Visão geral

Um sistema fotovoltaico converte a radiação solar, na forma de luz, em eletricidade utilizável. É composto pelo painel solar e pelos demais componentes do sistema. Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados com base em vários aspectos, como sistemas conectados à rede vs. sistemas autônomos, sistemas integrados ao edifício vs. Outras distinções podem incluir: sistemas com microinversores versus inversores centrais, sistemas que utilizam silício cristalino versus tecnologia de película fina e sistemas com módulos de fabricantes chineses versus fabricantes europeus e americanos.

Cerca de 99% dos sistemas de energia solar europeus e 90% dos americanos estão ligados à rede, enquanto os sistemas fora da rede são um pouco mais comuns na Austrália e na Coreia do Sul.[8]​: Os sistemas fotovoltaicos raramente utilizam armazenamento de bateria. Isto pode mudar à medida que os incentivos governamentais para o armazenamento distribuído de energia entrarem em vigor e os investimentos em soluções de armazenamento se tornarem gradualmente economicamente viáveis ​​para pequenos sistemas.[9]​[10]​ Uma instalação solar residencial típica é montada no telhado, em vez de ser integrada no telhado ou na fachada do edifício, o que é muito mais caro. As usinas solares em grande escala são montadas no solo, com painéis solares fixos e inclinados, em vez de usar dispositivos de rastreamento caros. O silício cristalino é o material predominante em 90% dos módulos solares produzidos em todo o mundo, enquanto o seu rival, o filme fino, perdeu quota de mercado.[1] Cerca de 70% de todas as células e módulos solares são produzidos na China e em Taiwan, e apenas 5% por fabricantes europeus e americanos.[1] A capacidade instalada tanto de pequenos sistemas de cobertura como de grandes centrais de energia solar está a crescer rápida e igualmente, embora haja uma tendência notável para sistemas solares. escala de serviços públicos, à medida que o foco das novas instalações está a mudar da Europa para regiões mais ensolaradas, como o Cinturão do Sol dos EUA, que se opõem menos aos parques solares montados no solo e os investidores colocam mais ênfase na rentabilidade.[8]​.

Impulsionado pelos avanços tecnológicos e pelo aumento da escala e sofisticação da fabricação, o custo da energia fotovoltaica está diminuindo continuamente.[3]​ Existem vários milhões de sistemas fotovoltaicos distribuídos em todo o mundo, principalmente na Europa, com 1,4 milhão de sistemas somente na Alemanha.[1]​ - bem como na América do Norte, com 440.000 sistemas nos Estados Unidos.[11]​ A eficiência de conversão de energia de um módulo solar convencional aumentou de 15 para 20% desde então. 2004.[1]​ e um sistema fotovoltaico recupera a energia necessária para sua fabricação em cerca de 2 anos. Em locais com irradiância excepcional, ou quando a tecnologia de película fina é usada, o chamado tempo de retorno de energia é reduzido para um ano ou menos.[1] A medição líquida e os incentivos financeiros, como taxas preferenciais para a eletricidade gerada por energia solar, também apoiaram enormemente a instalação de sistemas fotovoltaicos em muitos países.[12] O custo nivelado da eletricidade proveniente de sistemas fotovoltaicos de grande escala tornou-se competitivo com as fontes de eletricidade convencionais numa lista cada vez mais restrita. ampla gama de regiões geográficas, e a paridade de rede foi alcançada em cerca de 30 países diferentes.[13]​[14]​[15]​.

Em 2015, o mercado fotovoltaico global em rápido crescimento aproxima-se da marca dos 200 GW, cerca de 40 vezes a capacidade instalada em 2006.[16] Estes sistemas contribuem atualmente para 1% da geração global de eletricidade. Os principais instaladores de sistemas fotovoltaicos em termos de capacidade são atualmente a China, o Japão e os Estados Unidos, enquanto metade da capacidade mundial está instalada na Europa, com a Alemanha e a Itália fornecendo entre 7% e 8% do respetivo consumo nacional de eletricidade com energia solar fotovoltaica. contribuem com 16% e 11% da demanda global, respectivamente.

