Pequenos Geradores Fotovoltaicos Conectados À Rede

PEQUENOS GERADORES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ELETRICIDADE

III CONGRESSO BRASILEIRO DE PLANEJAMENTO ENERGÉTICO - 1

PEQUENOS GERADORES FOTOVOLTAICOSCONECTADOS À REDE DE

DISTRIBUIÇÃO DE ELETRICIDADE

Sérgio H. F. Oliveira - [email protected] ZillesLaboratório de Sistemas Fotovoltaicos - Instituto de Eletrotécnica e Energia – Universidade de São Paulo

RESUMO

Para que a energia solar fotovoltaica possaexpandir seu campo de atuação é necessário garantir queos sistemas que utilizem essa tecnologia não ofereçamnenhum tipo de risco a quem esteja lidando com ela, sejacomo usuário seja como produtor. Para que isso sejapossível, é necessário estabelecer, previamente, as normase as regulamentações relacionados com a utilização datecnologia.

Este trabalho discute alguns aspectosparticulares, relacionados com a segurança na instalação eoperação de sistemas fotovoltaicos incorporados à faixadade edificações e conectados à rede de distribuição deenergia elétrica. Este tipo de sistema possuiparticularidades que necessitam de abordagem específica.Assim, junto com a experiência adquirida na instalação deum sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica, iniciou-se um estudo no sentido de estabelecer os parâmetrosimportantes para a realização de uma instalação seguratanto sobre o ponto de vista da concessionária de energia,quanto dos usuários da edificação onde será instalado osistema.

Neste trabalho, apresentamos também, umadescrição do sistema fotovoltaico conectado à rede,instalado no Instituto de Eletrotécnica e Energia.

SUMMARY

In order to achieve dissemination of photovoltaicsolar energy in conventional use, as for instance throughgrid connected systems, standards and regulators must befollowed to guarantee total safety to either users/producersor utility.

Some particular aspects on safety inimplementation and operation of photovoltaic systemsconnected to the grid, installed on façade of buildings arediscussed and parameters to a safe installation areestablished.

A description of the photovoltaic grid connectedsystem installed at the Energy and Eletrotechnical Institute,in São Paulo University is also showed in this paper.

INTRODUÇÃO

Existem uma série de aplicações possíveis àenergia solar fotovoltaica. Essas aplicações podem serclassificadas segundo, por exemplo, o uso final que terá aenergia fotogerada. Nesse trabalho enfocaremos os sistemasdenominados edificações fotovoltaicas conectadas à rede dedistribuição de energia elétrica (EFCR).

As EFCR são, portanto, uma das aplicações datecnologia fotovoltaica. Nesse caso, a faixada ou o teto deuma edificação é utilizada como suporte aos geradoresfotovoltaicos. Com a ajuda de um inversor, a energiaproduzida inicialmente sob tensão e corrente contínuaspassa a ser disponibilizada em tensão e corrente alternada,podendo ser diretamente inserida na rede de distribuição deeletricidade ou utilizada em qualquer um dos equipamentoselétricos instalados na edificação. O fato desses sistemasserem conectados à rede elétrica possibilita a não utilizaçãode armazenadores eletroquímicos de energia, diminuindosignificativamente o custo financeiro dos sistemas.

As edificações fotovoltaicas passam portanto a serprodutoras independentes de energia. Assim, se houverconsumo elétrico durante um dia de sol, a edificação passaa utilizar a energia produzida por seu próprio sistema. Senão houver consumo diurno ou este for inferior à geraçãosolar fotovoltaica naquele dia, a energia produzida emexcesso passa a ser disponibilizada para a companhiadistribuidora de eletricidade. Durante a noite, período ondenão há geração fotovoltaica de energia, toda a demanda ésuprida pela rede elétrica. Dessa forma, o usuário comprauma menor quantidade de energia da rede, diminuindo acarga energética da concessionária. Esses sistemasfornecem, portanto, uma ferramenta a mais para que asconcessionárias de energia possam gerir a disponibilidadede energia da cidade.

Existem, no entanto, uma série de dificuldades queas EFCR terão de enfrentar. Em primeiro lugar, não se temdados sistemáticos sobre o seu comportamento quandoexpostos ao clima tropical brasileiro. Em segundo lugar,apesar da legislação do país prever a figura do geradorindependente de energia, as relações de compra e venda doproduto energia ainda não estão bem definidas. Em terceirolugar, a energia fotogerada por esses sistemas ainda é caraquando comparada aos valores praticados pelasconcessionárias produtoras de eletricidade. Dificuldades


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dessa ordem impedem que as EFCR sejam consideradascomo uma forma complementar de produção deeletricidade.

