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Informação profissional do setor das instalações em Portugal

Não subestimar o risco do perigo oculto [11] – Solar Renovável

Manuel Martinho | Engenheiro de Segurança no Trabalho13/09/2023
Continuação do número anterior.
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Quando se pensa em energias renováveis, a energia solar surge-nos como uma das mais limpas e capaz de contribuir para a redução dos impactos importantes e irreversíveis na emissão de gases com efeito estufa no planeta e apontar à meta abaixo de 1,5°C no aquecimento global, formalizado no Pacto de Glasgow da COP26 (Conference of the Parties).
A oferta abundante de radiação solar, tem pulverizado a instalação de painéis solares para autoconsumo em sistemas domésticos, parques fotovoltaicos, e até centrais solares etc.

Por processos tecnológicos os painéis solares fotovoltaicos ou os painéis solares térmicos, usam a radiação da luz solar para obter vários tipos de energia:

i. A energia solar fotovoltaica resulta da transformação da radiação do sol em energia elétrica utilizando módulos fotovoltaicos, que por sua vez são formados por células fotovoltaicas ligadas umas às outras.

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ii. A energia solar térmica utiliza diretamente o calor do sol para aquecer outro meio. Nesse sistema, placas de aquecimento solar captam o calor da radiação que transferem para um sistema de aquecimento (boiler) de água ou qualquer outro tipo de líquido armazenado num reservatório específico, sem geração de eletricidade, apenas aquecimento direto de líquidos.

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iii. A energia termoelétrica consiste em captar a irradiação solar direta por meio de espelhos que combinados a refletem para um ponto onde um líquido é aquecido para formação de vapor, que serve para alimentar turbinas, que geram energia elétrica por meio de energia mecânica. Esta energia sendo de produção mais complexa é sobretudo utilizada em processos industriais.

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A célula fotovoltaica

A célula fotovoltaica ou solar é um dispositivo que converte a luz solar incidente em energia elétrica através de um fenómeno denominado por “efeito fotoelétrico”, isto é, absorve os fotões presentes na radiação do sol que possuem energia e libertam eletrões através das células, cujo movimento contínuo unidirecional gera a tensão elétrica. A radiação de uma célula fotovoltaica tem comprimento de onda entre 300 nm e os 600 nm.

A função de transformar a energia solar em energia elétrica e feita por materiais semicondutores, e pode apresentar-se com diversas tecnologias de duas estruturas eletricamente diferentes em duas camadas de material distinto, camada positiva (P) e camada negativa (N), criando um campo eletromagnético que requer três atributos base:

i. Absorção da luz para gerar eletrões.

ii. Excitação dos eletrões;

iii. A extração dos eletrões para um circuito externo.

Cada célula possui uma cobertura de vidro, uma camada anti refletora, um contato frontal, um condutor e camadas de semicondutores.
Existem vários modelos para células fotovoltaicas baseados em várias substâncias base. O Silício (SI) foi um dos materiais mais explorados e experimentados.

Unindo várias células é possível formar um painel solar fotovoltaico, composto de várias células fotovoltaicas ligadas num sistema composto de painel fotovoltaico, regulador de carga de bateria, conversor de corrente, gerador e quadro.

A eletricidade produzida pelos painéis fotovoltaicos é de corrente contínua (DC), ligado a um inversor, que converte esta corrente em corrente alternada (AC), que injetada na rede elétrica estará em condições de ser usada.

Consoante o fabricante dos painéis a estrutura usual tipo considera uma moldura de alumínio (Frame), o vidro especial (Glass), película encapsulante (Encapsulante), as células fotovoltaicas (Photovoltaic Cells), encapsulante (Encapsulant), fundo protector (Backsheet), e caixa de junção (Junction Box).
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O conjunto de painéis agrupados ou módulos fotovoltaicos integram células ligadas em série e em paralelo e agrupadas de forma a obter a potência e tensão da corrente desejada.

