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  • Estudo e Avaliao das Medidas de Segurana de Pessoas

    em Instalaes Fotovoltaicas

    Mrcio Alexandre de Sousa Cruz

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

    Jri

    Presidente: Prof. Doutora Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro

    Orientador: Prof. Joo Augusto dos Santos Joaquim

    Coorientador: Prof. Doutor Jos Manuel Dias Ferreira de Jesus

    Vogais: Prof. Doutor Lus Antnio Fialho Marcelino Ferreira

    Eng. Pedro Miguel Nunes Caroo (CERTIEL)

    Dezembro de 2013

  • ii

    Agradecimentos

    Agradeo a todos os que me apoiaram e me ajudaram ao longo de todo o percurso realizado

    no IST.

    Em primeiro lugar, agradeo ao engenheiro Pedro Caroo por toda a disponibilidade e

    orientao dada ao longo de todo o trabalho e por todas as informaes, sugestes e documentos

    que me facultou.

    Ao professor Santos Joaquim e ao professor Ferreira de Jesus por todas as sugestes e

    opinies que me transmitiram e pela ajuda na elaborao deste documento.

    A todos os meus amigos e familiares que me apoiaram durante todo o curso e que me

    ajudaram na minha formao acadmica e pessoal.

    A todos deixo aqui mais uma vez expresso o meu sincero agradecimento.

  • iv

    Resumo

    Devido aos elevados incentivos europeus e consciencializao de que a energia um bem

    precioso e caro, a instalao de unidades de microproduo fotovoltaicas tem aumentado muito

    rapidamente. Este aumento, por sua vez, conduziu a um incremento acentuado do nmero de

    entidades instaladoras que, por vezes por falta de formao ou de cuidado, no cumprem todas as

    medidas de segurana.

    Neste sentido, a presente dissertao comea por apresentar uma breve introduo ao

    conceito de microgerao, nomeadamente legislao aplicada em Portugal e aos impactos na rede

    pblica de distribuio, apresenta alguns esquemas de instalaes fotovoltaicas e descreve as

    funes e caractersticas dos principais componentes de uma instalao.

    O principal objetivo deste documento analisar as medidas de segurana que devem ser

    implementadas nas instalaes fotovoltaicas. Para tal, so referidos alguns perigos da eletricidade,

    com destaque para os resultantes do uso da corrente contnua, e quais as ligaes e protees que

    devem ser implementadas, das quais se destacam as ligaes terra, as protees contra choques

    eltricos, contra sobreintensidades e contra sobretenses.

    Para garantir a segurana e o correto funcionamento tambm necessrio saber como

    selecionar e implementar os diversos componentes, salientando-se a necessidade de cabos

    monocondutores com isolamento de classe II; de mdulos com inclinao igual latitude do local; de

    inversores adequados potncia total do gerador e configurao da instalao; de meios de

    seccionamento e de sinaltica de fcil interpretao e boa visibilidade.

    A concluir este documento apresentado um modo de dimensionamento de instalaes

    fotovoltaicas.

    Palavras-Chave: Segurana, Instalaes Fotovoltaicas, Ligaes e Protees, Sinaltica,

    Dimensionamento.

  • vi

    Abstract

    Due to the high incentives in Europe and the awareness that energy is precious and

    expensive, microgeneration photovoltaic units installation have quickly increased. This increase

    resulted in a growth of installers that sometimes, due to poor formation or caution, do not comply with

    all the safety measures.

    In this sense, this thesis begins with a brief introduction to the concept of microgeneration,

    particularly to the legislation applied in Portugal and the impacts on the public distribution network.

    Some installations photovoltaics schemes are presented and the functions and characteristics of the

    main components of the installation are described.

    The main objective of this paper is analyzing the security measures that should be

    implemented in photovoltaic installations. Therefore, some electricity dangers are referred, highlighting

    the direct currents dangers. It is also referred which connections and protections must be

    implemented, including most importantly the grounding, the protections against electric shock,

    overcurrent and overvoltage.

    To ensure safety and correct operation is also necessary to know how to select and implement

    the various components. Emphasizing the need for single core cables with double insulation (Class II);

    modules with a slope equal to the latitude of the place; inverter suitable to the total power of the

    generator and the installation configuration; switchgear appropriated to isolation and control; and

    signage with easy interpretation and good visibility.

    To conclude this paper we present a method of sizing of photovoltaic installations.

    Keywords: Security, Photovoltaic Installations, Connections and Protections, Signage, Sizing.

  • viii

    ndice

    1. Introduo ....................................................................................................................... 1

    1.1. Objetivos ................................................................................................................. 2

    1.2. Estrutura do relatrio .............................................................................................. 2

    2. Microgerao .................................................................................................................. 4

    2.1. Legislao .............................................................................................................. 4

    2.2. Impacto na rede de distribuio ............................................................................. 6

    3. Descrio das instalaes fotovoltaicas ..................................................................... 8

    3.1. Clula fotovoltaica .................................................................................................. 8

    3.2. Mdulos e painis fotovoltaicos ........................................................................... 14

    3.3. Inversores fotovoltaicos ........................................................................................ 17

    4. Riscos associados energia fotovoltaica ................................................................. 25

    4.1. Choques eltricos ................................................................................................. 25

    4.2. Queimaduras ........................................................................................................ 27

    5. Ligaes e protees ................................................................................................... 28

    5.1. Esquemas de ligao terra ................................................................................ 28

    5.2. Proteo contra choques eltricos ....................................................................... 30

    5.3. Proteo contra sobreintensidades ...................................................................... 32

    5.4. Queda de tenso .................................................................................................. 37

    5.5. Corte de emergncia ............................................................................................ 38

    5.6. Proteo contra as sobretenses de origem atmosfrica ou de manobra .......... 39

    6. Seleo e instalao dos equipamentos ................................................................... 43

    6.1. Canalizaes ........................................................................................................ 43

    6.2. Mdulos ................................................................................................................ 44

    6.3. Inversores ............................................................................................................. 46

    6.4. Aparelhagem (proteo, comando e seccionamento) ......................................... 47

    6.5. Conetores ............................................................................................................. 49

    6.6. Descarregadores de sobretenses ...................................................................... 50

    7. Sinalizao .................................................................................................................... 54

    7.1. Lado AC ................................................................................................................ 54

    7.2. Lado DC ............................................................................................................... 55

    7.3. Inversor ................................................................................................................. 55

    8. Preveno e segurana contra incndios ................................................................. 57

    8.1. Garantir espao de manobra ................................................................................ 57

    8.2. Cobertura dos painis fotovoltaicos ..................................................................... 58

    8.3. Usar micro-inversores e caixas de otimizao DC-DC ........................................ 58

  • ix

    8.4. Usar strings de menor dimenso ......................................................................... 59

    8.5. Usar contactores .................................................................................................. 59

    8.6. Criar uma base de dados ..................................................................................... 60

    9. Manual de instrues ................................................................................................... 61

    10. Manuteno das instalaes fotovoltaicas ............................................................... 62

    10.1. Nveis de manuteno e frequncia ..................................................................... 62

    10.2. Pontos tcnicos de manuteno .......................................................................... 62

    11. Dimensionamento de sistemas FV ligados rede .................................................... 64

    11.1. Seleo do mdulo FV ......................................................................................... 64

    11.2. Dimensionamento do inversor .............................................................................. 64

    11.3. Dimensionamento dos cabos ............................................................................... 66

    11.4. Estimativa da energia produzida .......................................................................... 67

    12. Concluso ..................................................................................................................... 69

    Bibliografia .......................................................................................................................... 71

    Anexo A ................................................................................................................................... i

    Anexo B ................................................................................................................................. iii

    Anexo C ................................................................................................................................. iv

    Anexo D ................................................................................................................................ vii

    Anexo E ................................................................................................................................. ix

  • x

    Lista de figuras

    Figura 1 Impacto da microproduo no perfil de tenso de uma rede de baixa tenso (BT) [12] ........ 7

    Figura 2 Esquema de funcionamento de uma clula FV [13] ............................................................... 9

    Figura 3 Circuito eltrico equivalente de uma clula FV [4] .................................................................. 9

    Figura 4 Curvas I-U do mdulo para diferentes temperaturas com uma irradincia constante

    (esquerda) e para diferentes irradincias com uma temperatura constante (direita) [14] ...........12

    Figura 5 Clula de silcio monocristalino (esquerda) e clula de silcio policristalino (direita) [15] ....13

    Figura 6 Clula de CdTe (esquerda) e clula de CIGS (direita) [16] ..................................................14

    Figura 7 Clula Orgnica, ou Plstica [17] ..........................................................................................14

    Figura 8 Clula Sensibilizada por Corantes [18] .................................................................................14

    Figura 9 Representao esquemtica da estrutura de um mdulo fotovoltaico de silcio

    cristalino [19] ................................................................................................................................15

    Figura 10 Esquema hierrquico de agrupamentos: clula, mdulo e painel fotovoltaico [19] ............15

    Figura 11 Ficha tcnica dos mdulos FV Sunmodule Plus SW 265-280 mono [20] ..........................16

    Figura 12 Inversor SUNNY MINI CENTRAL 4600A / 5000A / 6000A do fabricante SMA [21] ...........17

    Figura 13 Ficha tcnica do inversor da figura 12 [21] .........................................................................18

    Figura 14 Ponto de operao do painel FV correspondente potncia mxima, MPPT [14] ............19

    Figura 15 Inversor com transformador de baixa frequncia [23] ........................................................21

    Figura 16 Inversor com transformador de alta frequncia [23] ...........................................................21

    Figura 17 Inversor sem transformador [23] .........................................................................................21

    Figura 18 Inversor centralizado [23] ....................................................................................................22

    Figura 19 Inversor modular [23] ..........................................................................................................23

    Figura 20 Inversor modular com vrias funes MPPT [23] ...............................................................23

    Figura 21 Efeitos da corrente no corpo humano [27] ..........................................................................26

    Figura 22 Arco eltrico gerado por um curto-circuito em baixa tenso (12 V, 20 A) [28] ...................27

    Figura 23 Ligador para ligao terra [31] .........................................................................................29

    Figura 24 Esquema simplificado do quadro AC [29] ...........................................................................32

    Figura 25 Exemplo de instalao com proteo contra as sobretenses [33] ...................................40

    Figura 26 Comprimentos a considerar para determinar o comprimento L [32] ..................................41

