Sistema de desligamento inteligente de módulos fotovoltaicos

Intervenções em geradores fotovoltaicos, para manutenção ou em caso de incêndio, implicam riscos de choque com tensões de até 1000 V. Este artigo compara as soluções de segurança disponíveis e descreve um novo sistema inteligente.

Lotte Ehlers, da Phoenix Contact GmbH (Alemanha)

Data: 04/05/2017

Edição: Fotovolt Março 2017 - Ano 3 - N^o 9

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A potência instalada global das instalações geradoras fotovoltaicas (FV) atingiu recentemente a marca de 300 GWp. As projeções são de que esse número ultrapasse 600 GWp até 2020. A maior parte dessas instalações trata-se do tipo string, ou série fotovoltaica. Um ou diversos strings, cada um formado de múltiplos módulos FV, são conectados a um inversor. Com os módulos FV ligados em série, a tensão contínua dos módulos de cada string se soma e compõe a tensão de string. Essa tensão atinge normalmente várias centenas de volts, sendo o limite superior em torno de 1000 Vcc (figura 1). Para garantir a segurança das pessoas durante intervenções nessas instalações, a norma determina que a tensão fique limitada a 120 Vcc quando o sistema for desligado. Simultaneamente, a soma de todas as correntes de curto-circuito deve ser no máximo de 12 mA, ou a potência remanescente da instalação não pode ultrapassar 350 mJ.

Quando a produção é insuficiente

Os referidos limites dos parâmetros elétricos após o desligamento da instalação podem ser obtidos de diversos modos. As soluções atualmente oferecidas interrompem o cabeamento do gerador FV centralmente ou num determinado ponto. A corrente cessa, fazendo com que o requisito da norma seja em princípio atendido. Contudo, no sistema completo de corrente contínua permanece uma “tensão de circuito aberto” – portanto, de várias centenas de volts – enquanto a luz solar incidir sobre os módulos.

Fig. 1 – Com a ligação dos módulos FV em série resultam tensões de até 1000 Vcc

Outra possibilidade seria fechar os strings em curto-circuito. Com isso a tensão cai a zero e satisfaz a norma. No entanto, ainda assim pode fluir corrente, porque o circuito não foi desconectado. Essa solução implica também o risco da presença de uma tensão elevada quando, durante um serviço de manutenção, o cabo de um string for desconectado e interromper o curto-circuito. Por esta razão, a norma VDE proíbe expressamente que os strings sejam mantidos em curtocircuito por longos períodos [1].

Constata-se, portanto, que as soluções atuais não proporcionam proteção suficiente. Até porque, além de técnicos e instaladores, às vezes outras pessoas sem conhecimentos de eletrotécnica trabalham numa instalação FV, como, por exemplo, marceneiros e demais profissionais que executam reformas na cobertura ou na respectiva estrutura de sustentação. Sem contar os bombeiros, para os quais, em caso de incêndio, inundação, resgate de pessoas e demais operações, se apresentam situações de risco devido a um potencial defeito na instalação. Em consequência de contato direto com módulos ou cabos defeituosos, pontes de corrente entre partes expostas da instalação, e água de combate a incêndio ou de inundação, as pessoas podem receber choques ou sofrer queimaduras causadas por arcos elétricos.

Desconexão individual de módulos FV

Para que a manutenção e reparos da instalação FV não precise ser realizada à noite, nem implique gastos adicionais desproporcionalmente elevados, são necessárias outras medidas de proteção. O desligamento automático de cada painel FV individual evita o risco de tensões de contato perigosas para qualquer pessoa, e assegura proteção independentemente de conhecimentos especializados de eletrotécnica.

Fig. 2 – O sistema consiste de unidades de desligamento para cada módulo, e de unidades de partida que restabelecem a operação do gerador FV

Diante desse cenário, um sistema denominado “Solarcheck RSD” (iniciais do inglês Rapid Shut Down, ou desligamento rápido) foi desenvolvido e patenteado como solução inteligente para desligamento seguro dos módulos FV. O sistema compreende unidades para desligamento dos módulos FV individuais, além de unidades de partida que restabelecem a operação da instalação. Seus componentes são incorporados ao cabeamento de corrente contínua, sem necessidade de comunicação adicional por cabo ou por rádio. A parametrização ou programação é igualmente dispensável (figura 2).

