Segurança e confiabilidade em sistemas fotovoltaicos

jan, 2012

Edição 70 – Novembro de 2011
Por Sergio Roberto Santos

A geração de energia fotovoltaica acontece com a conversão direta da luz em eletricidade através do efeito fotovoltaico. Este efeito foi primeiramente descrito pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, em 1839. O efeito fotovoltaico caracteriza-se pelo aparecimento de uma diferença de potencial nas extremidades de um semicondutor devido à absorção da luz.

Devido a fatores ambientais e geopolíticos são enormes as perspectivas de crescimento da geração de energia pela conversão direta da luz solar em eletricidade. Alguns países como a Alemanha têm investido pesadamente nesta forma de energia. As expectativas da comunidade europeia para 2020 são de que 12% da energia elétrica gerada venham de sistema fotovoltaico (SFV).

O crescimento da geração de energia elétrica através de células fotovoltaicas depende do aumento da eficiência do processo comparando-se a outras fontes de energia, convencionais ou não. Para que estes ou mais ambiciosos objetivos sejam alcançados, além da eficiência, também a confiabilidade do sistema deve ser assegurada. SFVs devem oferecer um período mínimo de aproximadamente 20 anos de operação contínua para proporcionar o retorno dos seus investimentos. Para isso, os riscos de defeitos devem ser minimizados com a utilização de mão de obra especializada no projeto, instalação e comissionamento de SFV.

Os SFVs podem ser isolados (autônomos) ou conectados à rede elétrica. Como a conexão à rede das concessionárias no Brasil é regulamentada, as empresas de energia devem ter a segurança de que todo SFV esteja de acordo com as normas técnicas brasileiras, complementadas quando necessário por recomendações adicionais.

No Brasil, a geração fotovoltaica, apesar da oferta de sol, sofre a concorrência de outras fontes de energia igualmente abundantes e atualmente muito mais eficientes. Mesmo assim, a geração fotovoltaica é atrativa devido à possibilidade de pulverizar os geradores solares em pequenas unidades muito próximas às suas cargas, possibilitando a construção de sistemas autônomos de geração. Neste caso também os requisitos de confiabilidade e de segurança precisam ser atendidos, talvez com maior exigência.

Como em qualquer outro sistema elétrico, a qualidade dos materiais utilizados, a proteção contra os efeitos de um incêndio e a proteção contra sobretensões transitórias causadas por descargas atmosféricas diretas ou indiretas são necessárias para assegurar a integridade e funcionalidade do SFV.

 

Figura 1- Painéis ou módulos de captação.

Eficiência

As diferentes formas de geração de energia devem ser consideradas sob vários aspectos: desde a disponibilidade da fonte de energia, os custos ambientais do seu aproveitamento, a eficiência do processo ao investimento inicial para sua implementação.

Estes vários fatores não são independentes, mas, ao contrário, têm forte relação entre si. A redução dos impactos ambientais pode aumentar os investimentos iniciais ou a disponibilidade da fonte de energia pode compensar a menor eficiência do processo.

A fim de aumentar a diversificação das fontes de energia, vários governos têm investido ou subsidiado formas de geração pouco competitivas no momento, mas com grande potencial futuro, lembrando que o mapa energético não é estático, mas profundamente dinâmico.

O processo de geração fotovoltaica apresenta eficiência entre 15% a 30%. Para aumentar este valor têm-se trabalhado intensamente para a redução das perdas existentes no processo de fabricação das células solares e no mecanismo de conversão da luz em eletricidade.

A transformação da luz diretamente em calor, as perdas óticas pela formação de zonas de sombra e reflexões e a resistência interna dos semicondutores são as principais fontes de perda existentes no processo de conversão. 

 

 Figura 2 – Aplicação residencial da geração fotovoltaica.

Materiais utilizados nas instalações de SFV

Para a instalação propriamente dita dos SFV, precisam ser observados alguns cuidados específicos relacionados aos materiais que serão utilizados na sua construção:

  • Os materiais plásticos utilizados externamente na fixação dos condutores, como
    abraçadeiras, prensa cabos, etc., devem ser resistentes aos raios ultravioletas e às temperaturas às quais estarão expostos;
  • As partes metálicas, independentemente da finalidade, devem ser analisadas para que um eventual contato entre elas não ocasione problemas de corrosão;
  • Em locais próximos ao mar, especialmente atraentes para geração fotovoltaica, quando se utilizar material metálico para as estruturas, este deve ser “galvanizado a fogo” ou de aço inoxidável.

 

Figura 3 – Estruturas e bandejamento de um SFV.

Proteção passiva contra incêndio

Para garantir a segurança das pessoas, as brigadas de incêndio e companhias de seguro têm recomendado uma clara identificação dos SFVs existentes em uma edificação. A informação “Cuidado – sistema fotovoltaico” informa às brigadas de incêndio ou bombeiros a existência desta forma de geração e permite que as medidas necessárias sejam tomadas durante um combate ao incêndio.

É importante, e pouco observado, que a penetração dos condutores e das estruturas do SFV externas à edificação deve ser feita com espaços vedados contra a propagação do fogo e seus componentes.

 

Foto 4 – Aplicação da proteção passiva na passagem de cabos em um SFV.

Proteção contra descargas atmosféricas

Sistemas fotovoltaicos estão necessariamente expostos às descargas atmosféricas di

retas ou indiretas. A capacidade de geração de eletricidade depende da área de captação da luz solar, por isso, quanto maior a capacidade do sistema, maior o número e/ou a área dos painéis ou módulos de captação e maior a sua exposição às descargas atmosféricas.