    Figura 27 Esquema exemplificativo de como diminuir a superfcie do conjunto dos circuitos [14] ....44

    Figura 28 Esquema para inversor e dois aparelhos de corte em locais distintos [29] ........................49

    Figura 29 Ligao dos DSTs terra [32] ............................................................................................53

    Figura 30 Exemplo de uma instalao FV com espao de manobra [27] ..........................................57

    Figura 31 Caixa de otimizao DC-DC (esquerda) e Micro-inversor DC-AC (direita) [28] .................58

    Figura 32 Micro-inversor DC-AC [23] ..................................................................................................59

    Figura 33 Esquema para inversor e aparelhos de corte no mesmo local [29] ....................................60

  • xi

    Lista de tabelas

    Tabela 1 Fator de correo, k, para os mdulos FV do tipo cristalino ............................................... xiv

    Tabela 2 Tenses tolerveis para o corpo humano em diferentes condies do corpo [27] .............26

    Tabela 3 Dimensionamento dos dispositivos de proteo para uma string [32].................................34

    Tabela 4 Corrente admissvel dos cabos das strings FV [32] .............................................................34

    Tabela 5 Corrente admissvel dos cabos dos painis FV e escolha dos respetivos dispositivos

    de proteo [32] ...........................................................................................................................35

    Tabela 6 Condies de instalao de descarregadores de sobretenses no lado DC [32] ...............41

    Tabela 7 Tenso suportvel, , quando no h informaes disponveis [32] ................................50

    Tabela 8 Sntese da implementao dos descarregadores de sobretenses [30] .............................52

    Tabela 9 reas a considerar para produzir 1 kWp com diferentes tipos de clulas [25] ....................64

    Lista de siglas e abreviaturas

    FV (PV) - Fotovoltaica (Photovoltaic)

    DC - Corrente Contnua (Direct Current)

    AC - Corrente Alternada (Alternating Current)

    RESP - Rede Eltrica de Servio Pblico

    RTIEBT - Regras Tcnicas das Instalaes Eltricas de Baixa Tenso

    STC - Condies de Referncia (Standard Test Conditions)

    NOCT - Temperatura Normal de Funcionamento da Clula (Normal Operating Cell

    Temperature)

    MPP - Ponto de Potncia Mxima (Maximum Power Point)

    MPPT - Seguidor de Potncia Mxima (Maximum Power Point Tracker)

    SRM - Sistema de Registo da Microproduo

    ORD - Operador da Rede de Distribuio

    DST - Descarregador de Sobretenso

  • xii

    Glossrio de termos fotovoltaicos comuns

    Unidade MP ou UMP Unidade de Microproduo

    Instalao de produo de eletricidade monofsica ou trifsica, em baixa tenso, com

    potncia de ligao at .

    Unidade MN ou UMN Unidade de Miniproduo

    Instalao de produo de eletricidade monofsica ou trifsica, cuja potncia de ligao

    rede seja at .

    Clula FV (PV Cell)

    Dispositivo fotovoltaico fundamental, capaz de gerar eletricidade desde que sujeito a fonte

    luminosa.

    Mdulo FV (PV Module)

    Conjunto de clulas FV com caractersticas eltricas idnticas, agrupadas, interligadas e

    protegidas mecanicamente das condies ambientais.

    Fileira ou String FV (PV String)

    Conjunto de mdulos FV interligados em srie, de modo a garantir a tenso de sada

    especificada.

    Painel ou Array FV (PV Array)

    Conjunto de mdulos ligados eltrica e mecanicamente bem como outros equipamentos

    formando um grupo gerador de energia eltrica em corrente contnua, que poder ser formado por

    apenas uma ou vrias strings FV.

    - Nota: O termo string e array so de origem anglo-saxnica; Aplicam-se por ser o mais comum na

    literatura internacional.

    Caixa de Ligao ou de Juno do Painel FV (PV Array Junction Box)

    Invlucro onde todas as strings FV de um determinado painel FV esto eletricamente ligadas

    e se necessrio onde esto os dispositivos de proteo.

    Gerador FV (PV Generator)

    Conjunto de todos os painis FV.

    Caixa de Ligao ou de Juno do Gerador FV (PV Generator Junction Box)

    Invlucro onde todos os painis FV esto eletricamente ligados e se necessrio onde esto

    os dispositivos de proteo.

  • xiii

    Cabo da String FV (PV String Cable)

    Cabo que liga vrios mdulos FV entre si, formando uma string FV, terminando na caixa de

    ligao do gerador FV ou do painel FV.

    Cabo do Painel FV (PV Array Cable)

    Cabo que liga a caixa de ligao de cada painel FV caixa de ligao do gerador FV.

    Cabo Principal DC (PV DC Main Cable)

    Cabo que liga a caixa de ligao do gerador FV aos terminais DC do inversor FV.

    Inversor FV (PV Inverter)

    Dispositivo que converte a tenso e a corrente contnua em tenso e corrente alternada.

    Cabo de Alimentao FV (PV Supply Cable)

    Cabo que liga os terminais AC do inversor RESP.

    Instalao FV (PV Installation)

    Todos os equipamentos utilizados na instalao geradora de energia fotovoltaica.

    Condies de Ensaio Normalizadas (STC Standard Test Conditions)

    Condies normalizadas para ensaios de clulas e mdulos FV especificadas na norma EN

    60904-3. Estas preveem uma irradincia de perpendicular superfcie captora, uma

    massa de ar1 igual a 1,5 e uma temperatura de 25 C na clula FV.

    Tenso de Circuito Aberto em Condies STC ( )

    Tenso em vazio (sem carga) em condies de ensaio normalizadas nos terminais de um

    mdulo FV, de uma string FV, de um painel FV, de um gerador FV ou do lado DC do inversor FV.

    Tenso Potncia Mxima em Condies STC ( )

    Tenso correspondente ao ponto de potncia mxima (MPP) em condies de ensaio

    normalizadas nos terminais de um mdulo FV, de uma string FV ou de um painel FV.

    Tenso Mxima de Circuito Aberto ( )

    Tenso mxima em vazio (sem carga) nos terminais de um mdulo FV, de uma string FV, de

    um painel FV ou do lado DC do inversor FV.

    (0.1)

    1 A Massa de Ar (fator AM) corresponde a um mltiplo do percurso da radiao solar na atmosfera para um local

    preciso, num determinado momento. Este fator depende da posio do Sol e tem valor unitrio quando a posio

    do Sol perpendicular. Quanto maior for a Massa de Ar, maior ser a trajetria da radiao e maior a perda de

    energia. Para a Europa, a mdia anual da Massa de Ar de 1,5.

  • xiv

    Para os mdulos FV do tipo cristalino, deve-se considerar um fator de correo de acordo

    com a tabela abaixo. No caso de no se conhecer a temperatura, considera-se uma tenso igual a

    . Para os mdulos no cristalinos este fator pode ser diferente consoante as instrues

    do fabricante.

    Temperatura Ambiente Mnima [C] Fator de Correo (k)

    24 a 20 1,02

    19 a 15 1,04

    14 a 10 1,06

    9 a 5 1,08

    4 a 0 1,10

    -1 a -5 1,12

    -6 a -10 1,14

    Tabela 1 Fator de correo, k, para os mdulos FV do tipo cristalino

    Corrente Potncia Mxima ( )

    Corrente correspondente ao ponto de potncia mxima (MPP) em condies de ensaio

    normalizadas nos terminais de um mdulo FV.

    Corrente de Curto-Circuito em Condies STC ( )

    Corrente de curto-circuito em condies de ensaio normalizadas de um mdulo FV, de uma

    string FV, de um painel FV ou de um gerador FV.

    Corrente Inversa Mxima ( )

    Valor mximo da corrente inversa suportada por um mdulo FV sem que este sofra danos.

    Este valor no corresponde corrente suportada pelos dodos de desvio, mas sim corrente que flui

    nas clulas FV na direo oposta ao fluxo normal. Este valor fornecido pelo fabricante.

    Lado DC

    Parte da instalao FV situada entre os mdulos FV e os terminais DC do inversor FV.

    Lado AC

    Parte da instalao FV situada entre os ligadores AC do inversor FV e o ponto de ligao

    RESP.

  • 1

    Captulo 1

    Introduo

    Devido ao aumento do consumo mundial da energia, ao aumento do custo dos combustveis

    e da libertao de gases responsveis pelo efeito estufa e ao impacto dos problemas ambientais

    causados pelo aumento da atividade econmica e industrial, os pases mundiais esto mais do que

    nunca concentrados na ideia de produzir energia atravs de fontes renovveis.

    Com o expirar do Protocolo de Quioto, no final de 2012, foi negociado, em Copenhaga em

    2009, um novo acordo internacional sobre as mudanas climticas. A Unio Europeia, de modo a

    preparar-se para as negociaes, implementou as suas prprias medidas para enfrentar o combate

    s alteraes climticas. Assim, do Concelho Europeu de 11 e 12 de Dezembro de 2008, resultou um

    pacote de medidas a implementar (metas 20-20-20): at 2020, reduzir em 20 % as emisses de

    gases com efeito de estufa, aumentar em 20 % a eficincia energtica na Unio Europeia e utilizar 20

    % de energias renovveis no consumo total de energia na UE. [1]

    A produo de energia eltrica atravs de recursos naturais tem-se tornado cada vez mais

    vulgar. Novas tecnologias apareceram e as existentes evoluram de modo a alcanar melhores

    rendimentos.

    Com o incremento do recurso s energias renovveis, surge o conceito de microgerao, ou

    seja, o investimento na produo, em pequena escala, de energia eltrica e a sua venda rede.

    Neste momento, esta atividade est a ser alvo de incentivos econmicos por parte do governo, com o

    intuito de impulsionar a microgerao em Portugal. [2]

    Sendo Portugal um dos pases da Europa com melhores condies para aproveitamento da

    energia solar, dispondo de um nmero mdio anual de horas de Sol entre 2200 e 3000 (na Alemanha,

    por exemplo, estes valores situam-se entre 1200 e 1700 horas), e devido aos elevados incentivos do

    governo, a tecnologia fotovoltaica tem tido uma adeso considervel por parte do cidado comum. [3]

    O dispositivo FV fundamental a clula fotovoltaica, que gera eletricidade quando sujeita a

    uma fonte luminosa. Estas so constitudas por um material semicondutor, o silcio, ao qual se

    adicionam dopantes, de modo a criar um meio onde possa ocorrer o efeito fotovoltaico. Este efeito foi

    descoberto por Antoine Becquerel, em 1839, e consiste na converso direta da potncia associada

    radiao solar em potncia eltrica DC.

