Introdução à Energia Solar Fotovoltaica

O que tem dentro de um sistema solar?

• 1Antes de explicar: você já viu um sistema solar de perto?
• 2Não há resposta errada — as respostas começam a conversa.
• 3O módulo responde: o que tem dentro e como se liga à casa.
• 4Se a conta de luz estiver perto, veja só os kWh do mês.

Fonte: roteiro do Módulo 2, Fase 1.

O caminho deste módulo

• 1Como a luz do sol vira eletricidade?
• 2O que cada componente do sistema faz?
• 3Quais tipos de sistema existem?
• 4O percurso vai da luz no material ao sistema ligado à casa.

Fonte: texto base, “Como usar este texto”.

O elétron e a corrente elétrica

• 1Toda eletricidade nasce de uma partícula: o elétron.
• 2Elétron = partícula com carga, na periferia dos átomos.
• 3Elétrons em movimento formam a corrente elétrica.
• 4Mede-se em ampère (A): quanta carga passa por segundo.
• 5Mexer nos elétrons é mexer na eletricidade.

Fonte: texto base, caixa “Unidades e grandezas”.

Tensão elétrica: a “força” que empurra

• 1A corrente não anda sozinha: alguém empurra os elétrons.
• 2Tensão = a “força” que empurra a energia; em volt (V).
• 3Corrente é a água passando; tensão é a pressão que a empurra.
• 4As duas medidas vêm juntas na ficha técnica da célula.

Fonte: texto base, caixa “Unidades e grandezas”.

Nem todo material conduz igual

• 1Cada material deixa a corrente passar de um jeito.
• 2Condutor = deixa passar fácil (o cobre do fio).
• 3Isolante = dificulta muito (o plástico do fio).
• 4Semicondutor = ora conduz, ora não: depende de luz e calor.
• 5A célula é feita de semicondutor.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 3, p. 16.

O efeito fotovoltaico

• 1Alguns materiais soltam elétrons quando recebem luz.
• 2Esse fenômeno é o efeito fotovoltaico.
• 3“Foto” = luz; “voltaico” = eletricidade.

▸ Fóton = pacote de energia da luz; ao ser absorvido, pode libertar um elétron.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 3, p. 17.

Fotocondutividade e fotovoltagem: dois efeitos da luz

• 1A luz provoca dois efeitos diferentes — é fácil confundir.
• 2Fotocondutividade = conduz mais quando iluminado.
• 3Fotovoltagem = a luz vira tensão e corrente.
• 4Um abre a passagem; o outro cria a energia.
• 5A célula aproveita a fotovoltagem.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 3, p. 17.

O silício: o material de que a célula é feita

• 1O semicondutor mais usado na célula é o silício.
• 2Silício = elemento abundante (areia e rochas).
• 3Na célula, é usado puro e cristalino, em lâminas finas.
• 4Silício puro conduz mal e não gera energia útil.
• 5A célula é uma lâmina de silício tratada.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 19.

Silício tipo P e tipo N

• 1O silício puro não gera energia: é preparado em duas versões.
• 2Tipo N = silício com elétrons sobrando.
• 3Tipo P = silício com falta de elétrons.
• 4“N” de negativo; “P” de positivo.

▸ Lacuna = espaço vazio de elétron; dopagem = misturar outros átomos ao silício.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 3, p. 18.

A junção P-N: por que a célula precisa das duas camadas

• 1Unindo as camadas N e P, forma-se a junção P-N.
• 2Na junção surge um campo elétrico interno.
• 3Ele empurra elétrons para um lado e lacunas para o outro.
• 4Esse empurrão separa as cargas e cria a tensão.

▸ Campo elétrico = a região onde uma carga sente uma força.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 3, p. 18.

O que é a célula fotovoltaica

• 1A célula fotovoltaica transforma a luz em eletricidade.
• 2É uma lâmina fina de silício com as camadas N e P e contatos.
• 3Uma célula sozinha gera pouca tensão e pouca corrente.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 19.

A célula não armazena energia

• 1A célula não guarda energia.
• 2Ela gera enquanto há luz e para quando a luz acaba.
• 3Mantém um fluxo de elétrons só enquanto há incidência de luz.
• 4A energia precisa ser usada na hora ou guardada em baterias.
• 5Placa solar não é bateria.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 19-20.

Potência e energia (revisão rápida)

• 1Potência = a capacidade de gerar, a cada instante (W, kW).
• 2Energia = a potência trabalhando por horas (Wh, kWh).
• 31 kWh é 1.000 W durante uma hora — é a unidade da conta.
• 4Potência é o ritmo; energia é o acumulado.

