Manual Fotovoltaico

Manual Fotovoltaico

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O presente volume, parte integrante de uma edição de três volumes técnicos, resulta do trabalho levado a cabo no âmbito de um projecto parcialmente financiado pela Comissão Europeia, designadamente do programa ALTENER, o qual visa promover a utilização das Fontes de Energia Renováveis (FER) no espaço Europeu.

O projecto em causa, designado por “GREENPRO”, decorreu entre Fevereiro de 2002 e Janeiro de 2004, e envolveu um conjunto de parceiros que representaram cinco países da União Europeia, nomeadamente a Holanda, a Alemanha, a Itália, o Reino Unido e Portugal. Em todos estes países serão de igual forma editados os três mencionados volumes técnicos nos respectivos idiomas.

Com o objectivo de fornecer um documento de referência a todos aqueles que se interessam pela temática das renováveis, partiu-se de originais elaborados na Alemanha. Posteriormente cada país procedeu então à necessária tradução e adaptação, no âmbito da especificidade de cada realidade nacional.

Pretendeu-se com o formato em causa proceder à apresentação de informação de cariz essencialmente prático, sem descurar no entanto a fundamentação teórica dos aspectos mais relevantes.

Esperamos desta forma que a presente série de documentos possa ser da máxima utilidade para todos os que de algum modo pretendam contactar com as energias renováveis - arquitectos, engenheiros, empreiteiros, instaladores, proprietários de imóveis, estudantes, entre outros, quer ao nível de projectos de investimento de natureza pessoal, quer no contexto de actividades profissionais.

Janeiro de 2004

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2CONHECIMENTOS ELEMENTARES 2.1 2.1 Sistemas e aplicações fotovoltaicos 2.1 2.1.1 Panorama geral 2.1 2.1.2 Sistemas autónomos 2.1 1. Gerador fotovoltaico 2.5 2. (um ou vários módulos fotovoltaicos, maioritariamente dispostos em paralelo) 2.5 3. Regulador de carga 2.5 4. Acumulador 2.5 5. Consumidor 2.5 2.1.3 Sistemas ligados à rede 2.6 2.2 Radiação solar 2.8 2.2.1 O Sol como fonte de energia 2.8 2.2.2 Distribuição da radiação solar 2.9 2.2.3 Radiação directa e difusa 2.10 2.2.4 Definição do ângulo 2.1 2.2.5 Posição e espectro do Sol 2.12 2.2.6 Radiação solar em planos inclinados 2.14 2.2.7 Reflexão na Terra 2.15 2.2.8 Processos de medição da radiação solar 2.16 2.2.9 O aumento da produção energética seguindo-se o movimento do Sol 2.17 2.3 Efeito fotovoltaico e função das células solares 2.20 2.3.1 Princípios funcionais de uma célula solar 2.20 2.3.2 Estrutura e função de uma célula solar de silício cristalino 2.2 2.4 Tipos de Células 2.23 2.4.1 Células de silício cristalino 2.23 2.4.2 Células de película fina 2.37 2.1.1 2.45 2.4.3 Células híbridas: Células solares HCI 2.45 2.4.4 Comparação entre os diferentes tipos de células solares 2.46 2.5 Propriedades eléctricas das células solares 2.47 2.5.1 Diagrama do circuito equivalente das células solares 2.47 2.5.2 Parâmetros celulares e curvas características da célula solar 2.53 2.5.3 Sensibilidade espectral 2.56 2.5.4 Eficácia da célula solar e dos módulos fotovoltaicos 2.57

3COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO 3.1 3.1Módulos fotovoltaicos 3.1 3.1.1 Encadeamento de Células 3.1 3.1.2 Encapsulamento da célula 3.2 3.1.3 Tipos de módulos 3.5 3.1.4 Opções de desenho para os módulos fotovoltaicos 3.8 3.1.5 Contactos eléctricos do módulo e caixas de junção 3.17 3.1.6 Símbolos eléctricos 3.18 3.1.7 Curvas características dos módulos 3.19 3.1.8 Parâmetros do módulo 3.20 3.1.9 Características eléctricas de módulos fotovoltaicos cristalinos 3.21 3.1.10 Pontos quentes, díodos de derivação e sombreamento 3.24 3.1.1 Características eléctricas dos módulos de película fina 3.27 3.1.12 Certificação da qualidade dos módulos 3.31 3.2 Caixa de junção geral, díodos de bloqueio das fileiras e fusíveis 3.34 3.3 Inversores 3.36 3.3.1 Símbolos eléctricos e função 3.36