Cada unidade de desligamento desconecta o respectivo módulo FV do conjunto do string. O desligamento é automático quando ocorre um defeito ou o inversor é desligado. Após o desligamento, todo o lado de corrente contínua do gerador FV apresenta no máximo a tensão em vazio de um módulo, portanto, na faixa da extrabaixa tensão de segurança. Por isso, o risco de choque elétrico está eliminado. Caso o defeito não se localize no string nem no inversor, mas num dado módulo, somente este módulo é desconectado, e o restante do gerador FV continua a produzir energia.

Funcionalidades de segurança automática

Como as unidades de desligamento do sistema aqui apresentado analisam as condições de tensão e de corrente nos cabos de string e em cada módulo FV, elas podem distinguir diversos estados de funcionamento. Segundo o princípio de fail-safe, qualquer desvio do estado normal de funcionamento conduz a um desligamento – independentemente de se tratar de uma falha no cabo do string, no módulo, ou ainda do desligamento do inversor. Para tanto, as unidades de desligamento supervisionam permanentemente o ambiente elétrico e efetuam comparações com as características de operação normal. Dessa forma, elas identificam qualquer intervenção, acidente ou dano como desvio do padrão e desconectam automaticamente o respectivo módulo. O teste e a identificação da falha funcionam de modo autônomo em cada módulo. Disso resulta uma alta redundância, que aumenta significativamente a confiabilidade do desligamento automático, se comparada com a de um sistema de comando centralizado. Ademais, torna-se desnecessária a transmissão de dados no sistema, que está sujeita a erros por interferência ou interpretação equivocada dos parâmetros, e ainda requer alto investimento na instalação.

Além do modo automático, o comando manual de desligamento também é possível, desligando-se o inversor ou desconectando-o da rede. As unidades de desligamento dos módulos FV detectam essa situação imediatamente e iniciam o desligamento da instalação completa. Esse procedimento é realizado, por exemplo, para manutenção e reparos, ou para intervenção dos bombeiros, e sempre antes de adentrar a instalação – com a diferença de que o sistema em análise afasta o risco de choque durante essas operações por meio de extrabaixa tensão de segurança.

Fig. 3 – As unidades de desligamento inteligente podem ser inseridas também nos módulos de instalações FV existentes

A unidade inteligente de partida restabelece automaticamente a operação do gerador FV tão logo se verifiquem condições de contorno seguras e tecnicamente perfeitas. O sistema acompanha automaticamente o estado ridasnos módulos de instalações FV existentes de funcionamento do inversor. Essa tecnologia mostra-se mais rápida e confiável do que qualquer avaliação humana ou comando manual.

Instalações novas ou existentes

O sistema “Solarcheck RSD” pode ser aplicado tanto para projetos novos quanto em instalações existentes, e não está vinculado a nenhum tipo determinado de inversor ou de módulo FV (figura 3). No futuro, essa solução pode ser incorporada diretamente aos módulos e aos inversores.

Com a tecnologia de desligamento inteligente dos módulos FV, são atendidos os requisitos de segurança há muito exigidos pelos sindicados, Corpo de Bombeiros, instaladores e operadores de sistemas fotovoltaicos. Geradores FV podem ser instalados, operados e mantidos com segurança. Como esses serviços podem ser realizados durante o dia, são poupados os altos custos de serviços noturnos. Além disso, o sistema estabiliza a geração FV e tem efeitos positivos sobre o inversor, porque todas as manhãs é efetuada uma rotina definida de partida da instalação, que protege a eletrônica do inversor.

Referências

VDE-AR-E 2100-712 Anwendungsregel:2013-05, Maßnahmen für den DC-Bereich einer Photovoltaikanlage zum Einhalten der elektrischen Sicherheit im Falle einer Brandbekämpfung oder einer technischen Hilfeleistung.

Artigo publicado originalmente na revista alemã IKZ-Energy, edição 7/8/2016. Copyright Strobel Verlag, Arnsberg. Publicado por FV sob licença dos editores. Tradução e adaptação de Celso Mendes.