Conexão à rede solar

Um sistema ligado à rede é conectado a uma rede independente maior (normalmente a rede de energia pública) e fornece energia diretamente à rede. Esta energia pode ser partilhada por um edifício residencial ou comercial antes ou depois do ponto de medição de receita, dependendo se a produção de energia creditada é calculada independentemente do consumo de energia do cliente (tarifa feed-in) ou apenas da diferença de energia (medição líquida). Esses sistemas variam em tamanho, desde residenciais (2-10 kW) até usinas de energia solar (até dezenas de MW). Esta é uma forma de geração descentralizada de eletricidade. A injeção de eletricidade na rede requer a transformação de corrente contínua em corrente alternada através de um inversor de rede especial e sincronizado. Em instalações do tamanho de quilowatts, a tensão no lado CC do sistema é tão alta quanto permitido (normalmente 1.000 V, exceto 600 V residencial nos EUA) para limitar as perdas ôhmicas. A maioria dos módulos (60 ou 72 células de silício cristalino) gera entre 160 W e 300 W a 36 volts. Às vezes é necessário ou desejável conectar módulos parcialmente em paralelo, em vez de todos em série. Um conjunto de módulos conectados em série é chamado de “cadeia”.[18]​.

Escala do sistema

Os sistemas fotovoltaicos são geralmente classificados em três segmentos de mercado distintos: telhados residenciais, telhados comerciais e sistemas de escala de serviços públicos montados no solo. Suas capacidades variam de alguns quilowatts a centenas de megawatts. Um sistema residencial típico tem cerca de 10 quilowatts e é montado num telhado inclinado, enquanto os sistemas comerciais podem atingir a escala de megawatts e são normalmente instalados em telhados de baixa inclinação ou mesmo planos. Embora os sistemas montados em telhados sejam pequenos e tenham um custo por watt mais elevado do que as grandes instalações à escala comercial, eles representam a maior parte do mercado. No entanto, há uma tendência crescente para usinas de energia maiores, especialmente na região do "cinturão solar" do planeta.[8]​ [19]​.

Desempenho

As incertezas no rendimento ao longo do tempo estão principalmente relacionadas com a avaliação do recurso solar e o desempenho do próprio sistema. No melhor dos casos, as incertezas são geralmente de 4% devido à variabilidade climática anual, 5% devido à estimativa do recurso solar (no plano horizontal), 3% devido à estimativa da irradiação no plano da matriz, 3% devido à potência nominal dos módulos, 2% devido às perdas por sujeira, 1,5% devido às perdas por neve e 5% devido a outras fontes de erro. Identificar e reagir a perdas gerenciáveis ​​é fundamental para a eficácia da receita e da operação e manutenção. O monitoramento do desempenho da instalação pode fazer parte dos acordos contratuais entre o proprietário da instalação, o construtor e a empresa compradora da energia produzida. Um método de criação de "dias sintéticos" usando dados meteorológicos prontamente disponíveis e verificação usando a faixa de testes Open Solar Outdoors torna possível prever o desempenho de sistemas fotovoltaicos com um alto grau de precisão. podem ocorrer perdas de neve de 30%. O acesso à Internet tornou possível melhorar ainda mais o controle e a comunicação de energia. Existem sistemas específicos de vários fornecedores. Para sistemas solares fotovoltaicos que usam microinversores (conversão CC em nível de painel), os dados de energia dos módulos são fornecidos automaticamente e podem ver o status de toda a sua base instalada rapidamente.

Contenido

Un sistema fotovoltaico para el suministro de energía residencial, comercial o industrial está formado por el conjunto solar y una serie de componentes que a menudo se resumen en el balance del sistema (BOS). Este término es sinónimo de "Balance de planta" q.v. Los componentes del BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para su montaje, normalmente uno o más convertidores de potencia de CC a CA, también conocidos como inversores "Inversor (electrónica)"), un dispositivo de almacenamiento de energía, un sistema de estanterías que soporta el conjunto solar, el cableado eléctrico y las interconexiones, y el montaje de otros componentes.

