Fotovoltaico de Qualidade

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1 Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Rodolfo Henrique Engº de Aplicações SICES BRASIL

2 Conteúdo da Palestra o o o o Inversor Solar Introdução Topologias de Conversão Problemas ao Longo da Vida Útil Módulo Fotovoltaico Introdução Célula Solar Aspectos de Qualidade Normas de Qualidade Problemas ao Longo de Vida Útil String Box Introdução Recomendações de Uso Circuito Detalhado de Proteção CC Local de Instalação Estruturas de Fixação Introdução Aspectos de Qualidade Problemas ao longo da Vida Útil

3 INVERSOR SOLAR

4 Inversor Solar Introdução Seu principal papel é o controle de potência do arranjo fotovoltaico a ele conectado, visando otimizar ao máximo a produção do sistema e assegurar que a saída de potência esteja totalmente sincronizada com a rede. Os parâmetros de leitura para controle de saída de potencia, são: o Tensão da Rede; o Defasagem de Corrente; o Impedância darede; d o Frequência; o Ft Fator de Ptê Potência; o Resistência de Isolamento com o arranjo.

5 Topologia de Conversão Devido a necessidade de conversão da energia provida dos Módulos Fotovoltaicos, tensão e corrente contínuas (CC), faz se necessário um sistema de processamento e condicionamento ideal de energia a ser convertida na interface com a rede, para se adequar a frequência e tensão da mesma. As normas e recomendações internacionais e nacionais, que abordam aspectos importantes de segurança, operação, eficiência e qualidade de energia para Inversores aplicados em Sistema Solar Fotovoltaico On Grid,são: o IEEE Std ; o UL ; o CEI 11 20; o IEC 62116:2014 o ABNT NBR 16149:2013 o ANBT NBR 16150:2013

6 Topologia de Conversão Dentre as diferentes topologias de conversão que hoje são aplicadas pelos diversos fabricantes, podemos apontar algumas particularidades que torna favorável o uso de determinado equipamento, com base nas recomendações e normas internacionais: o Baixo conteúdo harmônico; o Isolação Galvânica entre os Módulos Fotovoltaicos e a Rede; o Múltiplos estágios de conversão; o Método de Rastreamento MPPT; o Comutação Suave.

7 Topologia de Conversão A topologia adotada por cada fabricante visa a compactação dos componentes eletrônicos, sendo assim submetidos a um esforço relativamente menor, melhorando a eficiência na conversão de energia e aumentando a durabilidade do Inversor. Figura 1 Topologias de Conversão. (a) Único estagio de Conversão, não isolado; (b) Único estagio de Conversão, isolado; (c) Múltiplos estágios de Conversão, isolado; (d) Múltiplos estágios de Conversão, não isolado.

8 Único estagio de conversão Não isolado Conhecido como o método mais simples de condicionamento de energia solar fotovoltaica para injetar energia na rede, sendo a unidade de conversão a única interface entre os módulos fotovoltaicos e a rede. Suas principais vantagens são sua robustez, simplicidade e alta eficiência. Entretanto, apresenta baixo fator de potência e elevada distorção harmônica, sendo necessário filtros especiais para compensar. Figura 2 Único estagio de conversão Não Isolado.

9 Único estagio de conversão Isolado É incorporado a unidade de conversão, um transformador na interface com a rede, para proporcionar isolamento galvânico entre ambas. Além de aumentar a segurança do sistema, a indutância de dispersão do transformador pode atuar como filtro para os harmônicos da corrente de saída do inversor. Figura 3 Único estagio de conversão Isolado.

