Como construir: energia solar fotovoltaica conectada à rede elétrica

O estudo Energy Outlook (NEO), feito pela Bloomberg New Energy Finance (BNEF) em 2016, indica que dentro de 20 anos as energias renováveis ultrapassarão fontes fósseis como o carvão e o gás natural na geração global de energia. A pesquisa aponta um investimento de US$ 7,8 trilhões de dólares em fontes como eólica, solar e biomassa até 2040, superior aos investimentos nas energias fósseis.

Se essa tendência se confirmar, o relatório afirma que, no caso da energia solar fotovoltaica, os custos nivelados – que representam o atual valor líquido de todos os custos, capital e operacional, de uma unidade geradora de eletricidade por todo seu ciclo de vida, dividido pelo número de MWh de eletricidade prevista que ela irá fornecer – vão ter uma queda de 60% até 2040.

A agência também projeta o crescimento dos sistemas fotovoltaicos solares para 15% da produção total de eletricidade aproximadamente em 2040, e aponta o Brasil como um dos mercados mais promissores para adotar os painéis solares até 2020, juntamente com Chile, Israel, Jordânia, México, Filipinas, Rússia, África do Sul, Arábia Saudita e Turquia.

Essa é uma boa notícia para empresas de painéis fotovoltaicos por aqui. O engenheiro Pedro Pintão, sócio-diretor da NeoSolar, conta que desde 2015 houve um aumento na demanda de instalação de painéis fotovoltaicos. “O aumento de mais de 50% na conta de energia convencional estimulou as pessoas a buscarem alternativas”, diz. Pintão afirma que, em um projeto residencial, o custo do investimento fica, em média, entre R$ 6 e R$ 8 o watt instalado. “Essa equação leva em conta o custo de instalação, o valor base da conta de luz do cliente e o nível de radiação solar da região.” O prazo médio de retorno gira em torno de cinco a oito anos. “Os painéis duram 25 anos, com uma necessidade baixa de manutenção. Então, pelo menos por 20 anos o cliente terá energia grátis”.

Confira um case de instalação de sistema de produção de energia solar fotovoltaica para autoconsumo residencial. O imóvel fica na cidade de São Paulo, no bairro Jardim América.

Sistemas fotovoltaicos

Atualmente, 95% dos sistemas fotovoltaicos do mundo são conectados à rede elétrica (Grid Tie) e funcionam de forma integrada, trocando energia com a rede pública. Esses sistemas podem substituir as fontes já existentes e, quando produzem energia na própria unidade consumidora, são chamados de geração distribuída ou geração para autoconsumo. A Resolução Normativa da Aneel no 482, de 17 de abril de 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 em 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 sejam atendidas pela mesma distribuidora de energia.

Na residência do case estudado, foram instalados 36 painéis fotovoltaicos, que formam um sistema capaz de gerar até 900 kW. O sistema visa à microgeração utilizando a energia solar fotovoltaica como fonte energética e operação sob o sistema de Compensação de Energia, conforme as resoluções 482 e 687 da Aneel.

Estrutura de fixação dos módulos

Para a seleção do tipo de estrutura para a fixação dos painéis, deve ser levado em conta o local de instalação: solo, telhado inclinado com telhas de cerâmica, laje plana, telhado metálico. O material mais recomendado é o alumínio, devido a seu baixo peso específico e maior durabilidade. A estrutura, assim como os demais componentes do sistema, deve ser projetada para durar 25 anos, que é a garantia de produção de energia do painel. É importante atentar para os componentes pequenos, como parafusos, porcas e arruelas, que devem ser de aço inox ou equivalente.

Sistema de trilhos de alumínio que dá suporte aos painéis

O peso dos painéis para considerar no cálculo da estrutura é de 12 kg/m² a 15 kg/m², ou então de 85 kg/kWp a 110 kg/kWp. A maioria dos painéis suporta uma carga de vento ou neve de até 5.400 Pa. Além disso, também é muito importante que se avalie a construção ou o local onde serão instalados, levando em consideração as cargas de peso e vento. Neste case específico, a estrutura de fixação para laje é composta de:
Trilhos de alumínio;
Triângulos de alumínio;
Parafusos e porcas de inox;
Grampos de fixação de módulos de inox.

Aterramento

Os cabos da parte de corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA) devem ser dimensionados de acordo com a tensão e corrente, respeitando a NBR 5410 e as perdas de energia aceitáveis no sistema.