    A clula FV produz potncias muito reduzidas, por isso, de modo a obter potncias maiores,

    as clulas so ligadas em srie e/ou em paralelo, formando mdulos FV, que por sua vez so ligados

    em srie e/ou em paralelo, formando painis FV.

    Para ligar o gerador rede de energia eltrica, qual entrega toda a energia produzida,

    necessrio um inversor FV que adequa as formas de onda das grandezas eltricas DC do painel s

    formas de onda AC exigidas pela rede. [4]

    A instalao destes equipamentos nem sempre executada da forma correta, uma vez que

    por vezes o prprio instalador no possui a formao necessria e no tem os cuidados que deveria

  • 2

    ter, podendo resultar numa produo de energia abaixo da esperada, ou em falhas de segurana,

    nomeadamente em relao a contatos com os painis, a descargas atmosfricas ou a incndios.

    1.1. Objetivos

    O projeto e a instalao dos diversos equipamentos utilizados numa instalao FV deve ser

    feita com especial cuidado, uma vez que acarreta inmeros perigos, quer para os instaladores, quer

    para os futuros utilizadores da instalao.

    Neste sentido, este trabalho realizado com o intuito de identificar possveis lacunas

    existentes nas medidas de segurana implementadas nas instalaes FV ligadas RESP,

    fornecendo um estudo acerca dos diversos equipamentos utilizados numa instalao FV, e expondo a

    forma adequada para serem selecionados e implementados, de forma a garantir segurana para as

    pessoas e para os equipamentos.

    1.2. Estrutura do relatrio

    Este relatrio est dividido em doze captulos, sendo o primeiro, a introduo aos temas

    abordados ao longo do trabalho. No segundo captulo descrita a atividade da microgerao, bem

    como alguma legislao aplicada em Portugal e alguns dos impactos desta atividade na rede pblica

    de distribuio em baixa tenso.

    O terceiro captulo refere-se aos principais componentes de uma instalao FV, ou seja, a

    clula FV, os mdulos e painis FV e o inversor FV. Descreve-se o funcionamento dos equipamentos

    mencionados, bem como as funes de cada um e os diferentes tipos existentes.

    No quarto captulo so mencionados alguns dos perigos da eletricidade, mais concretamente

    dos riscos da energia FV e dos perigos das instalaes DC. No captulo seguinte so apresentadas

    as ligaes e as protees a instalar para garantir a segurana das pessoas e dos equipamentos, tais

    como, as ligaes terra, as protees contra os contatos diretos e indiretos, e ainda as protees

    contra sobreintensidades e contra sobretenses.

    O captulo seis descreve os procedimentos a adotar na seleo e implementao dos

    componentes FV, ou seja, dos cabos, dos mdulos, dos inversores, dos aparelhos de proteo e

    controlo, dos conetores e dos descarregadores de sobretenses.

    No captulo sete tratado a sinalizao que deve existir numa instalao FV, bem como a

    sua localizao. E no captulo seguinte so descritas algumas medidas adicionais para a preveno

    de possveis incndios nas instalaes FV.

    Os captulos nove e dez, referentes fase terminal das instalaes FV, descrevem os

    documentos que devem estar presentes no manual de instrues da instalao FV e os cuidados a

    ter na manuteno da instalao, respetivamente.

  • 3

    No captulo onze apresentado uma forma de dimensionamento das instalaes FV e, por

    fim, no ltimo captulo, so apresentadas as concluses deste estudo.

  • 4

    Captulo 2

    Microgerao

    A microgerao, ou microproduo, consiste na produo de energia, atravs de instalaes

    de baixa potncia, utilizando fontes renovveis, ligadas em baixa tenso.

    A microgerao apresenta vrias vantagens, como por exemplo, em relao aos impactos

    ambientais, destaca-se o tamanho das instalaes, que so muito menores que as centrais hdricas

    ou termoeltricas e a reduo das emisses de gases poluentes. Do ponto de vista do sistema

    eltrico, reduz a distncia entre a produo e os centros de consumo reduzindo assim as perdas nas

    redes a montante, reduz ou adia os investimentos em transmisso e produo em grande escala,

    aumenta a qualidade de servio e atenua o impacto de falhas na distribuio e transmisso;

    Finalmente, em questes de mercado, tambm propicia que surjam novas abordagens de mercado e

    que os preos da energia e o poder de mercado das grandes empresas sejam reduzidos, uma vez

    que as redes de transporte e distribuio so usadas de forma menos intensiva. [5]

    2.1. Legislao

    Os microprodutores entregam a totalidade da energia produzida rede eltrica, sendo

    limitada a potncia de ligao rede. Esta atividade regulada, em Portugal, pelo Decreto-Lei n.

    363/2007, de 2 de novembro, alterado pelo Decreto-Lei n. 118-A/2010, de 25 de outubro, e pelo

    Decreto-Lei n. 25/2013, de 19 de fevereiro, que procederam sua republicao. [6]

    O Decreto-Lei n. 363/2007 veio simplificar significativamente o regime de licenciamento

    existente, substituindo-o por um regime de simples registo, sujeito a inspeo de conformidade

    tcnica. A entrega e a anlise de projeto so substitudas pela criao de uma base de dados de

    elementos-tipo preexistente que o produtor deve respeitar, encurtando-se um procedimento com

    durao de vrios meses a um simples registo eletrnico. criado o Sistema de Registo da

    Microproduo (SRM), disponvel em www.renovaveisnahora.pt, que constitui uma plataforma

    eletrnica de interao com os produtores, no qual todo o relacionamento com a Administrao,

    necessrio para exercer a atividade de microprodutor, poder ser realizado. Neste Decreto-Lei,

    tambm so criados dois regimes de remunerao: o regime geral e o bonificado.

    Estes regimes tm sofrido vrias alteraes, sendo que atualmente, o regime geral aplicvel

    a todos os que tenham acesso atividade. A potncia mxima de ligao de 5,75 kW e a

    remunerao feita de acordo com a frmula (2.1), sendo que o valor da remunerao ronda os 140

    /MWh.

    (2.1)

  • 5

    Na frmula acima considera-se que a remunerao do ms m, em euros, a

    energia produzida no ms m, em kWh, o valor da parcela de energia da tarifa simples entre

    2,30 e 20,7 kVA aplicada no ano de 2012 pelo comercializador de ltimo recurso ao fornecimento da

    instalao de consumo, o ndice de preos no consumidor, sem habitao, no continente,

    referente ao ms de Dezembro de 2011, publicado pelo Instituto Nacional de Estatstica, I.P. e o

    o ndice de preos no consumidor, sem habitao, no continente, referente ao ms de

    dezembro do ano n-1, publicado pelo Instituto Nacional de Estatstica, I.P.

    Os produtores em regime geral podem optar por vender a eletricidade diretamente em

    mercados organizados ou atravs de contratos bilaterais, esta deciso deve ser comunicada ao

    comercializador de ltimo recurso e ao SRM, sendo uma deciso definitiva e sem a possibilidade de

    voltar ao regime remuneratrio geral.

    O regime bonificado apenas aplicvel a produtores que cumpram os seguintes requisitos:

    potncia de ligao at 3,68 kW e que disponham de coletores solares trmicos para aquecimento de

    gua, com um mnimo de 2 m de rea de coletor, ou uma caldeira a biomassa com produo anual

    de energia trmica equivalente. No caso dos condomnios, a potncia de ligao pode ir at aos

    11,04 kW, e estes tm de realizar uma auditoria energtica ao edifcio e implementar as respetivas

    medidas identificadas na auditoria desde que seja previsto um retorno at dois anos. [7]

    Neste ultimo regime, cada produtor recebe uma tarifa nica de referncia aplicvel data da

    emisso do certificado de explorao. A tarifa aplicvel durante um total de 15 anos, subdivididos

    em dois perodos. O primeiro com a durao de 8 anos, com uma tarifa de referncia, em 2013,

    fixada em 196 /MWh, e o segundo com a durao de 7 anos, com uma tarifa fixada em 165 /MWh,

    sendo o valor de ambas as tarifas sucessivamente reduzidas anualmente em 20 /MWh. A esta tarifa

    ainda aplicada uma percentagem conforme a fonte de energia, sendo de 100% para a solar, de

    80% para a elica, de 40% para a hdrica e de 70% para a cogerao a biomassa. Aps os 15 anos,

    aplica-se o regime remuneratrio geral. A eletricidade vendida neste regime limitada, sendo no caso

    da energia solar, limitada a 2,4 MWh/ano, por cada quilowatt instalado. Tambm a potncia de

    ligao registada sujeita a um limite, no podendo exceder a quota anual de 11 MW, no ano de

    2013. [8]

    Todas as entidades que disponham de um contrato de compra de eletricidade em baixa

    tenso podem ser produtoras de eletricidade por intermdio de unidades de microproduo. A

    unidade de microproduo deve ser integrada no local da instalao eltrica de utilizao. E os

    produtores de eletricidade no podem injetar na RESP, no mbito desta atividade, uma potncia

    superior a 50% da potncia contratada para a instalao eltrica de utilizao. Este limite no

    aplicvel s instalaes eltricas de utilizao em nome de condomnios. Contudo, o acesso

    atividade de microproduo pode ser restringido pelo Operador da Rede de Distribuio, ORD, caso a

    instalao de utilizao esteja ligada a um posto de transformao cujo somatrio da potncia dos

    registos a ligados ultrapasse o limite de 25% da potncia do respetivo posto de transformao. [9]

    Para instalar uma unidade de microproduo, o interessado deve proceder ao seu registo no

    SRM, mediante o preenchimento do formulrio eletrnico. O procedimento de registo inicia-se com a

    inscrio do promotor e o pagamento da taxa de registo, seguindo-se a fase de aceitao desta e

  • 6

    termina com a atribuio da potncia de ligao. O registo torna-se definitivo, com a emisso do

    certificado de explorao, disponibilizado no SRM, aps a instalao da unidade de microproduo

    pelo produtor. A inspeo solicitada, atravs do SRM, no prazo de 4 meses contados da data do

    registo. O certificado de explorao emitido na sequncia da inspeo, que deve ser efetuada nos

    10 dias subsequentes ao pedido, com marcao de dia e hora em que a mesma se vai realizar,

    devendo esta ser comunicada ao produtor e ao tcnico responsvel. Concluda a inspeo, o inspetor

    entrega ao tcnico responsvel uma cpia do relatrio da inspeo e suas concluses, registando-as

    no SRM. No prazo de 10 dias aps a emisso do certificado de explorao, ainda que provisrio, o

    produtor adere ao contrato de comercializao cuja minuta deve estar disponibilizada no stio da

    Internet do comercializador de ltimo recurso. O comercializador de ltimo recurso avisado, atravs

    do SRM, da emisso do certificado de explorao, de modo a realizar o contrato de compra e venda

    de eletricidade oriunda da microproduo com o respetivo produtor. No prazo de 10 dias aps a

    adeso do produtor ao contrato de compra e venda de eletricidade, o ORD avisado para proceder

    ligao da unidade RESP, dando conhecimento ao SRM. Este deve proceder ligao da unidade

    de microproduo no prazo de 10 dias aps a receo dos avisos do comercializador de ltimo

    recurso ou do SRM.

