Principais elementos que compõe uma usina solar

Nesta seção serão mostrados os principais itens que compõe um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Estes itens vão desde a captação da luz solar, conversão da energia produzida, até a entrega da energia para o consumo final nos aparelhos elétricos.

Dentro da seção de cada equipamento serão discutidas as diferentes tecnologias existentes e as possibilidades de utilização para implementação de uma usina solar, esta abordagem será de grande importância pois posteriormente será feita a escolha de cada tipo de equipamento de acordo com o projeto da usina a ser implementada.

2.1.2.1 Módulo Solar Fotovoltaico

Segundo a NBR 10899 (ABNT, 2013) o módulo fotovoltaico é a unidade básica de um sistema fotovoltaico, sendo formado por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica. As células que compõem os módulos fotovoltaicos são formadas por materiais semicondutores que produzem energia a partir do efeito fotovoltaico como explicado na seção 2.1.1.

Quando os fótons provenientes da luz solar atingem a célula fotovoltaica, eles são absorvidos pelo silício. A energia do fóton excita o elétron livre presente no silício, que então viaja para o eletrodo positivo e cria um fluxo elétrico. Quanto mais energia a célula é exposta, mais elétrons saltarão pelas camadas, resultando em um maior fluxo de corrente.

Esse conjunto de células são interligadas em série e tem a finalidade de aumentar o valor da tensão e manter o valor da corrente, sendo que a tensão nominal do módulo fotovoltaico será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula.

Atualmente existem dois tipos principais de módulos fotovoltaicos consolidados no mercado que são fabricados a partir de células de silício e são amplamente utilizados tanto para projetos fotovoltaicos grandes, como usinas de grande porte, quanto para projetos pequenos, caso das usinas residenciais, são eles os módulos de Silício monocristalino (m-Si) e os módulos de Silício policristalino (p-Si).

2.1.2.1.1 Módulos de Silício monocristalino (m-Si)

O silício monocristalino é a tecnologia fotovoltaica mais antiga. Basicamente é o silício obtido a partir do crescimento de um único cristal com alto grau de pureza (as impurezas representam apenas algumas partes por milhão). (D. D. B.

Mesquita, 2019) A maioria das células de silício monocristalino são fabricadas através do processo Czochralski, que foi criado em 1916 pelo químico Jan Czochralski (J. Friedrich, 2015).

O custo de fabricação de um módulo de m-Si é mais elevado em comparação com boa parte das tecnologias fotovoltaicas existentes. Isso ocorre devido ao processo de fabricação das células de silício monocristalino ser mais complexo, sofisticado e caro. Excluindo células compostas por mais de uma camada, que tem a propriedade de aproveitar uma faixa ampla do espectro solar, o silício monocristalino apresenta a maior eficiência de conversão para módulos comerciais. Em aplicações comerciais (fora de laboratório) os módulos fotovoltaicos feitos com silício monocristalino atingem uma eficiência entre 15%

e 22%, a eficiência varia de acordo com o processo de fabricação. (NREL, 2017)

2.1.2.1.2 Módulos de Silício Policristalino (p-Si)

Os módulos de silício policristalino tiveram seus primeiros registros de eficiência em 1984. Na época, os testes de laboratório registravam valores de eficiência abaixo de 15%, contudo, com o avanço dos estudos hoje é possível atingir eficiência de 22,3% em ambiente de laboratório e entre 14% e 20% em aplicações comerciais. (NREL, 2017)

Devido ao processo de produção, o custo do p-Si é consideravelmente menor que o m-Si. As células policristalinas são obtidas a partir da solidificação do silício, formando um cubo que pode então ser cortado em células quadradas. A desvantagem deste método é que o maior contato do silício policristalino com os recipientes do processo de fabricação permite uma maior transferência de impurezas destes recipientes para o bloco de silício policristalino. Assim, as

células policristalinas obtêm valores de eficiência mais baixos em comparação com as células monocristalinas. (D. D. B. Mesquita, 19)

Atualmente, o p-Si é a tecnologia com a maior representatividade no mercado mundial. Isto se deve a vários fatores, mas principalmente ao baixo custo de produção e eficiência comparável ao m-Si.

