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Sobre Energia Solar Fotovoltaica

Sobre Energia Solar Fotovoltaica

Energias Renováveis ou Energias Alternativas

Energia renovável ou energia alternativa é aquela gerada através de fontes renováveis e que, portanto, não gera impacto no meio ambiente, seja através do esgotamento de recursos ou pela emissão de CO2 na atmosfera.

As principais fontes alternativas de energia são: Solar, Eólica, Hidráulica, Biomassa, e Maremotriz.

A Biomassa, apesar de emitir CO2 na queima para gerar energia, recupera esse CO2 através da fotossíntese enquanto se desenvolve, compensando o meio ambiente. Essa energia pode ser gerada por meio de sobras ou resíduos de matéria orgânica da atividade humana ou ainda biomassa produzida exclusivamente para esse fim.

A energia hidráulica, nos grandes projetos, causa uma série de impactos pela área alagada e pelas consequentes alterações no meio ambiente do entorno da barragem, além do grande impacto social, quando cidades inteiras têm que ser mudadas de lugar e pelos impactos ambientais que quase sempre são irreversíveis e, muitas vezes, pode ser mais prejudicial do que os benefícios gerados. As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) não ocasionam grandes alagamentos, preservando o meio ambiente.

Energia Solar

Tipos de Energia Solar

A energia solar é uma fonte de energia abundante, renovável, limpa e gratuita e pode ser utilizada de diversas maneiras. A forma mais simples de aproveitar essa energia é através de soluções de arquitetura que privilegiem a iluminação solar ou o controle natural da temperatura. Há também a possibilidade de se utilizar de sistemas de captação da energia solar para depois utilizá-la. Hoje existem três tipos principais sistema de energia solar: Sistema Solar Térmico, Sistema Solar Fotovoltaico e Sistema Heliotérmico.

Energia Solar Térmica: Nestes sistemas, a energia é captada através de painéis solares térmicos, também chamados de coletores solares. São os sistemas mais simples, econômicos e conhecidos para se aproveitar o sol, sendo utilizados em casas, hotéis e empresas para o aquecimento de água para chuveiros ou piscinas, aquecimentos de ambientes ou até em processos industriais. Os painéis são simples e têm a função de transferir o calor da radiação solar para a água ou óleo que passa por dentro dos coletores para então ser utilizado como fonte de calor.

Energia Solar Fotovoltaica: Nestes sistemas são capazes de gerar energia elétrica através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são geralmente montadas em módulos ou painéis solares fotovoltaicos e são capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico” (criação de tensão elétrica ou de corrente elétrica correspondente num material, após sua exposição à luz), presente em alguns materiais, sendo o mais utilizado o silício.

Energia Solar Heliotérmica ou Energia Solar Térmica Concentrada: Os sistemas heliotérmicos produzem inicialmente calor, através de um sistema de espelhos que concentram a radiação solar, e só então transformam este calor em energia elétrica. É um tipo de energia solar térmica, porém o seu propósito final é gerar energia elétrica. Este é o tipo menos difundido de energia solar devido ao alto custo e complexidade.

Comparando os três sistemas, a energia solar térmica é a mais eficiente e econômica, sendo, porém, utilizada apenas para aquecimento. A energia solar fotovoltaica tem inúmeras aplicações e é bastante confiável, sendo utilizada até em satélites. Finalmente, a energia solar concentrada que tem restrições devido ao alto custo, é mais adequada para grandes instalações. Por outro lado, ela une vantagens da energia solar térmica, por possibilitar a armazenagem do calor, enquanto também apresenta a versatilidade da energia elétrica.

Energia solar fotovoltaica

Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais difundido para este uso é o silício.

O efeito fotovoltaico acontece quando a luz solar incide sobre uma célula fotovoltaica. Nesse momento, os elétrons do material semicondutor se movimentam, gerando eletricidade.