    A instalao de unidades de microproduo pode ser realizada por empresrios em nome

    individual ou sociedades comerciais, com alvar emitido pelo Instituto da Construo e do Imobilirio,

    I.P., para a execuo de instalaes de produo de eletricidade. Todas as entidades instaladoras

    que pretendam exercer a atividade de instalao de unidades de microproduo, devem proceder ao

    seu registo no SRM, mediante o preenchimento de formulrio eletrnico e dispor de um tcnico

    responsvel pela execuo de instalaes eltricas de servio particular. [10]

    2.2. Impacto na rede de distribuio

    O impacto na rede de distribuio tem sido alvo de diversos estudos, sendo que, de forma

    geral todos apontam para concluses semelhantes. Em relao ao impacto nos perfis de tenso,

    estes melhoram com o incremento das instalaes de microproduo, uma vez que corresponde a

    um decrscimo dos valores de carga. No caso das perdas ativas estas diminuem com o aumento do

    nvel de microgerao pois obviamente, com a reduo do consumo da carga, as correntes nos

    ramos diminui e assim as perdas so menores. As perdas reativas e as perdas energticas tambm

    diminuem com o aumento da microgerao, devido mesma razo. Como j foi referido, a

    microgerao tambm influencia positivamente a percentagem de carga nos ramos, sendo menor

    quanto maior for o nvel de microgerao. [11]

    O impacto da microgerao na qualidade da forma de onda pode ser avaliado atravs da

    variao do valor eficaz da tenso de alimentao e atravs da taxa de distoro harmnica (THD),

    que so parmetros definidos pela norma NP EN 50160 (Caractersticas da tenso fornecida pelas

    redes de distribuio pblica de energia eltrica).

  • 7

    De modo a prevenir potenciais problemas relacionados com a qualidade da onda de tenso e

    com a segurana em redes de baixa tenso, a potncia de microgerao ligada a cada posto de

    transformao limitada a 25% da potncia nominal do respetivo transformador e os inversores

    ligados rede devem ser certificados de acordo com as normas EN 50438 (Requisitos para a ligao

    de microgeradores em paralelo com as redes pblicas de distribuio de baixa tenso) ou DIN VDE

    0126-1-1 (Dispositivo de desconexo automtica entre um gerador e a rede pblica de baixa tenso).

    A introduo de microproduo pode facilitar o controlo da tenso em redes de baixa tenso

    se existir uma boa coincidncia entre o consumo e a produo. No entanto, pode dificultar essa tarefa

    na situao inversa, como se pode verificar na figura seguinte, quando a potncia de microgerao

    elevada, o valor eficaz da tenso aumenta, e, em situaes de vazio, o valor da tenso de

    alimentao poder ultrapassar os limites, principalmente, em redes rurais, com baixas potncias de

    curto-circuito, onde as variaes de tenso so mais significativas. [12]

    Figura 1 Impacto da microproduo no perfil de tenso de uma rede de baixa tenso (BT) [12]

    Em termos de THD, numa situao de pouca microgerao instalada, os riscos para a rede

    no so muito elevados, sendo os valores da distoro harmnica bastante semelhantes aos dos

    casos sem microgerao. Com o aumento da microgerao os valores de THD aumentam, ou seja, a

    circulao de correntes harmnicas nos condutores aumenta, provocando um aumento no valor

    eficaz da corrente e consequentemente um aumento das perdas por efeito de Joule. No entanto, os

    valores geralmente obtidos mantm-se abaixo do limite (8%) imposto pela norma NP EN 50160. [2]

  • 8

    Captulo 3

    Descrio das instalaes fotovoltaicas

    Em anexo (Anexo A) pode observar-se alguns esquemas de instalaes FV com os diversos

    equipamentos identificados, nomeadamente um esquema de uma instalao com um painel FV e

    outro com vrios painis. Seguidamente sero descritas as funes e caractersticas dos principais

    componentes de uma instalao FV.

    3.1. Clula fotovoltaica

    Como j referido anteriormente, a clula fotovoltaica o dispositivo fotovoltaico fundamental,

    sendo capaz de gerar eletricidade desde que sujeito a uma fonte luminosa.

    As clulas FV so fabricadas com material semicondutor, sendo normalmente usado o silcio.

    O tomo de silcio formado por catorze protes e catorze eletres, tendo quatro eletres na banda

    de valncia (camada mais exterior). Estes eletres so responsveis por formar ligaes covalentes

    com tomos vizinhos, pois um tomo partilha os seus eletres de valncia com os do tomo vizinho.

    Uma ligao entre dois tomos de silcio resultaria de uma partilha de quatro eletres de

    valncia de cada tomo, enchendo assim a banda de valncia, que s pode conter oito eletres. Logo

    o silcio na sua forma pura um mau condutor eltrico, uma vez que no possui eletres livres,

    impedindo assim o seu uso na produo de energia eltrica.

    Para haver corrente eltrica necessrio que exista um campo eltrico, ou seja, uma

    diferena de potencial entre duas zonas da clula. Atravs do processo de dopagem, que consiste na

    introduo de elementos estranhos de modo a alterar as suas propriedades eltricas, possvel criar

    duas camadas com diferentes propriedades.

    Para criar uma regio com excesso de cargas positivas (tipo p) usado o boro, pois um

    tomo de boro s possui trs eletres de valncia, deixando um eletro do silcio sem ligao. Esta

    falta de um eletro considerada uma lacuna (carga positiva).

    Por sua vez, para criar uma regio negativa (tipo n) usado o fsforo, visto que um tomo de

    fsforo tem cinco eletres de valncia, o que vai gerar um eletro livre.

    Na fronteira entre estas duas camadas, designada por juno p-n, forma-se um campo

    eltrico devido aos eletres livres da camada do tipo n que ocupam as lacunas da camada do tipo p.

    Quando os fotes da radiao solar com energia suficiente colidem com os eletres da estrutura do

    silcio, fornecem-lhes energia e transformam-nos em condutores. Contudo, devido ao campo eltrico

    gerado pela juno p-n, os eletres no conseguem fluir da camada n para a camada p. Nestas

    condies, ao ligar os terminais a um circuito exterior fechado atravs de uma carga, circular uma

    corrente eltrica contnua (DC) ao longo do circuito.

  • 9

    Figura 2 Esquema de funcionamento de uma clula FV [13]

    Uma clula FV no armazena energia eltrica, funcionando apenas como uma bomba de

    eletres, ou seja, apenas mantm um fluxo de eletres enquanto houver incidncia de luz sobre ela.

    3.1.1. Modelo matemtico

    Uma clula FV pode ser descrita matematicamente atravs do circuito eltrico da figura 3.

    Figura 3 Circuito eltrico equivalente de uma clula FV [4]

    O feixe de raios solares, ao atingir a superfcie da clula, produz a corrente eltrica , sendo

    esta constante para uma dada radiao incidente. A juno p-n, representada pelo dodo,

    atravessada pela corrente que depende da tenso aos terminais da clula.

    A corrente que atravessa o dodo obtida pela equao (3.1).

    (3.1)

    Nesta equao, a corrente inversa mxima de saturao do dodo, a tenso aos

    terminais da clula, o fator de idealidade do dodo ( , sendo unitrio no caso ideal) e o

    potencial trmico, dado por , sendo a constante de Boltzmann ( ),

    a temperatura absoluta da clula em K (0 C = 273,15 K) e a carga eltrica do eletro (

    ), obtendo-se para (25 C).

    A corrente que percorre a carga, , obtida atravs de (3.2).

  • 10

    (3.2)

    Esta equao permite calcular a corrente de sada em funo da tenso, sendo

    correspondente ao modelo matemtico de um dodo e trs parmetros ( , e ). [4]

    A partir da frmula (3.2), podemos analisar dois modos de operao, curto-circuito e circuito

    aberto. No primeiro caso, temos , logo e , ou seja, a corrente de curto-circuito

    igual corrente gerada pelo efeito fotovoltaico. Este valor caracterstico da clula e fornecido

    pelo fabricante para determinadas condies de radiao incidente e temperatura. No segundo caso,

    temos , logo:

    (3.3)

    A tenso em vazio, , a tenso mxima aos terminais da clula. Este valor tambm

    caracterstico da clula e fornecido pelo fabricante para determinadas condies de radiao

    incidente e temperatura. [4]

    A corrente inversa mxima de saturao do dodo, , calculada recorrendo s condies

    fronteira conhecidas (curto-circuito e circuito aberto). Logo a partir das condies de curto-circuito e

    de (3.3) obtm-se:

    (3.4)

    O rendimento das clulas, nas condies de referncia, STC, a relao entre a potncia de

    pico, potncia mxima de sada obtida em condies STC, e a potncia da radiao incidente, logo:

    (3.5)

    Onde a rea da clula e a radiao solar incidente por unidade de superfcie.

    Outra forma de avaliar a qualidade das clulas FV o fator de forma, FF, obtido atravs da

    seguinte equao:

    (3.6)

    Este fator apresenta, normalmente, valores entre 0,7 e 0,85, sendo prefervel trabalhar com

    clulas em que o fator de forma o maior possvel.

