Uma estação solarimétrica é constituída por uma serie de equipamentos capacitados a reunir dados relacionados à radiação solar e outros parâmetros meteorológicos e clima. Ao reunir esses dados, a estação é capaz de fornecer informações relevantes para a construção de sistemas fotovoltaicos.
Imagem 1: Usina Fotovoltaica
Fonte: Solled energia/Divulgação
Como funciona e como é constituída?
As estações devem seguir um padrão estabelecido pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) do Governo Federal. Todos os dados coletados são colocados em simulação para determinar locais adequados de instalação de uma futura usina fotovoltaica.
Imagem 2: Estação Solarimétrica
Fonte: Canal Solar/Divulgação
Anemômetro: É um sensor que mede a velocidade do vento.
Piranômetro: Mede a irradiância solar.
Termômetro: Sensor que mede a temperatura do ar.
Painel Solar de Alimentação: Fornece a energia para a operação do sistema.
Esses componentes atuam em conjunto, possuindo o painel solar como fonte de energia. O termômetro desempenha papel fundamental, pois, temperaturas muito altas prejudicam a eficiência energética de uma possível usina, assim como o anemômetro, que ao identificar ventos em excesso mostra que é uma possível área que causa resfriamento nas placas. O piranômetro ao medir a irradiância solar, mostra se o local tem uma boa incidência e capacidade de gerar energia.
Conclusão:
A estação solarimétrica desempenha papel fundamental na construção e planejamento de usinas fotovoltaicas, em decorrência da sua capacidade de avaliação do clima, da irradiância e dados meteorológicos, além de ser um sistema que utiliza energia solar para seu funcionamento, portanto autossustentável.
Entre todas as fontes de energia disponíveis, a energia solar é a mais abundante e pode ser explorada de forma direta e indireta. O Brasil recebe níveis médios de radiação solar superiores aos observados na maioria dos países europeus, com baixa variabilidade sazonal, devido à grande parte do país estar localizada na zona tropical. Nesse contexto, a aplicação de técnicas como os seguidores solares (solar trackers), automatizam os sistemas e os tornam mais eficientes.
A utilização de seguidores solares pode aumentar significativamente a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, pois eles podem captar mais luz solar ao longo do dia em comparação com sistemas fixos. Isso é especialmente benéfico em regiões com alta variabilidade na posição do sol ao longo do ano.
Além disso, os seguidores solares podem ser equipados com sensores e sistemas de controle automatizados que ajustam continuamente a posição dos painéis, garantindo a máxima exposição solar e, consequentemente, maior geração de energia.
Para se projetar a instalação do sistema fotovoltaico é necessário saber a posição do Sol no céu de acordo com um observador na Terra. O sistema de coordena das astronômica horizontal ou alta-azimutal é um dos sistemas mais simples e o mais conveniente para aplicações fotovoltaicas, ele utiliza as coordenadas da altura (h) e azimute (A) para localizar um astro na esfera celeste.
A esfera celeste é uma superfície esférica imaginaria que envolve a terra e onde fica os corpos celestes. Os planos e pontos na esfera celestes ajudam na determinação da posição dos astros no céu. O horizonte é o plano tangente à terra e onde fica o observador, o zênite é o ponto perpendicular ao horizonte.
Movimento aparente do Sol
O Sol, durante o dia claro, para um observador na Terra, aparenta estar se movimentando no céu de modo de que, ao nascer até se pôr, desloca-se de um lado ao outro do horizonte. Esse movimento é chamado de Movimento Diurno Aparente do Sol.
Outro fato comum, é considerar o nascer do Sol ao lado leste e o pôr do Sol ao lado oeste. Porém, isso não é o que realmente ocorre e é facilmente comprovável com apenas a observação, a partir do mesmo ponto, do nascer e do sol durante o ano. A posição do nascer do sol varia ao longo do ano e chega ao seu limite nos solstícios.
O eixo de rotação terrestre está sempre inclinado em um ângulo de 23,45° em relação ao eixo da eclíptica. A declinação solar é distância angular dos raios solares do norte ou sul do equador, com a orientação norte definida como positiva.