10 Múltiplos estágios de conversão Não isolado Compõe se de um conversor CC/CC, com dois ou mais estágios de processamento de energia, em cascata com a unidade de conversão CC/CA. Permite com facilidade o controle dos harmônicos de corrente de saída, controle do fator de potência e de outros recursos, devido à tecnologia digital e à rápida resposta possível com o chaveamento em alta frequência. O conversor CC/CC é encarregado de realizar o rastreamento MPPT (Maximum PowerTracking), ) do arranjo fotovoltaico. Figura 4 Múltiplos estágios de conversão Não isolado

11 Múltiplos estágios de conversão Isolado O conversor CC CC é isolado com transformador de alta frequência com núcleo de ferrite. Assim, o conversor CC CC se torna responsável pelo isolamento galvânico dos painéis e pela adequação do nível de tensão aplicada à entrada do inversor, que deve ser superior ao pico da tensão da rede elétrica. Figura 5 Múltiplos estágios de conversão Isolado

12 Possíveis Problemas com Inversores ao Longo da Vida Útil A péssima qualidade dos componentes eletrônicos constituintes de um Inversor, ou instalação projetadas de forma inadequada, podem ocasionar uma redução na expectativa de vida útil do equipamento. As falhas mais comuns estão relacionados com os seguintes componentes: o Capacitores; o Tiristores; o PontedeDiodos; o Transformadores; o Microcontroladores.

13 Possíveis Problemas com Inversores ao Longo da Vida Útil Para garantir a vida útil do equipamento, édeextremaimportância seguir as recomendações do fabricante, relacionadas com as condições gerais de instalação. Figura 6 Posição e Local de Instalação Recomendados Pelo Fabricante ABB

14 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

15 Módulo Fotovoltaico Introdução O Módulo Fotovoltaico é o resultado da associação em série/paralelo de células solares, para produzir corrente e tensão adequadas às aplicações elétricas que se destinam. O conjunto de células é encapsulado, de forma a proporcionar a necessária proteção contra possíveis danos externos, mecânicos ou elétricos e garantir a operação segura do sistema. Figura 7 Características Construtivas do Módulo Fotovoltaico

16 Célula Solar Fotovoltaico de Qualidade Na célula solar ocorre a transformação da energia contida na radiação luminosa em energia elétrica, este fenômeno físico é conhecido como efeito fotovoltaico. A célula solar é o resultado a da junção de material semicondutor do Tipo p com Tipo n. A junção dos dois materiais possibilita absorver a energia da radiação solar e transferir parte dessa energia para elétrons, produzindo pares de portadores de carga (Elétron Lacuna). λ 1,1 μm Figura 8 Características Construtivas da Célula Solar

17 Aspectos de Qualidade dos Módulos Fotovoltaicos Os principais aspectos de qualidade de um módulo fotovoltaico estão relacionados com: o Processo de Purificação e dopagem do Silício; Grau de Pureza; Fração de Dopagem Tipo p(mm)etipo n(μm). o Flash Test das Células; o Linha de Produção dos Módulos; o Quando 100% automatizada, fica livre de contaminação da célula. o Características Construtivas; o Grau de isolamento.

18 Aspectos de Qualidade dos Módulos Fotovoltaicos NORMAS As normas internacionais, que abordam aspectos importantes de segurança, operação, eficiência e qualidade de Módulos Fotovoltaicos, são: o IEC ForCrystalline Silicon Modules; Avaliação de todos os parâmetros que são responsáveis pelo envelhecimento dos módulos fotovoltaicos policristalinos e descreve os vários testes de qualificação, para comprovação da vida útil declarada pelo fabricante. o IEC Photovoltaic (PV) module safety qualification; Avaliação de segurança dos módulos fotovoltaicos para o risco de choque elétrico, perigo de incêndio, mecânica e segurança estrutural.

19 Aspectos de Qualidade dos Módulos Fotovoltaicos NORMAS o o IEC Salt mist corrosion testing of photovoltaic (PV) modules; Exposição a neblina salina. É um método de ensaio normalizado utilizado para verificar aresistência i à corrosão. IEC UV test for photovoltaic (PV) modules; Teste com radiação UV, utilizado para testar a resistência do revestimento. Determina a capacidade que um módulo fotovoltaico tem de suportar exposição a ultra violeta (UV ) de 280 nm a 400 nm.

20 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil o Interconexões Quebradas; o Falhas de conexão da caixa de o Fissuras na Célula; junção e módulos; o Corrosão; o Falhas estruturais; o Delaminação o Falhas Diodo By pass; o Descoloração encapsulante; o Abrir circuitos levando a o Falhas de solda; formação de arco; o Hot Spots; o Vidro quebrado.

