CAPÍTULO 1 – Fundamentos da energia solar

1.1 Radiação solar e irradiância

A radiação solar tem origem nas reações nucleares que ocorrem no interior do sol e liberam energia. Essa energia viaja através do espaço, na forma de ondas eletromagnéticas, até chegar a Terra, porém, a radiação que chega à superfície terrestre é apenas uma fração da radiação que atinge nossa atmosfera devido a absorção por parte de partículas. Conforme a radiação solar penetra em nossa superfície, fenômenos como difração, absorção e reflexão ocorrem nos diferentes materiais e moléculas que estão ali dispersas, desse modo, quanto maior a distância percorrida pelos raios solares até a superfície de interesse, menor será sua intensidade, pois parte da energia será refletida de volta para o espaço e parte será absorvida. O parâmetro que pode ser usado para medir o efeito da distância percorrida pela radiação é chamado Massa de Ar, e é dado por:

Onde 𝑐𝑜𝑠∅ é o ângulo entre a posição solar atual e o ponto Zenite, que é o ponto no qual os raios solares são verticais, conforme a figura abaixo.

Através da fórmula e da figura, percebe-se que a melhor situação é quando o ângulo ∅ é zero, que ocorre apenas nas regiões entre os trópicos, nas outras localidades, o sol nunca atingirá esse ponto, o que resultará em uma Massa de ar diferente de 1, que significa que nessas regiões, a radiação solar ira percorrer uma distância maior, consequentemente, haverá mais reflexões e absorções durante o trajeto, e a radiação na superfície da Terra será menor.

A intensidade da radiação que atinge uma determinada superfície é determinada irradiância, medida em 𝑊⁄𝑚².

A irradiância varia de região para região e depende também da época do ano devido à inclinação do eixo de rotação da terra e a sua órbita elíptica, que faz com que a Terra esteja ora mais próxima do Sol, ora mais distante. Alguns estudos têm estimado a irradiação solar numa superfície horizontal em território brasileiro em torno de 1750 e 2190 𝑘𝑊ℎ⁄𝑚²𝑎𝑛𝑜 na região do semi-árido nordestino. No deserto do Saara, esse valor chega próximo a 2600 𝑘𝑊ℎ⁄𝑚²𝑎𝑛𝑜.

Existem softwares, como o Radiasol (gratuito), e plataformas online como o Sundata (Cresesb), que fornecem valores de irradiação solar média em todos os meses do ano para as regiões do território brasileiro, permitindo a busca por latitude e longitude da localidade de interesse. As figuras a seguir ilustram a plataforma Sundata para a região de Florianópolis.

Como é possível ver, a plataforma fornece gráficos para várias inclinações da superfície definidas pela plataforma (a inclinação influência na quantidade de radiação que atinge a superfície de interesse), são apresentadas as inclinações de zero grau, igual à latitude, igual à inclinação com maior média anual e a inclinação com o menor mínimo mensal. Em cada um dos três gráficos há uma distância entre a localidade pesquisada e a localidade encontrada mais próxima, pois muitas vezes as coordenadas específicas não fazem parte do banco de dados da plataforma e o resultado é aproximado por localidades próximas. Já o software Radiasol permite escolher a inclinação da superfície livremente, sendo muito útil para projetos. Com o software, também é possível variar a direção para a qual a superfície inclinada aponta (norte, sul, etc).

1.2 Tipos de placas solares

Diversos parâmetros podem influenciar na escolha da tecnologia do painel fotovoltaico, como espaço disponível para a instalação e o valor disponível para investimento, assim, nas próximas seções, explicaremos as diferenças principais entre os tipos de células fotovoltaicas mais utilizados.

1.2.1 Painel solar com células de silício monocristalino

O painel de silício monocristalino é formado a partir de um único cristal de silício, o que faz com que esse painel seja o que possua o maior grau de pureza. Seu processo de fabricação é mais caro pois demanda mais energia para criar um cristal único, os painéis fabricados com células monocristalinas apresentam a maior eficiência entre as tecnologias disponíveis, entre 14 e 21%, de modo que para uma mesma potência, esses painéis ocupam uma área menor, porém seu custo é mais elevado.