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3.3.2 Inversores comutados pela rede 3.38 3.3.3 Inversores auto-controlados 3.39 3.3.4 Parâmetros, curvas características e propriedades dos inversores 3.43 3.3.5 Tipos de inversores e tamanhos de construção para várias classes de potência 3.48 3.3.6 Outros desenvolvimentos tecnológicos 3.50 3.4 Cabos 3.52 3.4.1 Cabos do gerador 3.52 3.4.2 Cabo principal DC 3.54 3.4.3 Cabo de ligação AC 3.54 3.5 Material da instalação 3.54 3.6 Interruptor principal DC 3.54 3.7 Equipamento de protecção AC e aparelhos de medida 3.5 3.8 Acumuladores 3.5 3.8.1 Constituição e funcionamento das baterias de ácido de chumbo 3.56 3.8.2 Tipologia e características das baterias de ácido de chumbo 3.57 3.8.3 Desempenho e características dos acumuladores de ácido de chumbo 3.61 3.8.4 Efeitos do envelhecimento 3.64 3.8.5 Critérios de selecção 3.65 3.8.6 Manutenção e informação de segurança 3.6 3.8.7 Reciclagem 3.67 3.9 Controladores de carga 3.67 3.9.1 Controladores série 3.69 3.9.2 Controladores Shunt (ligação em paralelo) 3.70 3.9.3 Protecção por depleção 3.70 3.9.4 Controladores de carga MPP 3.71 3.10 Inversor autónomo 3.72 3.10.1 Inversores de onda sinusoidal 3.73 3.10.2 Inversores trapezoidais 3.73 3.10.3 Critérios de aplicação de inversores em sistemas autónomos 3.74

4LEVANTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DO LOCAL DA INSTALAÇÃO E ANÁLISE DE SOMBREAMENTOS 4.1 4.1 Visita e levantamento das características do local da instalação 4.1 4.2 Consulta ao cliente 4.2 4.3 Levantamento de dados do local, incluindo os potenciais sombreamentos 4.3 4.3.1 Tipos de sombreamento 4.3 4.3.2 Análise de sombreamentos 4.5 4.3.3 Sombreamentos e concepção do sistema fotovoltaico 4.7 4.3.4 Sombreamento em campos fotovoltaicos inclinados 4.1 4.4 Questionário para a caracterização do prédio 4.12

5PLANEAMENTO E CONCEPÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS COM LIGAÇÃO À REDE 5.1 5.1 Dimensionamento do sistema e selecção do módulo fotovoltaico 5.1 5.2 Concepção do sistema fotovoltaico 5.2 5.2.1 Conceito do inversor central 5.2 5.2.2 Conceito dos inversores de cadeia de módulos 5.4 5.2.3 Conceito das unidades integradas inversor/módulo 5.6 5.3 Local da instalação do inversor 5.8 5.4 Dimensionamento do inversor 5.8 5.4.1 Determinação da potência 5.8 5.4.2 Escolha da tensão de entrada 5.9 5.4.3 Determinação do número de fileiras 5.12 5.4.4 Dimensionamento através de programas de simulação 5.12 5.5 Dimensionamento dos cabos 5.13 5.5.1 Dimensionamento do cabo da fileira 5.15 5.5.2 Dimensionamento do cabo principal DC 5.19

