Composição e Princípio de Funcionamento dos Sistemas de Geração de Energia Fotovoltaica
Composição e Princípio de Funcionamento dos Sistemas de Geração de Energia Fotovoltaica (PV)
Um sistema de geração de energia fotovoltaica (PV) é composto principalmente por módulos PV, um controlador, um inversor, baterias e outros acessórios (baterias não são necessárias para sistemas conectados à rede). Com base na dependência da rede elétrica pública, os sistemas PV são divididos em tipos off-grid e grid-connected. Os sistemas off-grid operam independentemente, sem depender da rede elétrica. Eles estão equipados com baterias de armazenamento de energia para garantir o fornecimento estável de energia do sistema, capazes de fornecer eletricidade às cargas durante a noite ou períodos prolongados de tempo nublado/chuvoso, quando a geração solar é insuficiente.
Independentemente do tipo de sistema, o princípio de funcionamento permanece o mesmo: os módulos PV convertem a luz solar em eletricidade contínua (DC), que é então convertida em corrente alternada (CA) por um inversor, permitindo o consumo de energia ou a conexão à rede.
1. Módulos Fotovoltaicos (PV)
Os módulos PV são o componente central de todo o sistema de geração de energia. Eles são feitos combinando células fotovoltaicas individuais, que são cortadas em diferentes tamanhos usando máquinas de corte a laser ou fio. Como a tensão e a corrente de saída de uma única célula solar são muito baixas, várias células são primeiramente conectadas em série para atingir uma tensão mais alta, e depois em paralelo para aumentar a corrente. A montagem inclui um diodo de bloqueio (para evitar a corrente reversa) e é encapsulada dentro de uma moldura feita de aço inoxidável, alumínio ou materiais não metálicos. É selada com vidro temperado na frente, uma camada traseira atrás, preenchida com gás nitrogênio e hermeticamente selada. Vários módulos PV conectados em série e paralelo formam um array PV (também conhecido como array solar).
Princípio de Funcionamento: Quando a luz solar atinge a junção p-n de semicondutores de uma célula solar, pares elétron-buraco são gerados. Sob a influência do campo elétrico na junção p-n, os buracos se movem em direção à região p e os elétrons em direção à região n. Quando o circuito é fechado, a corrente flui. A função principal dos módulos PV é converter a energia solar em energia elétrica, seja armazenando-a em baterias ou alimentando diretamente as cargas elétricas.
Tipos de Módulos PV:
Silício Monocristalino: Eficiência ≈ 18%, até 24% — a mais alta entre todos os tipos de PV. Geralmente encapsulados com vidro temperado e resina impermeável, tornando-os duráveis e longevos (vida útil de até 25 anos).
Silício Policristalino: Eficiência ≈ 14%. Processo de fabricação semelhante ao monocristalino, mas com menor eficiência, custo inferior e vida útil mais curta. No entanto, é mais simples de produzir, consome menos energia e tem custos de produção menores, levando a uma adoção generalizada.
Silício Amorfo (Folha Fina): Eficiência ≈ 10%. Fabricado usando um processo completamente diferente de folha fina, requerendo pouquíssimo silício e energia. Sua principal vantagem é o melhor desempenho em condições de baixa luminosidade.
2. Controlador (Usado em Sistemas Off-Grid)
O controlador de carga solar é um dispositivo automático que previne a sobrecarga e a descarga excessiva das baterias. Equipado com um microprocessador CPU de alta velocidade e um conversor A/D de alta precisão, funciona como um sistema de aquisição e controle de monitoramento baseado em microcomputador. Pode coletar rapidamente dados operacionais em tempo real, monitorar o status do sistema e armazenar dados históricos, fornecendo informações precisas e suficientes para avaliar o design do sistema e a confiabilidade dos componentes. Também suporta comunicação serial para gestão centralizada e controle remoto de múltiplas subestações PV.
3. Inversor
O inversor converte a eletricidade DC gerada pelos painéis solares em eletricidade AC, tornando-a compatível com aparelhos alimentados por CA padrão. O inversor PV é um componente chave do balance-of-system (BOS) e inclui recursos especiais, como o rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT) e proteção contra ilhas.
Tipos de Inversores Solares:
Inversor Autônomo: Usado em sistemas off-grid. O array PV carrega a bateria, e o inversor retira a energia DC da bateria para fornecer cargas AC. Muitos inversores autônomos incluem carregadores de bateria embutidos que podem recarregar a bateria usando energia AC. Esses inversores não estão conectados à rede e não requerem proteção contra ilhas.
Inversor Grid-Tied: Alimenta energia AC de volta à rede elétrica. Sua onda de saída deve corresponder à fase, frequência e tensão da rede. Desliga automaticamente se a rede for desconectada por segurança. Não fornece energia de backup durante uma interrupção da rede.
Inversor de Backup de Bateria: Um inversor especial que usa baterias como sua fonte de energia primária e inclui um carregador para recarregá-las. A energia excedente pode ser alimentada de volta à rede. Durante uma interrupção da rede, pode fornecer energia AC a circuitos designados e, portanto, inclui proteção contra ilhas.
4. Bateria (Não Necessária em Sistemas Conectados à Rede)
A bateria é a unidade de armazenamento de energia em um sistema PV. Tipos comuns incluem chumbo-ácido selado, chumbo-ácido alagado, gel e baterias alcalinas de níquel-cádmio. As baterias de chumbo-ácido selado e gel são as mais amplamente utilizadas.
Princípio de Funcionamento: Durante o dia, a luz solar atinge os módulos PV, gerando tensão DC e convertendo a luz em eletricidade. Essa energia é enviada ao controlador, que previne a sobrecarga, e depois armazenada na bateria para uso posterior quando necessário.