Fonte: texto base, caixa “Unidades e grandezas”.

Potência de placa: Wp e kWp

• 1A potência de placa traz o “p” de pico.
• 2Wp e kWp medem a potência máxima em pleno sol.
• 3Esse valor vale numa condição de teste.
• 4Na vida real, nuvem, sombra e calor reduzem o resultado.
• 51 kWp = 1.000 Wp; 1 MWp = 1.000 kWp.

Fonte: texto base, caixa “Unidades e grandezas”.

A curva I-V: a “impressão digital” da célula

• 1A ficha técnica da célula é a curva I-V.
• 2Ela relaciona a corrente (I) entregue para cada tensão (V).
• 3A curva sobe quase reta, faz um joelho e cai.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 21.

Isc e Voc: os dois extremos da curva

• 1Dois pontos da curva ficam nas pontas.
• 2Isc = maior corrente (curto-circuito), em ampère.
• 3Voc = maior tensão (circuito aberto), em volt.
• 4São os limites: a célula não passa disso.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 21.

PMP, Vmp e Imp: o ponto de melhor rendimento

• 1O joelho da curva é o ponto de melhor rendimento.
• 2PMP = ponto de máxima potência.
• 3Vmp e Imp são a tensão e a corrente nesse ponto.
• 4“mp” quer dizer máxima potência.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 21.

Irradiância: o sol que chega, medido

• 1É preciso medir quanta luz chega ao painel.
• 2Irradiância = potência de luz por metro quadrado (W/m²).
• 3Irradiação = energia de sol acumulada ao longo do tempo.
• 4Mais irradiância, mais energia por módulo.
• 5A etiqueta usa 1.000 W/m² como condição de teste.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 22.

Eficiência: quanto da luz vira eletricidade

• 1Só parte da luz vira eletricidade.
• 2Eficiência = potência elétrica produzida ÷ luz que incide.
• 3Células de silício ficam perto de 15 a 18 %.
• 4Mais eficiência = menos telhado para a mesma potência.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 22.

Calor e frio: por que telhado quente rende menos

• 1O desempenho depende da irradiância e da temperatura.
• 2O calor quase não muda a corrente.
• 3O calor derruba a tensão.
• 4Menos tensão, com a mesma corrente, é menos potência.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 22-23.

As condições de ensaio (STC) e o que muda no telhado

• 1A etiqueta vale numa condição padrão, para comparar módulos.
• 2STC = 1.000 W/m² de sol e 25 °C na célula.
• 3O kWp da etiqueta vale nessas condições.
• 4No telhado, calor e sujeira entregam menos.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 24.

A célula sozinha gera pouco

• 1Uma célula sozinha gera pouco.
• 2Por isso as células são reunidas: formam o módulo.
• 3Módulos em série formam o arranjo (string).
• 4Encadeamento: célula → módulo → arranjo.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 23 e cap. 5, p. 26.

Associação em série e em paralelo

• 1Há duas formas de associar células ou módulos.
• 2Em série: as tensões somam; a corrente fica igual.
• 3Em paralelo: as correntes somam; a tensão fica igual.
• 4Mais tensão? Série. Mais corrente? Paralelo.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 4, p. 23.

O módulo por dentro

• 1O módulo é um sanduíche de camadas que protege as células.
• 2Vidro, EVA, células, filme posterior e moldura.
• 3Moldura de alumínio = dá rigidez e serve para fixar.

▸ EVA = plástico que cola e isola; backsheet = filme posterior; encapsulamento = o sanduíche.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 26-27.

Os tipos de módulo

• 1Os módulos se diferenciam pelo tipo de silício.
• 2Quanto mais eficiente, mais caro — e menos telhado.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 27-28.

O inversor: o coração do sistema

• 1As placas geram energia, mas não no formato da casa.
• 2Inversor = transforma a CC dos módulos em CA.
• 3É o coração do sistema e ajusta o melhor ponto (MPPT).

▸ SFI = sistema isolado; SFCR = sistema conectado à rede.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 28.

Corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA)

• 1O sistema usa duas formas de corrente.
• 2CC = sentido sempre o mesmo (módulos e baterias).
• 3CA = sentido se inverte; é a da rede e das tomadas.
• 4Quem converte é o inversor.

Fonte: texto base, caixa “Unidades e grandezas”.

O caminho da energia: módulos (CC) → inversor → casa (CA)

• 1O caminho fica claro: módulos, inversor, casa.
• 2Módulos (CC) → inversor (CC em CA) → quadro (CA).
• 3Esse é o caminho em qualquer sistema fotovoltaico.
• 4Antes do inversor: lado CC. Depois: lado CA.