Além dos painéis fotovoltaicos, existem também filmes flexíveis, que têm as mesmas características que as células fotovoltaicas, permitindo a montagem das células em vidro. As células são montadas de diferentes formas para adequar ao uso, maximizando a eficiência e se adequando às possibilidades ou necessidades arquitetônicas.

Quanto aos sistemas fotovoltaicos, estes podem ser divididos em dois grupos: Sistemas Isolados (Off-Grid) e Sistemas Conectados à Rede (Grid-Tie).

Os sistemas isolados são aqueles que não são conectados a rede elétrica e, geralmente, são utilizados em locais remotos ou onde o custo de acesso a rede é maior que o custo do próprio sistema. Normalmente estes sistemas utilizam bateria para armazenar a energia.

Os sistemas conectados à rede servem como qualquer outra forma de geração de energia que utilizamos a partir da rede elétrica e são utilizados como substitutos destas outras fontes de energia. Neste caso não há necessidade de armazenamento.

Sistemas de Energia Solar Fotovoltaica e seus Componentes

Um sistema de energia solar fotovoltaico, também chamado de sistema fotovoltaico, são sistemas capazes de gerar energia elétrica através da luz solar.

Existem dois tipos básicos de sistemas: Sistemas Isolados (Off-Grid) e Sistemas Conectados à Rede   (Grid-Tie).

Os Sistemas Isolados são utilizados em locais remotos ou onde o custo de se conectar a rede elétrica é elevado. São utilizados em casas de campo, iluminação pública, telefones de emergência, telecomunicações, bombeamento de água, etc.

Os Sistemas Conectados à rede substituem ou complementam a energia elétrica convencional disponível na rede elétrica.

Um sistema fotovoltaico possui quatro componentes básicos:

  • Painéis Solares: São responsáveis por transformar energia solar em eletricidade. Podem ter um ou mais painéis que são dimensionados de acordo com a energia necessária.
  • Inversores: São os responsáveis por transformar a corrente contínua (CC) das baterias, no caso de sistema Off-Grid em corrente alternada (CA) para alimentação dos equipamentos (110 V ou 220 V). No caso de sistemas Grid-Tie, também é responsável pela sincronia com a rede elétrica.
  • Controladores de Carga: Funcionam como sistema de controle da carga das baterias, evitando sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho. Só é necessário em sistemas    Off-Grid.
  • Baterias: Também utilizadas apenas em sistemas Off-Grid, armazenam a energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não houver sol.

Enquanto um sistema isolado necessita de baterias e controladores de carga, sistemas solares conectados à rede funcionam somente com painéis fotovoltaicos e inversores conectados à rede funcionam com retificadores e inversores, já que não precisam armazenar energia.


Painel Solar Fotovoltaico

Os painéis solares fotovoltaicos geram energia elétrica a partir da luz do sol e de forma muito simples, sem mecanismos móveis. O painel solar é o principal componente de um sistema de energia solar e é formado por um conjunto de células fotovoltaicas. Quando o sol atinge a célula os elétrons se movimentam gerando corrente elétrica.

Existem inúmeras variações de painéis fotovoltaicos, mas para que se tenha uma ideia, um painel típico terá aproximadamente 1 m2 e pesa pouco mais de 10 Kg, é feito de 36 células solares capazes de produzir cerca de 17 volts em corrente contínua e uma potência de até 140 Watts. Os modelos atuais variam de 5 W até 330 Watts de potencia máxima (Wp), dependendo da necessidade de uso e tecnologia empregada. Além disso, um sistema é composto por um ou mais painéis.

