Ana Beatriz Pinheiro

Energia Solar: A Aplicação do Efeito Fotovoltaico

A fonte fotovoltaica é uma das grandes saídas para a transição energética no mundo. Há uma crescente demanda pela energia solar, tanto por conta de sua praticidade de instalação, quanto pela sua acessibilidade, que permite uma autonomia maior na geração de energia, e variedade de opções de consumo. Porém o que hoje é tão corriqueiro, é o fruto de uma grande descoberta: o Efeito Fotovoltaico.

fonte: Metasol (2022)

No efeito fotovoltaico, diferentemente do que ocorre no efeito fotoelétrico, quando partículas de luz (fótons) incidem sob uma superfície, elas excitam os elétrons livres, mas não os expele, e sim cria uma diferença de potencial (DPP), que permite um fluxo de elétrons ordenados (corrente contínua), ou seja, permite a geração de energia elétrica. Este efeito ocorre nos materiais semicondutores, e a luz incidente não precisa ter uma frequência específica, pois o que excita os elétrons é a energia cinética dos fótons.

Os semicondutores mais comuns são feitos de materiais cristalinos, como o silício. A estrutura atômica do silício, por exemplo, possui uma rede cristalina em que cada átomo compartilha elétrons com seus vizinhos, criando ligações covalentes fortes. Em condições normais, esse material age como um isolante; entretanto, ele pode conduzir corrente elétrica se a energia de ativação (energia cinética adquirida pela colisão dos fótons com os elétrons livres) for fornecida, excitando elétrons para a banda de condução.

Semicondutores podem ser modificados por um processo chamado dopagem, no qual impurezas são introduzidas no material para melhorar sua condutividade. Existem dois tipos principais de dopagem:

Tipo N: Adiciona-se um elemento com mais elétrons livres, na maioria das vezes tetravalente, como o silício, criando uma abundância de elétrons livres para condução.

Tipo P: Adiciona-se um elemento com menos elétrons de valência (como o boro, que possui três elétrons de valência), criando uma “falta de elétrons”, ou lacunas, que agem como cargas positivas móveis, apesar de NÃO serem cargas positivas.

Fonte: IFSC

É muito comum o uso da “junção PN”. Quando esses dois tipos de material são unidos, ocorre uma difusão de portadores de carga. Os elétrons livres do lado n tendem a se mover para o lado p, e as lacunas do lado p tendem a se mover para o lado n. Esse movimento de cargas gera uma região de depleção na interface entre as duas áreas, onde não há mais elétrons livres ou lacunas móveis. Na região de depleção, forma-se uma barreira de potencial que impede que mais elétrons e lacunas se movam livremente entre os lados p e n. Ao “fim” do caminho percorrido pelos elétrons livres, há eletrodos para captação e transmissão dessa energia gerada, que é encaminhada a um inversor, onde será convertida de CC para CA (Corrente alternada) para uso domiciliar ou injeção na rede

Fonte: MIRATECH(2024)]

Referências:
SOLARPRIME. Guia completo sobre placa solar (painel). Disponível em: https://solarprime.com.br. Acesso em: 31 out. 2024.
PORTAL SOLAR. Como funciona a energia solar?. Disponível em: https://www.portalsolar.com.br. Acesso em: 01 nov. 2024.
GREEN, M. A. Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1998
INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA (IFSC). Aula 2 – Eletrônica Geral 1 – Técnico. Disponível em: https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/index.php/AULA_2_-_Eletrônica_Geral_1_-_Técnico. Acesso em: 01 nov. 2024.
MITRATECH. Como funciona energia solar fotovoltaica. Disponível em: https://mitratech.com.br/como-funciona-energia-solar-fotovoltaica/. Acesso em: 02 nov. 2024.

Relé de sequência de fase: funcionamento e importância

Os sistemas elétricos de potência no Brasil na grande maioria das vezes são transmitidos e distribuídos em corrente alternada no padrão trifásico, onde muitos equipamentos são energizados através dessa ligação. Em razão disso, é importante conhecer o conceito de sequência de fases, RST ou ABC, para a instalação correta, evitando faltas e defeitos em equipamentos.

