Daniel Coelho
COMO FUNCIONA A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
OS PRIMEIROS PASSOS PARA VOCÊ CONHECER A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
A Energia Solar A energia solar é a fonte de energia mais abundante na Terra. Você sabia que praticamente todas as outras fontes de energia tem origem na energia solar? A energia eólica, por exemplo, é formada pelo aquecimento irregular da superfície terrestre causado pela incidência da energia solar. A diferença de temperatura entre as regiões provoca o deslocamento de massas de ar formando o vento. Tem um artigo publicado na Escola da Energia sobre energia eólica que explica melhor o processo de formação dos ventos. Se você quiser saber mais clique aqui. A energia hidráulica também tem origem na energia solar. As águas que impulsionam as turbinas hidráulicas dependem do ciclo de evaporação e condensação da água para manter o fluxo dos rios que alimentam os reservatórios das hidrelétricas. A evaporação da água ocorre devido a incidência da energia solar sobre os rios, lagos e oceanos. Em seguida, a água retorna para os rios por meio da chuva. Outro exemplo de aproveitamento indireto da energia solar é a energia da biomassa que tem origem nas plantas que necessitam da luz solar para se desenvolver. O Brasil é um país privilegiado em relação a energia solar. Na média o Brasil recebe uma irradiação de 5 kWh/m2/dia. Esse valor é bem maior que a energia solar incidente em diversos países europeus que usam a energia solar de forma consistente. Mas como aproveitar toda essa energia solar que chega até a Terra? O primeiro passo é captar a energia solar. EscolaDaEnergia.com
A Captação da Energia Solar A captação da energia solar é feita por meio dos módulos fotovoltaicos, que devem ser instalados de forma a captar o máximo de energia solar possível. Para isso os módulos fotovoltaicos devem ser posicionados em direção ao Norte nas regiões abaixo da linha do Equador e voltados para o Sul em regiões acima da linha do Equador. Quando os módulos não são instalados na direção correta a captação de energia solar é menor. Além da direção, o módulo fotovoltaico deve ser instalado com a inclinação correta para captar o máximo de energia solar possível. A maior captação de energia solar ocorre quando os raios do Sol incidem perpendicularmente a superfície do módulo fotovoltaico. Porém, como a posição do Sol no céu varia ao longo do dia e do ano não é possível ter o módulo posicionado perpendicularmente à direção do Sol durante todo o tempo. Pelo menos nos sistemas fotovoltaicos comuns em que os módulos são fixos. No caso de instalações fotovoltaicas equipadas com sistema de rastreamento automático da posição do Sol é possível otimizar o ângulo de incidência dos raios do Sol de forma automática. Porém, esses sistemas ainda são muito caros. Então, como escolher o ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico?
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Escolha do Ângulo de Inclinação A escolha do ângulo de inclinação do painel fotovoltaico vai depender da necessidade de cada projeto. Dependendo do ângulo de inclinação escolhido a produção de energia pode variar ao longo do ano, podendo ser maior no inverno ou no verão. N o inverno o Sol encontrase em uma posição mais baixa no céu. Então, para aumentar a captação da energia solar neste período devese usar um ângulo de inclinação maior. A posição do Sol no céu varia em função da latitude do local. Em latitudes menores, em regiões próximas ao Equador o Sol está "mais alto" no céu e em regiões de latitudes maiores o Sol está mais baixo. Em sistemas fotovoltaicos isolados da rede elétrica, geralmente o ângulo de inclinação escolhido deve favorecer a produção de energia no período do inverno quando ocorre a menor intensidade de radiação solar. Neste caso o ângulo de inclinação deve ser igual a latitude local vezes 1,25. Já no caso dos sistemas conectados a rede o objetivo é captar o máximo de energia ao longo do ano. Neste caso o ângulo de inclinação geralmente usado é o ângulo de inclinação igual a latitude do local. O ângulo de inclinação mínimo recomendado é de 10 graus. Isso para evitar o acúmulo de sujeira nos módulos fotovoltaicos.
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A Transformação da Energia Solar Em Eletricidade A transformação da energia solar em eletricidade ocorre por meio do efeito fotovoltaico. A radiação eletromagnética do Sol quando incide sobre uma célula formada por duas camadas de semicondutores produz uma tensão elétrica (ou diferença de potencial) nessa célula. Havendo um caminho elétrico entre os terminais dessa célula surgirá uma corrente elétrica. A transformação direta da energia solar em eletricidade ocorre nas células fotovoltaicas. A célula fotovoltaica é a menor unidade de um sistema de energia solar fotovoltaica. As tensões produzidas pelas células são muito pequenas, da ordem de 0,6V. A figura ao lado mostra uma célula fotovoltaica. Para produzir um módulo fotovoltaico com tensão de saída maior é necessário agrupar uma série de células fotovoltaicas. Geralmente os módulos fotovoltaicos possuem 36, 54 ou 60 células. Então, um módulo fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas ligadas em série. Geralmente uma instalação de energia solar fotovoltaica possui mais de um módulo. O conjunto de módulos fotovoltaico é conhecido como painel fotovoltaico. As principais tecnologias de células fotovoltaicas utilizada comercialmente são as células de silício monocristalino, policristalino e filme fino. EscolaDaEnergia.com
O Uso Da Energia Elétrica Após a transformação da energia solar em eletricidade é necessário adequar a energia elétrica ao uso. Dependendo do tipo de uso serão necessários componentes diferentes. Os dois grandes usos dos sistemas fotovoltaicos são o uso em sistemas isolados da rede elétrica e sistemas conectados à rede elétrica.