Em SFVs instalados em edificações, o projeto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) deve levar em consideração a existência do SFV para que este esteja dentro do volume de proteção do subsistema de captação do SPDA para evitar que os módulos do SFV sejam atingidos.

Entre as estruturas de sustentação do SFV, externos ou em edificações, deve ser considerada a distância de segurança para impedir centelhamentos entre os componentes metálicos do SPDA e do SFV.

As medidas contidas em um sistema de proteção contra descargas atmosféricas classe III são normalmente suficientes para as características de um SFV.

Na elaboração do projeto do SPDA devem ser observados os seguintes pontos:

  • O sistema de aterramento do SFV deve ser interligado ao sistema de aterramento principal da instalação;
  • Condutores de equipotencialização devem ser roteados em paralelo e o mais próximo possível dos cabos de corrente contínua;
  • Os condutores de sinal devem estar incluídos na filosofia de proteção.

 

Figura 5 – painéis solares dentro da zona de proteção de um SPDA.

Aterramento

Nos sistemas de geração fotovoltaica o aterramento do lado AC do sistema é sempre realizado de acordo com as normas técnicas existentes na maioria dos países. O aterramento do lado CC do sistema nem sempre é realizado devido a divergências de conceito entre manter ou não a continuidade do fornecimento de energia em caso de uma falta nesta parte do sistema. No Brasil, o aterramento do SFV deve atender totalmente às prescrições das normas técnicas da ABNT.

Proteção contra surtos

O ponto inicial da proteção contra surtos do SFV é a equipotencialização de todas as partes condutoras do sistema. Este objetivo é atingido com a conexão direta de todos os sistemas metálicos normalmente não energizados e com a conexão feita por meio de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) dos condutores normalmente energizados.

O inversor de corrente é a parte mais vulnerável do sistema, podendo ser danificado pelo acoplamento de correntes de surto causadas pelas descargas atmosféricas. Esta possibilidade pode ser reduzida pelo uso de medidas de proteção envolvendo o aterramento, equipotencialização, utilização de blindagem e roteamento de cabos. Embora cada medida seja específica, elas constituem um conjunto integrado dentro de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas.

O princípio geral da proteção contra sobretensões transitórias é desviar as correntes de surto e reduzir o pico de tensão nos terminais do equipamento a ser protegido pela alteração transitória do circuito elétrico existente.

Devem ser considerados quanto a sua origem e caminho todos os condutores elétricos existentes, o que não significa que todos eles precisarão ser protegidos. Os DPS devem ser instalados tanto no lado CC quanto no AC

Nas redes AC devem-se proteger com DPS as três fases, às quais o inversor é conectado. Na rede CC, os DPS devem ser utilizados nos condutores de corrente contínua entre os módulos e o inversor.

Para os sistemas de sinais, o DPS deve ser utilizado caso o inversor seja controlado por algum sistema eletrônico através de condutores metálicos.

A tabela a seguir fornece uma visão geral das medidas de proteção.

Tabela 1 – Determinação do tipo de DPS

 

 Figura 6 – Conjunto integrado de DPS AC e CC.

Conclusão

Para garantir a confiabilidade e segurança de um SFV, medidas específicas de proteção devem ser aplicadas para manter a integridade das pessoas e dos equipamentos relacionados ao SFV.

Estas prescrições terão melhor resultado técnico-econômico caso sejam desenvolvidas no projeto do SFV e contem com a contribuição de profissionais especializados em cada uma das medidas apresentadas, coordenados por um profissional especializado no projeto e implantação de um sistema fotovoltaico de geração de energia.

Glossário

Célula Fotovoltaica – Componente do SFV responsável pelo processo de conversão da luz solar em energia elétrica.

Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS) – Dispositivo elétrico destinado à proteção dos equipamentos elétricos e eletrônicos contra surtos de tensão.

Ligação equipotencial – Uma conexão elétrica de baixa impedância que une partes metálicas de uma instalação, incluindo condutores externos à edificação, eliminando ou reduzindo a diferença de potencial entre elas.

Painel fotovoltaico – Conjunto de módulos fotovoltaicos interligados eletricamente.

Proteção passiva contra incêndios – Componentes estruturais de uma edificação responsáveis por evitar a propagação do fogo e seus componentes em uma edificação.

Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) – Conjunto de medidas destinadas à proteção de uma estrutura contra os efeitos de uma descarga atmosférica direta ou indireta.

Referências:

ABNT NBR 5410-2004 – Instalações elétricas de baixa tensão; da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

ABNT NBR 5419- 2005 – Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas; Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

ABNT NBR IEC 61643-1:2007 – Dispositivos de proteção contra surtos em baixa tensão; Parte 1: Dispositivos de proteção conectados a sistemas de distribuição de energia de baixa tensão; Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

ABNT NBR 14432-2000 – Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos d

e edificações – Procedimentos; Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

Energia Solar – Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), www.aneel.gov.br

Vitti, D.C.; Alvares, L.M. – Avaliação da eficiência de sistemas fotovoltaicos; Departamento de Energia Elétrica, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Março 2006, Brasília, Brasil.

Santos, S.R.S.; Araújo, S. – Proteção contra surtos em equipamentos de tecnologia da informação (ETIs); Revista O Setor Elétrico, Edição 62, Março 2011, São Paulo Brasil.

Solutions for photovoltaic systems – OBO Bettermann, www.obo.com.br

*Sérgio Roberto Santos é engenheiro eletricista e gerente de vendas da OBO Bettermann do Brasil.

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