Tipos de sistemas de energia elétrica fotovoltaica

Os sistemas fotovoltaicos integram, para além dos módulos, materiais semicondutores e de suporte, que podem ser divididos em:

i. Isolados para autoconsumo elétrico, sem ligação à rede de distribuição, ou seja, autossuficiente sem depender de qualquer instalação elétrica. Para poder consumir energia necessita de baterias, quando os painéis solares não a estão a produzir, por exemplo, nos dias em que não há sol.

ii. Híbridos, ligada à rede, quando em associação com outras fontes de geração de energia elétrica como por exemplo: geradores a gás, diesel ou eólicos, partilha infraestruturas e algum tipo de ligação elétrica com a rede de distribuição. Neste caso, durante o dia é utilizada a energia gerada pelo sistema fotovoltaico e durante a noite para compensar é utilizada a energia da rede elétrica, o que significa poder funcionar com ou sem excedentes;

Como principais componentes consoante o sistema seja isolado ou hibrido para além dos painéis e do suporte destes temos:

i. O inversor – Ajusta a corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC), na injeção de eletricidade à frequência da rede, incorporando funções de segurança elétrica e de monitorização. Em caso de falha de tensão, o inversor desliga o sistema fotovoltaico da rede, protegendo a injeção de eletricidade da rede para o sistema fotovoltaico.

ii. Contador - contabiliza a energia produzida e permite, em sistemas ligados à rede elétrica, apurar a receita de venda de eletricidade à rede elétrica. Em sistemas não ligados à rede, este componente permite contabilizar a produção de energia entregue à habitação;

iii. As baterias - permitem o armazenamento da eletricidade para utilização nos períodos de baixa ou de não produção, são compostas por células eletroquímicas em série e paralelo para conseguir a tensão desejada. Utilizam-se baterias com tempo de vida útil longo, consoante a exposição às cargas e descargas do sistema.

iv. Regulador de carga - é um equipamento que controla e otimiza a tensão da corrente elétrica que os painéis solares fornecem a uma bateria. Os controladores de carga verificam o estado de carga da bateria para otimizar o processo de carregamento e a vida útil do dispositivo, impedindo que esta receba mais carga.

v. Sistemas de proteção - Interruptor geral no caso de ocorrer defeitos, na realização de manutenção ou reparação, sendo imprescindível isolar o inversor do gerador fotovoltaico.

Disjuntores que separam automaticamente o sistema fotovoltaico da rede elétrica quando ocorre alguma eventualidade no circuito elétrico.

Disjuntores diferenciais, sensíveis à corrente diferencial residual, analisam a corrente de fuga no condutor de ligação à terra.

vi. Cablagem consoante a dimensão da instalação;

vii. Outros equipamentos consoante projeto da Instalação, necessários para assegurar a boa funcionalidade do sistema.

Pequena Produção e Autoconsumo

As diferentes formas de geração de energia devem ser consideradas sob vários aspetos, a disponibilidade da fonte de energia, os custos ambientais do seu aproveitamento, a eficiência do processo e o investimento inicial.
Estes vários fatores não são independentes, mas, antes têm forte relação entre si. Reduzir impactos ambientais pode aumentar o investimento inicial ou a disponibilidade da fonte de energia, para compensar a menor eficiência do processo.
Para garantir a confiabilidade e segurança de um Sistema Fotovoltaico (SFV), medidas específicas de proteção devem ser aplicadas para manter a integridade das pessoas e dos equipamentos com ele relacionados.
Estas prescrições terão melhor resultado técnico-económico caso a planificação, o projeto, a construção, a exploração e a manutenção duma instalação de energia solar, seja elaborado por técnicos competentes, com conhecimento para o dimensionar e enquadrar multidisciplinarmente atentos os requisitos de licenciamento em função da vasta legislação em vigor.
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1. Materiais utilizados nas instalações de SFV

A otimização duma instalação inicia-se com a escolha dos equipamentos adequados, por exemplo o rendimento do painel solar deve considerar um baixo coeficiente de perda de potência com o aumento de temperatura, como acontece por exemplo no verão.