A inclinação do eixo terrestre, associado ao movimento da Terra, implica na mudança dos pontos do horizonte em que o Sol nasce ao longo do ano. Esse movimento, chamado de Movimento Anual Aparente do Sol, faz com que o Sol aparente estar a cada dia a uma região mais a Leste numa região estelar.
Rastreamento no eixo vertical e horizontal
Os sistemas de rastreamento podem ser classificados pelo modo de seu movimento, que pode ocorrer em um eixo ou em dois eixos. Os seguidores de eixo único movem-se ao longo de um único eixo, geralmente de leste a oeste, enquanto os de dois eixos podem ajustar-se tanto horizontal quanto verticalmente, permitindo um alinhamento mais preciso com o sol.
No caso do modelo de um eixo, o movimento pode ser das seguintes formas: paralelo ao eixo da Terra, Norte-Sul ou Leste-Oeste.
O mecanismo de rastreamento em dois eixos pode ajustar-se tanto horizontal quanto verticalmente. Com isso, ele possui movimentação azimutal (eixo vertical) e de inclinação (eixo horizontal), permitindo um alinhamento mais preciso com o sol, o que proporciona um grande rendimento.
Referências
BEDAQUE, P.; BRETONES, P. S. Variação da posição de nascimento do Sol em função da latitude. Revista Brasileira de Ensino de Física [online]. 2016, v. 38, n. 3, e3307.
BOCKZO, R. Conceitos de Astronomia. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1984, 429 p.
KALOGIROU, S. A. 2014. Solar energy engineering: processes and systems. 2. ed, Academic Press, Elsevier, EUA, 2014.
MECENEIRO, G. D. Desenvolvimento de um sistema para rastreamento solar. Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia, Limeira, SP, 2018. 80 p.
PAIVA, E. C. Desenvolvimento de um rastreador solar microcontrolado para um coletor solar concentrador. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Viçosa, Minas Gerais, 2009.
SMETS, A. H. M. et al. Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and Systems. Uit Cambridge Ltd. 488 p, 2016.
É fato que o desejo pela obtenção da própria geração de eletricidade abrange um grande número de pessoas que querem se imaginar independentes das concessionárias, com uma fonte de energia que não depende de terceiros e com menos custos na conta de energia. Nesse sentido é que entra o conceito de geração distribuída (GD), uma abordagem que permite que cada um de nós se torne produtor de uma energia limpa e autossustentável.
O que é a geração distribuída?
Por muito tempo, diversos autores convergem quanto à definição de geração distribuída (GD), visto que há uma enorme quantidade de variáveis a serem consideradas para a classificação desse tipo de sistema:
O propósito: técnico, econômico, ambiental e/ou social;
A localização: interligado ao sistema de transmissão, de distribuição ou instalação isolada;
A especificação da potência: micro, pequena, média ou grande GD;
A área de entrega da energia gerada: sistema de transmissão, de distribuição e/ou consumidor;
A tecnologia: modular ou não-modular, geração de calor e eletricidade ou apenas eletricidade;
A fonte primária de energia: tradicional ou alternativa, renovável ou não-renovável;
O modo de operação: centralizada ou não-centralizada;
O impacto ambiental: emissão de poluentes, alagamento, desmatamento e poluição sonora e/ou visual;
A propriedade: empresa de geração, transmissão, distribuição e/ou consumidor.
O nível de penetração: muito baixo, baixo, médio, alto ou muito alto.
Com isso, com a análise de todas essas variáveis, a geração distribuída foi definida, dentre diversas propostas, como “[…] a denominação genérica de um tipo de geração de energia elétrica que se diferencia da realizada pela geração centralizada por ocorrer em locais em que não seria instalada uma usina geradora convencional, contribuindo para aumentar a distribuição geográfica da geração de energia elétrica em determinada região.”
Dessa forma, com o uso de GDs, torna-se possível a geração de energia elétrica no local ou próximo ao ponto de consumo a partir de fontes renováveis, como a eólica, solar e biomassa. No entanto, a tecnologia solar fotovoltaica é a que mais se mostra presente através da instalação de painéis fotovoltaicos em residências ou estabelecimentos.
