Por Jack Smith
No final de uma tarde de domingo, o corpo de bombeiros do condado de Kern respondeu a uma chamada em uma loja na rodovia Rosedale, em Bakersfield, Califórnia. Os bombeiros descobriram que uma fileira de painéis solares no telhado havia pegado fogo. Alguns dos painéis ainda estavam energizados quando a equipe chegou, então a equipe de bombeiros teve que tomar precauções extras até que a energia elétrica pudesse ser desligada.
Basicamente, uma instalação de energia solar começa com painéis fotovoltaicos coletando luz solar. O painel fotovoltaico fornece tensão CC a um conversor que converte CC em CA. Algumas instalações têm baterias, unidades de comutação de transferência automática, equipamentos de monitoramento e medição e dispositivos que permitem o retorno da eletricidade para a rede.
Felizmente, os bombeiros rapidamente extinguiram o fogo, que não penetrou a plataforma de metal do telhado. As autoridades liberaram a loja, que reabriu cerca de quatro horas após a ligação. A lição a ser aprendida com este exemplo não é que a energia solar seja insegura ou perigosa; é aumentar a consciência de segurança ao trabalhar com matrizes e sistemas fotovoltaicos (PV). Enquanto os bombeiros e os socorristas precisam saber como desconectar a eletricidade com segurança para garantir a segurança do pessoal de emergência e permitir a saída, os técnicos de manutenção das instalações precisam saber como manter a eletricidade fluindo de forma segura e confiável.
Configurações típicas do sistema fotovoltaico
Uma célula fotovoltaica comercial típica com uma área de superfície de 160cm² (25 polegadas quadradas) produz cerca de 2 watts de potência em condições de pico de luz solar. Se a intensidade da luz solar for de 40% do pico, a célula produzirá cerca de 0,8 watt. Para se tornarem úteis como fonte de energia elétrica, as células fotovoltaicas devem ser conectadas em configurações de circuito em série e paralelo para produzir tensões e correntes mais altas. Os módulos de fiação em série para produzir "linhas" aumentam a tensão; conectar as linhas em paralelo aumenta a corrente. Uma matriz de 30 módulos pode produzir 4 quilowatts.
Os fabricantes combinam circuitos de células fotovoltaicas em laminado de proteção ambiental selado para construir módulos fotovoltaicos, os blocos de construção fundamentais dos sistemas de geração fotovoltaicos. Os painéis fotovoltaicos incluem vários módulos fotovoltaicos montados e pré-conectados para serem instalados em campo. Uma matriz fotovoltaica é uma unidade geradora de energia completa, que pode incluir qualquer número de módulos fotovoltaicos e painéis.
Os sistemas fotovoltaicos podem fornecer energia suplementar para residências, empresas, municípios, instalações militares ou para qualquer pessoa disposta a se comprometer e investir. O painel fotovoltaico pode ser a principal fonte de energia para sistemas remotos, por exemplo, em indústrias de processo do tipo fluxo, além de situações temporárias de trabalho em campo. Embora a maioria das informações neste artigo se aplique a instalações fotovoltaicas residenciais e comerciais, o foco principal é o comercial. Geralmente, os sistemas residenciais diferem apenas em tamanho. Os princípios operacionais e as configurações são muito semelhantes. Os sistemas comerciais tendem a ser mais complexos, mas isso nem sempre acontece.
As matrizes fotovoltaicas podem ser colocadas no telhado de uma instalação, como na loja em Bakersfield ou em terra adjacente à instalação. Normalmente, as matrizes solares exigem cerca de três a cinco acres por megawatt. As matrizes montadas no telhado e no prédio maximizam o espaço total de coleta da luz solar disponível para um local. No entanto, deve considerar-se o potencial de penetração e de carga no telhado, além das suas consequências.
A base conceitual para quase todas as instalações úteis de energia solar começa com os painéis fotovoltaicos coletando luz solar. A matriz fotovoltaica fornece tensão CC a um conversor que converte a CC em 60Hz CA. A tensão CA do conversor fornece energia para o comércio ou para a casa.
Obviamente, faltam alguns elementos importantes para tornar este sistema de exemplo útil e seguro. Dependendo dos requisitos da instalação, um sistema também pode incluir qualquer número de dispositivos de comutação e proteção CC, como caixas combinadoras CC, disjuntores, chaves seccionadoras e contatores. Os inversores estão disponíveis em muitas configurações e faixas de potência. Uma caixa combinadora é uma caixa de junção usada como ponto de conexão paralelo para dois ou mais circuitos. Algumas grandes instalações abrigam vários inversores. Um sistema do "mundo real" também inclui dispositivos de proteção e comutação CA, como painéis e quadros de distribuição CA, chaves seccionadoras, disjuntores, quadro de distribuição de baixa e média tensão e transformadores de baixa e média tensão. Algumas instalações também possuem baterias, unidades de comutação de transferência automática, equipamentos de monitoramento e medição e dispositivos que permitem que a eletricidade seja alimentada de volta à rede. Requisitos funcionais e operacionais, configurações de componentes e como o equipamento se conecta a outras fontes de energia e cargas elétricas determinam as classificações do sistema de energia fotovoltaica. As duas classificações principais são sistemas conectados à rede (ou interativos com o utilitário) e sistemas autônomos.
