com a IEC 61000-4-7. O instrumento de medição do ângulo de fase da tensão deve ter exatidão melhor ou igual a 10.
Um problema significativo é criado quando os custos de um sistema conectado à rede são erroneamente aplicados aos sistemas isolados ou híbridos. Os sistemas isolados ou híbridos necessitam de outros componentes tais como baterias, geradores de apoio, assim como sistemas de controle. Os custos destes componentes aumentam o custo global do sistema fotovoltaico, por exemplo, em residências onde a energia elétrica é exclusivamente fornecida através de sistema fotovoltaico, a bateria e outros componentes de controle são indispensáveis.
No final da década 70 e início da década de 80, um estudo feito nos Estados Unidos, paralelo ao programa de incentivo ao uso de sistemas fotovoltaicos em diversas regiões do país, constatou que o custo com estes equipamentos (incluindo preparação do local, fundações, estrutura, instalação elétrica e preparação do sistema) representavam dois terços do custo total de aquisição de equipamentos de um sistema fotovoltaico, ou seja, cerca de 67% do valor total, para sistemas que utilizavam coletores do tipo placa plana.
Atualmente, estes dados não apresentam valores muito diferentes. Ou seja, em alguns casos, pode tornar-se possível a minimização de alguns custos que não estão ligados diretamente aos equipamentos fotovoltaicos como, por exemplo, o tipo de fundação, a escolha do material, mão de obra de instalação, etc.
Uma planta básica para conversão de energia solar em energia elétrica é composta dos seguintes elementos físicos e construtivos :
• Radiação solar – a radiação solar é uma forma energia emitida pelo sol devido a sua temperatura. Portanto, a radiação pode ser considerada como o combustível de um sistema de potência solar.
• Módulo fotovoltaico – o módulo é composto de várias células fotovoltaica interligadas.
• Regulador de carga – é elo de ligação entre o módulo, bateria e equipamentos. Ele protege a bateria de sobrecargas ou de descarga excessiva.
• Inversor ou conversor – esse elemento é responsável pela conversão de corrente contínua (cc) gerada pelo módulo fotovoltaico em corrente alternada (ca).
• Bateria – é o elemento responsável pela estocagem da energia gerada pelo módulo solar.
• Estrutura de montagem – é o suporte de fixação do módulo em seu local de funcionamento.
Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em autônomos e interligados à rede. Os autônomos podem se dividir naqueles que só fornecem corrente continua, aqueles que fornecem corrente alternada e ainda existem aqueles que fornecem ambas as correntes. Os autônomos produzem eletricidade independentemente de outras fontes de energia. Existem sistemas autônomos utilizados para bombeamento de água, sendo a água armazenada no reservatório para utilização no instante do consumo.
Os sistemas autônomos com armazenamento são utilizados onde se necessita alimentar cargas à noite ou em períodos nublados. Eles compreendem a maioria das aplicações de sistemas fotovoltaicos em regiões remotas ao redor do mundo sendo a eletrificação rural a mais difundida. Podem operar em conjunto com uma outra fonte geradora de energia (geradores eólicos, diesel etc.). Em certas situações podem ser mais econômicos que os sistemas fotovoltaicos puros no fornecimento de eletricidade em projetos isolados de maior escala.
Um sistema fotovoltaico, complementado por outra fonte de energia, requer menor potência instalada de painéis fotovoltaicos e baterias, podendo reduzir os custos totais. Os sistemas interligados à rede são aqueles em que o arranjo de módulos fotovoltaicos atua como uma fonte de energia complementar ao sistema elétrico ao qual está conectado. Esses sistemas não utilizam armazenamento de energia, pois toda a energia gerada durante o dia é entregue à rede e, durante a noite ou em períodos nublados, dela é extraída a energia necessária para alimentar as cargas.
A célula solar é o dispositivo mais importante do sistema fotovoltaico, visto que é responsável pela conversão da energia solar em energia elétrica.
Uma célula solar é, basicamente, um sanduíche contendo uma grade metálica, uma lâmina que coleta os raios solares, uma lâmina absorvedora dos fótons e um contato metálico posterior. Fundamentalmente, este sanduíche é fabricado de modo a conter em seu interior um campo elétrico que permita separar os portadores de carga elétrica gerados pela luz.
Nas células solares de silício cristalino, o campo elétrico interno é fabricado por processos de contaminação controlada e seletiva do material semicondutor. As impurezas mais comumente utilizadas são o fósforo (na camada coletora, semicondutor do tipo-n) e o boro (na camada absorvedora, semicondutor do tipo-p), que permitem construir internamente a barreira de potencial desejada. A corrente elétrica produzida é coletada pelos contatos metálicos nas superfícies.