Alguns cuidados específicos relacionados aos materiais a utilizar na sua construção, devem ser observados:

i. Os materiais plásticos utilizados externamente na fixação dos condutores, como abraçadeiras, cabos, etc., devem ser resistentes aos raios ultravioletas e às temperaturas à que estarão expostos;

ii. As partes metálicas, devem ser protegidas ou em aço inox para que não ocorram problemas de corrosão; especialmente em locais próximos ao mar.

Os módulos policristalinos têm melhor relação qualidade/preço. Quando a falta de espaço é um fator determinante, os módulos monocristalinos, que são mais eficientes (potência superior em menor área), no entanto a aplicação de outro tipo de tecnologias pode ser mais aconselhada em determinadas situações.
A estrutura de suporte dos módulos fotovoltaicos irá depender do local de instalação e das soluções que se adaptem às necessidades. Quanto ao tipo de estruturas, estas podem ser fixas ou móveis.
As estruturas fixas não têm qualquer tipo de mobilidade, mantendo-se o ângulo dos módulos constante ao longo do ano seja em:

i. Cobertura inclinada – a mais enquadrável porque acompanha a inclinação e orientação do telhado;

ii. Cobertura Plana – a vantagem da instalação neste tipo de coberturas é a escolha da orientação e inclinação.

iii. Campo – instalações no solo são mais comuns em campos abertos, dependem, contudo da morfologia do solo ser adequada e suficiente.

iv. Integrada em Edifícios – tem a vantagem de utilizar módulos fotovoltaicos como elemento estruturante ou de funcionalidade. É esteticamente mais atrativo e moderno, no entanto a produção é prejudicada.

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2. Local para implantação e organização

Se é evidente que para captar energia solar se deve considerar o sombreamento do local, que causa de descompensação de energia, não só no inverno, como no verão, devem evitar-se zonas sombrias por árvores e construções envolventes mesmo afastadas, como casas ou infraestruturas vizinhas, chaminés, mastros etc.

A orientação solar, preferencialmente sul ou este-oeste para aproveitar ao máximo as horas de sol é chave para conseguir tirar o máximo rendimento da instalação, daí que o ângulo certo de inclinação para o melhor rendimento, seja em telhado ou terreno plano, deve ser de 30º para assegurar um ângulo conveniente.

Numa cobertura inclinada a incorreta organização dos painéis solares pode ser causa muitas vezes problemas futuros. A estática do telhado e a colocação dos painéis devem ser estudadas de forma a prevenir sobrecargas e a ação de ventos fortes.
Quando se pretende avaliar o sombreamento com maior precisão pode efetuar-se uma análise de sombreamentos recorrendo a um analisador de sombras através de programa informático ou construindo um mapa da trajetória solar.
Assim, o local adequado para a instalação de painéis deve:

i. Ser resistente ao peso dos painéis;

ii. Não ser ventoso, mas possuir boa circulação de ar, para que as células não superaqueçam;

iii. Possuir fraca incidência de sombras e reflexos capazes de diminuir a eficiência do processo:

Também a boa ordenação e caminho dos cabos elétricos (lay out), deve ser previsto para modo direto, mas com ângulos suaves – nem sempre a distância mais curta é a mais adequada e segura.
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3. O dimensionamento em função da finalidade

Os painéis solares são o coração do sistema, logo as fichas técnicas e os certificados de garantia e a informação nelas plasmada são fator determinante para nos requisitos técnicos duma instalação.
Assim no dimensionamento para a utilização da energia solar gerada é importante poder escolher-se o regime UPAC (Unidade de Produção de Autoconsumo) ou o regime UPP (Unidade de Pequena Produção) com vista ao objetivo delineado.
Se a pretensão for injetar 100% da energia elétrica na rede, teoricamente esta não poderá ser muito extensa, contudo antes de optar por esta solução deve atender-se à tarifa de venda e dimensão permitida (limitada a 1MW) bem como calcular para cada caso o nível compensatório de cada Unidade de Pequena Produção (UPP).
Com uma Unidade de Produção de Autoconsumo (UPAC), substitui-se parte da energia habitualmente adquirida à rede pelo que o seu dimensionamento depende principalmente do perfil de consumo ao longo do ano e da estimativa de consumo futuro.
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4. Tecnologia

