CAPÍTULO 3 – Configuração e proteção de sistemas fotovoltaicos

        Quando é definido o número de painéis que será instalado em um determinado projeto, é preciso determinar como esses painéis serão conectados entre si. Quando se fala de conexão entre módulos, devemos pensar se desejamos alterar a corrente ou a tensão que o arranjo fornecerá. Nessa situação, temos dois casos: Conexão série e conexão paralelo.

        Quando conectamos os módulos em série, da teoria de circuitos elétricos, temos que as tensões serão somadas e a corrente será a mesma. Utilizando a curva característica do painel solar, podemos entender como a conexão série afeta o resultado. A figura abaixo ilustra o efeito mencionado e mostra que se desejarmos uma tensão mais elevada, devemos conectar os módulos em série.

        Quando conectamos os módulos em paralelo, a tensão é mantida constante, porém a corrente é somada. Utilizando o gráfico do módulo fotovoltaico em questão, podemos determinar o comportamento da ligação paralela. Se precisamos de correntes elevadas, podemos fazer uso dessa conexão.

        Muitas vezes teremos situações onde precisaremos de tensões e correntes altas, assim, são realizadas tanto conexões em série quanto conexões em paralelo, resultando em uma conexão mista.

        Embora os conceitos sejam simples, a escolha do tipo de conexão não o é, pois depende do tipo de equipamento ao qual o arranjo será conectado. Em sistemas conectados à rede, o arranjo será conectado diretamente ao inversor, assim, as associações de módulos deverão obrigatoriamente respeitar os limites de tensão e corrente desse equipamento. Já em sistemas off-grid, o arranjo fotovoltaico será conectado ao controlador de carga, que também possui limites para valores de tensão e corrente.

        Voltando aos sistemas on-grid, existem diversos arranjos que podem ser realizados e combinados com o inversor, ilustraremos agora os mais comuns.

3.1.1 Arranjo com inversor central

        Neste tipo de configuração, um inversor é dimensionado para atender a todos os módulos existentes na instalação, sejam eles conectados em paralelo, série, ou em configuração mista. Nesse tipo de situação, é necessário ter atenção em relação à quantidade de módulos em série, pois dependendo do seu nível de tensão, o valor final a ser aplicado à entrada do inversor pode atingir valores altos. O mesmo argumento é válido no caso de módulos conectados em paralelo, onde a corrente que será aplicada aos terminais de entrada do inversor pode superar a corrente nominal do mesmo. Também é importante verificar no manual do equipamento o item que indica a faixa de tensão na qual o inversor aplica o algoritmo de máxima potência (MPPT), pois mesmo que o inversor aceite uma tensão superior, mas o valor esteja fora da faixa de máxima potência, o aproveitamento do equipamento será afetado. Como exemplo, se tivermos o inversor Fronius Primo 6.0-1 de 6 kW com os dados dado pela tabela a seguir, o ideal é que o arranjo fotovoltaico forneça tensão entre 240 e 800 V.

Máxima tensão de entrada (DC)	Faixa de tensão MPPT
1000 V	240-800 V

3.1.2 Arranjo com inversor por grupos de módulos

        Dependendo da potência do sistema, um inversor de potência com capacidade para atender todos os módulos pode ser mais caro do que vários inversores menores, assim, utilizar esse arranjo pode trazer economia para o projeto. Dependendo também das distâncias entre os grupos de módulos, o cabo que sai dos arranjos e chega até o inversor central pode ser maior do que se for usado um inversor para cada grupo, o que pode causar quedas de tensão elevadas nesse trecho do cabeamento. Pode ocorrer também de haver situações na qual, por questões de espaço ou por critério do projetista, um conjunto de módulos é instalado em local diferente do outro, com diferentes inclinações e quantidade, assim, pode ser mais vantajoso instalar um inversor para cada grupo de módulo.

3.1.2 Arranjo com micro-inversores

        Alguns fabricantes de inversores estão investindo na tecnologia de micro inversores, os quais podem ser conectados individualmente em cada módulo solar. Com este arranjo, é possível monitorar cada módulo de forma individual, e assim, ter certeza de sua geração, tensão e corrente, o que não ocorre no caso dos outros arranjos, pois o inversor monitora apenas o conjunto total de módulos conectados a ele. Este tipo de arranjo evita quedas de tensão acentuadas pois os inversores já estão suficientemente próximos do módulo. Este tipo de inversor também permite maior flexibilidade na expansão do sistema de geração, pois caso se deseje aumentar a geração de energia, bastaria conectar outro módulo com inversor integrado. Outro fator importante que vale a pena ser mencionado é o fato de que esses arranjos são menos afetados por sombreamento, pois mesmo que um dos módulos seja afetado, a geração dos demais, por ser independente, não é prejudicada, o que não acontece com os outros arranjos. Existem também no mercado alguns painéis que já possuem esse inversor integrado, porém, normalmente esses equipamentos são vendidos separadamente. O ponto fraco desse tipo de arranjo é o valor elevado dos micro-inversores, que pode tornar o projeto inviável.