As células solares normalmente são quadradas ou redondas dependendo do processo de fabricação utilizado. Esta corrente depende da intensidade da radiação solar e da área iluminada. A tensão gerada é apenas uma fração de Volt. A célula solar mais comumente utilizada, de silício cristalino, possui uma tensão de trabalho de aproximadamente 0,5 V. Para uma utilização pratica é necessário conectar várias células em série. Este conjunto de células conectadas é chamado módulo fotovoltaico.
Normalmente, são utilizadas de 30 a 36 células de silício cristalino em cada módulo, dependendo do local onde os sistemas serão instalados (clima frio ou quente). Assim, quando um módulo de 12 V é exposto ao sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, com tensão máxima variando entre 17 e 21 V. Para carregar uma bateria de 12 V, devido às perdas em cabos e diodos, os módulos devem gerar em torno de até 16 V. Para proteger as células solares, os módulos são encapsulados com materiais plásticos (EVA ou PVB). O lado onde a radiação incide é coberto com vidro temperado e a parte posterior com plástico Tedlar.
Finalmente, o módulo é emoldurado com uma estrutura de alumínio anodizado, que lhe dá rigidez e tudo isto o protege contra as intempéries. Normalmente os fabricantes dão uma garantia de 10 a 25 anos (uma garantia típica é de 25 anos para o nível de produção de energia e 10 anos contra defeitos de fabricação), porém espera-se que a vida útil dos módulos fabricados de silício cristalino seja superior a isso. Estão em desenvolvimento módulos fotovoltaicos cujas células solares não são fabricadas de silício (monocristalino, policristalino ou silício amorfo hidrogenado), tais como: disseleneto de cobre e índio (CIS), telureto de cádmio (CdTE), dentre outros.
Um número variado de módulos, por sua vez, pode ser conectado eletricamente até se alcançar a potência desejada, dependendo da quantidade de energia elétrica a ser consumida e da insolação do local, formando um painel fotovoltaico. Os módulos podem ser ligados em série ou em paralelo dependendo da corrente e tensão desejadas. A ligação em série dos módulos fotovoltaicos é feita do terminal positivo de um módulo a um terminal negativo de outro módulo, enquanto as conexões em paralelo compreendem ligações de terminais de mesma polaridade.
Por exemplo sistemas fotovoltaicos para iluminação, TV/vídeo, refrigeração, de médio porte são conectados para operar em tensões de 12 V ou 24 V. Os sistemas de bombeamento d’água trabalham normalmente em tensões superiores. Quando o módulo está exposto ao Sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, dependendo da intensidade da radiação solar e da temperatura ambiente. A capacidade de um módulo fotovoltaico é dada pela potência de pico em Wp.
A condição padrão para determinação desta potência é definida para o módulo exposto a uma radiação solar de 1000 W/m² (radiação recebida na superfície da Terra em dia claro, ao meio dia) e temperatura da célula de 25°C. Pode-se comparar estas condições a um dia ensolarado mas muito frio, ao meio dia, com o Sol a pino, sem nuvens e temperaturas amenas, o que é difícil de obter. Existem vários outros parâmetros elétricos de um módulo, porem o mais importante é a potência que reflete, por exemplo, a capacidade de um conjunto de módulos carregar as baterias (para suprimento de cargas tais como lâmpadas, TV/vídeo etc. à noite ou em períodos chuvosos) ou encher um reservatório d’água (no caso de bombeamento d’água) o mais rápido possível.
As medidas de tensão e corrente de um módulo podem ser desenhadas em um gráfico, que é chamado Curva IxV ou curva característica do módulo (veja a figura ilustrativa abaixo). A corrente elétrica depende da irradiação solar variando significantemente com a variação da intensidade da luz. A tensão elétrica é fortemente influenciada pela temperatura. O aumento da intensidade da luz incidente no módulo aumenta a temperatura das células, diminuindo a tensão do módulo, e consequentemente reduzindo sua eficiência. A tensão diminui significativamente com o aumento da temperatura enquanto que a corrente sofre uma redução muito pequena.