Existem três tipos básicos de painel solar fotovoltaico:

  • Painéis Solares Monocristalinos: São mais eficientes e feitos de um único cristal de silício. O silício utilizado deve ter pureza bastante elevada, o que envolve um processo complexo para fabricar os cristais únicos de cada célula, o que o torna mais caro.
  • Painéis Solares Policristalinos: São um pouco menos eficientes que os monocristalinos. Nestes painéis as células são formadas por diversos cristais de silício e não somente um, dando uma aparência de vidro quebrado à célula, o que o torna mais barato.
  • Painéis de Filme Fino: O material fotovoltaico é depositado diretamente sobre uma superfície, como metal ou vidro para formar o painel. São muito mais baratos e também muito menos eficientes. A área disponível pode ser uma restrição, pois a baixa eficiência deve ser compensada por uma área maior.

Inversores ou Conversores

Os inversores transformam corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), além de elevar as tensões gerada pelos painéis fotovoltaicos, e baterias até os 110 V, 220 V ou outra tensão utilizada por um aparelho elétrico.

Os painéis solares e as baterias fornecem energia em corrente contínua (CC). Normalmente, os equipamentos elétricos existentes em uma residência, necessitam de energia em corrente alternada (CA). Por esse motivo é necessário o uso do inversor.

Existem vários tipos de inversores, com relação à forma de onda fornecida:

  • Inversores de Onda Quadrada: São os inversores mais simples e econômicos, porém não podem ser utilizados com qualquer aparelho, como motores por exemplo.
  • Inversores de Onda Senoidal Modificada: Muito utilizado e bastante econômico. Produz uma onda intermediária entre a quadrada e a senoidal pura. Atende a maioria das aplicações, com exceção de aparelhos com controle de velocidade ou timers e motores, cada vez mais comuns. Estes inversores são uma boa escolha para pequenas instalações.
  • Inversores de Onda Senoidal Pura: Produzem uma onda senoidal praticamente perfeita e muitas vezes até mais limpa que a da própria rede elétrica. Podem ser utilizados com qualquer aparelho, apesar de mais caros.
  • Inversores para Conexão à Rede (Grid-Tie): Caso sua instalação seja conectada à rede, será necessário um Inversor Grid-Tie. Estes inversores produzem uma onda senoidal pura e sincronizam a frequência com a rede elétrica. Geralmente possuem um mecanismo chamado “ilhamento”, que garante que o sistema não envia energia para rede quando ela estiver desligada, evitando choques elétricos no técnico durante a manutenção.
  • Microinversores para Conexão à Rede (Grid-Tie): Um novo tipo de inversor Grid-Tie é o microinversor. Diferente dos inversores tradicionais (inversor central), cada microinversor é conectado a um único painel solar. Tem as mesmas proteções e apresentam vantagens técnicas sobre os inversores convencionais, como melhor eficiência, facilidade de instalação, modularidade, maior vida útil e facilidade de manutenção porem, são mais caros.
  • Inversores para Sistema Isolado (Off-Grid): Quando a instalação não é conectada à rede, será necessário um Inversor Off-Grid. Esses inversores produzem uma onda senoidal modificada ou senoidal pura e têm a função de transformar a energia armazenada em baterias (CC) em corrente alternada (CA) para alimentação dos equipamentos.
  • Inversor/Controlador de Carga: Tem a função de inversor e também de carregar as baterias. Permitem carregar e proteger as baterias evitando carga ou descarga exagerada.

Inversor Grid-Tie

Inversores Grid-Tie são inversores de corrente utilizados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Além da função básica de um inversor ou conversor CC/CA, os inversores para conexão à rede também fazem a sincronização com a rede pública de eletricidade, garantindo que a energia produzida seja fornecida exatamente como a da rede elétrica.

Também têm a função de monitorar o consumo e a geração do sistema para decidir se utilizará a energia gerada (quando tem geração e tem consumo), a energia da rede (quando não tem geração e tem consumo) ou se vai enviar a energia gerada para a rede (geração maior que o consumo) e, também, se desligar da rede na falta de energia (“ilhamento”).

Inversor Off-Grid

Inversores Off-Grid são inversores de corrente utilizados em sistemas fotovoltaicos não conectados à rede. Além da função básica de um inversor ou conversor CC/CA, eles monitoram a bateria, se desligando quando a carga das baterias está muito baixa, evitando assim, danos com a descarga excessiva.