2.1.2.1.3 Módulos Half Cell

Os módulos convencionais de silício cristalino possuem 60 ou 72 células. Os módulos com tecnologia Half-Cell têm 120 e 144 meias-células, o que melhora o desempenho e a longevidade do módulo. A área da célula influencia diretamente a corrente da célula. Portanto, quando a célula é cortada ao meio, esta meia célula será capaz de gerar uma corrente equivalente à metade do valor de uma célula completa. Devido à redução da corrente, as perdas resistivas tornam-se menores, permitindo que as duas meias células produzam um pouco mais de energia do que uma célula completa. Os fabricantes estimam que os módulos Half-Cell têm um ganho de eficiência de 3% (T. Tang, 2017). Outra característica dos módulos Half-Cell é a menor probabilidade de trincas causadas por tensões mecânicas devido à menor área em comparação a uma célula de tamanho normal.

2.1.2.1.4 Módulos com tecnologia PERC

Uma célula de silício cristalino convencional não absorve parte da radiação que chega à superfície da célula. Isso ocorre porque a camada de silício não absorve todos os comprimentos de onda. Como resultado, alguns comprimentos de onda ultrapassam todas as camadas do silício até atingirem a parte posterior metalizada, desperdiçando energia. Para contornar este problema, a célula PERC - Passivated Emitter and Rear Cell é revestida entre o silício e o verso de alumínio por uma camada dielétrica que evita o desperdício de energia ao refletir a radiação. Este processo permite que as camadas de silício absorvam alguns

comprimentos de onda que, de outra forma, seriam desperdiçados, conforme é mostrado na Figura 2. (D. D. B. Mesquita, 2019)

Figura 2 - Estrutura de: (a) Célula fotovoltaica convencional; (b) Célula com tecnologia PERC

Fonte: D. D. B. Mesquita (2019)

Devido à maior absorção e aproveitamento dos fótons, os módulos com células PERC atingem maiores valores de corrente e potência. Além disso, eles têm melhor desempenho em ocasiões de baixa irradiância e coeficientes de temperatura mais baixos. Atualmente as células PERC atingem valores de eficiência acima de 22,5% se forem monocristalinas e 21% se forem policristalinas. (D. D. B. Mesquita, 2019)

2.1.2.1.5 Módulos Bifaciais

Enquanto os módulos convencionais têm uma parte traseira opaca, absorvendo radiação solar direta e difusa apenas na frente, os módulos bifaciais são capazes de converter a radiação em energia elétrica tanto na frente quanto atrás.

A potência extra de saída obtida na parte traseira do módulo permite um ganho de 5 a 30% quando comparado a um módulo equivalente convencional, dependendo de como e onde o módulo é instalado (Langels, 2018). De acordo com (D. D. B. Mesquita, 2019), a expectativa de ganho de eficiência varia dependendo da superfície onde os módulos foram instalados conforme mostrado na Tabela 1. Quando a superfície possui uma alta reflectância (alto albedo), uma

maior quantidade da luz que atinge o solo é refletida e retorna para a parte de trás do módulo, consequentemente, há um maior desempenho da parte traseira do módulo.

Tabela 1 - Impacto da reflectância do solo

Superfície Albedo Ganho percentual esperado

reflexivo do telhado 80-90% 23-25%

Neve 80-95% 25-30%

Fonte: D. D. B. Mesquita (2019)

2.1.2.2 Inversor Solar CC-CA On-Grid

Como foi citado na seção anterior o módulo fotovoltaico é o principal componente de um sistema de geração solar, responsável pela conversão da luz do sol em energia elétrica, porém, a energia gerada pelos módulos se apresenta na forma contínua, diferente da energia que é amplamente utilizada pelos equipamentos de nossas residências e indústrias. Estes por sua vez são alimentados por circuitos de corrente alternada, sendo assim, para fazer a conexão entre os sistemas fotovoltaicos e a rede de energia elétrica da concessionária é necessária a utilização do inversor solar.

Os Inversores de tensão CC-CA são equipamentos constituídos de dispositivos de chaveamento que fazem a conversão de corrente contínua, gerada nos módulos, para corrente alternada, utilizada nas redes de distribuição, estando sincronizado na mesma frequência, fase e nível de tensão. Para o sincronismo correto, utiliza-se de um sistema eletrônico de controle capaz de copiar as características da rede elétrica através de um sensor de tensão. (MELO, 2020)

As topologias dos inversores fotovoltaicos vêm evoluindo ano após ano de forma a atender alguns requisitos, são eles: segurança, conversão da energia com o máximo de eficiência possível e confiabilidade.