É importante enfatizar que não há geração de potência para as condições de circuito aberto, Voc (porque a corrente é zero) e curto circuito, Isc (porque a tensão é zero). Consequentemente existe somente uma tensão e uma corrente para a qual a potência máxima, Pm, é extraída. A corrente correspondente a tensão de potência máxima é chamada a corrente de potência máxima (Imp). O ponto de potência máxima (Pm) é o ponto da curva IxV para o qual a máxima potência é extraída. Este ponto corresponde ao produto da tensão de potência máxima (Vmp) e corrente e potência máxima (Imp), dado por: Pm = Imp x Vmp. Portanto, os cinco parâmetros utilizados pelos fabricantes para especificar a característica elétrica de seus módulos, sob determinadas condições de radiação solar, temperatura ambiente e massa de ar são: potência máxima (Pm), tensão e corrente de potência máxima (Vmp, Imp), tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto circuito (Isc).
Gestão de energia
Já a NBR ISO 50001 especifica os requisitos de um sistema de gestão da energia (SGE) para uma organização desenvolver e implementar uma política energética, estabelecer objetivos, metas e planos de ação que considerem requisitos legais e informações relativas ao uso significativo de energia. Um SGE habilita uma organização a atender sua política energética, tomar as devidas ações de melhoria de seu desempenho energético e demonstrar conformidade aos requisitos dessa norma.
Pode-se ajustar a aplicação desta Norma a requisitos específicos de uma organização – incluindo complexidade do sistema, grau de documentação e recursos – e abrange as atividades sob o controle da organização.
Essa norma baseia-se na estrutura de melhoria contínua do Plan-Do-Check-Act e incorpora a gestão da energia nas práticas organizacionais diárias melhoria da competitividade e redução de emissões de gases de efeito estufa e outros impactos ambientais relacionados. Esta norma é aplicável independentemente dos tipos de energia utilizados. Pode ser utilizada para certificação, registro ou autodeclaração do SGE de uma organização. Ela não estabelece requisitos absolutos para o desempenho energético além daqueles estabelecidos na política energética da organização e de sua obrigação de conformidade a requisitos legais aplicáveis ou outros requisitos. Assim, duas organizações realizando operações semelhantes, mas com desempenhos energéticos distintos, podem ambas estar em conformidade com seus requisitos.
Especificamente em seu item 4.3 Política energética: deve declarar o comprometimento da organização para atingir a melhoria do desempenho energético. A alta direção deve definir a política energética e garantir que esta: seja apropriada à natureza e escala do uso e consumo de energia da organização; inclua um comprometimento para melhoria contínua de desempenho energético; inclua um comprometimento para garantir a disponibilidade de informações e de recursos necessários para atingir objetivos e metas; inclua um comprometimento para cumprir com os requisitos legais aplicáveis e outros requisitos aos quais a organização subscreve em relação à eficiência, uso e consumo de energia; forneça uma estrutura para estabelecer e revisar objetivos e metas energéticas; apoie a aquisição de produtos energeticamente eficientes, assim como de serviços e projetos para melhoria do desempenho energético; seja documentada e comunicada em todos os níveis da organização; e seja regularmente revisada e atualizada se necessário.
4.4 Planejamento energético
4.4.1 Geral
A organização deve conduzir e documentar o processo de planejamento energético. O planejamento energético deve ser consistente com a política energética e deve levar a atividades que melhorem continuamente o desempenho energético. O planejamento energético deve envolver uma revisão das atividades da organização que possam afetar o desempenho energético.
4.4.2 Requisitos legais e outros
A organização deve identificar, implementar e ter acesso aos requisitos legais aplicáveis e outros requisitos aos quais a organização subscreve, relacionados ao seu uso e consumo de energia e eficiência energética. A organização deve determinar como estes requisitos se aplicam ao uso e consumo de energia e eficiência energética e deve assegurar que estes requisitos legais e outros requisitos aos quais a organização subscreve são considerados no estabelecimento, implementação e manutenção do SGE. Requisitos legais e outros requisitos devem ser revisados a intervalos definidos.
4.4.3 Revisão energética
A organização deve desenvolver registrar e manter uma revisão energética. A metodologia e os critérios utilizados para desenvolver a revisão energética devem ser documentados. Para desenvolver a revisão energética a organização deve:
a) Analisar uso e consumo de energia com base em medições e outros dados:
1. Identificar fontes de energia atuais;
2. Avaliar o uso e consumo de energia atual e passado.
3. Com base no uso e consumo de energia, identificar as áreas de uso significativo de energia:
4. Identificar as instalações, equipamentos, sistemas, processos e pessoal trabalhando para a organização ou em seu nome que afetam significativamente o uso e consumo de energia;
5. Identificar outras variáveis relevantes que afetam significativamente o uso de energia;
6. Determinar o desempenho energético atual de instalações, equipamentos, sistemas e processos relacionados aos usos significativos de energia identificados; e