Na escolha do módulo, há três características da ficha técnica a considerar:

i. Tolerância da potência nominal e garantia de que a sua potência nominal é igual ou superior à apresentada;

ii. Coeficientes de Temperatura, importante para o rendimento do sistema pois quanto mais baixo for o coeficiente de temperatura, melhor será o comportamento com temperatura elevada;

iii. Potência face à degradação natural das células, uma vez que quanto menor for a depreciação anual da potência do módulo, mais rentável se torna o sistema.

A quantidade de módulos aplicados e a sua potência unitária irá definir a potência instalada.
Os módulos policristalinos têm melhor relação qualidade/preço. Quando a falta de espaço é um fator determinante, os módulos monocristalinos são mais eficientes (potência superior em menor área), no entanto a aplicação de outro tipo de tecnologias pode ser mais aconselhada em determinadas situações.
As estruturas móveis seguem a trajetória solar (“trackers”), logo mais eficientes, podendo ser de um ou de dois eixos de rotação e ser controlados por relógio astronómico ou por sensores de radiação.

Com dois eixos mantêm sempre orientações e inclinações ótimas em relação ao sol, com um eixo, o mais comum é o seguidor azimutal que segue o movimento do Sol ao longo do dia.

Estruturas de implantação mais inclinadas favorecem a produção no Inverno e estruturas menos inclinadas favorecem a produção no Verão. Por outro lado, estruturas orientadas a Este favorecem a produção durante a manhã e estruturas orientadas a Oeste favorecem a produção durante a tarde. Para otimizar a produção anual, os módulos deverão ser orientados a Sul com uma inclinação de 30°.
Módulos com pouca inclinação têm uma maior probabilidade de acumular sujidade e módulos sem ventilação natural aquecem mais facilmente.
Nas instalações fotovoltaicas ligadas à rede, em que o excedente de energia elétrica vai para a rede elétrica, será de considerar um inversor para converter a corrente, uma vez que a produção da corrente é contínua e a rede pública é baseada em corrente alternada, adaptado as possibilidades da instalação, porém esta solução envolve perdas só aceitáveis se cerca de 3%.
Os inversores monofásicos ou trifásicos, são dos componentes tecnológicos mais importantes de uma central fotovoltaica, devem possuir grau de proteção (IP65), e evitar a exposição direta à radiação solar e intempérie. A assimetria nas fases deverá ser no máximo de 5 kW.
As características dos módulos devem ser fornecidas pelo fabricante em condições de teste (STC) (Irradiância = 1.000W/m², Temperatura da Célula = 25° C e Massa de Ar = 1,5), embora as características dos módulos que se aproximam mais à realidade, são muitas vezes mencionadas em condições de temperatura nominal de operação das células (NOCT) (Irradiância = 800W/m², Temperatura Ambiente = 20° C, Massa de Ar = 1,5 e Velocidade do Vento = 1 m/s).
Alguns cuidados específicos relacionados com os materiais de construção, devem ser observados:

i. Os materiais plásticos utilizados externamente na fixação dos condutores, como abraçadeiras, cabos, etc., devem ser resistentes aos raios ultravioletas e às temperaturas à que estarão expostos;

ii. As partes metálicas, devem ser protegidas ou em aço inox para que não ocorram problemas de corrosão; especialmente em locais próximos ao mar.

Os fabricantes de estruturas e os seus distribuidores possuem o conhecimento e as ferramentas necessárias para ajudar a escolher e dimensionar corretamente a estrutura pelo que deverão ser consultados de forma a assegurar mais correta opção tecnológica das soluções.
….continua no próximo número.

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