Opcionalmente, un sistema de balance puede incluir alguno o todos los siguientes elementos: medidor de ingresos de créditos de energía renovable, rastreador de punto de máxima potencia (MPPT), sistema de baterías y cargador, rastreador solar por GPS, software de gestión de la energía, sensores de irradiación solar, anemómetro o accesorios específicos diseñados para satisfacer los requisitos especializados de un propietario de sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y a veces un sistema de refrigeración.

Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" a menudo se utilizan incorrectamente de manera intercambiable, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se utiliza a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consta de una cadena de varios módulos. El término " sistema solar " también es un nombre inapropiado para un sistema fotovoltaico.

Painel solar

Os componentes básicos de um sistema fotovoltaico são as células solares. Uma célula solar é o dispositivo elétrico que pode converter diretamente a energia dos fótons em eletricidade. Existem três gerações tecnológicas de células solares: a primeira geração (1G) de células de silício cristalino (c-Si), a segunda geração (2G) de células de película fina (como CdTe, CIGS, silício amorfo e GaAs), e a terceira geração (3G) de células orgânicas, sensibilizadas por corantes, Perovskita e multijunção.[26][27]​.

Células solares c-Si convencionais, normalmente conectadas em série, são encapsuladas em um módulo solar para protegê-las dos elementos. O módulo consiste em uma tampa de vidro temperado, um encapsulante macio e flexível, uma folha traseira de material resistente às intempéries e ao fogo e uma moldura de alumínio ao redor da borda externa. Eletricamente conectados e montados em uma estrutura de suporte, os módulos solares formam uma cadeia de módulos, geralmente chamada de painel solar.[28]​ Um painel solar é composto por um ou mais desses painéis. Um painel fotovoltaico, ou painel solar, é uma coleção interligada de módulos solares. A energia que um único módulo pode produzir raramente é suficiente para atender às necessidades de uma casa ou empresa, por isso os módulos são unidos para formar um conjunto. A maioria dos conjuntos fotovoltaicos utiliza um inversor para converter a corrente contínua produzida pelos módulos em corrente alternada que pode alimentar luzes, motores e outras cargas. Os módulos de um conjunto fotovoltaico são normalmente primeiro conectados em série para obter a tensão desejada; As strings individuais são então conectadas em paralelo para que o sistema possa produzir mais corrente. Os painéis solares são normalmente medidos sob condições de teste padrão (STC) ou condições de teste PVUSA (PTC), em watts.[29] Os valores típicos do painel variam de menos de 100 watts a mais de 400 watts. A classificação do conjunto consiste na soma das classificações dos painéis, em watts, quilowatts ou megawatts.

Um módulo fotovoltaico típico de 150 watts tem cerca de um metro quadrado de tamanho. Espera-se que tal módulo produza 0,75 quilowatt-hora (kWh) todos os dias, em média, tendo em conta o clima e a latitude, para uma insolação de 5 horas de sol/dia. A saída e a vida útil do módulo são degradadas pelo aumento da temperatura. Permitir que o ar ambiente flua para cima e, se possível, para trás dos módulos fotovoltaicos reduz este problema, pois o fluxo de ar reduz a temperatura de operação e, consequentemente, aumenta a eficiência do módulo. Isto ocorre quase sempre para instalações com um único módulo fotovoltaico, levando erroneamente a que este fenômeno seja considerado o mesmo para instalações com muitos módulos. No entanto, foi recentemente demonstrado que, em geradores fotovoltaicos, o aumento da velocidade do vento aumenta as perdas de energia.[30] Este resultado aparentemente contra-intuitivo segue leis bem conhecidas da mecânica dos fluidos: a interação do vento com o gerador fotovoltaico induz variações no fluxo de ar que alteram a transferência de calor dos módulos para o ar. [3].