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Sistema de Energia Solar Fotovoltaica Conectado a Rede No caso dos sistemas de energia solar fotovoltaica conectado a rede, a energia elétrica produzida é consumida na própria instalação. O excedente é injetado na rede elétrica da concessionária. O excedente de energia elétrica injetada na rede durante o dia gera um crédito que pode ser usado em outro momento. Quando o sistema de energia solar fotovoltaica não estiver produzindo energia, geralmente a noite. De uma maneira geral o que acontece é o seguinte. No final do mês é feito um balanço entre a energia injetada e consumida da rede. Se a injeção de energia na rede for maior que o consumo de energia da rede é gerado um crédito que pode ser usado nos meses seguinte. Caso a injeção de energia seja menor que o consumo é gerada a cobrança na conta de eletricidade. Para a conexão do sistema de energia solar fotovoltaica na rede é necessário o uso de um inversor interativo. O inversor tem a função de transformar a eletricidade produzidas pelos módulos com tensão e corrente contínua em tensão e corrente alternada exigida pela rede elétrica. Mas além dessa função o inversor para conexão do sistema fotovoltaico a rede tem outras funções. Como por exemplo, manter a mesma tensão e frequência de operação da rede, minimizar a injeção de corrente contínua na rede, evitar distorções harmônicas, manter o fator de potência dentro de limites aceitáveis e atender as normas brasileiras.
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Uma característica muito importante do inversor para conexão a rede é a atuação na detecção de ilhamento. Mas o que é isso? Imagine uma residência com um sistema de energia solar fotovoltaica instalado. Se por algum motivo “faltar luz” na rua e o sistema fotovoltaico continuar funcionando, o que vai acontecer? O sistema fotovoltaico vai passar a alimentar a rede elétrica da rua. Se algum funcionário da concessionária de energia fizer algum trabalho de manutenção na rede pode sofrer um acidente porque a rede elétrica estará energizada pelo sistema fotovoltaico. Por isso o nome de ilhamento. O sistema fotovoltaico estaria funcionando de forma “ilhada” enquanto a rede elétrica estiver desligada. Para evitar esse tipo de acidente os inversores são equipados com dispositivo para detectar a falta de rede e desligar imediatamente. Agora vem a pergunta de sempre. Quer dizer que se faltar luz na minha rua o sistema fotovoltaico da minha casa para de funcionar? Sim! Isso mesmo, quando faltar luz o seu sistema fotovoltaico não vai gerar energia. Isso é uma questão de segurança.
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Sistema de Energia Solar Fotovoltaica Isolado da Rede O sistema de energia solar fotovoltaica isolado da rede funciona de maneira um pouco diferente. Como nesse caso não há a presença da rede elétrica para fornecer energia quando o Sol não estiver presente, são necessários alguns componentes auxiliares. Um dos componentes mais importante de um sistema de energia solar fotovoltaica isolado da rede é o banco de baterias. Ele é responsável pelo armazenamento da energia elétrica produzida pelos módulos. O banco de baterias deve ser dimensionado para atender a demanda diária de energia elétrica durante a noite. Além disso, deve ser capaz de fornecer energia elétrica para a carga em períodos chuvosos ou nublados. A energia elétrica produzida pelo sistema de energia solar fotovoltaica é armazenada no banco de bateria em tensão e corrente contínua. Para controlar a carga e a descarga das baterias é necessário o uso de um controlador de carga. O controlador de carga tem a função de proteger a bateria, evitando que ela seja sobrecarregada ou descarregada em excesso. Existem alguns equipamentos elétricos que utilizam corrente contínua para funcionar. Nesse caso os equipamentos podem ser alimentados diretamente com a tensão e corrente contínua das baterias. Porém, a grande maioria dos equipamentos elétricos deve ser alimentado em corrente alternada. Sendo assim, deve ser usado um inversor para converter a tensão e corrente contínua em tensão e corrente alternada.
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Porém, a grande maioria dos equipamentos elétricos deve ser alimentado em corrente alternada. Sendo assim, deve ser usado um inversor para converter a tensão e corrente contínua em tensão e corrente alternada. Os inversores para sistemas de energia solar fotovoltaica isolado da rede são mais simples que os inversores para conexão rede. Como são projetados para alimentar residências isolados não é necessário atender todos os requisitos de segurança e qualidade de energia para conexão com a rede.
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Conclusão A energia solar é a fonte de energia mais abundante na Terra e o Brasil tem um enorme potencial para usar a energia solar. O posicionamento e a inclinação dos módulos fotovoltaicos são importantes para o maior aproveitamento da energia solar. A transformação da energia solar em eletricidade ocorre nas células fotovoltaicas por meio do efeito fotovoltaico. De acordo com o uso que se deseja, o sistema de energia solar fotovoltaico pode ter diferentes componentes para adequar a energia elétrica produzida com a demanda dos equipamentos elétricos. Caso você tenha ficado com alguma dúvida é só enviar um email para daniel@escoladaenergia.com que eu terei o maior prazer em responder. Gostaria muito de saber a sua opinião sobre este material. Um grande abraço e até a próxima.
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Autor
Daniel Coelho daniel@escoladaenergia.com
A Escola da Energia é um site que ajuda engenheiros, técnicos, estudantes e interessados em energias renováveis a entender o funcionamento dessas fontes de energia, para que eles possam aproveitar as oportunidades de negócios e desenvolvimento de suas carreiras na área de energias renováveis.