A sequência de fase é a ordem em que cada fase alcança o valor de pico, e serve como uma forma de organizar as relações entre as fases de sistemas polifásicos. Portanto, se há mudanças nessa sequência, algumas consequências são notadas, como subtensão e inversão de sentido de giro do campo magnético, o que afeta geradores e motores.

fonte: IFSC

Um equipamento de proteção frequentemente utilizado para evitar problemas com desequilíbrio e inversão de fases é o Relé Sequencial, conhecido como função 47 na tabela ANSI. Esse relé identifica se o sistema está fornecendo a sequência correta (sequência positiva) para gerar um campo magnético girando no sentido desejado.

fonte: DIGImec

De acordo com Fortescue, um sistema desequilibrado polifásico de n fases pode ser decomposto em n sistemas equilibrados. No caso do sistema trifásico desequilibrado, ele pode ser decomposto em sequências positiva (ABC), negativa (ACB) e nula (0).

fonte: STEVENSON (1986)

Ao identificar a presença da componente negativa, o relé sequencial abre o contato, não permitindo que o equipamento funcione. Geralmente, o relé sequencial é comercializado junto à função de detecção de faltas, o que significa que ele também verifica se há a presença de assimetria, ou seja, se há a presença das componentes negativa e nula para além da positiva, como manda o teorema de fortescue, e interrompe o circuito da mesma forma.

Fonte: DIGImec

Com vida útil elétrica em cerca de 1.000.000 ciclos, e mecânica de 10.000.000 ciclos, o relé sequencial é um item indispensável em sistemas elétricos que contam com máquinas e equipamentos rotacionais. O equipamento de proteção preserva a vida útil dessas máquinas, bem como previne defeitos.

Referências

STEVENSON, William D. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 458p.

KINDERMANN, Geraldo. Curto Circuito. 2. ed. Porto Alegre: Sagra Luzzatto, 1997. 214 p.

O QUE é um relé sequência de fase? 2020. Disponível em: https://aprendendoeletrica.com/o-que-e-um-rele-sequencia-de-fase/. Acesso em: 14 jun. 2024.

RELÉS de sequência de fase. Disponível em: https://www.digimec.com.br/produtos/210/reles-de-sequencia-de-fase. Acesso em: 15 jun. 2024.

MESH ENGENHARIA (org.). Sequência de Fase: função 47. Função 47. Disponível em: https://meshengenharia.com/2023/04/21/sequencia-de-fase-funcao-47/. Acesso em: 14 jun. 2024.

Transformadores Verdes no Cenário da Potência

Os transformadores são equipamentos imprescindíveis para a transmissão da energia elétrica. A parte ativa do transformador (enrolamentos e núcleo) fica disposta dentro da estrutura em contato com material dielétrico, que na maioria das vezes se trata de óleo. Historicamente, muitos tipos de óleos isolantes foram largamente utilizados nos transformadores, como: óleo mineral tipo A, óleo mineral tipo B, óleo sintético, e mais recentemente, óleo vegetal. Os transformadores que utilizam óleo vegetal são comumente chamados de “Transformadores Verdes”.

Transformador de potência.
Fonte: T&DWORLD

Elemento renovável:

O óleo vegetal se tornou uma alternativa mais sustentável ao óleo mineral por sua origem renovável. Enquanto os OMIs são advindos do petróleo, fonte esgotável, os OVIs são extraídos a partir de grãos, como o milho, a soja, e o babaçu. Os óleos vegetais podem ser utilizados como dielétricos nos equipamentos e máquinas, desde que sigam as especificações da norma NBR 15422. Dessa forma, a substituição do isolante mineral pelo vegetal está sendo cada vez mais bem quista.