Fonte: Freepik
Cenário nacional
A partir de 2012 entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, que permite ao consumidor brasileiro a geração de sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada, podendo também fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade. Esse sistema foi denominado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) como “Microgeração e Minigeração Distribuídas de Energia Elétrica (MMGD)”, sendo a microgeração distribuída definida como uma central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 quilowatts (kW), que diferencia-se da minigeração distribuída como as centrais geradoras com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 megawatts (MW), para a fonte hídrica, ou 5 MW para as demais fontes.
Além disso, em 24 de novembro de 2015, foi publicada pela ANEEL a Resolução Normativa n° 687, que alterou a Resolução Normativa n° 482 de modo a estabelecer critérios para a microgeração e minigeração distribuída e introduzir o Sistema de Compensação de Energia Elétrica (SCEE). Esse sistema é um modelo que permite que a energia ativa produzida por uma unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída seja injetada na rede da distribuidora local, se transformando em créditos energéticos e podendo, posteriormente, serem usados para compensar a energia elétrica consumida.
Podemos pensar, por exemplo, em empresas utilizando painéis solares: durante o dia, os painéis solares estão gerando energia e a empresa está utilizando essa energia para alimentar todos os equipamentos que fazem parte da sua infraestrutura. Se a energia gerada é superior à energia que a empresa está precisando, o excedente é injetado na rede elétrica. Por outro lado, se a energia gerada pelo sistema fotovoltaico não for suficiente para alimentar todas as cargas da organização, a rede elétrica da concessionária será responsável por suprir a quantidade de energia necessária.
O SCEE é regularizado pela lei 14.300/2022, que estabelece o marco legal da geração distribuída: a geração distribuída não possuía lei própria no Brasil até a data de 7 de janeiro de 2022, quando foi sancionado o Projeto de Lei n° 5.829/2019, que instituiu o marco legal da microgeração e minigeração distribuída, promovendo, dessa forma, maior segurança jurídica e regulatória, alocação dos custos de uso da rede e dos encargos previstos na legislação do Setor Elétrico, bem como livre acesso do consumidor às redes das distribuidoras para fins de conexão de geração distribuída.
Com isso, tornou-se possível um maior avanço da micro e da minigeração distribuída no país. De acordo com a ANEEL, o ano de 2022 e 2023 no Brasil foram marcados pela maior quantidade de sistemas de micro e minigeração distribuída conectados à rede de distribuição de energia elétrica já registrado. No ano de 2023 foram conectadas 625 mil unidades, com potência instalada de mais de 7,4 gigawatts (GW), ficando atrás somente do ano de 2022, com 795 mil unidades conectadas e com potência instalada superior a 8,3 GW.
Características
Como foi possível observar, o uso de GDs, com benefícios proeminentes, tem marcado cada vez mais presença no Brasil. Com isso, cabe levantar características que colaboram com essa tendência de aumento dessa modalidade de geração de energia elétrica:
Fácil de construir com menor investimento: curto período de construção e baixos custos de instalação, devido a menor capacidade de geração de potência e a falta de necessidade de construir subestações ou centrais de distribuição;
Próximo a usuários, baixas perdas e maior simplicidade de transmissão e geração de energia: por estar próximo aos usuários, geralmente é possível fornecer energia diretamente às cargas próximas, dispensando linhas de transmissão de alta voltagem em longas distâncias e, consequentemente, minimizando as perdas na transmissão e distribuição;
Polui menos e possui boa compatibilidade com o ambiente: tem a capacidade de fazer uso total de fontes de energia renováveis e limpas.
Operação flexível, segurança e confiabilidade: o ligamento e desligamento de unidades menores é mais rápido e flexível, podendo servir como uma fonte de energia alternativa.
Em síntese, vários tipos de GDs conectada à rede elétrica com alta densidade podem apresentar vantagens significativas em eficiência de uso de energia, conservação de energia, redução de emissões e aprimoramento da confiabilidade no fornecimento de energia, se comparado às fontes de energia tradicionais que dependem de transmissão e distribuição em longas distâncias, distantes do centro de carga.
Conclusões
Em resumo, a geração distribuída no Brasil, especialmente através do SCEE, representa um avanço significativo na busca por fontes de energia renováveis e sustentáveis. Com a capacidade de produzir energia localmente e compensar o consumo através da injeção de excedentes na rede elétrica, os consumidores têm a oportunidade de reduzir suas contas de energia e contribuir para a redução das emissões de gases de efeito estufa. Dessa forma, a geração distribuída no Brasil tem um grande potencial para transformar o setor de energia do país de forma sustentável.
