Perdas estimadas no sistema fotovoltaico

O processo de transformação da energia solar em energia elétrica em corrente alternada adequada para uso nos equipamentos da unidade consumidora ocorre em diversas etapas. Em cada uma dessas etapas, ocorrem perdas de energia que impedem que a energia gerada pelo sistema seja igual a energia solar incidente sobre os módulos fotovoltaicos. Para o correto dimensionamento do gerador fotovoltaico adequado ao consumidor, faz-se necessário levar em consideração a eficiência global do sistema.

O método utilizado para definir a potência do painel fotovoltaico adequado ao cliente será calcular a eficiência global do sistema, calcular a energia para atender a necessidade do cliente e então calcular a quantidade de módulos necessários.

5.2.1 Eficiência do painel solar

Durante a captação da energia solar e transformação em energia elétrica de corrente contínua ocorrem diversas perdas:

Perdas por reflexão da irradiação: parte da irradiação solar é refletida pelo vidro protetor das células.

Perdas no efeito fotovoltaico: o elétrons livres que não são conduzidos pelos contatos metálicos da célula fotovoltaica retornam ao seu estado natural liberando calor ao invés de se tornarem energia elétrica. Esse efeito é mais perceptível em painéis em circuito aberto. A termografia permite detectar inúmeros problemas em usinas fotovoltaicas.

Perdas por descasamento: é importante ter cuidado durante a seleção das células para fabricar um módulo fotovoltaico. A incompatibilidade no valor de corrente de curto circuito de cada célula faz com que as células conectadas em série sejam limitadas pela célula fotovoltaica com menor corrente e, como consequência, a eficiência do módulo fotovoltaico diminui significativamente.

Pinho e Galdino (2014) recomendam um valor padrão para cálculo de 15% a 20% de perdas no painéis fotovoltaicos. No presente trabalho, será considerado 16% de perdas na conversão de energia solar em energia elétrica de corrente contínua.

5.2.2 Acúmulo de sujeira sobre os painéis

O acúmulo de sujeira sobre os painéis funciona como uma barreira que impede que a irradiação solar chegue às células fotovoltaicas reduzindo, consequentemente, a potência disponível ao módulo fotovoltaico. O acúmulo de sujeira depende de vários fatores como a inclinação do painel fotovoltaico, presença de industrias, obras civis ou praia próximos, intensidade e distribuição de chuvas ao longo do ano e periodicidade das manutenções.

O acúmulo de sujeira tambem reduz a eficiência do módulo fotovoltaico pelo aumento de temperatura consequente do sombreamento e da barreira criada que causa o acúmulo de calor nas células fotovoltaicas.

Recomenda-se que o painel seja instalado com inclinação maior que 4º para que a água proveninente de chuvas ou próprio sistema de limpeza do consumidor possa remover poeira acumulada. Em áreas com muito acúmulo, manutenção e limpeza periódica dos painéis aumentam significativamente a geração de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico.

Pinho e Galdino (2014) recomendam valores entre 1% e 6% de perdas. O valor das perdas de energia por sujeira varia diretamente com o nível de sujeira sobre os módulos fotovoltaicos. Para o consumidor em foco, levando-se em consideração que os painéis reberão limpeza mensal por uma equipe contratada pelo consumidor, será arbitrado um valor baixo de perdas igual a 1,5%.

5.2.3 Queda de tensão em corrente contínua e em corrente alternada

No transporte de energia dos módulos ao inversor e do inversor ao ponto de entrega de energia ocorrem perdas de energia por efeito Joule. Efeito Joule se refere à transformação de energia elétrica em calor nos condutores. Quanto maior a corrente elétrica presente em um condutor, maior a quantidade de energia perdida por efeito Joule e, consequentemente, maior será a queda de tensão no sistema.

Quanto maior o comprimento do condutor, maior serão a potência dissipada e a queda de tensão naquele trecho. Por outro lado, um condutor com maior diâmetro, mais caro, oferecerá menor resistência e menor dissipação de potência do sistema. Deve-se calcular o condutor ótimo levando-se em consideração o custo por metro do condutor e a dissipação de potência aceitável.

Conexões mal feitas ou pontos de fuga de corrente tambem desperdiçam bastante energia. É possível localizar esses pontos através de um laudo de termografia do sistema identificando os pontos quentes. Para fugas de corrente no lado de corrente contínua, os inversores contam com um sistema eletrônico de detecção de desbalanceamento de corrente que os tira de operação nesses casos. No lado de corrente alternado, o disjuntor diferencial residual desliga o sistema se alguma fuga for detectada.

É recomendado utilizar o mínimo de conexões elétricas tanto no lado de corrente contínua como no lado de corrente alternada. Somente utilizar as conexões que forem essenciais e indicadas pelo fabricantes.

A energia dissipada em um condutor pode ser calculada por:

P = R * I2 ₍₁₎

Para:

P = Potência elétrica dissipada por efeito Joule em watts (W) R = Resistência do condutor utilizado em ohms ()

I = Corrente elétrica conduzida em ampéres (A)

A resistência do condutor é calculada através da equação:

(2) Para:

R = Resistência do condutor utilizado em ohms () L = Comprimento total do condutor em metros (m)

A = Seção transversal do condutor em milímetros quadrados (mm2₎

 = Condutividade elétrica do condutor (*mm2_/m)

A queda de tensão máxima adotada para esse projeto será de 1% nos condutores de corrente contínua e 1% nos condutores de corrente alternada. Logo, sabendo a corrente máxima em cada condutor e o comprimento será possível calcular a seção transversal necessária para garantir baixa perda de eficiência.

5.2.4 Eficiência do inversor

Os inversores comutados pela rede utilizados para sistemas fotovoltaicos possuem uma função de rastreamento do ponto de máxima potência dos painéis fotovoltaicos. As maiores perdas no inversor ocorrem se um ou mais conjuntos de módulos fotovoltaicos em série estiverem orientados em mais de uma direção. Nesse caso, o inversor irá trabalhar em uma tensão de operação diferente da tensão de máxima potência indicada pelo fabricante. Logo, pelo menos uma série de painéis irá produzir menos corrente do que seria possível caso cada orientação estivesse sendo monitorado por um rastreador de máxima potência exclusivo. Logo, deve-se escolher um inversor que possua a mesma quantidade de sistemas de rastreio de máxima potência que o número de orientações do sistema fotovoltaico.

Considerando que o número de orientações e o número de sistemas de rastreio de máxima potência são iguais, deve-se considerar somente as perdas por resistência interna nos processos de transformação de tensão e modulação por largura de pulso.

Os fabricantes de inversores indicam valores de eficiência entre 96% e 99%, a maioria está próxima de 98%, valor indicado pelo fabricante do inversor ABB TRIO 50-TL. As características desse inversor são exibidas na Tabela 6. Como ainda não se sabe qual inversor será utilizado, será adotado um valor de 98% de eficiência, 2% de perdas na transformação de corrente contínua para corrente alternada.

Tabela 6 - Características elétricas do inversor de potência ABB TRIO – 50 TL.

5.2.5 Eficiência global do sistema

A Tabela 7 exibe um resumo das perdas consideradas no sistema fotovoltaico e a eficiência global calculada a partir das perdas em cada etapa.

Tabela 7 - Eficiência global do sistema.

Eficiência Global do Sistema Perdas no efeito fotovoltaico 16% Perdas devido a sujeira 1,5% Perdas nos condutores CC 1% Perdas nos condutores CA 1%

Perdas no inversor 2%

Eficiência Global 79,5%

Fonte: elaborado pelo autor.