Para a obtenção de silício monocristalino, o processo mais utilizado é o método de Czochralski. Nesse processo, o silício policristalino é fundido em temperaturas da ordem de 1500 °C juntamente com substancias dopantes, como o Fósforo e o Boro por exemplo. Um pequeno cristal semente é mergulhado no silício derretido, fazendo com que uma pequena porção da semente também se funda, a semente de silício é então retirada lentamente ao mesmo tempo em que é rotacionada, fazendo com que os átomos de silício se alinhem e se cristalizem em torno da semente, formando um cilindro de cristal monocristalino que pode chegar a alguns metros de comprimento.

1.2.2 Painel solar com células de silício policristalino

Nesses painéis, as células são formadas por vários cristais, diferentemente do painel monocristalino descrito anteriormente. Por serem fabricados através da fundição de múltiplos cristais de silício, as moléculas não estão perfeitamente alinhadas, de modo que a sua eficiência é menor, entre 13 e 16%, mas seu custo de fabricação é menor devido ao processo de fabricação ser mais barato e não envolver o reaproveitamento dos resíduos de silício. Este é o tipo de painel com a maior aplicação em geração distribuída.

1.2.3 Painel solar flexível

Neste tipo de painel, várias camadas finas de material semicondutor são depositadas sobre um substrato, normalmente vidro, em um processo chamado empilhamento, tornando o painel bastante fino e maleável. O material semicondutor pode ser:

1.3 Curvas características dos painéis fotovoltaicos

Um painel fotovoltaico é caracterizado pela sua curva I-V, que é um gráfico representando a tensão e a corrente que o módulo é capaz de fornecer em uma dada situação meteorológica. Dependendo da condição meteorológica, a curva característica do painel é modificada.

A variação da temperatura não possui grande efeito sobre a corrente de saída do módulo, porém, é responsável por variar a sua tensão de saída, quanto maior a temperatura, menor será essa tensão. Outro fator que altera a característica I-V é a incidência de radiação, que ao contrário da temperatura, altera pouco a tensão de saída, mas provoca grande variação na corrente. Nessa situação, quanto menor a incidência, menor será a corrente gerada pelo painel. A figura abaixo ilustra os efeitos mencionados.

Alguns fabricantes incluem gráficos nos manuais dos seus painéis, como observamos na figura anterior. Esses gráficos correspondem a situações de ensaios de laboratório, com condições de iluminação e climatização controladas, as chamadas Standard Test Conditions ou STC conditions, onde a temperatura do painel é mantida em 25°C, a irradiância é de 1000 W⁄m² e a massa de ar AM é de 1,5. Durante a operação dos módulos solares, as condições STC nunca serão satisfeitas, por isso há a necessidade da inclusão desses gráficos. Também costumam ser fornecidos gráficos de potência em função da tensão do painel. Note que no gráfico da potência, sempre há um ponto na curva que corresponde ao ponto onde a potência gerada pelo módulo é máxima, esse ponto é denominado ponto de máxima potência e será importante ao longo deste texto.

As curvas I-V, como mencionado, variam em função da temperatura e da irradiância, assim, ao longo do dia, conforme a temperatura dos módulos e a irradiância variam, teremos curvas diferentes em cada horário, o que faz com que a potência gerada máxima seja variável, então, seria interessante se tivéssemos uma maneira se sempre atuar no ponto de máxima potência do módulo, independente da hora do dia, para assim, aumentar a geração, veremos isso mais adiante.