Referências
• ANEEL, “Cadernos Temáticos ANEEL: Micro e Minigeração Distribuída: sistema de Compensação de Energia Elétrica,” 2a Edição. 2016 • SEVERINO, M. M.; CAMARGO; I. M. d. T.; OLIVEIRA, M. A. G. d., “Geração distribuída: discussão conceitual e nova definição”, Revista Brasileira de Energia, vol. 14, pp. 47- 66, 2008 • BRASIL. Lei no 14.300, de 6 de janeiro de 2022. Institui o marco legal da microgeração e minigeração distribuída, o Sistema de Compensação de Energia Elétrica (SCEE) e o Programa de Energia Renovável Social (PERS); altera as Leis nos 10.848, de 15 de março de 2004, e 9.427, de 26 de dezembro de 1996; e dá outras providências. Diário Oficial da União: seção 1, ed. 5, p. 4, 07 jan. 2022. • Micro e minigeração distribuída apresenta acréscimo de 7,4 GW em 2023. ANEEL, 3 de janeiro de 2024. Disponível em: <https://www.gov.br/aneel/pt-br/assuntos/noticias/2024/micro-eminigeracao-distribuida apresenta-acrescimo-de-7-4-gw-em-2023>. Acesso em: 5 de março de 2024. • LIANG, J.; LUO, B., “Analysis and Research on Distributed Power Generation Systems”, em 2023 3rd International Conference on New Energy and Power Engineering (ICNEPE). 2023, p. 592-595. doi: 10.1109/ICNEPE60694.2023.10429133.
Levando em conta a necessidade da utilização de fontes renováveis de energia elétrica, o sistema fotovoltaico tem sido bem aceito e tem ocupado uma posição significativa na distribuição das matrizes energéticas de cada país. Segundo a ABSOLAR (Associação Brasileira de energia solar fotovoltaica), a previsão de crescimento dos sistemas fotovoltaicas seria de 42% no ano de 2023, cerca de 10 GW, chegando a 34 GW de potência instalada. Na Alemanha, em 2021, foram instaladas mais 5,3GW de potência elétrica gerada a partir de sistemas fotovoltaicos. Para o Brasil, a previsão da ABSOLAR considerou que dos 34GW de potência instalada, 21,6 GW são oriundas das gerações distribuídas realizadas em residências, prédios, propriedades rurais e 12,4 GW são das grandes usinas, também chamadas de geração centralizadas.
Com essa crescente, faz-se necessário a preocupação com a continuidade da operação e preservação dos equipamentos das usinas fotovoltaicas, haja vista o alto custo de instalação e os contratos de compra e venda de energia elétrica entres os proprietários das usinas e os consumidores. Portanto, a proteção dos inversores strings contra danos causados por raios tem sido tema relevante dentro da engenharia elétrica.
Usina solar fotovoltaica. Fonte: PIXABAY. Disponível em: https://pixabay.com/pt/photos/fotovoltaicas-c%C3%A9lulas-solares-491702/
Descargas atmosféricas em Usinas Fotovoltaicas
De modo geral, os sistemas fotovoltaicos estão sujeitos a correntes de impulso (10/350 us) e a correntes de surtos induzidas (8/20 us), ambas provenientes das descargas atmosféricas. A primeira é observada nas instalações que recebem a descarga atmosférica diretamente, enquanto a segunda é originada da indução eletromagnética na rede elétrica proveniente da descarga atmosférica.
Tanto a corrente de impulso quanto a corrente de surto induzida dispõem de uma grande quantidade de energia. Sendo assim, é essencial utilizar de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) para garantir a vida útil dos equipamentos elétricos, por exemplo, os inversores strings utilizados nas usinas fotovoltaicas, evitando danos totais ou parciais. Dessa forma, os fabricantes dos inversores strings já integram no seu projeto de circuito interno os DPS Classe II, capazes de promover a proteção contra a corrente de surto induzida. No entanto faz-se necessário a utilização de DPS Classe I do lado c.a. (corrente alternada) do inversor.