A vida útil efetiva dos módulos é normalmente de 25 anos ou mais.[31]​ O período de retorno para um investimento em uma instalação solar fotovoltaica varia amplamente e é geralmente menos útil do que um cálculo de retorno sobre o investimento.[32]​ Embora normalmente estimado em 10 a 20 anos, o período de retorno financeiro pode ser muito mais curto com incentivos.[33]​.

O efeito da temperatura nos módulos fotovoltaicos é geralmente quantificado por meio de coeficientes que relacionam variações na tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito e potência máxima com mudanças de temperatura. Neste trabalho são apresentadas diretrizes experimentais completas para estimativa de coeficientes de temperatura[34].

Devido à baixa tensão de uma única célula solar (normalmente cerca de 0,5 V), várias células são ligadas em série na fabricação de um "laminado". O laminado é montado em uma caixa protetora resistente às intempéries, formando assim um módulo fotovoltaico ou painel solar. Os módulos podem então ser encadeados para formar um conjunto fotovoltaico. Em 2012, os painéis solares disponíveis aos consumidores tinham uma eficiência de até aproximadamente 17%,[35]​ enquanto os painéis disponíveis no mercado em 2020 podem atingir até 27%. Relata-se que um grupo do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar criou uma célula que pode atingir uma eficiência de 44,7%, tornando muito mais viáveis ​​as esperanças dos cientistas de atingir o limite de eficiência de 50%.[36][37][38][39]​.

A saída elétrica das células fotovoltaicas é extremamente sensível ao sombreamento ("efeito de luz de Natal").[40]​[41]​[42]​ Quando mesmo uma pequena parte de uma célula, módulo ou conjunto está na sombra, enquanto o resto está sob a luz solar, o desempenho diminui drasticamente devido ao "curto-circuito" interno (os elétrons invertem o curso através da parte sombreada da junção p-n). Se a corrente extraída da cadeia de células em série não for maior do que aquela que a célula sombreada pode produzir, a corrente (e, portanto, a potência) desenvolvida pela cadeia será limitada. Se houver tensão suficiente disponível nas outras células da cadeia, a corrente será forçada através da célula quebrando a junção na parte sombreada. Essa tensão de ruptura em células comuns está entre 10 e 30 volts. Em vez de aumentar a energia produzida pelo painel, a célula sombreada absorve energia, convertendo-a em calor. Como a tensão reversa de uma célula sombreada é muito maior que a tensão direta de uma célula iluminada, uma célula sombreada pode absorver energia de muitas outras células da cadeia, afetando desproporcionalmente a saída do painel. Por exemplo, uma célula sombreada pode diminuir 8 volts, em vez de adicionar 0,5 volts, em um determinado nível de corrente, absorvendo assim a energia produzida por outras 16 células.[43]​ Portanto, é importante que uma instalação fotovoltaica não seja sombreada por árvores ou outros obstáculos.

Vários métodos foram desenvolvidos para determinar as perdas de sombreamento de árvores em sistemas fotovoltaicos, tanto em grandes regiões usando LiDAR,[44]​ quanto em nível de sistema individual usando sketchup.[45]​ A maioria dos módulos possui diodos de bypass entre cada célula ou sequência de células que minimizam os efeitos do sombreamento e perdem energia apenas na parte sombreada do conjunto. A principal função do diodo bypass é eliminar pontos quentes que se formam nas células e que podem danificar o conjunto e causar incêndios.

