Fotovoltaico de Qualidade
Análise de Problemas ao Longo da
Vida Útil de um Sistema Solar
Rodolfo Henrique – Engº de Aplicações SICES BRASIL
Fotovoltaico de Qualidade
Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar
Conteúdo da Palestra
da Palestra
o
o
o
o
Inversor Solar
¾ Introdução
¾ Topologias de Conversão
¾ Problemas ao Longo da Vida Útil
Módulo Fotovoltaico
¾ Introdução
I
d ã
¾ Célula Solar
¾ Aspectos de Qualidade
¾ Normas de Qualidade
¾ Problemas ao Longo de Vida Útil
String Box
¾ Introdução
¾ Recomendações de Uso
R
d õ d U
¾ Circuito Detalhado de Proteção CC
¾ Local de Instalação
Estruturas de Fixação
ç
¾ Introdução
¾ Aspectos de Qualidade
¾ Problemas ao longo da Vida Útil
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INVERSOR SOLAR
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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
dâ
d Rede;
da
d
o Frequência;
o Fator
F t de
d Potência;
P tê i
o Resistência de Isolamento com o arranjo.
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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
l d em Sistema
S
S l Fotovoltaico
Solar
l
O Grid,
On
G d são:
ã
o IEEE Std 929‐2000;
o IEC 62116:2014
o UL 1741 2014;
UL o ABNT NBR 16149:2013
ABNT NBR 6
o CEI 11‐20;
o ANBT NBR 16150:2013
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
(
k ) do
d arranjo fotovoltaico.
f
l
(Maximum
PowerTracking),
Figura 4 ‐ Múltiplos estágios de conversão – Não isolado
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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
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Possíveis Problemas com Inversores ao Longo da Vida Útil
A p
péssima q
qualidade dos componentes
p
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 Ponte de Diodos;
o Transformadores;
o Microcontroladores.
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Possíveis Problemas com Inversores ao Longo da Vida Útil
Para g
garantir a vida útil do equipamento,
q p
, é de extrema importância
p
seguir
g as
recomendações do fabricante, relacionadas com as condições gerais de
instalação.
Figura 6 – Posição e Local de Instalação Recomendados Pelo Fabricante ABB Fotovoltaico de Qualidade
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MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
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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
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Célula Solar
Na célula solar ocorre a transformação
ç
da energia
g contida na radiação
ç
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 –
g
Características Construtivas da Célula Solar
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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;
9 Grau de Pureza;
9 Fração de Dopagem Tipo‐p (mm) e Tipo‐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
í
Construtivas;
o Grau de isolamento.
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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 61215
6
‐ For
F Crystalline
C t lli Silicon
Sili
M d l
Modules;
9 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.
fabricante
o
IEC 61730 ‐ Photovoltaic (PV) module safety qualification;
9
Avaliação de segurança dos módulos fotovoltaicos para o
risco de choque elétrico, perigo de incêndio, mecânica e
g
ç estrutural.
segurança
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Aspectos de Qualidade dos Módulos Fotovoltaicos – NORMAS
o
IEC 61701 ‐ Salt mist corrosion testing off photovoltaic (PV) modules;
9
Exposição a neblina salina. É um método de ensaio normalizado
utilizado
tili d para verificar
ifi
a resistência
i tê i à corrosão
ã .
o
IEC 61345 ‐ UV test for photovoltaic (PV) modules;
9
Teste com radiação UV,
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.
nm
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Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil
o
Interconexões Quebradas;
o
Fissuras na Célula;
o
Corrosão;
o
Falhas estruturais;
o
Delaminação
o
Falhas Diodo By pass;
o
Descoloração encapsulante;
o
Abrir
o
Falhas de solda;
o
Hot Spots;
o
Falhas de conexão da caixa de
junção e módulos;
circuitos
formação de arco;
o
Vidro quebrado.
levando
a
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Figura 9 – Corrosão
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Fi
Figura 10 –
Delaminação
D l i
ã
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Figura 11 – Descoloração Fotovoltaico de Qualidade
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Figura 12 – Fissura da Célula Fotovoltaico de Qualidade
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Figura 13 – Interconexões Quebradas Fotovoltaico de Qualidade
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STRING BOX
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String Box ‐ Introdução
A String Box é o conjunto de proteções elétricas instalados na interface entre os
Mód l Fotovoltaicos
Módulos
F
l i
e a entrada
d CC do
d Inversor.
I
Os equipamentos que compõem um sistema fotovoltaico estão sujeitos a
surtos elétricos, provenientes de raios, condições de operação anormal e falhas de
algum equipamento,
equipamento que por sua vez,
vez podem causar danos aos Módulos
Fotovoltaicos e Inversores.
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String Box – Recomendações de Uso
O uso de dispositivos de proteção CC, são itens obrigatórios na normas e
recomendações
d õ internacionais
i
i
i e seu perfeito
f i dimensionamento
di
i
é de
d 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
continua.
chaveamento de uma determinada carga ou fonte de corrente continua, é mais
complexo.
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String Box
Figura 14 – A distância mínima, para extinguir um arco proveniente de uma corrente de 10 A Fotovoltaico de Qualidade
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String Box – Circuito Detalhado de Proteção CC
Figura 15 –
g
5 Diagrama Elétrico de Gerador Fotovoltaico
g
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String Box – Local de Instalação
A proteção CC deve ser instalada o mais próximo possível dos módulos
f
fotovoltaicos,
l i
para garantir
i uma ação
ã rápida
á id dos
d
di
dispositivos
ii
d proteção
de
ã 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,
constituido retardando
ou acelerando sua atuação em situação indesejadas.
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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 –
g
Local de Instalação Ideal da String
ç
g Box
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ESTRUTURAS
S
S
DE
FIXAÇÃO
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Estruturas de Fixação ‐ Introdução
A função básica de uma estrutura de fixação é comportar os módulos
f
fotovoltaicos
l i
sobre
b determinada
d
i d cobertura,
b
ou ao nível
í l do
d solo,
l e garantir
i a
segurança mecânica, estrutural e de pessoas.
A vida útil dos módulos fotovoltaicos será reduzida, caso a estrutura de fixação
seja inadequada,
inadequada ou mal dimensionada.
dimensionada Existem muitas forças que atuam
diretamente na estrutura, e a mesma não pode comprometer a estrutura do módulo
fotovoltaico.
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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 1.4016;
o Liga de alumínio 6063;
o Aplicação Segura e Confiável;
o Componentes submetidos a testes de corrosão, resistência mecânica, analise de fluxo de vento.
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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.
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Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil
Figura 17 –
g
7 Estrutura de Fixação Mal Projetada
ç
j
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Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil
Figura 18 – Efeito de Dilatação Térmica
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SOLUÇÕES SICES BRASIL
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