Apesar das dificuldades existentes naimplementação de edificações fotovoltaicas, seu usomassivo, em um futuro próximo, requer o estabelecimentode uma regulamentação.

Esta regulamentação deverá garantir que o sistemafotovoltaico instalado na edificação não represente um riscopara a rede de distribuição de eletricidade ou para quemocupe o edifício. Além disso, essa regulamentação deveráestabelecer os requisitos de qualidade da energia gerada poresses sistemas referentes a, por exemplo, fator de potência,distorções harmônicas etc.

Como a utilização desses sistemas é fatorelativamente novo dentro do contexto energéticobrasileiro, há uma carência de discussões e reflexões queprocurem estabelecer parâmetros e condições para a difusãodesta tecnologia, particularmente na aplicação em questão.Além do sistema que está sendo instalado no IEE/USPpode-se mencionar apenas a experiência da UFSC [1].

Neste sentido, esse trabalho pretende dar início àsprimeiras discussões identificando e descrevendo osaspectos técnicos relacionados com a segurança dessessistemas, contribuindo assim com um início de umareflexão carente de discussões. Este trabalho apresentatambém uma descrição do sistema fotovoltaico instalado noIEE-USP.

ASPECTOS RELACIONADOSCOM A SEGURANÇA

Toda instalação geradora de energia elétrica devesatisfazer a requisitos de segurança e qualidade da energiagerada. Tratando-se de edificações fotovoltaicas, ondepessoas realizam suas atividades cotidianas, a existência deum sistema fotovoltaico não deve acarretar em qualquertipo de risco adicional a quem quer que seja.

A implementação de um sistema fotovoltaico emuma edificação trabalhando em paralelo com a rede deveconsiderar as cargas adicionais sobre a estrutura do edifícioe a exigência de cumprir as normas vigentes para aconstrução de edificações. Da mesma forma, a instalaçãoelétrica deve satisfazer os requisitos exigidos pela normatécnica – “Instalações elétricas de baixa tensão” [2].

REQUISITOS DE SEGURANÇA – ASPECTOSRELATIVOS AOS USUÁRIOS DA EDIFICAÇÃO

Toda instalação elétrica que trabalhe com tensõessuperiores a 48 V deve tomar cuidado com problemasrelativos à segurança e utilizar exclusivamente materiaishomologados. Especial atenção deve ser dada aos corretosisolamento e aterramento da instalação. Mesmo realizandotodos os procedimentos recomendados podem aparecerfalhas que ponham em risco os usuários.

As falhas podem conduzir a dois tipos deproblemas:

O primeiro deles são as descargas elétricasrecebidas pelas pessoas em caso de contato acidental compartes acessíveis da instalação. Nesse sentido recomenda-seduas medidas de segurança:

• Aterrar todos os elementos metálicos significativos.• Não superar a tensão nominal de trabalho DC de 170V.

O segundo problema, que afeta a edificação e osusuários, são os incêndios provocados por arcos voltaicosdevido a curto circuitos. Evitar esse problema através deum mecanismo automático de detecção apresenta adificuldade de implementação devido às características deoperação dos geradores fotovoltaicos. A corrente deoperação é próxima a corrente de curto circuito. A soluçãopara este risco consiste em adotar as seguintes medidas desegurança:

• Minimizar a probabilidade de ocorrer curtos circuitosseparando bem os fios correspondentes aos pólospositivos e negativos na caixa de conexão em DC.

• Proteger os fios de curtos circuitos utilizando cabosunipolares, com isolamento apropriado para o trabalhona intempérie e com capacidade de suportar a correntede curto circuito na pior condição de operação.

• Recomenda-se também utilizar eletrodutos separadospara o potencial negativo e positivo.

REQUISITOS DE SEGURANÇAASPECTOS RELATIVOS À REDEELÉTRICA

As exigências por parte do distribuidor de energiaelétrica buscam, basicamente, dois objetivos:

• Não alterar as condições de segurança nem a qualidadeda energia fornecida aos clientes.