Além disso, dispositivos de proteção contra surto (DPS), chaves seccionadoras do lado CC e do lado CA, bem como aterramento, devem ser utilizados seguindo a NBR 5410 e as normas IEC para sistemas fotovoltaicos. O sistema será devidamente conectado ao sistema de aterramento da entrada de energia.

DESCRIÇÃO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

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 a instalação dos painéis O sistema fotovoltaico será conectado na entrada da energia elétrica da AES Eletropaulo em baixa tensão e é composto de:

Módulos fotovoltaicos
36 módulos fotovoltaicos policristalinos Canadian CSI CS6P-260P, de 260 Wp de potência nominal cada;
Conectores padrão MC4, seguros e de fácil acoplamento;
Tensão de máxima potência: 30,4 V;
Tensão em aberto: 37,5 V;
Corrente de máxima potência: 8,56 A;
Corrente de curto-circuito: 9,12 A.

Inversores
Inversor Fronius Primo 8.2-1, com potência nominal de 8,2 kW;
Garantia total do fabricante de 5 anos, estendível a 10 anos (opcional);
Rendimento máximo de 98,1%;
Inversor possui certificações internacionais IEC e VDE e atende aos requisitos estabelecidos pelas Normas Brasileiras;
Número do registro do Inmetro: 002134/2016;
Tensão de entrada máxima: 1.000 V;
Tensão de entrada mínima: 80 V;
Corrente máxima em cada entrada: 27 A;
Potência máxima de saída: 8.200 V;
Corrente de saída: 35,7 A;
Tensão de conexão à rede: 220 V.

Proteções CC
Uma string box composta de dois pares de porta fusíveis de 10 A;
Uma chave seccionadora de corrente contínua: corrente nominal 25 A e tensão nominal CC: 1.000 V;
Um DPS de corrente contínua classe II: corrente nominal: 20 kA, corrente máxima: 40 kA e tensão nominal CC: 1.000V;
Dois DPS de corrente contínua classe II: corrente nominal: 20kA, corrente máxima: 40 kA e tensão nominal CC: 1.000V.

Proteções CA
Dois DPS CA classe II: corrente máxima de descarga 40 kA, corrente nominal de descarga: 20 kA e tensão nominal: 230 V;
Um disjuntor bipolar CA de 50 A curva B.

DOCUMENTAÇÃO E AUTORIZAÇÃO PARA CONEXÃO

Cada distribuidora de energia pode exigir algumas condições diferenciadas para que o produtor possa fazer a conexão do gerador fotovoltaico à rede. Listamos abaixo apenas parte da documentação mínima esperada para um sistema fotovoltaico, proposta pela norma IEC 62.446:
Informações básicas do sistema (nome do proprietário, potência nominal instalada, localização, equipamentos utilizados, datas etc.);
Informações do projetista e instalador;
Esquema de instalação (diagrama unifilar com parâmetros do projeto);
Informações gerais do lado da corrente contínua e da corrente alternada;
Aterramento, equipotencialização e SPDA.
Folhas de especificações técnicas dos equipamentos;
Estrutura de sustentação dos painéis;
Operação e manutenção;
Instalação;
Ligação e montagem dos painéis.

INSTALAÇÃO DO SISTEMA
De maneira geral, a instalação do sistema fotovoltaico consiste em alguns passos:

1. LOCALIZAÇÃO DOS MÓDULOS
No case apresentado, o inversor foi instalado no jardim junto com as proteções AC e CC, próximo ao quadro de entrada da AES Eletropaulo (veja indicação A na planta, à direita). Há um abrigo para o inversor e as proteções.

2. FIXAR OS SUPORTES DOS PAINÉIS NA ESTRUTURA
Em uma estrutura típica, os painéis serão apoiados sobre dois perfis paralelos posicionados a cerca de 1/4 do comprimento ou da largura do painel. Dependendo da inclinação da superfície da instalação, pode ser necessário utilizar estrutura angulada, como no caso de lajes ou coberturas horizontais.

Neste caso, deve haver uma atenção especial ao dimensionamento das cargas de vento. Quando os painéis são posicionados paralelamente à
superfície da instalação, recomenda-se afastá-los de 10 cm a 15 cm dessa superfície. Além de facilitar as conexões elétricas, o afastamento propicia o resfriamento dos painéis e aumenta a eficiência das células fotovoltaicas. Para a fixação dos perfis, utilizam-se fixadores específicos para cada tipo de estrutura. Eles podem ser presos à estrutura de suporte de um telhado (terças e caibros), com um formato que permita o contorno das telhas, ou podem ser presos diretamente a uma cobertura metálica ou laje de concreto, por exemplo.