21 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil Figura 9 Corrosão

22 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil Figura 10 Dl Delaminação

23 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil Figura 11 Descoloração

24 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil Figura 12 Fissura da Célula

25 Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil Figura 13 Interconexões Quebradas

26 STRING BOX

27 String Box Introdução A String Box é o conjunto de proteções elétricas instalados na interface entre os Módulos Fotovoltaicos e a entrada CC do Inversor. Os equipamentos que compõem um sistema fotovoltaico estão sujeitos a surtos elétricos, provenientes de raios, condições de operação anormal e falhas de algum equipamento, que por sua vez, podem causar danos aos Módulos Fotovoltaicos e Inversores.

28 String Box Recomendações de Uso O uso de dispositivos de proteção CC, são itens obrigatórios na normas e recomendações internacionaisi i e seu perfeito dimensionamentoi é de extrema importância para garantir a segurança necessária dos equipamentos e de pessoas. Os equipamentos devem ser todos classificados para trabalhar em corrente continua. Um dos motivos é que a extinção do arco elétrico que ocorre no chaveamentodeumadeterminadacargaoufontedecorrentecontinua,émais complexo.

29 String Box Fotovoltaico de Qualidade Figura 14 A distância mínima, para extinguir um arco proveniente de uma corrente de 10 A

30 String Box Circuito Detalhado de Proteção CC Figura 15 Diagrama Elétrico de Gerador Fotovoltaico

31 String Box Local de Instalação A proteção CC deve ser instalada o mais próximo possível dos módulos fotovoltaicos, para garantir uma ação rápida dos dispositivosi i de proteção e distanciar ao máximo o surto do Inversor. A temperatura de operação dos componentes fora da faixa nominal, podem alterar significativamente as propriedades material no qual é constituido, retardando ou acelerando sua atuação em situação indesejadas.

32 String Box Local de Instalação Para extinguir os dados causadas ao componentes, a String Box deve ser instalada em local protegido da radiação direta do Sol, conforme figura que se segue: Figura 16 Local de Instalação Ideal da String Box

33 Fotovoltaico de Qualidade ESTRUTURAS S S DE FIXAÇÃO

34 Estruturas de Fixação Introdução A função básica de uma estrutura de fixação é comportar os módulos fotovoltaicos sobre determinada d cobertura, ou ao nível do solo, e garantir a segurança mecânica, estrutural e de pessoas. A vida útil dos módulos fotovoltaicos será reduzida, caso a estrutura de fixação seja inadequada, ou mal dimensionada. Existem muitas forças que atuam diretamente na estrutura, e a mesma não pode comprometer a estrutura do módulo fotovoltaico.

35 Estruturas de Fixação Aspectos de Qualidade das Estruturas o Montagem simples e Modular; o Estrutura aprovada tecnicamente por certificações internacionais; o Flexível Adequadas para qualquer tipo de Módulo Fotovoltaico; o Liga de Aço Inoxidável ; o Liga de alumínio 6063; o Aplicação Segura e Confiável; o Componentes submetidos a testes de corrosão, resistência mecânica, analise de fluxo de vento.

36 Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil o Efeito de dilatação térmica; o Péssima Ancoragem; o Instalação de estrutura inadequada a cobertura; o Instalação sem levar em conta as devidas recomendações do fabricante.

37 Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil Figura 17 Estrutura de Fixação Mal Projetada

38 Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil Figura 18 Efeito de Dilatação Térmica

39 SOLUÇÕES SICES BRASIL

40 Muito Obrigado Pela Atenção!

Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho DSCE Departamento de Sistemas e Controle de Energia/FEEC/UNICAMP ruppert@fee.unicamp.

Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho DSCE Departamento de Sistemas e Controle de Energia/FEEC/UNICAMP ruppert@fee.unicamp. CONVERSORES ELETRÔNICOS DE POTÊNCIA PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE BAIXA TENSÃO CONECTADOS À REDE Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho DSCE Departamento de Sistemas e Controle de Energia/FEEC/UNICAMP ruppert@fee.unicamp.br

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