A luz solar pode ser absorvida pela poeira, neve ou outras impurezas na superfície do módulo (coletivamente denominadas sujeira). A sujeira reduz a luz que atinge as células, o que por sua vez reduz a potência do sistema fotovoltaico. As perdas de sujidade acumulam-se com o tempo e podem tornar-se grandes se não for realizada uma limpeza adequada. Em 2018, a perda anual global de energia devido à sujeira foi estimada em pelo menos 3% - 4%.[46]​ No entanto, as perdas devido à sujeira variam muito de região para região,[47]​ e dentro das regiões.[48]​ Manter uma superfície de módulo limpa aumentará o desempenho da produção ao longo da vida útil do sistema fotovoltaico. Num estudo realizado numa área com muita neve (Ontário), a limpeza de painéis solares planos após 15 meses aumentou a sua produção em quase 100%. Porém, os conjuntos inclinados em 5° foram adequadamente limpos com água da chuva. Em muitos casos, especialmente em regiões áridas ou em locais próximos de desertos, estradas, indústria ou agricultura, a limpeza regular dos painéis solares é rentável. Em 2018, a perda estimada de receitas induzida pela incrustação foi estimada entre 5 mil milhões de euros e 7 mil milhões de euros.[49]​.

A fiabilidade a longo prazo dos módulos fotovoltaicos é crucial para garantir a viabilidade técnica e económica da energia fotovoltaica como uma fonte de energia de sucesso. A análise dos mecanismos de degradação dos módulos fotovoltaicos é fundamental para garantir uma vida útil atual superior a 25 anos.[50]​.

A insolação solar é composta por radiação direta, difusa e refletida. O fator de absorção de uma célula fotovoltaica é definido como a fração da radiação solar incidente que é absorvida pela célula.[51]​ Ao meio-dia de um dia sem nuvens no equador, a potência do sol é de aproximadamente 1 kW/m²,[52]​ na superfície da Terra, em um plano perpendicular aos raios solares. Portanto, as instalações fotovoltaicas podem acompanhar o sol ao longo do dia para melhorar a captação de energia. No entanto, os dispositivos de rastreamento têm um custo adicional e requerem manutenção, por isso é mais comum que os conjuntos fotovoltaicos tenham suportes fixos que inclinam o conjunto e o orientam em direção ao meio-dia solar (aproximadamente ao sul no hemisfério norte ou ao norte no hemisfério sul). O ângulo de inclinação, a partir da horizontal, pode variar dependendo da estação,[53]​ mas se for fixo, deve ser ajustado para obter a produção ideal do conjunto durante a parte de demanda elétrica máxima de um ano típico para um sistema autônomo.[53]​ Este ângulo de inclinação ideal do módulo não é necessariamente idêntico ao ângulo de inclinação para a produção anual máxima de energia do conjunto. Otimizar o sistema fotovoltaico para um ambiente específico pode ser complicado, pois questões como fluxo solar, sujeira e perdas de neve devem ser levadas em consideração. Além disso, trabalhos subsequentes mostraram que os efeitos espectrais podem desempenhar um papel na seleção ideal de materiais fotovoltaicos. Por exemplo, o albedo espectral pode desempenhar um papel importante na produção, dependendo da área de superfície ao redor do sistema fotovoltaico e do tipo de material da célula solar. Para o clima e as latitudes dos Estados Unidos e da Europa, a insolação típica varia de 4 kWh/m²/dia em climas do norte a 6,5 ​​kWh/m²/dia nas regiões mais ensolaradas. Uma instalação fotovoltaica nas latitudes norte da Europa ou dos Estados Unidos pode produzir 1 kWh/m²/dia. Uma instalação fotovoltaica típica de 1 kW na Austrália ou nas latitudes meridionais da Europa ou dos Estados Unidos pode produzir entre 3,5 e 5 kWh por dia, dependendo da localização, orientação, inclinação, insolação e outros factores. No Deserto do Saara, com menos nebulosidade e melhor ângulo solar, idealmente poderiam ser obtidos cerca de 8,3 kWh/m²/dia, desde que o vento, quase sempre presente, não jogue areia nas unidades. A área do Deserto do Saara é superior a 9 milhões de km². Destes, 90.600 km² (ou seja, cerca de 1%) poderiam gerar tanta eletricidade quanto todas as usinas do mundo juntas.[54]​.