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5.5.3 Dimensionamento do cabo de alimentação AC 5.20 5.6 Selecção das caixas de junção do gerador e dimensionamento do interruptor principal DC 5.21 5.7 Protecção contra descargas atmosféricas, sobretensões e ligação à terra 5.2 5.7.1 Protecção contra descargas atmosféricas directas 5.23 5.7.2 Protecção contra descargas atmosféricas indirectas 5.23 5.7.3 Protecção de sistemas fotovoltaicos contra descargas atmosféricas e sobre-tensões em prédios desprotegidos 5.25 5.7.4 Protecção de sistemas fotovoltaicos contra descargas atmosféricas e sobretensões em prédios previamente protegidos 5.26 5.7.5 Ligações à terra e equipotenciais 5.27 5.7.6 Variantes das protecções contra descargas atmosféricas e das protecções de terra 5.28 5.8 Ligação à rede eléctrica pública 5.29 5.8.1 Estabelecimento da ligação à rede 5.29 5.8.2 Protecção de interligação 5.31 5.8.3 Alojamento e ligação do contador 5.32 5.9 Elaboração da proposta técnica-comercial do projecto 5.32 5.9.1 Custos 5.32 5.9.2 Afectação de tempo no projecto 5.34 5.9.3 Exemplos de cotações 5.36 5.9.4 Descrição, tipos e características dos equipamentos; 5.38 5.9.5 Elaboração da memória descritiva do projecto; 5.38 5.10 Estimativa de produção de energia 5.39 5.1 Regulamentos e disposições construtivas 5.41 5.1.1 Produtos e tipos de construção 5.41 5.1.2 Normas internacionais 5.45 5.12 Fichas de registo de dados para o dimensionamento do sistema fotovoltaico 5.45

6PLANEAMENTO E DESENHO DE SISTEMAS AUTÓNOMOS 6.1 6.1 Introdução 6.1 6.2 Cálculo do consumo de energia eléctrica 6.2 6.3 Dimensionamento do gerador fotovoltaico 6.3 6.3.1 Modelo para o cálculo da energia que é produzida por um gerador fotovoltaico 6.4 6.3.2 Consideração das perdas da linha, de conversão e de desajustamento 6.4 6.3.3 Resumo dos resultados obtidos 6.5 6.3.4 Descrição sumária do método de cálculo para o dimensionamento de um gerador fotovoltaico, tomando como exemplo a pequena casa de férias 6.7 6.4 Dimensionamento das secções transversais dos cabos 6.7 6.5 Dimensionamento do acumulador 6.10 6.6 Aplicação de um inversor 6.1 6.7 Sistema híbrido 6.1

7SOFTWARE E PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 7.1 7.1 Uso de software e de programas de simulação 7.1 7.2 Avaliação dos resultados da simulação 7.2 7.3 Simulação de sombreamentos 7.3 7.4 Análise geral do mercado e classificação dos programas de simulação 7.3 7.5 Descrição dos programas 7.3 7.5.1 Programas de cálculo 7.4 7.5.2 Programas de simulação por passo de tempo 7.4 7.5.3 Simulação de sistemas 7.13 7.5.4 Complemento dos programas e fontes de dados 7.14 7.5.5 Programas de desenho e de suporte 7.16 7.5.6 Programas de simulação baseados na Internet 7.17 7.6 Tabelas de resumo dos programas 7.18

8MONTAGEM E INTEGRAÇÃO EM EDIFÍCIOS 8.1

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8.1 Introdução 8.1 8.2 Conceitos gerais 8.1 8.2.1 As funções de um telhado 8.1 8.2.2 Formas do telhado 8.2 8.2.3 Revestimento do telhado 8.3 8.2.4 Telhados inclinados 8.6 8.2.5 Telhado plano 8.7 8.3 Telhados inclinados 8.8 8.3.1 Sistemas montados no telhado 8.8 8.3.2 Sistemas integrados no telhado 8.20 8.4 Telhados planos 8.49 8.4.1 Sistemas montados no telhado 8.49 8.4.2 Sistemas integrados no telhado 8.56 8.5 Noções básicas sobre fachadas 8.59 8.5.1 Estruturas exteriores das paredes 8.59 8.6 Fachadas Fotovoltaicas 8.64 8.6.1 Ecrãs fotovoltaicos 8.65 8.7 Coberturas de vidro 8.73 8.8 Dispositivos solares de sombreamento 8.78 8.8.1 Sombreamento fixo 8.79 8.8.2 Outros dispositivos solares de sombreamento 8.81 8.8.3 Sistemas de sombreamento movíveis 8.82