7. Estimar o uso e consumo de energia futuros.
8. Identificar, priorizar e registrar oportunidades de melhoria de desempenho energético.
A revisão energética deve ser atualizada a intervalos definidos e em resposta a mudanças expressivas em instalações, equipamentos, sistemas ou processos. Em seu anexo A, a norma detalha que a implementação de um sistema de gestão da energia especificado tem a intenção de obter melhorias de desempenho energético. Portanto, esta Norma é baseada na premissa de que a organização revisará e avaliará periodicamente seu sistema de gestão da energia para identificar oportunidades de melhoria e a implementação. A A organização tem flexibilidade sobre como implementar seu SGE. Por exemplo: o ritmo, extensão e duração dos processos de melhoria contínua são determinados pela organização.
Enfim, a implementação de um sistema de gestão da energia especificado pela NBR ISO 50001 tem a intenção de obter melhorias de desempenho energético. Portanto, é baseada na premissa de que a organização analisará criticamente e avaliará periodicamente seu sistema de gestão da energia para identificar oportunidades de melhoria e a implementação destas. A organização tem flexibilidade sobre como implementar o SGE. Por exemplo, o ritmo, extensão e duração dos processos de melhoria contínua são determinados pela organização.
A organização pode levar em conta considerações econômicas e outras para determinar o ritmo, extensão e cronograma dos processos de melhoria contínua. Os conceitos de escopo e fronteiras permitem flexibilidade à organização para definir o que está incluso no SGE. O conceito de desempenho energético inclui uso e consumo de energia e eficiência energética. Assim, a organização pode escolher dentre uma ampla gama de atividades de desempenho energético. Por exemplo, a organização poderia reduzir demanda de pico, utilizar excedente de energia ou resíduo energético, ou melhorar as operações de seus sistemas, processos ou equipamentos.
A alta direção ou seu representante, ao comunicar àqueles da organização, pode sustentar a importância da gestão da energia através de atividades de envolvimento de funcionários, como delegação de autoridade, motivação, reconhecimento, treinamento, participação e recompensa. As organizações que conduzem planejamento de longo prazo podem incluir considerações de gestão da energia como: fonte de energia, desempenho energético e melhorias de desempenho energético nas atividades de planejamento.
O representante da direção pode ser um funcionário atual, novo ou contratado da organização. As responsabilidades do representante da direção podem abranger a totalidade ou parte de sua descrição de cargo. Habilidades e competências podem ser determinadas em relação ao tamanho da organização, cultura e complexidade, ou a requisitos legais ou outros requisitos. A equipe de gestão da energia assegura a realização das melhorias de desempenho energético. O tamanho da equipe é determinado pela complexidade da organização: para pequenas organizações, pode ser uma pessoa tal como o representante da direção; para organizações maiores, uma equipe multifuncional provê um mecanismo efetivo para engajar diferentes partes da organização no planejamento e implementação do SGE.
A política energética é a direcionadora da implementação e das melhorias do SGE e do desempenho energético da organização no contexto de seu escopo e fronteiras. A política pode ser uma breve declaração que os membros da organização possam compreender prontamente e aplicar às suas atividades de trabalho. A disseminação da política energética pode ser usada como meio de orientar o comportamento organizacional. Onde sistemas de transportes são adquiridos ou utilizados pela organização, o uso e consumo de energia em transporte pode ser incluído no escopo e fronteiras do SGE. Convém que o processo de identificação e avaliação do uso de energia leve a organização a definir áreas de uso significativo de energia e identificar oportunidades de melhoria de desempenho energético. Exemplos de pessoal que trabalha em nome da organização incluem serviços contratados, pessoal em tempo parcial e equipes temporárias.
Fontes potenciais de energia podem incluir fontes convencionais que não foram previamente usadas por uma organização. Fontes alternativas de energia podem incluir combustíveis fósseis ou não fósseis. Atualizar a revisão energética significa atualizar as informações relacionadas à análise, determinação de significância e determinação de oportunidades de melhoria de desempenho energético.
Uma auditoria ou avaliação energética abrange uma análise crítica detalhada do desempenho energético de uma organização, de um processo ou ambos. Baseia-se tipicamente em medição e observação apropriadas de desempenho energético real. Os resultados de auditoria incluem tipicamente informações sobre consumo e desempenho atuais e podem ser acompanhados de uma lista de recomendações priorizadas para melhoria em termos de desempenho energético. As auditorias energéticas são planejadas e conduzidas como partes da identificação e priorização de oportunidades de melhoria do desempenho energético.
Corey Accardo/ Ap Photo/ Noaa
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