Fonte: caixa “Como ler a figura” §5.3 do texto base.

MPPT: o inversor buscando o melhor ponto

• 1O ponto de melhor rendimento muda com a luz e a temperatura.
• 2O inversor fica procurando esse ponto: é o MPPT.
• 3MPPT = rastreamento do ponto de máxima potência.
• 4Ele mantém o sistema sempre no joelho da curva.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 28.

O microinversor: o inversor junto ao módulo

• 1No sistema comum, um único inversor recebe a série de módulos.
• 2Inversor string = o inversor central, longe das placas.
• 3Ou cada módulo tem o seu inversor, junto ao painel.
• 4Microinversor = converte a CC de um módulo em CA para a rede.
• 5As saídas de vários microinversores podem ser combinadas.

Fonte: ALVES, seção 3.2 (via texto base).

Microinversor × inversor string: o que muda na prática

• 1A diferença aparece no tamanho e no sombreamento: em cima, o string; embaixo, o microinversor.
• 2Cada microinversor atende a um só módulo, e a faixa de 50 a 250 W é a dos módulos. Cada um tem seu MPPT.
• 3No string, um módulo sombreado derruba a série inteira.
• 4Em pequeno e médio porte, o microinversor pode aumentar a geração.

Fonte: ALVES §3.2 e §3.1.2; GODOI et al., 2018.

As estruturas de fixação

• 1Os módulos precisam ficar presos, na inclinação e orientação certas.
• 2Quem faz isso são as estruturas de fixação.
• 3Estrutura de fixação = o conjunto que prende os módulos ao telhado.
• 4Ela também define o ângulo dos módulos.

Fonte: ZILLES et al., cap. 4 e cap. 1 (via texto base).

O que compõe a estrutura de fixação

• 1A estrutura de fixação é um conjunto, não uma peça só.
• 2Parafusos, vedação, suporte, trilhos e grampos.
• 3Grampo terminal (na ponta) e intermediário (entre dois).
• 4Materiais leves e resistentes: alumínio e aço inoxidável.

▸ Trilho = barra de apoio; grampo = prende a borda; vedação = fecha a passagem de água.

Fonte: TEIXEIRA §2.1.1, §2.2 e §2.3; ZILLES cap. 1.

A fixação depende da cobertura — e do vento

• 1O jeito de fixar depende da cobertura e do vento.
• 2A estrutura sofre intempéries e precisa ser reforçada.
• 3Depende do material da cobertura: telha, laje, geometria.
• 4O vento manda: a fixação tem de resistir a ventos de até 180 km/h.

▸ Intempérie = sol, chuva e vento ao longo do tempo. ABNT NBR 6123 = norma das forças do vento nas estruturas.

Fonte: TEIXEIRA, seção 2.1.1 (via texto base).

O que é monitorar o sistema

• 1Depois de instalado, o sistema precisa ser acompanhado.
• 2Monitorar = acompanhar o que gera e em que condições.
• 3Irradiância, temperatura, produtividade e parâmetros elétricos.
• 4É assim que se percebe cedo se está rendendo o que deveria.

Fonte: ZILLES et al., cap. 5 (via texto base).

A aquisição de dados e a sala de monitoramento

• 1Na prática: um equipamento que mede e guarda, e um lugar para ler.
• 2O quadro geral reúne aquisição, medidor de kWh e proteções.
• 3Os inversores ficam numa sala, com um computador que lê os dados.

▸ Aquisição de dados = coleta e registra as medidas; sala de monitoramento = onde se leem.

Fonte: ZILLES et al., cap. 5 (§5.1.4) (via texto base).

As figuras de mérito: como se avalia o desempenho

• 1Avalia-se comparando o que gerou com o que era esperado.
• 2Produtividade, fator de capacidade e desempenho global.
• 3No Brasil, segue a norma de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (ABNT NBR 16274).
• 4São a “nota” do sistema; as fórmulas ficam nas obras.

▸ Fator de capacidade = geração ÷ o máximo possível; os outros dois comparam gerado e esperado.

Fonte: ZILLES et al., cap. 2 §2.9; ABNT NBR 16274:2014.

O cabeamento e as proteções: as string boxes

• 1Cabos ligam tudo — e onde há corrente, há proteção.
• 2As proteções ficam nas string boxes, uma de cada lado.
• 3CC entre módulos e inversor; CA entre inversor e quadro.

▸ Cabeamento = os cabos que conduzem a energia. String box = a caixa com as proteções, uma de cada lado.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 30.