Os sistemas conectados à grade operam enquanto estão interconectados com a grade de utilitários. Além da matriz fotovoltaica em si, o componente principal em um sistema conectado à rede é o inversor. O sistema fotovoltaico, especificamente o inversor, faz interface bidirecional com a rede da concessionária de energia elétrica, normalmente em um painel de distribuição no local ou entrada de serviço.
Os sistemas fotovoltaicos autônomos operam independentemente da rede elétrica. Instalações que usam um sistema fotovoltaico autônomo geralmente usam baterias para armazenamento de energia. As baterias armazenam energia do painel fotovoltaico durante o dia e fornecem energia para as cargas elétricas durante a noite ou em dias nublados. As baterias também ajudam a estabilizar a tensão do sistema e fornecer corrente de surto para cargas elétricas, se necessário. Normalmente, os controladores de carregamento de bateria protegem as baterias de sobrecarga e descarga excessiva.
Diferença entre os sistemas fotovoltaicos
A diferença óbvia entre os sistemas elétricos fotovoltaicos e a eletricidade fornecida pela concessionária é que os painéis fotovoltaicos geram CC. A eletricidade gerada não se torna CA até que seja processada pelo inversor. Parte de uma instalação fotovoltaica é necessariamente CC, o que requer diferentes tipos de componentes das instalações de CA. Os componentes em sistemas fotovoltaicos que não são encontrados em sistemas CA incluem caixas combinadoras e chaves seccionadoras CC.
As caixas combinadoras solares agregam a energia CC do painel fotovoltaico e fornecem proteção contra sobrecorrente de acordo com os requisitos do Código Elétrico Nacional (NEC). Entradas individuais conectadas a porta-fusíveis. Os lados de carga dos porta-fusíveis se conectam para formar um barramento comum, que se conecta aos terminais de saída. As caixas combinadoras são combinadores de fonte ou combinadores de matriz. Os combinadores de fonte estão localizados mais próximos dos painéis fotovoltaicos. Combinadores de matriz, ou recombinadores, agregam saídas de vários combinadores de origem em um único circuito e são encontrados em grandes instalações. Combinadores de matriz têm porta-fusíveis de entrada mais alta e corrente de saída mais alta.
Normalmente, os sistemas fotovoltaicos geram tensão na faixa de 400 V CC a 600 V CC, uma tensão muito mais alta do que a encontrada na maioria dos sistemas prediais. Combinar essa tensão mais alta com a falta de uma onda senoidal de corrente com cruzamentos por zero cria vários desafios de design de sistema, componentes e fiação, particularmente ao ligar e desligar esses circuitos CC. Comparado aos sistemas CA com uma onda senoidal de corrente de cruzamento zero, a interrupção de circuitos CC de alta tensão requer um entreferro maior para interromper e quebrar o arco de forma segura e rápida. A fiação de vários polos de uma única chave em série cria uma maior lacuna de ar para a interrupção segura do arco.
Como os circuitos CC consistem em dois fios, um positivo e um negativo, um deles deve servir como aterramento na maioria dos sistemas fotovoltaicos, como o neutro em um sistema CA. O fabricante do painel solar especifica qual desses dois fios está aterrado. O aterramento negativo é a configuração mais comum. Essa ligação geralmente é feita no inversor. De acordo com o NEC, apenas o condutor de corrente não aterrado deve ser comutado.
