10.2.7 Sistema Fotovoltaico Autônomo

10.2.7.1 Aspectos Gerais

Conforme já mencionado, um sistema fotovoltaico autônomo opera desconectado da rede elétrica. Sendo assim, ele constitui um agrupamento de equipamentos interconectados com a finalidade de gerar energia elétrica para suprir demanda não-atendida por rede elétrica convencional.

Os principais constituintes de um sistema desse tipo são: (a) arranjo fotovoltaico, que é um conjunto de módulos fotovoltaicos; (b) regulador de tensão ou controlador de carga; (c) sistema de armazenamento de energia; e (d) inversor eletrônico. A Figura 10 mostra o esquema de um sistema fotovoltaico, com os componentes indicados anteriormente.

Nesse esquema, o arranjo fotovoltaico, responsável pela conversão fotovoltaica, é constituído por módulos — ou painéis — fotovoltaicos, conexões, diodos de proteção e estruturas de suporte, descritos individualmente a seguir, à exceção das diversas tecnologias existentes para a fabricação dos módulos fotovoltaicos, que já foram abordadas.

As conexões referem-se às ligações elétricas físicas entre os diversos componentes do sistema, incluindo as necessárias entre os módulos, indispensáveis para que se tenha a configuração desejada para o sistema em termos de tensão, corrente e potência nominais. Os diodos de potência são incluídos no esquema para a proteção dos módulos contra correntes reversas. Para a estrutura de sustentação dos módulos, que tem a função de agrupar os módulos e permitir a interligação deles de modo simples, usualmente utilizam-se materiais comuns, tais como madeira, aço galvanizado e alumínio. Há estruturas de sustentação que incluem, para melhorar a captação da radiação solar e a energia gerada pelo sistema, dispositivos de orientação segundo o movimento do Sol, que permitem movimento do arranjo fotovoltaico em um ou em dois eixos de rotação, com acionamento manual ou automatizado. No caso de estruturas de sustentação fixas, há a necessidade de se determinar, em função da localidade da instalação, o ângulo de inclinação da superfície de captação do arranjo fotovoltaico para otimizar a recepção da radiação solar (SEVERINO, 2008). O Quadro 03 sugere ângulos ótimos de inclinação dos módulos fotovoltaicos, com relação ao solo, em função da latitude do local da instalação.

O sistema de armazenamento de energia indicado nesse esquema é constituído de baterias eletroquímicas, o tipo mais comum e mais utilizado. As baterias são componentes estáticos que armazenam energia química e, em determinadas condições, transformam-na em energia elétrica na forma de CC em baixa tensão. Há diversos tipos de baterias eletroquímicas projetadas para o regime de operação de sistemas fotovoltaicos. As baterias chumbo-ácidas são as mais baratas e disponíveis em várias capacidades. As baterias de níquel-cádmio, muito confiáveis, têm custo elevado, proibitivo para a utilização em larga escala. As baterias automotivas podem ser utilizadas nos sistemas fotovoltaicos; entretanto, haja vista que não são projetadas para esse regime de operação, terão vida útil reduzida (REIS, 2003). No caso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, o sistema de armazenamento pode ser dispensado, mas, caso não o seja, ele tem as mesmas funções que no caso aqui tratado. Finalmente, é imperativo ressaltar que as baterias não constituem o único tipo de sistema de armazenamento, conforme pode ser verificado no quadro 01.

O esquema da figura 10 mostra o subsistema condicionador de potência — da expressão inglesa power conditioning subsystem (PCS). O PCS faz a conexão do arranjo fotovoltaico, que é a fonte da eletricidade, com a carga, que irá consumi-la. Essa conexão pode ser feita em CC ou em CA, dependendo da necessidade da carga. O PCS é constituído por vários dispositivos, em regra, acoplados fisicamente e tem como funções: (a) controlar o acionamento, o desligamento e o ponto de operação do sistema; (b) realizar a proteção do sistema; e (c) controlar a conversão de CC/CA (REIS, 2003). Em algumas aplicações de maior tecnologia, o PCS realiza também funções de medição, supervisão e controle, local ou remotamente.

É bem fácil verificar-se que o componente mais importante do PCS mostrado na figura 10 é o inversor, equipamento eletrônico que realiza a conversão CC/CA. Há dois tipos de inversores em utilização: os comutados pela rede elétrica à qual estão conectados e os autocomutados. Nos primeiros, o processo de inversão — conversão CC/CA — é controlado pela tensão da rede elétrica; nos segundos, o controle é feito por um sinal elétrico gerado no próprio dispositivo. Sendo assim, os inversores autocomutados são mais sofisticados, pois exigem projeto eletrônico mais complexo, e, por isso, mais caro (REIS, 2003). Todavia, apesar do custo mais elevado, eles são a única opção no caso de sistemas fotovoltaicos autônomos. Para sistemas fotovoltaicos conectados ao sistema elétrico, os inversores comutados pela rede são aplicáveis. Em função da importância desses dispositivos, os fabricantes buscam desenvolver inversores de maior rendimento para altas potências, e de menor custo também, pois, para potências na faixa de 100 W a 2.000 W, existem inversores com rendimentos de até 95% (REIS, 2003).