    As equaes (3.5) e (3.6) descrevem as clulas nas condies STC, o que facilita o processo

    uma vez que os valores de ,

    , ,

    e so fornecidos pelo fabricante para as

    condies de referncia. No entanto, para outras condies de funcionamento as frmulas tornam-se

    mais complexas.

    Para determinar o valor da potncia mxima, recorre-se derivada da potncia eltrica de

    sada, , em ordem tenso, , ou seja:

    (3.7)

  • 11

    Logo a potncia mxima resulta de:

    (3.8)

    (3.9)

    (3.10)

    Atravs de mtodos iterativos, obtm-se . Com este, obtm-se a correspondente

    corrente e .

    Em relao ao fator de idealidade do dodo, , um dos parmetros do modelo,

    determinado, nas condies de referncia, aplicando a equao (3.2) nos pontos de circuito aberto

    (3.11), curto-circuito (3.12) e potncia mxima (3.13), obtendo-se:

    (3.11)

    (3.12)

    (3.13)

    Resolvendo a equao (3.11) em ordem a , substituindo na equao (3.13), e tendo em

    conta a equao (3.12) e que

    e que

    , resulta:

    (3.14)

    Esta equao permite calcular o fator de idealidade do dodo apenas sabendo os parmetros

    caractersticos da clula, fornecidos pelos fabricantes.

    A corrente inversa de saturao nas condies de referncia, , facilmente obtido atravs

    de (3.15).

    (3.15)

    A intensidade da corrente DC gerada ir variar com a temperatura e com a intensidade da

    radiao incidente, como se pode verificar pelos grficos seguintes. Com o aumento da temperatura,

    a potncia de sada e a tenso de circuito aberto decrescem, e com o aumento da intensidade da

    radiao incidente, a potncia de sada e a corrente de curto-circuito aumentam, sendo que a

    corrente de curto-circuito varia linearmente com a radiao incidente, , de acordo com a equao

    (3.16).

  • 12

    (3.16)

    J a corrente inversa mxima de saturao do dodo varia com a temperatura da clula, , de

    acordo com a seguinte formula:

    (3.17)

    Figura 4 Curvas I-U do mdulo para diferentes temperaturas com uma irradincia constante (esquerda) e para diferentes irradincias com uma temperatura constante (direita) [14]

    3.1.2. Tipos de clulas

    A primeira gerao de clulas FV constituda por clulas de silcio cristalino (c-Si). Esta

    tecnologia de fabricao de clulas claramente dominante no mercado mundial.

    O silcio utilizado na composio das clulas FV pode ser de dois tipos, monocristalino ou

    policristalino. O silcio monocristalino apresenta uma estrutura molecular uniforme, resultante da

    utilizao de um cristal nico, que ideal para o efeito fotovoltaico. Assim resultam rendimentos

    mximos de cerca de 24 %, em laboratrio, e cerca de 15 % na prtica. Contudo, o custo da

    produo deste material elevado, sendo preferencialmente utilizado em casos onde existem

    restries de espao.

    O silcio policristalino constitudo por um elevado nmero de cristais da espessura de um

    cabelo humano. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento dos eletres, o

    que reduz a potncia de sada, resultando assim, rendimentos mximos, em laboratrio, de cerca de

    18 %, e na prtica, de 12 %. Porm o processo de produo mais barato que o monocristalino

    permitindo, com o mesmo custo e caso exista espao disponvel, a instalao de maior nmero de

    clulas.

  • 13

    Figura 5 Clula de silcio monocristalino (esquerda) e clula de silcio policristalino (direita) [15]

    Os mdulos cristalinos tem uma mdia de vida de cerca de 20 anos, perdendo potncia ao

    longo do tempo (< 1 % por ano). [14]

    A segunda gerao baseada em pelculas finas (thin films) de semicondutores depositadas

    sobre um substrato rgido (metal, vidro, plstico, cermica). A vantagem desta tecnologia a

    quantidade reduzida de materiais necessrios para a sua produo, provocando uma reduo

    significativa nos custos de produo. No entanto, este tipo de clulas menos eficiente do que as

    clulas em silcio cristalino. Esta tecnologia j tem uma presena considervel no mercado atual,

    podendo ser aplicada em materiais flexveis, como txteis, plsticos ou diretamente nos edifcios.

    Atualmente os materiais semicondutores mais utilizados so o silcio amorfo (a-Si), o telureto

    de cdmio (CdTe) e o disseleneto de cobre-ndio-glio (CIGS).

    O silcio amorfo, no tendo estrutura cristalina, no seria, em princpio, adequado para as

    clulas FV. Contudo, ao adicionar uma pequena quantidade de hidrognio ao silcio amorfo

    (hidrogenizao), o silcio amorfo absorve radiao de uma maneira muito mais eficiente. Esta

    tecnologia apresenta rendimentos da ordem dos 13 % em laboratrio, mas na prtica reduzem-se

    para cerca de 6 %. Porm, devido ao seu baixo custo e bom comportamento com baixa luminosidade,

    este utilizado na alimentao de pequenos equipamentos domsticos, como calculadoras e

    relgios.

    O telureto de cdmio j tem sido usado em calculadoras, porm, recentemente comeou a

    ser utilizado em mdulos, normalmente sobre placas de vidro. Este apresenta baixos custos de

    produo em grande escala e maior eficincia na converso de energia, comparando com o silcio

    amorfo. No entanto, este composto existe em menor quantidade do que o silcio e a sua toxidade,

    durante a produo, tem levantado alguns problemas.

    As clulas de CIGS consistem num substrato de vidro revestido por vrias camadas de

    diferentes semicondutores. Estas so as mais eficientes, entre as tecnologias de pelcula fina, com

    uma eficincia de cerca de 11 %. Contudo apresentam as mesmas desvantagens do telureto de

    cdmio, ou seja, a pouca abundncia dos elementos utilizados e a sua toxicidade. Em relao ao

    silcio amorfo apresentam a vantagem de no se degradarem sob a ao da luz solar.

  • 14

    Figura 6 Clula de CdTe (esquerda) e clula de CIGS (direita) [16]

    As clulas FV de terceira gerao so a vanguarda da tecnologia solar. Estas clulas

    caracterizam-se por no se basearem na utilizao da juno p-n. Nesta gerao incluem-se as

    clulas orgnicas ou plsticas e as clulas sensibilizadas por corantes (dye sensitized). Nesta

    gerao reala-se o total aproveitamento do espetro solar e os custos de produo ainda mais

    reduzidos. No entanto, ainda esto em estudo meios de atingir melhores taxas de converso, pois

    estas ainda ficam muito abaixo das que se obtm com as clulas de silcio.

    Figura 7 Clula Orgnica, ou Plstica [17]

    Figura 8 Clula Sensibilizada por Corantes [18]

    3.2. Mdulos e painis fotovoltaicos

    Uma clula tpica de 100 cm produz cerca de 1,5 Wp (tenso de 0,5 V e corrente de 3 A), o

    que insuficiente para a maioria das aplicaes. Devido a isto, as clulas FV so agrupadas em srie

    e em paralelo formando mdulos FV.

    O nmero de clulas agrupadas num mdulo depende das necessidades de tenso e

    corrente da carga a alimentar, sendo que tipicamente, devido necessidade de carregar baterias de

    12 V, um mdulo constitudo por cerca de 33 a 36 clulas ligadas em srie. Caso seja necessrio

    aumentar o valor da corrente de sada, as clulas so ligadas em paralelo.

    De modo a proteger os mdulos contra as condies ambientais, as clulas so normalmente

    embebidas numa pelcula de etileno vinil acetato (EVA), que consiste num material flexvel,

    translcido e no refletor que assegura o isolamento eltrico entre as clulas. Os mdulos so ainda

    encapsulados com vidro temperado (ou outro material transparente) na frente e com material protetor

  • 15

    e prova de gua na parte de trs. As laterais so vedadas para proteo contra condies

    climatricas e atravs de uma moldura de alumnio formam uma unidade de montagem. Na traseira

    existe uma caixa de ligao fornecendo as ligaes eltricas.

    Componentes Descrio

    1 Moldura

    Alumnio anodizado. Confere rigidez mecnica.

    2 Vidro Vidro temperado. Permite a entrada de luz solar e protege as clulas contra impactos mecnicos.

    3 e 5 Pelcula de

    EVA

    Pelcula translcida e no refletora. Garante tambm o isolamento eltrico entre as clulas.

    4 Clulas FV Elemento que converte a luz solar em corrente eltrica.

    6 Isolante eltrico

    Protege a parte posterior do mdulo e evita a entrada de gua e gases.

    Figura 9 Representao esquemtica da estrutura de um mdulo fotovoltaico de silcio cristalino [19]

    Por outro lado, os mdulos FV podem tambm ser associados em srie e em paralelo para

    obter uma potncia de sada superior. Quando interligados em srie, de modo a aumentar a tenso

    de sada, d-se o nome de string FV ao conjunto destes mdulos. Estas strings ao serem ligadas em

    paralelo, e unidas fisicamente, constituem os painis ou arrays FV.

    Figura 10 Esquema hierrquico de agrupamentos: clula, mdulo e painel fotovoltaico [19]

    Um conjunto de painis, ou at um nico painel, podem compor um gerador FV, dependendo

    da gerao de eletricidade pretendida.

    As caractersticas (parmetros eltricos, trmicos ou mecnicos) dos mdulos FV so

    medidas, em condies STC, pelos fabricantes e disponibilizadas na forma de fichas tcnicas

    especficas. Usualmente, os mdulos so classificados pelo nvel de potncia, medida em Watt-pico

    (Wp), que corresponde potncia mxima nas condies STC. Contudo, muito raramente se

    verificam as condies de referncia na utilizao real. Por isso, geralmente especificada a

    temperatura normal de funcionamento da clula (NOCT). Este valor especificado pelo fabricante e

    representa a temperatura atingida pelas clulas nas condies de uma irradincia de , uma

    temperatura do ar de 20 C e uma velocidade do vento de 1 m/s.