1.4 Efeito fotovoltaico

Após explicarmos brevemente os tipos de painéis solares, faremos uma explicação do seu funcionamento. A produção de energia utilizando placas solares se dá pelo chamado efeito fotovoltaico (não confundir com efeito fotoelétrico). Basicamente, o efeito fotovoltaico é a produção de tensão elétrica em um material quando este é exposto à luz. Esse efeito foi primeiramente observado por Edmond Becquerel em 1839. Das aulas de química do ensino médio, lembramos que para um átomo ser estável, ele necessita de 8 elétrons na sua camada de valência, o que não é o caso do silício (material no qual a maioria dos painéis são fabricados), que possui 4 elétrons, exigindo mais 4 para que se torne estável. Os elétrons faltantes são compartilhados pelos outros átomos vizinhos, e assim, todos os átomos de silício se unem para que se tornem estáveis, formando uma rede cristalina. O silício possui 4 elétrons em sua camada de valência e nenhum elétron na sua camada de condução, porém, quando um desses elétrons absorve energia, ele pode “saltar” para a camada de condução e se tornar um elétron livre, capaz de formar uma corrente elétrica. Cada material tem uma energia específica que seus elétrons da camada de valência precisam para que se tornem livres. Materiais condutores, por exemplo, já possuem elétrons livres por natureza, não sendo necessário absorver energia para liberar esses elétrons. Por outro lado, em materiais dielétricos, é necessária uma grande quantidade de energia para que seus elétrons se tornem livres. Já nos materiais semicondutores, essa energia é intermediária, e em painéis solares, a energia será fornecida pela luz do sol.

O silício por si só, não será um bom condutor mesmo fornecendo a energia necessária para seus elétrons pois os mesmos se recombinam entre si para adquirir estabilidade, então, a técnica utilizada consiste em adicionar a uma metade do silício átomos de elementos com 5 elétrons na camada de valência, de modo que quando as ligações forem realizadas, um elétron ficará sobrando, fracamente ligado, de modo que uma pequena quantidade de energia é necessária para coloca-lo na camada de condução. Na outra parte do silício, é adicionado átomos com 3 elétrons na camada de valência, assim, faltará um elétron (ou sobrará uma lacuna) para completar as ligações, e, se uma quantidade de energia for absorvida, um elétron próximo pode se mover e ocupar esse espaço.

A primeira metade do silício é denominada junção N por ter uma dopagem com excesso de elétrons e a segunda metade é conhecida por junção P, por ter uma dopagem com falta de elétrons (ou excesso de lacunas). Em uma célula fotovoltaica as duas junções entram em contato, e então, os elétrons em excesso da junção N tendem a buscar as lacunas da junção P, fazendo com que a região N perca elétrons e se torne positiva e a região P receba elétrons, se tornando negativa. Esse processo continua até que um campo elétrico surja na junção, campo elétrico esse que tem natureza vetorial e tem sentido N para P, impedindo que mais elétrons partam de N em direção à P devido à força elétrica, que pode ser calculada pela expressão abaixo.

Quando a energia solar é absorvida pelos elétrons, estes conseguem superar a barreira imposta pelo campo elétrico e assim, passam da junção N para a junção P, e, como resultado, uma tensão aparece nos terminais da junção.

1.5 Tipos de inversores

Inversores são equipamentos eletrônicos capazes de converter em corrente alternada uma corrente contínua presente em sua entrada a partir de chaves eletrônicas como transistores, IGBTs, MOSFETs, entre outros. No caso da energia solar, os inversores podem ser divididos em duas categorias: Inversores off-grid e inversores grid-tie.

Os inversores off-grid são usados em sistemas isolados e não devem ser conectados à rede elétrica pois não possuem a capacidade de sincronizar o sinal gerado com o sinal da rede. Nos casos de sistemas off-grid, os inversores são alimentados diretamente pela bateria e conectados diretamente à carga, já em sistemas grid-tie, os inversores são conectados entre a geração e a rede da concessionária local. As figuras abaixo ilustram os diferentes tipos de conexão.

Nas próximas seções ilustraremos o funcionamento dos inversores.