Controladores de Carga

Os controladores de carga ficam entre os painéis fotovoltaicos e as baterias e têm a função de controlar a tensão de carga delas, evitando sobrecargas excessivas, prolongando a sua vida útil.

Os painéis solares produzem mais ou menos energia de acordo com a quantidade de luz e as baterias não suportam esta variação. Para resolver este problema e também para melhorar a carga das baterias é que se utiliza o controlador de carga.

Tipos de Controlador de Carga

  • Controladores PWM: Os controladores PWM (Pulse Width Modulation) são os mais utilizados, pois apesar da menor eficiência se justificam pelo custo.
  • Controladores MPPT: Os controladores MPPT (Maximum Power Point Tracking), possuem maior eficiência, mas são mais caros.

Para entender a diferença, vamos exemplificar utilizando um painel fotovoltaico.

Imagine um painel de 135 Wp (potência máxima que esse painel produz) abastecendo uma bateria de 12 V. Quando a luz solar está emitindo os raios com maior intensidade, esse painel gera 17,7 V e 7,63 A (17,7 x 7,63 = 135 W).

Um controlador PWM, nesse momento, transforma os 17,7 V em 12,5 V, mantendo os 7,63 A. Isso significa que dos 135 Wp, estará fornecendo para a bateria somente 95 W (12,5 x 7,63= 95 W), ou seja, 70% da energia fornecida pelo painel.

Já o controlador MPPT, também transforma os 17,7 V em 12,5 V, mas eleva a corrente, na mesma proporção, para 10,8 A. Assim, o controlador fornecerá 135 W (12,5 V x 10,8 A = 135 W) para a bateria, ou seja, 100% da energia produzida pelo painel. Como a eficiência dos controladores não é de 100%, essa diferença não será de 30%, como no exemplo, porém pode chegar a até 25%, dependendo da eficiência do inversor. Para saber se vale a pena substituir um carregador PWM por um MPPT, deve-se comparar a diferença de custo dos controladores com a redução do número de painéis, já que a maior eficiência do sistema permitirá que se utilizem menos painéis.

Baterias

As baterias em um sistema isolado (Off-Grid) servem para garantir o fornecimento de energia quando não houver sol. São as baterias que determinam a autonomia de um sistema isolado. Dependendo do equipamento sendo alimentado, por exemplo, uma geladeira em um posto de saúde com vacinas, não pode deixar de funcionar devido a alguns dias sem geração e por isso as baterias devem ser dimensionadas para mais dias de autonomia, por segurança. Já uma aplicação mais simples ou menos essencial, poderia ser dimensionada para menos dias sem geração. Sistemas conectados à rede não necessitam de baterias já que a não geração é compensada pela energia da rede.

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 baterias automotivas não devem ser utilizadas.

Tipos de Baterias

  • Baterias Automotivas: Estas baterias não devem ser utilizadas, pois foram projetadas para fornecer grandes correntes por curtos períodos de tempo, como durante as partidas do carro, por exemplo. Portanto, não suportam descargas profundas e por isso sua vida útil fica extremamente reduzida se utilizada em sistemas alternativos.
  • Baterias Estacionárias: Estas baterias utilizam placas mais grossas que as convencionais. Isso permite que suportem descargas profundas. São as mais econômicas e uma boa opção para sistemas pequenos. Sua vida útil é de 4 a 5 anos.
  • Baterias OPzS: São muito utilizadas para sistemas de energia alternativa e tem preços razoáveis para a sua vida útil. Estas baterias são ventiladas, ou seja, liberam gás e devem ter reposição de água de tempos em tempos. Os gases são explosivos e, portanto deve permanecer em locais bem ventilados. Sua vida útil é de cerca de 10 anos.
  • Baterias de Gel: São baterias seladas de gel, que não liberam gás e que, portanto, podem ficar em locais fechados. Também são adequadas para embarcações, pois o gel não se movimenta dentro da bateria, mas não devem ficar em locais muito quentes. Sua vida útil é de mais de 10 anos.
  • Baterias AGM: A bateria com tecnologia AGM (Absorbent Glass Matt), que em português significa separador de fibra de vidro absorvente, tem como característica principal a absorção total da solução ácida (eletrólito) em seus separadores. Com isso, as placas fazem o contato com a solução ácida através do separador, proporcionando muito mais durabilidade que as baterias convencionais. São mais caras, mas geralmente pagam o investimento. Sua vida útil também é de mais de 10 anos.