  • 16

    Dentro dos parmetros eltricos disponibilizados pelos fabricantes, destacam-se: a potncia

    mxima, a corrente mxima e de curto-circuito e a tenso mxima e de circuito aberto. Dos

    parmetros trmicos, os mais importantes para o dimensionamento dos sistemas FV so a NOCT e a

    variao de e de em funo da temperatura. Estas variaes so de extrema importncia,

    pois indicam o comportamento do mdulo em funo da temperatura ambiente. Sendo a variao de

    negativa, o aumento da temperatura resulta numa reduo da tenso de circuito aberto e numa

    diminuio do rendimento das clulas, pelo que a potncia fornecida fica reduzida. Daqui se conclui,

    que h todo o interesse em garantir uma ventilao eficaz dos mdulos FV. Alguns fabricantes ainda

    fornecem informaes sobre as caractersticas fsicas e mecnicas, tais como, as dimenses dos

    mdulos, o peso e o nmero de clulas ligadas em srie.

    Figura 11 Ficha tcnica dos mdulos FV Sunmodule Plus SW 265-280 mono [20]

  • 17

    3.3. Inversores fotovoltaicos

    Um inversor, ou ondulador, fotovoltaico, quando instalado numa instalao ligada rede,

    responsvel por desempenhar as seguintes funes:

    - Converter a tenso e a corrente contnua gerada pelo gerador FV em tenso e corrente

    alternada em fase com a rede de distribuio,

    - Calcular o ponto de potncia mxima (funo MPPT),

    - Garantir que o gerador se desliga em caso de ocorrerem defeitos na rede, tais como

    variaes anormais de tenso, frequncia ou falta de alimentao por parte da rede (proteo de

    desacoplagem) e

    - Registar dados operacionais e sinalizar alguns avisos.

    Nas figuras seguintes apresentado um exemplo de um inversor comum com a respetiva

    ficha tcnica.

    Figura 12 Inversor SUNNY MINI CENTRAL 4600A / 5000A / 6000A do fabricante SMA [21]

  • 18

    Figura 13 Ficha tcnica do inversor da figura 12 [21]

    3.3.1. Funo MPPT

    Como visto anteriormente, a potncia injetada na rede depende particularmente da

    intensidade da radiao, do tipo e temperatura do painel, do sistema de interligao entre o painel e a

    rede e do seu rendimento. Logo, de modo a injetar a mxima potncia disponibilizada pelos painis

    FV, so necessrios vrios equipamentos de regulao e interface que otimizam as condies de

    gerao e as adaptam s condies de receo impostas pela rede.

    O seguidor de potncia mxima (MPPT) consiste num sistema eletrnico responsvel por

    comandar os conversores fotovoltaicos, permitindo assim, que os mdulos FV funcionem no ponto de

  • 19

    operao correspondente potncia mxima. Este sistema inclui um conversor DC/DC elevador, que

    aumenta o valor da tenso contnua de sada dos painis FV para valores adequados de modo a que

    seja eficiente a converso das grandezas de DC para AC.

    Em relao ao algoritmo MPPT, este baseia-se na procura do mximo da curva da potncia

    em ordem tenso de sada do painel fotovoltaico P(V) e determina o ponto de funcionamento para o

    qual o painel consegue gerar a mxima potncia possvel para as condies ambientais a que est

    sujeito.

    Figura 14 Ponto de operao do painel FV correspondente potncia mxima, MPPT [14]

    Determinado este ponto, o MPPT fornece as referncias de tenso ou de corrente a um

    conversor comutado de modo a que este solicite ao painel o valor de corrente e tenso calculados,

    colocando assim o painel no seu ponto de mxima potncia.

    Com as alteraes da intensidade da radiao solar ou da temperatura, resultam novas

    curvas P(V) associadas, dificultando o processo do MPPT. Ao acontecerem variaes bruscas, caso

    o MPPT no apresente uma resposta dinmica rpida, pode perder a regulao, desperdiando-se

    energia enquanto o processo de regulao no retomado. [22]

    3.3.2. Proteo de desacoplagem

    Em instalaes de miniproduo (com potncia de ligao rede no superior a 250 kW), a

    proteo de desacoplamento pode ser integrada ao inversor, desde que este esteja de acordo com a

    pr-norma DIN VDE 0126-1-1 (Dispositivo de desconexo automtica entre um gerador e a rede

    pblica de baixa tenso).

    Como referido anteriormente, esta proteo destina-se a desligar o gerador no caso de faltar

    a energia na rede e no caso de ocorrerem variaes anormais de tenso ou de frequncia.

    Quando falha a energia por parte da RESP, importante que a instalao FV pare de

    fornecer energia AC, pois isto previne que a instalao alimente a rede local durante um corte

  • 20

    planeado da rede. Este acontecimento designado ilhamento ou operao em ilha (Islanding) e

    apresenta um grande perigo, tanto para aqueles que possam estar a trabalhar na rede de

    distribuio, pensando que a rede est sem energia, como para os equipamentos ligados rede, uma

    vez que a rede ao estar desligada no tem controlo sobre a frequncia e a tenso, estas podem

    ultrapassar os limites recomendveis e avariar alguns equipamentos. Apesar das consequncias, a

    probabilidade de ocorrer ilhamento bastante baixa, pois necessrio que a gerao equivalha

    procura. Quando h diferenas entre a gerao FV e a procura, a frequncia e a tenso alteram-se

    para valores no adequados, fazendo com que a proteo atue e desconecte a gerao FV da rede.

    [23]

    Segundo a norma NP EN 50160 (Caractersticas da tenso fornecida pelas redes de

    distribuio pblica de energia eltrica), a frequncia deve ser igual a 50 Hz, sendo que em condies

    normais de explorao, o valor mdio da frequncia fundamental em intervalos de 10 minutos deve

    estar sempre entre e . Em relao tenso nominal, esta

    deve ser igual a 230 V entre fase e neutro, sendo que no deve ultrapassar a gama dos

    durante mais de 10 minutos. Logo de modo a respeitar esta norma, o inversor deve ser

    programado para se desligar automaticamente, caso estes valores sejam excedidos. [24]

    3.3.3. Tipos de inversores

    Os inversores podem ser classificados em funo de diversos fatores, ou seja, o inversor

    poder ser monofsico ou trifsico, dependendo da potncia da central, poder possuir, ou no,

    transformador, conforme a necessidade de isolamento galvnico e poder ser do tipo central ou

    modular, em funo da estrutura da central FV.

    3.3.3.1. Potncia da central

    A escolha de um inversor monofsico ou trifsico deve ser tomada consultando o ORD e com

    base nos dispositivos disponveis pelos fabricantes, que muitas vezes esto dentro de certos limites,

    ou seja, um sistema FV com uma potncia instalada at 5 kWp , geralmente, monofsico e para

    sistemas maiores, o inversor trifsico. Os inversores trifsicos so normalmente equipados com

    tirstores, contudo comea a ser frequente a utilizao de vrios inversores monofsicos distribudos

    de forma equilibrada pelas trs fases. [25]

    3.3.3.2. Isolamento galvnico

    Em relao ao isolamento galvnico, os inversores podem ser fornecidos sem

    transformadores ou equipados com transformadores de alta ou de baixa frequncia.

    Os transformadores de baixa frequncia (50 a 60 Hz) so bastante utilizados para ajustar a

    tenso de sada do inversor tenso da rede eltrica (Figura 15). Este transformador, ao fornecer

  • 21

    isolamento eltrico, permite que o gerador FV opere em tenses baixas e reduza as interferncias

    eletromagnticas (IEM) produzidas pelo inversor.

    Figura 15 Inversor com transformador de baixa frequncia [23]

    Contudo, estes dispositivos apresentam perdas elevadas, sendo que uma forma de as reduzir

    utilizar um transformador de alta frequncia (Figura 16). Como se pode observar o circuito deste

    inversor mais complexo, o que o torna mais eficiente, mas com um custo significativamente superior

    ao do transformador de baixa frequncia.

    Figura 16 Inversor com transformador de alta frequncia [23]

    Em resumo: o uso do transformador permite isolar galvanicamente o lado DC do lado AC,

    possibilita a operao com tenses de curto-circuito baixas e reduz as interferncias

    eletromagnticas. Por outro lado, provoca perdas hmicas e magnticas no transformador e aumenta

    o peso e volume do inversor.

    Se se usar um transformador, os inversores e, eventualmente, o quadro geral de baixa

    tenso, devem ser instalados na mesma sala ou em salas adjacentes.

    O uso de inversores sem transformador (Figura 17) possvel. No entanto, pode ser exigido

    isolamento galvnico entre o lado DC e o AC. Alm disso, alguns mdulos cristalinos de alto

    rendimento requerem uma ligao terra do gerador, e exigem que esta ligao apresente uma baixa

    resistncia, e sem o isolamento galvnico resultaria em curto-circuito. Nos mdulos de peliculas finas,

    necessrio o transformador, pois sem separao galvnica poderia surgir um potencial capaz de

    provocar corroso eltrica e danificar as clulas FV.

    Figura 17 Inversor sem transformador [23]

    O uso de inversores sem transformador pode resultar em problemas de correntes de fuga

    devido ligao momentnea entre os polos do gerador e o neutro da rede, e tambm s

    capacitncias parasitas entre o gerador e a terra. Estas correntes devem ser limitadas pelo inversor,

  • 22

    devido segurana e compatibilidade eletromagntica do sistema. Este sistema apresenta algumas

    vantagens, como a possibilidade de trabalhar com tenses de curto-circuito elevadas, o aumento da

    eficincia e a reduo do peso e volume do inversor, mas tambm provoca o aumento das

    interferncias eletromagnticas e necessita de dispositivos de proteo adicionais de modo a

    bloquear a injeo de corrente DC na rede. [23]

    3.3.3.3. Topologia da instalao FV

    Quando uma instalao FV possui todas as strings idnticas, orientadas e inclinadas da

    mesma forma, estas podem ser todas ligadas em paralelo a um nico inversor (inversor central ou

    centralizado), compatvel com a potncia mxima total das strings (Figura 18). Nesta topologia

    apenas h uma funo MPPT, o que impossibilita o controlo individual de cada string, prejudicando o

    resultado esperado caso alguma string esteja em condies adversas, como sombreamentos. Alm

    disto, caso o inversor falhe toda a instalao fica desconectada da rede. Esta topologia tambm

    requer o uso de dodos de bloqueio (ver seco 5.3.1.1.) em cada string, o que cria perdas. A

    vantagem desta topologia o custo, uma vez que no necessita de tantos equipamentos como as

    outras topologias.

