Análise de Problemas ao Longo da Vida Util de um Sistema Fotovoltaico

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

INVERSOR SOLAR

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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 Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar 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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar 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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar 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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar 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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil

Figura 9 – Corrosão

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil

Fi Figura 10 –     Delaminação D l i ã

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil

Figura 11 – Descoloração 

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil

Figura 12 – Fissura da Célula 

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar Possíveis Problemas com Módulos Fotovoltaicos ao Longo da Vida Útil

Figura 13 – Interconexões Quebradas 

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

STRING BOX

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

String Box

Figura 14 – A distância mínima, para extinguir um arco proveniente de uma corrente de 10 A 

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

String Box – Circuito Detalhado de Proteção CC

Figura 15 – g 5 Diagrama Elétrico de Gerador Fotovoltaico g

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

ESTRUTURAS S S DE FIXAÇÃO

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

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.

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil

Figura 17 – g 7 Estrutura de Fixação Mal Projetada ç j

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

Problemas com Estruturas ao Longo da Vida Útil

Figura 18 – Efeito de Dilatação Térmica

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

SOLUÇÕES SICES BRASIL

Fotovoltaico de Qualidade Análise de Problemas ao Longo da Vida Útil de um Sistema Solar

Muito Obrigado Pela Atenção!