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, através de seus fótons, é absorvida pela célula fotovoltaica. A energia dos fótons da luz é transferida para os elétrons que então ganham a capacidade de movimentar-se. O movimento dos elétrons, por sua vez, gera a corrente elétrica.
As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais utilizada a montagem de painéis ou módulos solares. Além dos painéis fotovoltaicos, também se utilizam filmes flexíveis, com as mesmas características, ou até mesmo a incorporação das células em outros materiais, como o vidro. As diferentes formas com que são montadas as células se prestam à adequação do uso, por um lado maximizando a eficiência e por outro se adequando às possibilidades ou necessidades 

Quanto aos sistemas fotovoltaicos, estes podem ser divididos em dois grandes grupos:sistemas isolados (off-grid) e sistemas conectados à rede (grid-tie). Os sistemas isolados são aqueles que não se integram 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. Já 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 de energia solar ou, ainda, sistema fotovoltaico, é um sistema capaz de gerar energia elétrica através da radiação solar. Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: 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, refúgios, iluminação, telecomunicações, bombeio de água, etc. Já os Sistemas Conectados à rede, substituem ou complementam a energia elétrica convencional disponível na rede elétrica. 

Um sistema fotovoltaico possui quatro componentes básicos. Porém, para as instalações mais usuais (grid-tie) são utilizados somente os painéis fotovoltaicos e os inversores. Para as instalações off-grid, utiliza-se: 

     Painéis solares – Fazem o papel de coração, “bombeando” a energia para o sistema. Podem ser um ou mais painéis e são dimensionados de acordo com a energia necessária. São responsáveis por transformar energia solar em eletricidade.

     Controladores de carga – Funcionam como válvulas para o sistema. Servem para evitar sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho.

     Inversores – Cérebro do sistema, são responsáveis por transformar os 12 V de corrente contínua (CC) das baterias em 110 ou 220 V de corrente alternada (AC), ou outra tensão desejada. No caso de sistemas conectados, também são responsáveis pela sincronia com a rede elétrica. 

     Baterias – Trabalham como pulmões. Armazenam a energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não há sol.

 

Sistemas conectados à rede - Grid-tie

Os sistemas fotovoltaicos de conexão à rede são caracterizados por estarem integrados à rede elétrica que abastece a população. 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, ou localmente ou em outro ponto da rede. Sistemas de conexão à rede podem ser utilizados tanto para abastecer uma residência, ou então simplesmente produzir e injetar a energia na rede elétrica, assim como uma usina hidroelétrica ou térmica.

Para casas e empresas estes sistemas também são chamados de sistemas fotovoltaicos de auto-consumo. Se o proprietário do sistema produzir mais energia do que consome, a energia produzida 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.

Do ponto de vista dos componentes, um sistema fotovoltaico 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. Por o sistema estar conectado à rede, a falta de energia é compensada pela mesma, o que elimina a necessidade de baterias.

 

Projeto - Energia Solar Fotovoltaica

Existem diversos softwares para auxiliar no projeto de sistemas fotovoltaicos. Os softwares já possuem cadastrados os principais modelos de painéis e inversores disponíveis no mercado além da base de dados meteorológicos que ajudam prever o volume de energia a ser gerada pelo sistema. Vale a pena comparar os dados de irradiação com os valores dos atlas solarimétricos do Brasil, pois muitas vezes encontramos diferenças não desprezíveis. Podemos citar o PV*SOL, PVSIST e SMA Sunny Design como alguns dos softwares mais utilizados.

 

Dimensionamento inicial

O projeto de um sistema fotovoltaico começa pela definição da quantidade de energia a ser produzida. Parte-se do consumo de energia em kWh da unidade consumidora - o sistema deve ser dimensionado para produzir no máximo 100% da energia média consumida, pois o consumidor não será remunerado pela produção de energia em excesso. O tamanho do sistema também fica restrito à área disponível para instalação dos painéis.

 

Posicionamento dos painéis

O segundo passo é determinar o local da instalação dos painéis. A produção máxima se dará em função da disponibilidade de sol, da orientação e inclinação dos painéis. A melhor orientação é voltada para a linha do equador (direção Norte, para a maioria dos estados brasileiros). A inclinação dos painéis de maior produção é aquela onde a luz incide o mais perpendicular possível ao plano do painel e é função da latitude do local. A inclinação ótima pode variar se houver meses historicamente muito nublados. Por fim, recomenda-se inclinação mínima de 10 graus para evitar o acúmulo de água e facilitar a limpeza natural com a chuva.

 

Análise de sombreamento

Além da orientação e inclinação, a quantidade de luz recebida também pode ser prejudicada por objetos ou construções próximas ao sistema fotovoltaico. Pequenas sombras podem prejudicar muito a produção de energia. Além de prédios e árvores, as chaminés, antenas e objetos menores devem ser observados. Deve ser feita uma análise de sombreamento para todo o ano, pois o posicionamento do sol altera os ângulos de incidência e as sombras.

 

Radiação solar e definição dos painéis fotovoltaicos

Verifica-se, por fim, a radiação solar no local. Essa informação é obtida em um mapa solarimétrico, e, um dos mais usados no Brasil foi elaborado pelo INPE. A radiação geralmente é dada em kWh/m2/dia ou HSP/dia (Horas de Sol Pico por dia), que não quer dizer o número de horas de sol em um dia, mas sim o equivalente a uma hora padrão de 1.000W/m2. No Brasil, a radiação fica entre 4 kWh/m2/dia no Sul e 6,5 kWh/m2/dia no interior do Nordeste.

A quantidade de painéis é determinada de acordo com a energia que se deseja produzir (veja como calcular na tabela abaixo)

O arranjo fotovoltaico (combinação dos painéis em série/paralelo) deverá ser compatível com o inversor utilizado. Para isso, as especificações técnicas dos painéis e inversores devem ser consultadas de modo a determinar o tamanho e a quantidade das séries de painéis, bem como a quantidade de inversores necessários.

 

 

Regulação do Sistema Grid-tie

A Resolução Normativa da ANEEL Nº 482, de 17/04/2012 estabelece as condições gerais para o acesso de geração distribuída de pequeno porte à rede elétrica e cria o mecanismo de compensação de energia. Em outras palavras, a resolução criou as regras necessárias para que qualquer pessoa ou empresa possa gerar energia fotovoltaica para seu próprio consumo.

O sistema adotado no Brasil é conhecido como net-metering. Nele, o consumidor-produtor de energia paga em sua conta de luz apenas a diferença entre o seu consumo e a sua produção. A produção de energia é convertida em créditos que são abatidos da conta dentro do próprio mês ou dentro de até 36 meses, caso tenha produzido energia em excesso, garantindo a adequação às sazonalidades de produção e consumo. Além disso, os créditos podem ser usados em outras unidades consumidoras do mesmo titular, desde que as unidades sejam atendidas pela mesma distribuidora de energia.

 

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) lançou em marco/2014 um caderno temático com o tema Micro e Minigeração Distribuída - Sistema de Compensação de Energia Elétrica.

O caderno apresenta uma visão panorâmica acerca das condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, bem como sobre a dinâmica de funcionamento do sistema de compensação de energia elétrica.

Neste caderto, podemos encontrar detalhes sobre o que caracteriza um microgerador ou um minigerador, os prazos que as distribuidoras devem atender para as solicitações de acesso feitas pelos geradores, como funciona o sistema de compensação de energia, detalhes sobre impostos e tributação.

Todo o caderno é bem didático e ilustrado. Veja.