    Figura 18 Inversor centralizado [23]

    No caso de as strings serem diferentes, ou por composio, ou por orientao, ou por

    inclinao, estas no iro ter o mesmo ponto de potncia mxima. Assim de modo a evitar que a

    instalao funcione num ponto abaixo da mxima potncia, possvel instalar um inversor

    independente para cada string (inversor modular, figura 19), ficando cada string com um MPPT

    independente e aumentando a eficincia do sistema. Esta topologia no requer dodos de bloqueio e

    caso um dos inversores falhe a instalao continua a fornecer energia rede com as outras strings.

  • 23

    Figura 19 Inversor modular [23]

    Para o caso das strings serem diferentes, ainda existe outra soluo, que consiste num

    inversor que integra vrias funes MPPT independentes (Figura 20). Esta topologia a mais

    utilizada atualmente, pois uma soluo mais econmica que a que usa vrios inversores e permite

    melhores rendimentos globais. Contudo, caso o inversor falhe, toda a instalao fica desligada da

    rede, deixando de fornecer energia.

    Figura 20 Inversor modular com vrias funes MPPT [23]

    3.3.4. Rendimentos

    O conjunto MPPT mais inversor apresenta um rendimento definido pela relao entre a

    potncia entregue rede do lado AC e a potncia que seria fornecida pelo gerador FV no ponto de

    potncia mxima do lado DC.

    (3.18)

  • 24

    Este rendimento depende da potncia e da tenso na entrada, podendo alcanar valores de

    98 %, sendo normalmente usado como referncia o valor de 90 %.

    Para facilitar a comparao de diferentes inversores, em condies de funcionamento

    semelhantes, existe um fator, o rendimento europeu, que consiste num rendimento dinmico

    calculado para o clima europeu, atravs de uma mdia ponderada das eficincias estticas definidas

    para seis diferentes regimes de carga.

    (3.19)

    O valor a eficincia do inversor para uma potncia de sada do gerador de 50 % da

    potncia nominal do inversor. Na equao (3.19), considera-se que o inversor est sujeito a uma

    carga de 50 % da carga nominal, durante 48 % do tempo de operao ao longo do ano. Este

    rendimento varia entre os 86 e os 95 %. [25]

  • 25

    Captulo 4

    Riscos associados energia fotovoltaica

    O nmero de moradias e prdios com instalaes fotovoltaicas tem aumentado

    significativamente, uma vez que as pessoas comeam a ter conscincia de que a energia um bem

    precioso, e mais importante, cara. Com o objetivo de reduzir a fatura da eletricidade, muitos foram

    os telhados que ficaram cobertos com painis fotovoltaicos, aproveitando tambm os elevados

    incentivos europeus, que fizeram cair os tempos de retorno financeiro. Estes subsdios considerveis

    provocaram uma rpida multiplicao destas instalaes e por sua vez, uma rpida proliferao de

    instaladores de painis fotovoltaicos, por vezes com poucos conhecimentos e cuidados. Deste modo,

    por vezes, a produo de energia fica abaixo do valor esperado, uma vez que o dimensionamento da

    instalao pode no considerar determinadas variveis. Em certos casos pode tambm haver falhas

    nas precaues de segurana, nomeadamente em relao a contatos com os painis, a descargas

    atmosfricas ou incndios.

    Para alm destas precaues, um sistema fotovoltaico tem certas caractersticas que no

    podem ser esquecidas durante as fases de projeto e de instalao, de modo a prevenir eventuais

    acidentes. Das caractersticas especficas de um sistema FV, destacam-se os seguintes possveis

    problemas:

    - Os mdulos FV enquanto expostos radiao solar produzem energia, logo necessrio

    evitar que terminais em carga estejam acessveis;

    - Os mdulos FV so dispositivos limitadores de corrente e a corrente de curto-circuito

    ligeiramente superior corrente de funcionamento, o que leva a que fusveis sejam ineficientes para a

    proteo contra curtos-circuitos;

    - Uma instalao FV inclui cablagem DC, com a qual nem todos os instaladores esto

    familiarizados, o que pode resultar em maus contactos eltricos e consequentemente em arcos

    eltricos.

    Finalmente, a combinao de riscos que existem numa instalao FV, como o risco de sofrer

    um choque eltrico associado ao risco de queda, uma vez que os mdulos so normalmente

    instalados nos telhados, e so difceis de manipular, pois normalmente so pesados e de elevadas

    dimenses. [26]

    4.1. Choques eltricos

    O choque eltrico consiste na passagem de uma corrente eltrica atravs do corpo humano,

    tornando-se este parte do circuito eltrico. Os problemas causados por um choque eltrico no so

    influenciados pela tenso, mas sim pela corrente, portanto quanto maior a corrente, maior ser a

  • 26

    possibilidade de um acidente fatal. Na figura seguinte pode observar-se os efeitos da corrente no

    corpo humano.

    Figura 21 Efeitos da corrente no corpo humano [27]

    Uma vez que a resistncia eltrica do corpo humano varia de acordo com as condies do

    corpo, obtemos diferentes tenses tolerveis para o corpo humano. Considerando uma corrente de

    25 mA, obtemos as seguintes tenses mximas que podem ser toleradas sem consequncias muito

    graves.

    Condio do corpo humano Corrente

    Alternada (AC)

    Corrente

    Contnua (DC)

    Pele completamente seca ou hmida

    devido transpirao (2000 ) 50 V 120 V

    Pele molhada (1000 ) 25 V 60 V

    Pele imersa em gua (500 ) 12 V 30 V

    Tabela 2 Tenses tolerveis para o corpo humano em diferentes condies do corpo [27]

    Um choque em AC causa espasmos musculares que, na maioria dos casos, permitem a

    pessoa largar o equipamento, no entanto, um choque em DC causa uma contrao muscular

    contnua que fora a vtima a um contacto mais longo. No caso dos painis solares, a tenso

    produzida em DC, e atravs da tabela acima, podemos constatar que as tenses DC apresentadas

    podem facilmente ser ultrapassadas numa instalao FV.

    Mesmo no caso em que as tenses no so ultrapassadas, um choque eltrico pode provocar

    a perca de equilbrio, sendo perigoso uma vez que existe a possibilidade de se estar a trabalhar num

    ponto alto.

  • 27

    4.2. Queimaduras

    Quando dois componentes eltricos ativos, com potenciais diferentes, entram em contacto um

    com o outro, pode gerar-se um arco eltrico. O mesmo pode acontecer quando um circuito em carga

    fica aberto para a atmosfera, devido ionizao do ar.

    Este gnero de arcos podem alcanar temperaturas entre os 3000 C e os 8000 C, podendo

    provocar graves queimaduras a pessoas que se encontrem na sua vizinhana. Mais do que isso, em

    certos casos, um arco pode ser to potente que poder provocar uma exploso.

    Figura 22 Arco eltrico gerado por um curto-circuito em baixa tenso (12 V, 20 A) [28]

    Em instalaes DC, como as fotovoltaicas, h um risco maior de arco eltrico do que nas

    instalaes AC, pois nas instalaes DC a carga na tenso constante, o que significa que o arco

    no se extingue enquanto o circuito estiver em carga. Nas instalaes AC, a carga aumenta e diminui

    alternadamente a cada meia sinuside, permitindo que eventualmente o arco se extinga.

    Devido a isto, altamente desaconselhado cortar os cabos numa instalao FV, devido ao

    elevado risco de se formarem arcos eltricos. Durante a noite, esta situao no to grave, pois os

    painis no esto a produzir energia. No entanto, com o nascer do sol, a instalao deixa de ser

    segura, podendo resultar em choques ou arcos eltricos, devido a contactos diretos ou indiretos.

  • 28

    Captulo 5

    Ligaes e protees

    5.1. Esquemas de ligao terra

    Segundo guia prtico UTE C 15-712-1 (Instalaes fotovoltaicas ligadas rede pblica de

    distribuio), os condutores de ligao terra (isolados ou no) devem ter uma seco mnima de

    de cobre ou equivalente. No caso de a ligao ser direta terra, a seco deve ser adaptada

    corrente de funcionamento do dispositivo de proteo que interrompe a corrente que flui para a terra.

    No caso de ser atravs de uma resistncia, a seco deve ser adaptada corrente mxima que

    passe pela resistncia, considerando a .

    Os condutores isolados de ligao terra devem ser identificados pelas cores verde e

    amarelo.

    5.1.1. Esquemas de ligao terra do lado AC

    A rede pblica de distribuio em baixa tenso usa um esquema de ligao terra do tipo

    TN, logo, o condutor neutro da rede no deve ser ligado com a terra da instalao FV, de modo a

    evitar eventuais acidentes causados pela falha deste condutor, cuja responsabilidade pertence ao

    ORD. [29]

    5.1.2. Ligao terra de uma polaridade do lado DC

    Alguns mdulos FV, por razes funcionais, requerem uma polaridade ligada terra

    diretamente (mdulos constitudos por pelculas finas de silcio amorfo), ou atravs de uma

    resistncia. Esta ligao terra s permitida se houver isolamento galvnico entre os lados AC e

    DC. Este isolamento, ou est includo no inversor ou recorre-se ao uso de um transformador por

    inversor, ou de um transformador nico com vrios enrolamentos (um enrolamento por cada

    inversor), sendo necessrio garantir que os inversores utilizados so compatveis com este tipo de

    soluo. Quando no h isolamento galvnico entre os lados AC e DC, o esquema de ligao terra

    da parte DC idntico da parte AC, ou seja, no ligada terra qualquer polaridade.

    A ligao da polaridade terra realizada perto da entrada DC do inversor ou no prprio

    inversor se ele o permitir. A ligao terra , de preferncia, localizada imediatamente a montante do

    dispositivo de corte do lado DC do inversor de modo a manter a ligao terra, mesmo durante a

    manuteno do inversor.

  • 29

    Quando a polaridade DC ligada terra diretamente, para prevenir defeitos terra a

    montante da ligao terra, usa-se uma proteo que interrompa o circuito automaticamente de

    modo a eliminar a corrente de defeito que percorre o cabo que faz a ligao terra. Quando ligada

    terra atravs de uma resistncia, para prevenir defeitos terra a montante da ligao terra, usa-

    se um dispositivo de monitorizao do isolamento. Este dispositivo escolhido tendo em conta a

    e a capacitncia entre os polos e a terra causada por fugas de corrente. Tambm a

    capacidade eltrica dos cabos e do inversor devem ser considerados. Para sistemas FV adequado

    um dispositivo de monitorizao do isolamento capaz de lidar com capacidades at . [30]

    5.1.3. Ligao terra das massas e dos elementos condutores

    As massas, segundo a seco 23 (Proteo contra os choques eltricos) das RTIEBT, so as

    partes condutoras de um equipamento eltrico suscetveis de serem tocadas, como os invlucros

    metlicos que contm condutores eltricos, que normalmente esto isolados das partes ativas, mas

    que, em caso de defeito, podem ficar acidentalmente em tenso.