1.5.1 Inversor Off Grid

Os inversores off-grid podem ser de dois tipos dependendo do tipo de saída desejada. A forma de onda da tensão de saída pode ser uma senóide perfeita no caso de inversores de onda senoidal pura, e inversores de onda senoidal modificada, no caso dos inversores de onda modificada.

O inversor de onda senoidal modificada satisfaz a maioria das aplicações, sendo capaz de alimentar a maioria das cargas que temos em nossas residências, e por serem mais baratos, se tornaram populares nos sistemas solares isolados. A figura a seguir mostra a saída de um inversor de onda modificada.

A figura ilustra também outro motivo pelo qual esses inversores não podem ser conectados à rede, que é a alta distorção harmônica que seria injetada. A tabela abaixo nos mostra os limites que devemos respeitar em relação à injeção de harmônicas na rede da Celesc sendo que a distorção harmônica total deve ser inferior a 5%.

Harmônicas ímpares	Limite de distorção
3ª a 9ª	< 4%
11ª a 15ª	< 2%
17ª a 21ª	< 1,5%
23ª a 33ª	< 0,6%
Harmônicas pares	Limite de distorção
2ª a 8ª	< 1%
10ª a 32ª	< 0,5%

Fonte: Celesc.

No caso de sistemas isolados com cargas compostas por motores, os inversores de onda modificada não são aconselháveis uma vez que a grande quantidade de harmônicas provoca efeitos como a redução do torque do motor, aumento das perdas no seu circuito magnético e consequente aquecimento, e aumento no nível de ruído devido à rotação do eixo, que deixa de ser suave. O inversor de onda senoidal pura é indicado em aplicações onde se exijam tensões senoidais perfeitas, como é o caso de motores de sistemas de bombas, ar-condicionado, entre outros. Deve ser feita uma análise dos equipamentos instalados e se há alguma previsão de instalação futura, pois esses inversores podem custar até três vezes mais caro do que um inversor de onda modificada de mesma potência. Caso haja cargas com motores no sistema, deve-se prestar atenção na corrente de partida desses motores, que pode chegar a 7 ou 8 vezes a corrente nominal, assim, a potência do motor no momento da partida também será multiplicada por esse fator. Na ficha técnica do inversor, existe um dado chamado “potência pico” ou “peak power”, que é a potência que o inversor é capaz de suprir durante um pequeno espaço de tempo. Essa potência deve ser superior a potência de partida da carga.

1.5.2 Inversor grid-tie

Esses inversores possuem a particularidade de poderem ser conectados à rede de distribuição graças a um sistema que sincroniza a tensão gerada na saída do inversor com a tensão fornecida pela rede elétrica. Para realizar esse sincronismo, não basta apenas que a tensão na saída do inversor esteja em 60 Hz e tenha a mesma amplitude da rede, mas também é necessário que a defasagem angular entre as duas tensões seja menor do que 1 grau. Em relação à eficiência desses inversores na conversão CC-CA, é importante dizer que o equipamento possui uma potência nominal e uma faixa de operação onde sua eficiência é máxima, que normalmente é em torno de 80% de sua potência nominal, assim, o inversor deve ser dimensionado com uma certa tolerância para que atue com máxima eficiência.

Os inversores também possuem faixas de tensão e corrente que podem ser aplicadas em seus terminais de entrada sem danificar o equipamento, sendo que sua potência de saída é limitada a sua potência nominal. Uma vez que os painéis solares raramente entregarão as tensões e correntes nominais, o inversor pode ser subdimensionado em até 20% da capacidade nominal do arranjo fotovoltaico, por exemplo, se tivermos um arranjo fotovoltaico de 3 kWp, raramente esse arranjo entregará esses 3 kWp, e o inversor poderá ter potência nominal de 2,5 kW, desde que as tensões e correntes do arranjo não sejam superiores às especificadas para este inversor. Esse processo de subdimensionamento do inversor é chamado de overpanelling e é recomendado pelos fabricantes. A figura abaixo mostra os dados de um inversor grid-tie onde estão destacados os dados pertinentes.