Possíveis problemas fotovoltaicos
A maioria dos sistemas fotovoltaicos que são instalados por profissionais qualificados e conceituados são feitos de forma segura e confiável. No entanto, ter um sistema de energia elétrica fotovoltaico instalado por pessoas não treinadas pode causar problemas. Alguns dos problemas comuns associados ao projeto, instalação e operação de sistemas fotovoltaicos incluem:
- Sombreamento extensivo do painel fotovoltaico
- Fixação estrutural não segura em telhados e outras estruturas
- Vedação inadequada de condições climáticas para o teto e outras penetrações
- Fiação não segura
- Instalação insegura da bateria ou manutenção ou uso inadequado da bateria
- Amperagem do condutor e/ou tipo de isolamento insuficiente
- Uso de equipamentos não listados
- Aplicação incorreta de equipamentos listados ou não listados
- Posicionamento inadequado de dispositivos de proteção contra sobrecorrente e desconexão
- Aterramento inadequado do sistema
- Rotulagem inadequada nos principais componentes do sistema e dispositivos de desconexão
- Documentação inadequada sobre o projeto do sistema e requisitos operacionais e de manutenção
- Proteção contra o tempo inadequado para determinados componentes do sistema
Teste e solução de problemas
Qualquer pacote de projeto de sistema fotovoltaico deve incluir documentação de apoio, que deve, no mínimo, incluir especificações do sistema, esquemas elétricos, desenhos mecânicos, listas de peças, listas de materiais e listas de fontes. A documentação também deve incluir procedimentos de instalação e verificação, treinamento de usuários e operadores, requisitos de manutenção, guias de solução de problemas e especificar as ferramentas e equipamentos necessários para executar essas tarefas.
Os requisitos de manutenção para instalações fotovoltaicas dependem do tipo de projeto do sistema e do equipamento usado. Algumas instalações requerem pouca atenção, talvez apenas inspeções anuais. Outros, especialmente aqueles com baterias, podem exigir intervalos de manutenção de quatro a seis meses, ou mesmo substituições de componentes (geralmente bateria) durante a vida útil do sistema. Itens de manutenção típicos que as instalações fotovoltaicas podem exigir incluem:
- Inspecionar as conexões e terminações da fiação para verificar se há folga e corrosão
- Inspecionar chicotes de fiação para garantir que eles estejam devidamente agrupados e protegidos
- Inspecionar o painel fotovoltaico quanto à limpeza, ausência de danos e integridade estrutural
- Inspeção de infiltrações no teto e vedação contra o tempo
- Fazer a manutenção das baterias, que pode incluir limpeza, adição de eletrólito, equalização de carga e substituição, se necessário
Use as ferramentas apropriadas para a tarefa
Independentemente de você estar instalando ou mantendo um sistema fotovoltaico, use as ferramentas apropriadas para a tarefa. Normalmente, você pode executar a maioria das tarefas que envolvem os módulos fotovoltaicos e seus circuitos CC associados com um multímetro digital de alta qualidade (DMM) com um alicate amperímetro ou um alicate amperímetro com recursos de medição de tensão.
Utilize um multímetro digital com um alicate amperímetro para testar os módulos quando eles são recebidos e novamente após a instalação. Use qualquer um desses instrumentos para verificar a tensão e a corrente de saída da matriz. Durante a instalação, certifique-se de que as unidades apropriadas estejam conectadas em série para fornecer a voltagem adequada. Certifique-se de que as seções da matriz em série estejam conectadas em paralelo para fornecer a corrente adequada.
Use um multímetro digital e um alicate amperímetro para garantir as conexões adequadas ao inversor, bem como as tensões e correntes de entrada e saída do inversor. Essas ferramentas também podem ajudá-lo a solucionar o resto da instalação, da mesma forma que você faria com qualquer outro sistema de energia CA.
Alguns problemas do inversor requerem o uso de um osciloscópio ou combinação de outro medidor com um osciloscópio. Por exemplo, use um osciloscópio para detectar e identificar problemas de ruído no enrolamento do circuito de controle ou para verificar a operação adequada do transistor bipolar de porta isolada (IGBT) observando suas formas de onda. Você pode detectar um transistor em curto medindo através do transistor com um osciloscópio. Um bom transistor tem uma forma de onda com uma onda quadrada bem formada com bordas afiadas, enquanto um transistor ruim tem uma forma de onda arredondada no pico da borda de ataque. Além disso, certifique-se de que a forma de onda na saída do inversor se aproxime de uma onda senoidal.
Uma vez que virtualmente todas as instalações fotovoltaicas usam inversores para converter a corrente contínua do painel fotovoltaico em corrente alternada, pode haver algum conteúdo harmônico presente na corrente alternada proveniente do sistema fotovoltaico. As unidades de frequência variável (VFDs) assumem a maior parte da culpa por gerar harmônicos. Os circuitos que os inversores usam para converter CC em CA são notoriamente semelhantes aos circuitos VFD que são responsáveis por gerar correntes harmônicas. Normalmente, os projetos de sistemas fotovoltaicos devem minimizar os harmônicos. No entanto, se você suspeitar de problemas de harmônicos em sua instalação, pode usar um analisador de qualidade de energia para solucionar o sistema.
Estar ciente dos problemas potenciais, e testar e solucionar problemas com ferramentas adequadas para a tarefa em questão irá ajudar você a criar e manter um sistema fotovoltaico funcionando de forma segura e confiável.