As baterias são o primeiro item de desgaste em um sistema de energia alternativa e, portanto, a sua escolha deve levar em conta a dificuldade/custo de manutenção e troca. Sistemas de energia renovável são feitos para durar 30 anos ou mais e economizar em baterias pode não ser a melhor opção no longo prazo.

Sistemas Isolados – Off-Grid

Os sistemas isolados ou autônomos para geração de energia são caracterizados por não se conectar a rede elétrica. O sistema é geralmente construído com um propósito local e específico. Esta solução é bastante utilizada em locais remotos já que muitas vezes é o modo mais econômico e prático de se obter energia elétrica nestes lugares. Exemplos de uso são sistemas de bombeamento de água, eletrificação de cercas, geladeiras para armazenar vacinas, postes de iluminação, estações replicadoras de sinal, residências, etc.

A energia produzida é armazenada em baterias que garantem o abastecimento em períodos sem geração.

Os sistemas isolados de geração de energia, de maneira simplificada, são compostos por quatro componentes:

  • Painéis Solares: Os painéis solares geram a energia elétrica que abastece as baterias. Tem a propriedade de transformar a radiação solar em corrente elétrica. Um sistema pode ter apenas um painel ou vários painéis interligados entre si (sistema fotovoltaico) ou ser híbrido, contendo geradores eólicos e painéis fotovoltaicos ou outra fonte de geração de energia simultaneamente.

  • Controladores de Carga: Os controladores de carga garantem o correto carregamento das baterias evitando sobrecargas elevadas, aumentando sua vida útil.

  • Inversores: Os inversores têm a função de transformar corrente continua (CC) em corrente alternada (CA), e elevar a tensão, por exemplo, de 12 V para  127 V.

  • Baterias: As baterias armazenam a energia elétrica para ser utilizada nos momentos em que não haja geração e não haja outras fontes de energia.

Sistemas Conectados - Grid-Tie

Os sistemas de conexão à rede são caracterizados por estarem integrados à rede elétrica convencional. Diferente dos sistemas isolados que atendem a um propósito específico e local, estes sistemas também são capazes de abastecer a rede elétrica com energia que pode ser utilizada por qualquer consumidor da rede.

Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos sistemas isolados por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada localmente ou em outro ponto da rede. Sistemas de conexão à rede são utilizados tanto para abastecer uma residência, ou, no caso da geração ser maior que o consumo, injetar a energia na rede elétrica.

Para residências e empresas estes sistemas também são chamados de sistemas de auto-consumo. Se o proprietário do sistema produzir mais energia do que consome, a energia excedente fará com que o medidor “gire para trás”. Quando produzir menos do que consome, o medidor deverá “girar mais devagar”. Vale observar que o medidor deve ser apropriado para contabilizar o fluxo de energia nos dois sentidos. O medidor adotado no Brasil é o digital bidirecional.

Do ponto de vista dos componentes, um sistema Grid-Tie é composto por painéis solares e inversores. Os inversores Grid-Tie, além de transformar a corrente contínua em alternada, devem sincronizar o sistema com a rede pública. Pelo fato do sistema estar conectado à rede, a falta de energia é compensada pela mesma, o que elimina a necessidade de baterias.