Resfriamento:

As perdas por histerese magnética, por correntes parasitas e pelo cobre ocorrem durante a operação do transformador, e de forma inevitável. Elas são convertidas em calor, o que gera a necessidade de um mecanismo de refrigeração dentro do equipamento. O óleo, portanto além de isolar, é responsável pelo controle de temperatura do trafo, através da passagem do óleo pelos radiadores, o que ocasiona troca de calor por convecção. Para que a troca de calor seja adequada, o óleo deve ter baixa viscosidade, para que circule sem empecilhos nos radiadores, o que se torna um problema para os transformadores verdes. O óleo vegetal possui uma alta viscosidade, e gruda nas paredes da estrutura do trafo, podendo diminuir a vida útil do equipamento. Portanto, a estrutura de um transformador verde deve ser diferente da de um comum, tendo seu sistema de refrigeração projetado de modo a facilitar a passagem do óleo denso, como por exemplo, aumentando a largura dos radiadores.

Demonstração da circulação do óleo e consequente troca de calor.
Fonte: UniverTec.

Biodegradabilidade:

O óleo vegetal, também chamado de éster natural de forma mais generalizada, apresenta maior biodegradabilidade quando comparado ao óleo mineral, por conta da sua origem. Um material de origem vegetal se degrada mais facilmente e com menos impactos à água e ao solo, visto que sua composição química reage mais com estes materiais, degradando-se numa faixa de 89 a 97% em 28 dias.

Estrutura química do éster natural.
Fonte: AMORIM, 2019.

Oxidação do óleo:

Outro aspecto construtivo do transformador verde que o difere do transformador comum é que sua estrutura metálica precisa ser reforçada, e sem a presença do mecanismo de “respiro livre”. O óleo vegetal apresenta alta oxidação, o que torna necessário o uso de mecanismos para evitar a todo custo o contato do oxigênio presente na atmosfera com o óleo presente no equipamento, de modo a prolongar a vida útil do isolante. Desse modo, a solução para a expansão térmica do óleo vegetal do transformador é o uso de conservadores com bolsas de borracha.

Bolsa de borracha para tanque de expansão.
Fonte: Unitec Borrachas

Considerações finais:

Com a urgência da crise climática e ambiental, o mundo procura formas de construir um futuro mais verde, e não é diferente na área da eletricidade. Nos transformadores de potência, ainda é baixa a adesão ao modelo sustentável, pois são equipamentos de vida útil elevada (cerca de 40 anos), e não se torna financeiramente viável substituir equipamentos que utilizam o óleo mineral isolante e ainda funcionam bem. Porém é inegável que o futuro dos transformadores de potência tende a ser sustentável.

Referências:

SANTANA, Ruth Marlene Campomanes e FRIEDENBERG, Luiz Eduardo. “Propriedades de óleos isolantes de transformadores e a proteção do meio ambiente”,. 2014. Disponível em: <http://www.abes-rs.org.br/qualidade2014/trabalhos/id868.pdf> Acesso em: 31 de Outubro de 2023

CHAVIDI, Venkata Prasad e GNANASEKARAN, Dhorali.“Vegetable Oil based Biolubricants and Transformer Fluids: applications in power plants.”. 2018.

ALMEIDA, Larissa Santos e MUNIZ Pablo Rodrigues “ANÁLISE DE DESEMPENHO DO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO VEGETAL EM RELAÇÃO AO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO MINERAL.”. Revista IFes Ciência, 2020.

SIMONE, Giovana, “O USO DE ÓLEO VEGETAL EM TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA” . 2017 – Universidade Federal De Santa Catarina. Disponível em <https://repositorio.ufsc.br/xmlui/bitstream/handle/123456789/182225/Oleo%20vegetal%20em%20Trafos%20revisao.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Acesso em: 31 de Outubro de 2023

AMORIM, Cleber Arantes “ADEQUAÇÃO DO PROJETO DE ISOLAMENTO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA NA SUBSTITUIÇÃO DO ÓLEO MINERAL PELO ÉSTER NATURAL”. 2019. Disponível em <https://www.ppgee.ufmg.br/defesas/1602M.PDF>. Acesso em: 29 de Outubro de 2023

“Como o óleo trabalha na refrigeração dos Transformadores” 2022. Disponível em <https://www.romagnole.com.br/noticias/como-o-oleo-trabalha-na-refrigeracao-dos-transformadores/>. Acesso em: 26 de outubro de 2023

Autor Ana Beatriz Pinheiro