9INSTALAÇÃO, ARRANQUE E OPERAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 9.1 9.1 Introdução 9.1 9.2 Notas gerais de instalação 9.2 9.3 Requisitos de segurança para trabalhos efectuados em telhados 9.3 9.4 Instalação de um sistema fotovoltaico ligado à rede 9.6 9.4.1 Dados iniciais 9.6 9.4.2 Procedimentos para a instalação do sistema 9.6 9.5 Vistoria e licença de exploração 9.12 9.6 Falhas de funcionamento, falhas típicas e manutenção de sistemas fotovoltaicos 9.12 9.7 Identificação dos problemas 9.14 9.8 Dados operacionais de montorização e sistema de qualidade 9.16 9.9 Resultados operacionais dos sistemas ligados à rede 9.17 9.10 Seguros para sistemas solares 9.19 9.10.1 Seguro de responsabilidade civil para terceiros 9.19 9.10.2 Danos sobre o sistema fotovoltaico 9.20 9.10.3 Coberturas contra danos em sistemas solares 9.20

10VIABILIDADE ECONÓMICA, ASPECTOS POTENCIAIS E ECOLÓGICOS 10.1 10.1 Avaliação económica 10.1 10.2 Tendências dos custos 10.3 10.3 Evolução da tecnologia 10.5 10.4 O Mercado fotovoltaico 10.6 10.5 Potencial da tecnologia fotovoltaica em Portugal 10.8 10.6 Avaliação ecológica 10.10

1EMPRESAS DO RAMO SOLAR FOTOVOLTAICO 1.1

1 INTRODUÇÃO

O presente documento “Energia Fotovoltaica - Manual sobre tecnologias, projecto e instalação”, surge no contexto de um projecto Europeu, no âmbito de uma candidatura apoiada pelo programa Comunitário ALTENER.

Um dos principais objectivos deste projecto, foi o de proceder à edição de guias técnicos em áreas concretas de intervenção das Fontes de Energia Renováveis (FER), nomeadamente da “Bioenergia”, “Energia Solar Térmica” e da “Energia Solar Fotovoltaica”. O trabalho realizado pela maior parte dos parceiros deste projecto, em representação de cinco países da União Europeia, consistiu na tradução de textos originais e respectivas adaptações no contexto da realidade de cada um dos países em causa.

O Instituto Superior Técnico, através do seu Departamento de Engenharia Mecânica, foi o representante de Portugal no presente projecto, tendo sido da sua inteira responsabilidade todo o processo de coordenação técnica, edição e distribuição das respectivas versões Portuguesas.

O guia técnico que respeita à área da intervenção da energia fotovoltaica (PV), constitui o objecto de trabalho das páginas que se seguem.

complementares no presente tipo de sistemas (inversores,), apresenta hoje um sector

A elaboração do presente documento partiu de uma base de trabalho desenvolvida na Alemanha, no contexto de um país que nos últimos anos tem vindo a destacar-se na presente área tecnológica. A Alemanha, para além de um estádio bastante evoluído em termos de investigação e desenvolvimento da tecnologia dos painéis fotovoltaicos e de equipamentos industrial consolidado na área de produção de equipamento.

A Alemanha tem sido também autora de um conjunto de iniciativas institucionais nas áreas da certificação e de estratégias de incentivos, que têm merecido um reconhecimento ao nível Mundial.

Em termos de obra executada, este País tem demonstrado uma fortíssima capacidade de realização, apresentando uma área superior a 25% do valor da área total de sistemas PV actualmente em funcionamento em todo o Mundo.

Neste contexto, o trabalho que se segue apoiou-se de forma acentuada nos bons exemplos implementados no terreno por parte da Alemanha, tendo-se por objectivo não só fornecer um conjunto de instrumentos de apoio para os interessados na área de intervenção da energia fotovoltaica, desde projectistas até aos potenciais investidores, mas também chamar a atenção junto dos centros de decisão políticos e empresariais, de um potencial não explorado num País onde abunda o Sol.