2.1.2.2.1 Inversores centrais

A evolução das topologias dos inversores se originou pelo uso de grandes inversores centrais em grandes usinas solares, os quais são trifásicos e alimentados por diversas strings de módulos, um exemplo deste inversor central é mostrado na figura 3.

Figura 3 – Exemplo de inversores centrais Sungrow

Fonte: Sungrow (2021)

Uma das principais características dos inversores centrais é o fato de ter apenas uma MPPT - (do inglês Maximum Power Point Tracking, ou Rastreamento do Ponto de Máxima Potência em português). De maneira geral, inversores com uma única MPPT tratam o conjunto de string de módulos como um único bloco.

Todas as strings têm o seu ponto de máxima potência rastreado simultaneamente pelo único sistema de MPPT disponível, mesmo que o inversor possua várias entradas para a conexão de diversas strings, dentro do inversor todas as strings são controladas como um bloco único.

2.1.2.2.2 Inversores string

Os inversores string são projetados para operar em projetos menores, porém atualmente é o tipo de inversor mais comercializado e sua aplicação vai desde usinas residenciais pequenas, comerciais, industriais até grandes usinas.

Diferente dos inversores centrais, normalmente os inversores String possuem múltiplos MPPTs. Os inversores com múltiplas entradas de MPPT permitem a ligação de strings e arranjos com características distintas. Cada arranjo pode ter uma característica que depende da sua localização, do ângulo de instalação, do sombreamento, do número de módulos ligados em série, entre outras coisas. O inversor com mais de uma entrada de MPPT é capaz de operar simultaneamente dois ou mais arranjos com características diferentes em seus pontos de máxima potência.

Estes inversores com múltiplos MPPTs também são vantajosos em arranjos uniformes, ou seja, quando todos os módulos estão instalados do mesmo modo e as strings são idênticas, possuindo o mesmo número de módulos, pois terá um rastreamento de máxima potência para cada conjunto, além de possibilitar o monitoramento individual dos conjuntos ligados a cada uma das entradas de MPPT. Com esse monitoramento individual das strings é mais fácil encontrar onde há um problema na usina caso um módulo venha a ser danificado.

Figura 4 – Exemplo de inversor do tipo String

Fonte: Fronius (2021)

2.1.2.2.3 Otimizadores de Potência

A Figura 5 ilustra a recente tecnologia de conversão cc-ca em que são utilizados otimizadores de potência. O otimizador de potência para sistemas fotovoltaicos é um dispositivo cuja principal função é reduzir perdas em um sistema fotovoltaico, elevando a eficiência do sistema. A ideia central do sistema com otimizador é que os painéis solares não sejam ligados diretamente ao inversor CC-CA. Em vez disso, os painéis são ligados a conversores CC-CC que fazem um pré-processamento da energia antes de entregá-la ao inversor. No geral, os otimizadores de potência realizam a otimização através da localização do ponto de máxima potência para cada módulo fotovoltaico. (S.S. LUCAS, 2018)

Dessa forma, diferentemente do inversor string ou central, que busca o ponto de máxima potência considerando a saída do conjunto de módulos fotovoltaicos, o otimizador opera individualmente sobre cada módulo fotovoltaico, aumentando a precisão na localização do ponto de operação do módulo que dê a máxima potência de saída.

Atualmente a aplicação dessa tecnologia se restringe a pequenos e médios projetos, pois a relação entre o custo e o ganho em produção do sistema utilizando otimizadores o tornam inviáveis para aplicações em grande escala como no caso de grandes usinas de solo. Sua aplicação é mais expressiva em projetos pequenos onde deve-se distribuir os módulos em várias orientações diferentes.

Figura 5 – Exemplo de Inversor com otimizador de potência

Fonte: Canal Solar (2021)

2.1.2.3 CABINE PRIMÁRIA DE MÉDIA TENSÃO

A cabine primária de média tensão é a parte do projeto que integrará a instalação da geração com o sistema de distribuição da concessionária. O dimensionamento da cabine de média tensão ou, cabine primária, deve considerar a capacidade de geração e de carga do empreendimento e observar as características do sistema de distribuição ao qual estará ligado. Uma cabine é composta por três setores: medição de faturamento, proteção e transformação.