• Não criar condições perigosas de trabalho para opessoal da manutenção da rede de distribuição

O primeiro objetivo perseguido pode ser obtidoadotando os seguintes requisitos:

1 – No inversor, adotar mecanismos dedesconexão automática da rede quando alguma das fases doinversor sai das seguintes margens de operação:

• Tensão entre 0,85 e 1,1 vezes o valor nominal.• Fator de potência superior a 0,9.• Freqüência entre 59 e 61 Hz.

2 – Isolar galvanicamente as parte AC e DC dainstalação.



3 – Utilizar inversor trifásico para potênciassuperiores a 5 kVA.

Já com relação ao segundo objetivo, isto é, evitarque o inversor funcione em ilha, garantindo assim asegurança da equipe de manutenção da concessionária,deve-se adotar somente inversores sincronizados pela rede.Isto porque, para garantir a segurança do seu pessoal demanutenção, as companhias encarregadas pela distribuiçãoelétrica exigem que, ao desconectar uma linha da rede, ospossíveis sistemas de geração fotovoltaica, presentes nessalinha, não mantenham a tensão nela.

Os inversores sincronizados pela rede tomamcomo referência para a geração dos impulsos de comutaçãode seus dispositivos semicondutores a própria freqüência darede, dessa forma, quando a linha é desligada, o inversordesconecta-se.

Os requisitos apresentados representam apenasuma primeira formulação de uma regulamentação técnicapara as edificações fotovoltaicas no Brasil. Baseados nessesrequisitos, realizamos uma instalação experimental paraavaliar o comportamento desses sistemas. A seguirapresentamos uma descrição desse sistema.

DESCRIÇÃO DO SISTEMA

O sistema fotovoltaico recentemente instalado noInstituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de SãoPaulo – IEE/USP é parte de um projeto JP da FAPESP sobprocesso no 95/09242-7 “Programa para oDesenvolvimento das Aplicações da Energia SolarFotovoltaica”.

A figura 1 mostra a forma como os módulos foramconectados entre si.

Observando a figura 1 podem-se notar que o sub-sistema de geração fotovoltaica é composto por dezmódulos conectados em série. Os módulos utilizados são daSiemens modelo SP75, de 75 Wp cada, totalizando umapotência nominal de 750 Wp com tensão e corrente detrabalho de cerca de 170 V e 4,4 A respectivamente. Isso sea irradiação incidente for de aproximadamente 1000 W/m2e temperatura de célula igual a 25 oC. O ângulo � deinclinação dos módulos é de aproximadamente 23o. Comisso pretende-se otimizar a disponibilidade de radiaçãosolar ao longo do ano.

Figura 1. Conexão elétrica entre os módulos

Na figura 2 é apresentado um diagrama de blocosque representa a forma como foi feita instalaçãofotovoltaica como um todo.

Observando o esquema da figura 2, notamos quefoi utilizada uma caixa de proteção na parte em que osistema trabalha em corrente contínua. Esta caixa tem afinalidade de proteger a instalação e o laboratório deeventuais sobre-tensões que possam atingir o sistema, sejaproveniente da rede, seja proveniente de um raio que atinjaos módulos. A figura 3 apresenta um esboço do circuitoutilizado nessa caixa de proteção.

Figura 2. Diagrama esquemático da instalação fotovoltaica localizada

no IEE/USP

Observando novamente a figura 2 podemosverificar que logo após a caixa de proteção foi instalado uminversor DC/AC da SMA, modelo SWR700, monofásico de700 W de potência nominal. O inversor recebe a energia emcorrente continua e a transforma em corrente alternada auma freqüência de 60 Hz e tensão de 220 V entre a fase e oneutro.

Figura 3. Esquema elétrico da caixa de proteção DC


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Depois do inversor, como mostra novamente afigura 2, foi instalado um transformador monofásico de 1,5kVA, responsável em transformar a tensão de 220 V nasaída do inversor em 127 V (entre fase e neutro), tensão detrabalho da rede elétrica do IEE. Assim, é possível conectaro sistema solar fotovoltaico diretamente na rede elétrica dolaboratório. Além da função de acoplamento de tensões, otransformador também atua como isolador galvânico entre arede e o sistema fotovoltaico.

O sistema fotovoltaico foi conectado na fase maiscarregada dentre as três existentes no laboratório. Paramonitorar o fluxo de energia no laboratório foraminstalados 6 medidores de energia, 1 trifásico e 5monofásicos. O primeiro, trifásico, mede a energia totalentregue pela rede elétrica ao laboratório. Três dosmedidores monofásicos determinam a energia entregue pelarede em cada uma de suas três fases. Os outros doismedidores monofásicos determinam a energia que entra nolaboratório proveniente dos geradores fotovoltaicos e aenergia que é cedida à rede na fase em que está conectado.Assim temos condições de saber a quantidade de energiaque o sistema produz, a fração dessa energia consumida nolaboratório e a fração que é disponibiliza para a rede. Afigura 4 apresenta um esquema dos medidores instalados nolaboratório.