Tendo por objectivo fazer um enquadramento do interesse desta tecnologia para Portugal, incluindo o seu contexto Europeu e Mundial, bem como apresentar algum do trabalho já desenvolvido por parte dos Centros de Decisão do Poder Central deste País com vista à desejada promoção da tecnologia fotovoltaica, apresentam-se de seguida algumas referências sobre Directivas e Protocolos estabelecidos ao nível da União Europeia, e Programas, Decretos Lei e Diplomas já elaborados e apresentados de forma oficial por parte do Governo Português.

Directiva 2001/7/CE de 27 de Setembro de 2001

A Directiva 2001/7/CE de 27 de Setembro de 2001, do Parlamento Europeu e do Conselho, constituiu um inequívoco reconhecimento por parte da União Europeia, no que se refere à actual prioridade para a produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável (FER) no espaço Europeu.

A data limite para a transposição desta Directiva para o ordenamento jurídico nacional, foi 27 de Outubro de 2003.

No âmbito desta Directiva, a título indicativo, Portugal apresentou o compromisso de ter como meta em 2010, 39% de energia eléctrica produzida a partir de fontes de energia renováveis, no contexto do consumo bruto nacional de electricidade.

Assim, para 2010, onde é estimado para o Continente Português um consumo bruto de energia eléctrica da ordem dos 62 TWh, implicará que a produção de energia eléctrica a partir da FER deverá ser superior a 24 TWh.

Protocolo de Quioto, Convenção Quadro das Nações Unidas

O crescimento da percentagem do consumo da energia eléctrica produzida a partir das FER, ocupa um importante espaço no pacote de medidas preconizadas no âmbito do cumprimento do Protocolo de Quioto.

Em termos da política ambiental da União Europeia, a produção de energia eléctrica a partir das FER, aparece integrada entre as estratégias prioritárias definidas no âmbito das preocupações das alterações climáticas, em particular no âmbito da desejada redução das emissões de gases com efeito de estufa (GEE).

Programa E4

As acções e metas previstas no âmbito do “Programa E4”, Resolução do Conselho de Ministros Nº 154/2001, de 27 de Setembro, organizam-se num contexto de uma estratégia nacional que passa pelas fontes de energia renovável (FER). Desta forma se procurou responder aos desafios que o País se propôs atingir, nomeadamente no que se refere à duplicação da disponibilidade de potência e de energia eléctrica de origem renovável, num período de 10 a 15 anos.

Dentro das medidas previstas pelo E4 que se encontram mais directamente relacionadas com o âmbito da Directiva 2001/7/CE, e que se destaca o seu interesse no âmbito da tecnologia fotovoltaica, temos a agilização do acesso e incentivo ao rápido desenvolvimento da produção de energia eléctrica a partir das FER, a promoção das FER com potencial a médio prazo (onde se inclui a energia fotovoltaica) e a promoção da micro-geração de electricidade a partir da energia solar fotovoltaica.

No E4 é traçada uma primeira meta Nacional para a energia fotovoltaica, nomeadamente de 50 MW.

Resolução do Conselho de Ministros nº 63/2003

Com a presente Resolução do Conselho de Ministros, é revogada a Resolução do Conselho de Ministros nº 154/2001, de 19 de Outubro, que aprovou o Programa E4. Neste documento, o Governo Português considera que a política energética Portuguesa assenta sobre três eixos estratégicos, entre os quais se destaca a necessidade de se assegurar a segurança do abastecimento Nacional e fomentar o desenvolvimento sustentável.

Nesta resolução do Conselho de Ministros, são apresentadas metas indicativas para a produção de energia eléctrica a partir das fontes de energia renovável. A meta de 50 MW traçada pelo E4 para a área da energia fotovoltaica, é pelo presente documento ampliada para 150 MW.

Diplomas Publicados

Entre os diplomas já publicados em Portugal com especial interesse para a produção de energia eléctrica a partir das FER, e com especial interesse no âmbito de intervenção do presente documento – produção de energia eléctrica a partir de sistemas fotovoltaicos, temos os seguintes Decretos Lei e Portarias:

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