3. FIXAR OS PAINÉIS NOS SUPORTES
A estrutura de alumínio do painel possui furações para fixação, porém, o mais usual é fixar por pressão, utilizando grampos que fixam um ou dois painéis simultaneamente, pressionando a estrutura de alumínio aos perfis. São utilizados quatro grampos por painel, dois para cada perfil. É recomendado um afastamento mínimo de 2 cm entre os painéis, facilitando o resfriamento e dando espaço para dilatação. Deixar os cabos e conectores para fora facilitará a conexão entre eles na próxima etapa. Recomendam-se pelo menos dois instaladores nessa etapa, garantindo a precisão e, principalmente, a segurança durante a execução da tarefa.

4. INSTALAR OS INVERSORES E A CAIXA DE CONEXÃO
Os inversores são fixados em uma parede, ou então em uma estrutura especificamente construída para isso, em um local arejado e que facilite a manutenção e o controle (veja indicação B na planta na pág. anterior). A caixa de conexão com DPS e as chaves AC e CC devem ser instaladas próximas ao  inversor. Em alguns países, exige-seque a chave para desconexão esteja acessível ao operador da distribuidora de energia para que ele possa desligá-la, se necessário, como medida complementar de segurança.

5. CONECTAR AS SÉRIES DE PAINÉIS
Os conectores específicos para energia solar, que muitas vezes podem parecer um complicador, nesta etapa se mostram muito úteis. Para conexão em série, basta conectá-los, macho e fêmea, respeitando o planejamento das séries feito para o arranjo fotovoltaico. Por se tratar de corrente contínua, haverá sempre algum risco de arco voltaico. Os conectores são feitos para controlar esse risco, o que não diminui a necessidade de atenção. Recomenda-se cobrir os painéis durante a instalação elétrica, evitando que produzam corrente. Além disso, é imprescindível o uso de EPI. Após conectar cada painel um ao outro, deve-se enrolar o comprimento excedente dos cabos e prendê-lo à estrutura com uma presilha de plástico, abaixo dos painéis, para reduzir a deterioração com as intempéries.

6. CONECTAR AS SÉRIES DE PAINÉIS AOS INVERSORES
Após conectar as séries, elas deverão ser conectadas aos inversores. Será necessário utilizar um cabo de extensão até o local onde foram instalados os inversores. Devem ser utilizados os cabos e conectores solares. Caso o arranjo planejado preveja ligação em paralelo de duas ou mais séries, essa conexão deve ser feita na caixa de junção.

7. CONECTAR O INVERSOR À REDE
A ligação entre o inversor e a rede é feita com cabos convencionais para corrente alternada (CA). Esses cabos devem ser ligados diretamente aos barramentos no painel elétrico, respeitando o projeto elétrico e fases.

8. MICROINVERSORES
Os microinversores são instalados na própria estrutura de fixação dos painéis. Cada painel é conectado ao seu microinversor, e os microinversores entre si com os conectores já instalados. Como a energia é disponibilizada em corrente alternada (CA), os cabos são convencionais, apenas com proteção ultravioleta, como os cabos de polipropileno (PP).

9. COMISSIONAMENTO E LIGAÇÃO
O comissionamento pode ser dividido em três etapas: 1) na checagem visual, observar a presença e a quantidade de equipamentos previstos e o posicionamento e a inclinação dos painéis fotovoltaicos; 2) na checagem mecânica, verificar a estrutura de fixação, as ligações elétricas, o aterramento e os conectores, seja do lado CA, seja do lado CC; 3) para verificar o funcionamento, ligar o sistema no sentido dos painéis para a rede (chave CC, inversor, chave CA). Verificar o status dos inversores e medir a tensão e a corrente nos lados CA e CC, comparando com os valores esperados.

ARRANJO FOTOVOLTAICO – 36 módulos fotovoltaicos de 260Wp cada; 2 strings de 18 módulos

Dados de cada string: Icc máx (Isc) = 9.12 A/Vcc máx (Voc) = 675 Vcc. Impp = 8.56A/Vmpp = 547.2 Vcc

Por Alexandra Gonsalez

Fontes: engenheiro Pedro Pintão

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