Além de monitorar os fluxos de energia atravésdas medidas feitas pelos medidores representadosesquematicamente na figura 4, o comportamento do sistemafotovoltaico é monitorado por meio de um software (sunnydata) que, através de um power line conectado na saída doinversor, monitora a evolução temporal de parâmetroscomo a tensão em DC entregue pelos módulos. Na parteAC pode-se monitorar a potência, a tensão, a corrente, aenergia gerada etc. Com isso é possível construir gráficosrepresentando a evolução temporal de todos os parâmetrosapresentados. Para conseguir estimar a eficiência deconversão dos módulos é necessário medir a quantidade deenergia solar incidente no plano dos módulos. Para tanto,foi instalada, no mesmo plano dos módulos do sistema, umacélula solar fotovoltaica calibrada. Assim, é possível inferira irradiação solar incidente a partir da tensão fornecidapelos terminais da célula. Os dados fornecidos pela célulasão coletados e armazenados em arquivos digitais que sãoanalisados juntamente com os dados tirados da saída doinversor.

Figura 4. Esquema da disposição dos medidores

COMENTÁRIOS FINAIS

O experimento da conexão de um sistemafotovoltaico na rede de distribuição de eletricidade temcomo objetivos principais o estudo do comportamentotécnico deste tipo de sistemas e o início da discussão sobreas possibilidades da inserção dos sistemas fotovoltaicosconectados à rede elétrica no contexto energético brasileiro.Além dos aspectos técnicos a serem estudados durante aoperação do sistema instalado no IEE, uma série de outrosaspectos relacionados com a regulamentação e gestão dademanda estarão sendo estudados.

Experiências como estas são importantes para adivulgação das aplicações da energia solar fotovoltaica,propiciando um campo fértil para a realização de discussõessobre a viabilidade e as formas de inserção dessa aplicação.

Apesar da pequena potência que estamosconectando em paralelo à rede de distribuição, poderemosestabelecer requisitos de segurança e procedimentos deconexão que poderão ser úteis para outras formas degeração independentes de energia.

O sistema descrito está atualmente em fase detestes. No início do mês de abril de 1998 o sistema foiinaugurado dando início portanto a fase de coleta de dados.

Estão sendo monitorados na parte DC dainstalação os seguintes parâmetros: tensão e corrente degeração e a irradiação incidente no plano dos módulos. Nolado AC da instalação monitora-se a tensão, a corrente, aenergia gerada na saída do inversor, a energia na saída dotransformador, a energia proveniente da rede dedistribuição e a que o sistema disponibiliza para consumoexterno.

Com isso, podemos determinar o perfil de geraçãodo campo de módulos, a eficiência do inversor e dotransformador e a quantidade de energia que o laboratórioconsome da rede e a que disponibiliza para a mesma.

Além disso, estarão sendo realizadas medidas daqualidade da energia entregue pelo inversor à rede. Issoserá feito, principalmente, através da verificação deexistência de harmônicos na energia produzida e nomonitoramento do fator de potência do sistema.

Nesse trabalho, foi dada ênfase aos aspectos legaise de segurança relacionados com a instalação e utilizaçãode edificações fotovoltaicas conectadas à rede elétrica. Noentanto, outra importante questão relacionada com autilização desses sistemas é a possível contribuição que osmesmos podem dar ao planejamento energético pelo ladoda oferta. Caso ocorra uma maior difusão em suaimplementação, esses sistemas podem ser utilizados comofonte complementar de geração de eletricidade. Neste caso,uma análise mais apurada da capacidade de gerenciamentoda oferta contando com a contribuição de geradoresintermitentes deverá ser realizada.



AGRADECIMENTOS

A execução desse trabalho conta com o apoio daFAPESP e a colaboração da ELETROPAULO –METROPOLITANA.

BIBLIOGRAFIA

[1] - Rüther R, “The first grid-connected, buildingintegrated, thin film photovoltaic installation in Brasil”, 26th

IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1997, Book ofabstracts.

[2] - NBR 5410:1997 – Instalações Elétricas de BaixaTensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas.

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