O disjuntor: desliga quando há problema

• 1Nas string boxes há o disjuntor.
• 2Disjuntor = desliga o circuito quando passa corrente demais.
• 3Desliga sozinho, sem ninguém presente.

▸ Curto-circuito = caminho sem resistência; sobrecarga = corrente demais por muito tempo.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 31.

O DPS: protege contra descargas atmosféricas

• 1A outra peça cuida dos surtos de tensão.
• 2DPS = dispositivo que desvia o surto para a terra.
• 3Sem ele, um raio pode danificar o inversor e a casa.

▸ Surto = pico rápido de tensão; descarga atmosférica = o raio.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 30 e p. 32.

O quadro de distribuição e a conexão com a rede

• 1O sistema precisa encontrar a casa e a rede.
• 2O ponto de encontro é o quadro de distribuição.
• 3Quadro de distribuição = painel que reparte a energia da casa.

▸ Concessionária (ou distribuidora) = a empresa da sua conta de luz.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 25 e p. 30.

Existem três tipos de sistema

• 1O sistema pode ser montado de três formas.
• 2Conectado à rede (on-grid): junto com a rede, sem baterias.
• 3Isolado (off-grid): sem rede, depende de baterias.
• 4Híbrido: rede e baterias juntas.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 25.

On-grid: conectado à rede

• 1O on-grid é o mais comum nas cidades.
• 2On-grid = conectado à rede.
• 3A geração é contabilizada: o que sobra vira crédito.
• 4Crédito = a energia injetada que abate o consumo depois.
• 5Não usa baterias: a rede é o “estoque”.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 25.

Off-grid: isolado, com baterias

• 1O off-grid é de quem está longe da rede.
• 2Off-grid = isolado, sem rede.
• 3A energia gerada precisa ser guardada em baterias.
• 4Bateria = o conjunto que acumula energia para depois.
• 5Aqui, o excedente não vira crédito.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 25.

Híbrido: rede e baterias juntas

• 1O híbrido combina os dois anteriores.
• 2Híbrido = conectado à rede e com baterias.
• 3Usa a rede como apoio e guarda energia nas baterias.
• 4Se a rede cair, a bateria ainda alimenta a casa.

Fonte: texto base, caixa “Síntese do curso” §6.

O medidor bidirecional

• 1A energia não anda só num sentido: a casa recebe e injeta.
• 2Quem registra os dois sentidos é o medidor bidirecional.
• 3São dois contadores: um necessário, que faz o balanço da conta, e um opcional, um medidor de geração, que registra toda a energia produzida.

▸ Net metering = medição do fluxo de potência nos dois sentidos.

Fonte: ZILLES et al., cap. 4 §4.2 (via texto base).

A compensação de energia e a regra brasileira

• 1O segundo contador fica entre o inversor e o ponto de conexão e mede a energia gerada; o primeiro, no ponto de conexão, mede os dois sentidos — o que entra e o que sai — e fecha o balanço da conta.
• 2Com contadores bidirecionais, desconta-se a energia consumida.
• 3O que o sistema gera a mais vira abatimento na conta.
• 4No Brasil, a medição bidirecional é exigida (ANEEL RN 1.000/2021).
• 5A compensação é a regra que faz a sobra virar crédito.

Fonte: ZILLES et al., cap. 4; ANEEL RN 1.000/2021.

O sistema completo: juntando as peças

• 1Agora dá para ver o sistema inteiro, do telhado à rede.
• 2Módulos e estruturas; cabeamento; string box CC; inversor.
• 3String box CA; quadro de distribuição; medidor bidirecional.
• 4Esta tela é o mapa do sistema: o nome e o papel de cada peça.

Fonte: GOUVEIA; HATANAKA; OLETO, cap. 5, p. 26-32.

Fechamento: o caminho que o módulo percorreu

• 1Percorremos quatro passos.
• 21. A luz vira eletricidade: efeito fotovoltaico e junção P-N.
• 32. A etiqueta da célula: Isc, Voc, PMP, eficiência e STC.
• 43. Os componentes: módulo, inversor, estruturas e proteções.
• 54. Os tipos de sistema: on-grid, off-grid e híbrido.

Fonte: roteiro do Módulo 2, Fases 2 a 5.

A amarração final

• 1A luz vira eletricidade porque o semicondutor solta elétrons.
• 2Célula → módulo → arranjo.
• 3O inversor transforma CC em CA; as proteções cuidam da segurança.
• 4No fim, você escolhe: on-grid, off-grid ou híbrido.
• 5O que vem depois: quanto custa e quanto rende.

Fonte: roteiro do Módulo 2, Fase 6.