Toda usina fotovoltaica deve dispor de um sistema de aterramento onde existirá apenas um eletrodo de aterramento ou um conjunto de eletrodos que deverá ser interligado eletricamente para que todos estejam no mesmo potencial. Sendo assim, ao ser atingida por uma descarga atmosférica, a usina fotovoltaica utiliza o eletrodo de aterramento para dispersar a corrente de surto para o solo, elevando o potencial do terra nesse ponto. Devido a distância entre a usina e o transformador do sistema elétrico de potência, haverá uma diferença de potencial entre os aterramentos do transformador e da usina fotovoltaica, gerando um fluxo de corrente entre esses pontos pelo caminho de menor impedância.
Esse fluxo de corrente permite que o DPS Classe I direcione o fluxo de corrente do lado c.a. para o eletrodo de aterramento, impedindo a passagem de corrente de impulso para o inversor string, uma vez que este está equipotencializado no mesmo eletrodo de aterramento da usina fotovoltaica, e o fluxo de corrente é do eletrodo de aterramento da usina para o eletrodo de aterramento do transformador do sistema elétrico de potência. Dessa forma, o inversor string está protegido contra as correntes de impulso e apenas dissipa a energia proveniente da corrente de surto induzida através dos DPS Classe II instalados no seu interior.
É crucial ressaltar a importância da coordenação dos estágios de proteção entre os DPS Classe I e Classe II, garantindo que apenas a corrente de surto induzida seja presente no interior do inversor string, enquanto toda energia proveniente da corrente de impulso seja dissipada pelo DPS Classe I. Para alcançar esse objetivo, é necessário utilizar dispositivos certificados e construídos com tecnologia adequada para assegurar funcionamento correto.
É possível encontrar DPS Classe I do tipo centelhador, cuja função é comutar tensão na faixa dos nanossegundos, reduzindo a sobretensão para a faixa de operação da alimentação do sistema. Outra tecnologia é o DPS Classe I utilizando varistor, que limita a tensão durante toda a passagem da corrente de impulso.
Dessa forma, as especificidades da proteção contra descargas atmosféricas devem ser cuidadosamente consideradas para garantir o correto projeto e instalação da proteção contra descargas atmosféricas (PDA), tanto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) quanto nas medidas de proteção contra surtos (MPS), visando preservar os equipamentos dispostos nas usinas fotovoltaicas e assegurar a continuidade estável do sistema.
Referências:
Lopez, Maria José: Proteção de inversores de string contra danos causados por raios. Revista FotoVolt nº 63, Agosto de 2023, pág. 32-37.
ABSOLAR. Capacidade de energia solar no Brasil deve crescer 42% em 2023, a 34 GW, prevê ABSOLAR. Disponível em: https://www.absolar.org.br/noticia/capacidade-de-energia-solar-no-brasil-deve-crescer-42-em-2023-a-34-gw-preve-absolar/#:~:text=%E2%80%9CProjetamos%20um%20crescimento%20consistente%20da,administra%C3%A7%C3%A3o%20da%20ABSOLAR%2C%20em%20nota. Acesso em: 13 dez. 2023.
No dia 23 de outubro de 2021, o Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrados, em conjunto com o Laboratório de Eficiência Energética da UFBA, com o PELS/IAS UFCG e com a IEEE Power and Energy Society UFBA irão realizar o curso de Projeto e Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos. O curso tem o intuito de preparar os profissionais e estudantes que irão trabalhar com de projetos de sistemas fotovoltaicos e, ao final, ocorrerá a emissão de certificados.
Cronograma
De 8:00 às 12:00 – Parte 01;
De 12:00 às 13:00 – Intervalo;
De 13:00 às 17:00 – Parte 02.
Ementa
Principais conceitos;
Referências técnicas e normativas;
Dimensionamentos;
Projetos on-grid e off-grid;
Conhecimentos em PVsyst;
Documentação técnica.
Sobre o ministrante
Leandro Carralero
Investimento
R$ 120,00 – Profissionais;
R$ 60,00 – Graduandos e pós-graduandos.
O curso será ministrado por Leandro Carralero o qual é graduado em Engenharia de Automação pela Universidade de Oriente em Cuba (2012). Atualmente, é mestre e doutorando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Além disso, leciona disciplinas de pós-graduação, relacionadas à energia solar fotovoltaica, nas universidades CIMATEC, UNIRUY e UNIJORGE.