    5.1.3.1. Lado DC

    Para minimizar os efeitos devido a sobretenses induzidas, as estruturas metlicas dos

    mdulos e as estruturas metlicas dos suportes (incluindo os caminhos de cabos metlicos) devem

    ser ligados a uma ligao equipotencial prpria ligada terra. Estas estruturas metlicas so

    normalmente de alumnio, e devero ser utilizados ligadores adequados para o efeito, uma vez que

    condutores de cobre nus no devem estar em contacto com peas de alumnio. A ligao terra dos

    mdulos FV realizada de acordo com os requisitos do fabricante.

    Figura 23 Ligador para ligao terra [31]

    5.1.3.2. Lado AC

    As massas dos materiais alimentados pela rede de distribuio pblica devem ser interligadas

    por meio de condutores de proteo e ligadas ao mesmo eltrodo de terra, conforme a seco

    413.1.1.2 (Ligaes terra) e a seco 54 (Ligaes terra e condutores de proteo) das RTIEBT.

    As massas simultaneamente acessveis devem ser ligadas, individualmente, por grupos ou em

  • 30

    conjunto, ao mesmo sistema de ligao terra. Caso exista um transformador exterior ao inversor,

    ambos os dispositivos devem ser ligados a uma ligao equipotencial.

    5.1.3.3. Inversor

    A massa do inversor deve ser ligada ao condutor de proteo do lado AC e terra das

    massas da instalao, por um condutor com seco mnima de de cobre ou equivalente. [32]

    5.2. Proteo contra choques eltricos

    Os equipamentos FV do lado DC devem ser considerados sempre em carga, mesmo quando

    o sistema est desligado do lado AC. Devido a isto, todas as caixas de ligao (do gerador e dos

    painis) devem ser rotuladas com a indicao que contm partes que podem manter-se em carga,

    mesmo com o inversor FV isolado.

    5.2.1. Proteo contra os contatos diretos

    Os materiais eltricos utilizados devem garantir isolamento quer por construo quer pela

    utilizao de invlucros. Todos os invlucros com partes ativas devem permanecer trancados

    permitindo a abertura com a utilizao de uma chave ou de uma ferramenta, a no ser que s

    estejam acessveis a pessoas qualificadas ou instrudas. Estes invlucros devem ter um grau de

    proteo mnimo IP 2X ou IP 44 para o caso de se situarem no exterior.

    Esta proteo torna-se desnecessria quando a tenso contnua da instalao FV

    tem um valor limitado a 60 V ou a 30 V, ou seja, quando se usa a Tenso Reduzida de Segurana,

    TRS2, ou a Tenso Reduzida de Proteo, TRP

    3, respetivamente. [32]

    Os mdulos FV acessveis a pessoas ou a animais devem ser protegidos por sistemas de

    barreiras ou vedaes, de modo a evitar contatos involuntrios.

    5.2.2. Proteo contra os contatos indiretos

    Esta seco descreve os diferentes modos de proteo das pessoas contra os contatos

    indiretos numa instalao FV. Estas medidas de proteo dependem das medidas implementadas no

    lado DC e da presena, ou no, de um transformador com isolamento galvnico entre os lados DC e

    AC. Em anexo (Anexo B), encontra-se uma tabela resumo das protees contra os contatos indiretos.

    [32]

    2 Em ingls SELV Safety Extra-Low Voltage; Em francs TBTS Trs Basse Tension de Scurit.

    3 Em ingls PELV Protected Extra-Low Voltage; Em francs TBTP Trs Basse Tension de Protection.

  • 31

    As normas de proteo contra os contactos indiretos so as estabelecidas na seco 41 das

    RTIEBT (Proteo contra os choques eltricos).

    5.2.2.1. Lado DC

    Para proteo contra os contatos indiretos do lado DC deve ser implementado pelo menos

    um dos seguintes mtodos: proteo por meio de tenso reduzida, TRS ou TRP, ou proteo por

    utilizao de equipamentos de classe II de isolamento ou equivalente.

    A proteo por TRS ou TRP deve estar de acordo com as exigncias da seco 411.1 das

    RTIEBT (Proteo por tenso reduzida TRS ou TRP) e deve ser assegurado o isolamento galvnico

    entre o lado DC e o AC conforme a seco 411.1.2 das RTIEBT (Fontes de alimentao para TRS e

    TRP). A tenso contnua no deve exceder os 120 V.

    Na utilizao de equipamentos de classe II de isolamento (isolamento reforado), estes

    devem ser utilizados at aos terminais DC do inversor e devem ser aplicados os requisitos da seco

    413.2 das RTIEBT (Proteo por utilizao de equipamentos da classe II ou por isolamento

    equivalente). Segundo a norma IEC 60364-4-41 (Instalaes eltricas de baixa tenso Proteo

    para garantir segurana Proteo contra os choques eltricos), seco 412.1.1, o isolamento de

    classe II fornece proteo contra os contatos diretos e indiretos atravs do isolamento reforado entre

    as partes em carga e as partes acessveis. Esta medida destina-se a impedir que apaream tenses

    perigosas em partes acessveis dos equipamentos eltricos, devido a falhas de isolamento. [30]

    Os cabos devero suportar uma tenso mnima obtida pela frmula , sendo

    M o nmero de mdulos de cada string, sendo que os cabos das strings e o cabo principal devem

    garantir um nvel de isolamento mnimo de 1 kV. [29]

    No lado DC, nem os fusveis, nem os disjuntores, protegem contra choques pois no

    permitem desligar automaticamente a fonte de alimentao.

    5.2.2.2. Lado AC

    No lado AC, a proteo contra os contatos indiretos assegurada ou atravs de isolamento

    de classe II, ou atravs da desconexo automtica da fonte de alimentao. Nesta ltima soluo

    dever ser utilizado um aparelho diferencial (sensvel corrente diferencial-residual) de mdia

    sensibilidade (300 mA ou inferior). [29]

    Caso se recorra a um disjuntor diferencial, este pode garantir, simultaneamente, a proteo

    contra sobreintensidades, no entanto, esta soluo no obrigatria.

    Caso se utilizem dois aparelhos distintos (Figura 26 (a)), a proteo contra sobrecargas

    atravs do aparelho magnetotrmico dever ser estabelecida do lado da rede. Contudo, se a

    instalao estiver equipada com um inversor com transformador de isolamento a proteo diferencial

    (a) dispensvel, pois o inversor no consegue alimentar as correntes de defeito DC.

  • 32

    Se forem utilizados equipamentos auxiliares alimentados diretamente pela instalao FV, tais

    como seguidores, reguladores ou outros, estes devem ter um circuito especfico (b) que garanta

    proteo e continuidade de servio da instalao.

    Figura 24 Esquema simplificado do quadro AC [29]

    5.3. Proteo contra sobreintensidades

    5.3.1. Lado DC

    A escolha dos dispositivos de proteo contra sobreintensidades e o dimensionamento dos

    cabos do lado DC devero ser feitos observando os seguintes aspetos: (Anexo C).

    5.3.1.1. Proteo dos mdulos FV

    As correntes inversas podem ser causadas por um defeito no lado DC, como por exemplo,

    um curto-circuito num mdulo FV ou um cabo defeituoso, e surgem quando a tenso de circuito

    aberto de uma string significativamente diferente da tenso de circuito aberto das outras strings

    ligadas em paralelo. A corrente flui das strings sem defeito para a que tem defeito, em vez de fluir

    para o inversor, surgindo na string com defeito uma corrente inversa igual soma das correntes das

    restantes strings, gerando aumentos de temperatura perigosos e podendo ocorrer incndios nos

    mdulos FV. Para evitar esta situao, podem ser ligados dodos de bloqueio em srie com cada

    string.

    Os dodos de bloqueio tm a funo de evitarem curtos-circuitos e correntes inversas entre

    strings caso ocorram avarias ou tenses diferentes nas strings. De acordo com a norma IEC 60364-7-

    712 (Instalaes eltricas de edifcios Requisitos para instalaes ou localizaes especiais

    Geradores de energia fotovoltaica (FV)), a tenso inversa dos dodos de bloqueio deve corresponder

    ao dobro da tenso de circuito aberto, em condies STC, na string.

    (5.1)

    Como estes dodos provocam perdas de potncia, mesmo em caso de sombreamento, a sua

    utilizao no proporciona uma produo energtica consideravelmente maior, uma vez que os

    mdulos standard suportam correntes inversas sem serem danificados e as perdas devido s

    correntes inversas so compensadas pelas perdas originadas pelas quedas da tenso aos terminais

    dos dodos. Devido a isso e ao facto de a falha destes dodos no ser detetada, seno demasiado

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    tarde, atualmente estes dodos no so utilizados em sistemas ligados rede. De acordo com a

    norma IEC 60364-7-712, os dodos de bloqueio so dispensados caso os mdulos FV sejam do

    mesmo tipo, com uma proteo de classe II, com capacidade de suportar 50 % da corrente nominal

    de curto-circuito quando polarizados inversamente e o desvio da tenso de circuito aberto entre as

    diferentes strings no seja superior a 5 %. Em alternativa, habitual usar-se fusveis de proteo nos

    dois lados da string, ou dimensionar os cabos de modo a garantir proteo contra sobreintensidades.

    [19]

    Quando o gerador FV constitudo por uma nica string no h riscos de correntes inversas,

    e quando constitudo por duas strings com o mesmo nmero de mdulos em paralelo, a corrente

    inversa mxima que pode circular na string defeituosa . Como o valor tpico da

    corrente inversa mxima suportada pelos mdulos FV de silcio cristalino est entre e ,

    no so necessrios dispositivos de proteo contra sobreintensidades.

    Caso o gerador FV seja constitudo por strings ligadas em paralelo ( ), a corrente

    inversa mxima que pode circular na string com defeito . Logo um

    dispositivo de