Montagem

Os módulos são montados em matrizes em algum tipo de sistema de montagem, que pode ser classificado como montagem no solo, no telhado ou em poste. No caso dos parques solares, uma grande moldura é montada no solo e nela são montados os módulos. No caso dos edifícios, muitas estruturas diferentes foram concebidas para telhados inclinados. Para telhados planos são utilizados racks, contêineres e soluções integradas ao edifício. Os racks de painéis solares montados em postes podem ser fixos ou móveis. Os suportes laterais do poste são adequados para situações em que um poste tem algo montado em sua parte superior, como uma luminária ou antena. A montagem em poste eleva o que de outra forma seria uma montagem montada no solo acima das sombras de arbustos e animais, e pode satisfazer os requisitos do código elétrico para inacessibilidade de fiação exposta. Os painéis montados em poste estão abertos a mais ar de resfriamento na parte inferior, aumentando o desempenho. Uma multiplicidade de racks montados em postes pode formar uma garagem de estacionamento ou outra estrutura de sombra. Uma moldura que não segue o sol da esquerda para a direita pode permitir o ajuste sazonal para cima ou para baixo.

Cabeamento

Devido ao seu uso externo, os cabos solares são projetados para serem resistentes à radiação ultravioleta e às flutuações de temperatura extremamente altas e geralmente não são afetados pelo clima. Os padrões que especificam o uso de fiação elétrica em sistemas fotovoltaicos incluem o IEC 60364 da Comissão Eletrotécnica Internacional, na seção 712 "Sistemas de Fornecimento Solar Fotovoltaico (PV)", o Padrão Britânico BS 7671, que incorpora regulamentos relacionados à microgeração e sistemas fotovoltaicos, e o Padrão dos EUA UL4703, no tópico 4703 "Cabo Fotovoltaico".

Rastreador

Um sistema de rastreamento solar inclina um painel solar ao longo do dia. Dependendo do tipo de sistema de rastreamento, o painel é direcionado diretamente para o sol ou para a área mais brilhante de um céu parcialmente nublado. Os rastreadores melhoram muito o desempenho no início da manhã e no final da tarde, aumentando a quantidade total de energia produzida por um sistema em 20-25% para um rastreador de eixo único e em 30% ou mais para um rastreador de dois eixos, dependendo da latitude. Os rastreadores são eficazes em regiões que recebem diretamente uma grande porção de luz solar. Sob luz difusa (ou seja, sob nuvens ou neblina), o rastreamento tem pouco ou nenhum valor. Como a maioria dos sistemas fotovoltaicos concentrados são muito sensíveis ao ângulo da luz solar, os sistemas de rastreamento permitem que eles produzam energia útil por mais de um curto período por dia.[57]​ Os sistemas de rastreamento melhoram o desempenho por duas razões principais. Primeiro, quando um painel solar está perpendicular à luz solar, recebe mais luz na sua superfície do que se estivesse inclinado. Em segundo lugar, a luz direta é usada de forma mais eficaz do que a luz angular.[58]​ Revestimentos anti-reflexos especiais podem melhorar a eficiência do painel solar para luz direta e angular, reduzindo um pouco o benefício de rastreamento.[59]​.

Rastreadores e sensores para otimizar o desempenho são frequentemente considerados opcionais, mas podem aumentar a produção viável em até 45%.[60] Matrizes que se aproximam ou excedem um megawatt costumam usar rastreadores solares. Tendo em conta as nuvens, e o facto de a maior parte do mundo não estar na linha do equador, e de o sol se pôr à noite, a medida correcta da energia solar é a insolação, o número médio de quilowatts-hora por metro quadrado por dia. Para o clima e as latitudes dos Estados Unidos e da Europa, a insolação típica varia de 2,26 kWh/m/dia ​​em climas do norte a 5,61 kWh/m/dia ​​nas regiões mais ensolaradas.[61][62]​.

Para sistemas grandes, a energia obtida com o uso de sistemas de monitoramento pode compensar a complexidade adicional. Para sistemas muito grandes, a manutenção adicional do rastreamento é um prejuízo substancial.[63]​ O rastreamento não é necessário para sistemas fotovoltaicos planos e de baixa concentração. Para sistemas fotovoltaicos altamente concentrados, o rastreamento de eixo duplo é uma necessidade.[64]​ A evolução dos preços influencia o equilíbrio entre adicionar mais painéis solares fixos e ter menos painéis rastreados.