2.1.2.3.1 Setor de Medição

O setor de medição é a área em que a concessionária instalará seus equipamentos de medição. Neste setor, o projeto de cabine deve permitir a instalação dos transformadores de corrente e de potencial, que servirão para medição de faturamento, além do relé de proteção e de medição. O projeto deve atender aos aspectos dimensionais, de segurança e de acesso requisitados pela concessionária.

2.1.2.3.2 Setor de Proteção

Este setor é o responsável pela proteção da usina, principalmente na zona de proteção entre o ponto de conexão com a distribuidora até os bornes primários dos transformadores de acoplamento.

Os componentes principais deste setor são: disjuntor de média tensão, relé de proteção e transformadores de corrente e de potencial. O cubículo deve ser dimensionado para receber estes equipamentos e estar em acordo com os requisitos de cada concessionária.

2.1.2.3.3 Setor de transformação

O transformador tem a função de viabilizar a conexão do sistema de distribuição da concessionária com a geração da usina, por isto é conhecido como

transformador de acoplamento. Na sua especificação deve ser considerada a tensão nominal do sistema de distribuição da concessionária, bem como a tensão nominal de operação dos inversores que estarão ligados a ele.

Um fator importante a ser avaliado na especificação do transformador é a presença de componentes harmônicas causadas pelos inversores, ou seja, o cálculo do fator K. Este fator indica as perdas que determinado transformador terá em função das harmônicas geradas por cargas não lineares. Fator K unitário é o transformador convencional e fator K maior que 1, indica que o transformador deverá ter um projeto que suporte as perdas decorrentes das harmônicas presentes. Assim, é importante que, na aquisição do transformador, seja apresentado ao fabricante o relatório de componentes harmônicas causadas pelos inversores.

2.1.2.3.4 Skid

O Skid é um equipamento que possibilita montar sobre uma estrutura compacta a cabine de média tensão, o transformador elevador, painel de comando, quadro geral de baixa tensão e os inversores de frequência. Um forte atributo deste equipamento é o alto nível de segurança, pois geralmente os fabricantes destes equipamentos os submetem a testes de conformidade conforme as normas e exigências internacionais.

A principal característica do Skid é o ganho no tempo de tempo na montagem, pois os equipamentos saem de fábrica pré-montados, sendo necessária a conexão dos cabos AC nos inversores e a passagem dos cabos AC dos inversores até os elementos de proteção parcial. Toda a parte AC fica no Skid, ou seja, inversor, painel de baixa tensão e transformador.

2.1.2.4 Estrutura de Fixação

O suporte do módulo fotovoltaico tem como função posicioná-lo de maneira estável. Além disso, ele deve assegurar a ventilação adequada, permitindo

dissipar o calor que normalmente é produzido devido à ação dos raios solares.

Isto é importante porque a eficiência das células diminui com a elevação da temperatura.

O sistema de fixação deve ser concebido para adaptar-se ao terreno local, e com isso, fornecer uma estrutura rígida com formato adequado para dar suporte a orientação e inclinação dos painéis fotovoltaicos a serem instalados. Tudo isso, a fim de garantir a máxima captação da luz solar e garantir uma resistência mecânica contra os ventos fortes. Uma inconveniência atribuída a geração fotovoltaica, apesar de suas vantagens, é a baixa eficiência de conversão energética. Essa problemática pode ser reduzida com a implementação de estruturas tracker, que visam aumentar a eficiência de geração mantendo os painéis perpendiculares à irradiância direta na maior parte do tempo, captando, portanto, uma maior quantidade de irradiância (Vieira et al., 2016).

A figura 6 mostra as curvas de irradiância global incidente em um painel fotovoltaico fixo e com seguidor solar em condição de céu limpo, ou seja, sem nuvens. A partir da figura 6 é possível observar que o seguidor solar permite captar maior irradiância nas primeiras e últimas horas do dia, nas quais o ângulo de incidência de um sistema com seguidor solar é menor do que o de um sistema fixo. (de Melo, 2020)

Figura 6 - Curva de irradiância global incidente em um painel fotovoltaico fixo e com seguidor solar em condição de céu limpo.

Fonte: (de Melo, 2020)

Um aumento de 25% de energia produzida pode ser alcançado com a utilização de seguidores de um eixo, e até 35% com seguidores de dois eixos, dependendo das condições geográficas do local da instalação e da configuração do sistema (Singh et al., 2018). No entanto, os custos dos equipamentos e de manutenção do sistema também aumentam significativamente (Simon e Mosey, 2013).