        Como visto, há diversos arranjos que podem ser realizados, e a escolha dependerá do custo benefício que teremos ao escolher entre um ou outro, assim, devemos levar em conta as perdas e possíveis sombreamentos que possam ocorrer para selecionar a melhor opção. O projetista deverá conhecer bem as formas de conexão e fazer a comparação entre vantagens e desvantagens em cada situação. No caso de sistemas off-grid, esse mesmo cuidado deve ser tomado, mas em relação ao controlador de carga.

3.2 Proteção de sistemas fotovoltaicos

        Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede estão diretamente expostos surtos de tensão devido a descargas atmosféricas direta (sobre os módulos), e indireta (quando atingem a rede elétrica). Nesse caso alguns métodos de proteção podem ser utilizados para minimizar os riscos, são eles:

• Instalação de dispositivo de proteção contra surtos (DPS).

• Para-raios.

• Aterramento.

3.2.1 Dispositivo de proteção contra surtos (DPS)

        No caso de sistemas grid-tie, existe uma parte do sistema que funciona em corrente contínua (dos módulos até o inversor) e uma parte que funciona em corrente alternada (do inversor até a rede e as cargas). Existem tanto DPS projetados para funcionar em corrente contínua quanto em corrente alternada, e é importante que cada tipo seja utilizado somente com o tipo de corrente (contínua ou alternada) para a qual foi projetado.

        O DPS possui um varistor, que é um resistor variável cuja resistência diminui conforme a tensão aumenta. Quando ocorre um surto, a tensão é bastante elevada, assim, a resistência do varistor se torna baixa. O varistor fica conectado entre a fase e o sistema de aterramento, de modo que quando um surto ocorre, a resistência do mesmo diminui, fechando um caminho entre a fase e a terra e escoando a corrente para o sistema de aterramento.

        Conforme a vida útil do DPS diminui, a capacidade do varistor de voltar a ter uma resistência elevada diminui, e curtos-circuitos permanentes podem acontecer. Para evitar problemas de curtos-circuitos permanentes, é possível utilizar um disjuntor para proteger o DPS, assim, quando o curto-circuito for permanente, o disjuntor irá atuar.

3.2.2 Diodos

        No caso de diodos, normalmente são utilizados dois tipos de configuração: O diodo de by-pass e o diodo de bloqueio.

3.2.2.1 Diodo de by-pass

        Quando uma célula de um módulo sofre sombreamento, a mesma se torna uma carga para as demais células, e assim há dissipação de potência através da célula sombreada, o que prejudica o rendimento do sistema e provoca o surgimento de pontos quentes, que deterioram o módulo fotovoltaico. Para evitar que haja dissipação de potência em células sombreadas, é possível utilizar diodos de by-pass, que servem para fornecer um caminho alternativo para a corrente.

        Em um sistema fotovoltaico com módulos conectados em série, o sombreamento de apenas algumas células compromete o funcionamento de toda a associação. Como todas as células estão em série, a corrente do módulo será limitada pela menor corrente da célula, assim, o módulo afetado irá produzir menos corrente. Uma vez que os módulos também estão em série, a corrente da associação será a corrente do módulo afetado pelo sombreamento, e assim, boa parte da potência gerada pelo arranjo série será perdida.

        Para a proteção do módulo fotovoltaico, os fabricantes normalmente incluem diodos conectados em paralelo com um grupo de células, assim, em condições normais (sem sombras), o diodo estará inversamente polarizado e não conduz, como mostra a figura abaixo.

        Quando houver um conjunto de células com sombras, sua tensão irá diminuir, e consequentemente o diodo será polarizado diretamente e permitirá a passagem de corrente, e assim, a corrente que geraria dissipação de potência na célula sombreada é desviada.

        Apesar de o diodo de by-pass proteger as células contra os surgimentos de hot-spots, o diodo não consegue suprir a queda de produção de energia provocada pelos sombreamentos, de modo que evitar ao máximo a ocorrência desse fenômeno é a melhor maneira de evitar a perda de geração.

3.2.2.2 Diodo de bloqueio

        Quando há diversas strings conectadas em paralelo, é usado um diodo no final de cada ramo para evitar a circulação de corrente entre os ramos. Esse diodo é chamado diodo de bloqueio.

        Em sistemas off-grid, durante a noite, a tensão da bateria é maior do que a tensão nos módulos, assim, uma corrente poderia fluir da bateria para os módulos fotovoltaicos e o diodo de bloqueio não permitiria esse fluxo de corrente. Atualmente, o controlador de carga já possui essa função integrada. Em sistemas grid tie o mesmo poderia acontecer, a rede elétrica local alimentaria os painéis, porém os inversores atuais também possuem a capacidade de não permitir a passagem de corrente na direção dos módulos.

3.2.3 Proteção anti-ilhamento

        Muitas vezes, a concessionária de energia realiza desligamentos programados para corrigir defeitos ou fazer manutenção de linhas e de equipamentos. Nessas situações, a rede de energia precisa estar desenergizada para garantir a segurança dos técnicos que trabalham na mesma. Quando a rede é desligada pela concessionária, o sistema fotovoltaico deve ter seu fornecimento de energia à rede interrompido para não energizá-la. Essa proteção já está incluída no circuito interno do inversor e também deve estar acessível para que o operador da concessionária possa realizar o desligamento manualmente.

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