1.6 Sistemas on-grid e off-grid

Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em dois tipos: Os sistemas conectados à rede, os chamados on-grid (ou grid-tie), e os sistemas isolados, chamados de off-grid.

Nos sistemas conectados à rede, o consumidor deve dispor da rede elétrica da concessionária local pois será necessário conectar o sistema fotovoltaico à mesma. Utilizando esse tipo de geração, a residência ou empresa aproveita a geração solar e assim, consome menos energia proveniente da concessionária, o que resulta em economia. Nesse tipo de conexão, o consumidor, caso gere mais energia do que é consumido pela sua instalação, poderá “vender” o excedente de energia por créditos, que pode ser usado caso o consumo em algum período seja maior do que a geração própria, esse sistema de compensação é especificado pela Resolução Normativa 482/2012 da ANEEL.

De acordo com a Resolução da ANEEL, os créditos de energia ficam disponíveis por 60 meses, além de poderem ser usados em outras unidades consumidoras cadastradas que sejam caracterizadas como:

No caso dos sistemas conectados à rede, mesmo que a geração supra toda a demanda de energia, o consumidor deverá ainda realizar o pagamento de uma taxa referente à disponibilidade da rede, essa taxa corresponde à um consumo mínimo de energia que depende do tipo de fornecimento de energia, conforme a tabela a seguir.

Tipo de fornecimento	Taxa referente ao consumo de:
Monofásico	30 kWh
Bifásico	50 kWh
Trifásico	100 kWh

A tabela acima é referente às unidades consumidoras pertencentes ao grupo B (conectadas em baixa tensão, inferior a 2,3 kV). Já para consumidores pertencentes ao grupo A (conectados em alta tensão, superior a 2,3 kV) a taxa mínima a ser paga à concessionária é chamada de demanda contratada. Nesse caso, a unidade consumidora e a concessionária fixam em contrato a potência ativa que será fornecida a esse consumidor sob pena de multa caso a potência consumida seja maior do que a demanda contratada.

Passando para os sistemas off-grid, a principal diferença é a presença de baterias, que servem para acumular a energia gerada que será usada nos períodos em que não há geração em dias nublados e de noite por exemplo, e devem ser dimensionadas para dar um certo número de dias de autonomia para o sistema, que fica a critério do projetista ou do cliente, quanto mais dias de autonomia se deseja, maior o número de baterias.

O uso de sistemas off-grid é recomendado para situações em que não há disponibilidade da rede local de energia, porém, existem pessoas que, por falta de conhecimento, escolhem os sistemas off-grid mesmo possuindo acesso à rede de distribuição com a ilusão de que estarão livres da concessionária de energia, nesses casos, orienta-se os consumidores a optarem pelo sistema grid-tie, pois um sistema de mesma potência no modelo off-grid costuma ser mais caro devido ao sistema de armazenamento, além da vantagem de poder utilizar créditos de energia em outras unidades consumidoras no modelo on-grid.

Outra particularidade dos sistemas off-grid é a presença do controlador de carga, que serve para controlar o regime de carga das baterias através do controle da tensão e da corrente que chegam a elas e evitar que as mesmas sejam sobrecarregadas ou que descarreguem profundamente, uma vez que isso diminui sua vida útil.

Os controladores de carga podem ser de dois tipos, com modulação PWM ou com sistema de rastreio de máxima potência, MPPT. O primeiro tipo é capaz de reduzir a tensão de entrada do controlador, proveniente dos painéis solares, para valores aceitáveis pelas baterias, porém, não são capazes de alterar a corrente e assim, uma parte da potência gerada não é aproveitada. O segundo tipo de controlador possui a mesma capacidade de adequar a tensão gerada à tensão necessária para a carga da bateria, mas são capazes de alterar a corrente, assim, se a tensão gerada é maior do que a aceita pelo banco de baterias o controlador MPPT irá reduzir a tensão e aumentar a corrente de modo a aproveitar a potência gerada pelos painéis.

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