À medida que os preços, a confiabilidade e o desempenho dos rastreadores de eixo único melhoraram, os sistemas foram instalados em uma porcentagem crescente de projetos em escala de serviços públicos. De acordo com dados da WoodMackenzie/GTM Research, as remessas globais de rastreadores solares atingiram um recorde de 14,5 gigawatts em 2017. Isso representa um crescimento de 32% ano a ano, com crescimento semelhante ou maior projetado à medida que a implantação solar em grande escala acelera.[65]​.

Investidor

Os sistemas projetados para fornecer corrente alternada (CA), como aplicações ligadas à rede, requerem um inversor para converter corrente contínua (CC) de módulos solares em CA. Os inversores ligados à rede devem fornecer eletricidade CA de maneira senoidal, sincronizada com a frequência da rede, limitar a tensão de alimentação a não superior à tensão da rede e desconectar-se da rede se a tensão da rede estiver desligada. Os inversores ilhados só precisam produzir tensões e frequências reguladas em forma de onda senoidal, pois não é necessária nenhuma sincronização ou coordenação com o fornecimento da rede.

Um inversor solar pode ser conectado a uma série de painéis solares. Em algumas instalações, um microinversor solar é conectado a cada painel solar. Por razões de segurança, um disjuntor é fornecido nos lados CA e CC para permitir a manutenção. A saída CA pode ser conectada à rede elétrica por meio de um medidor de eletricidade.[68]​ O número de módulos no sistema determina o total de watts CC que o painel solar pode gerar; No entanto, em última análise, o inversor controla a quantidade de watts CA que podem ser distribuídos para consumo. Por exemplo, um sistema fotovoltaico composto por módulos fotovoltaicos de 11 quilowatts CC (kW), emparelhados com um inversor de 10 quilowatts CA (kW), será limitado à potência do inversor de 10 kW. Em 2019, a eficiência de conversão dos conversores de última geração atingiu mais de 98%. Enquanto os inversores string são usados ​​em sistemas fotovoltaicos residenciais e comerciais de médio porte, os inversores centrais cobrem o mercado comercial e de grande escala. A participação de mercado dos inversores centrais e string é de aproximadamente 44% e 52%, respectivamente, e menos de 1% para microinversores.[69]​.

O rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT) é uma técnica usada por inversores conectados à rede para obter a máxima potência possível do conjunto fotovoltaico. Para fazer isso, o sistema MPPT do inversor faz uma amostragem digital da saída de energia em constante mudança do painel solar e aplica a resistência apropriada para encontrar o ponto de potência máxima ideal.[70]​.

O anti-ilhamento é um mecanismo de proteção para desligar imediatamente o inversor, evitando que ele gere energia CA quando a conexão com a carga não existir mais. Isto ocorre, por exemplo, em caso de apagão. Sem esta proteção, a linha de abastecimento se tornaria uma “ilha” alimentada cercada por um “mar” de linhas não alimentadas, à medida que o painel solar continua a fornecer energia CC durante o apagão. O isolamento é um perigo para os trabalhadores das empresas de energia, que podem não perceber que uma CA continua a receber energia e pode impedir que os dispositivos se reconectem automaticamente.[71]​ O anti-ilhamento não é necessário para sistemas completos fora da rede.

Bateria

Embora ainda caros, os sistemas fotovoltaicos utilizam cada vez mais baterias recarregáveis ​​para armazenar o excedente que será utilizado à noite. As baterias usadas para armazenamento na rede também estabilizam a rede elétrica, nivelando as cargas de pico e desempenham um papel importante em uma rede inteligente, pois podem carregar durante períodos de baixa demanda e alimentar a rede com sua energia armazenada quando a demanda é alta.

As tecnologias de bateria mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos atuais são a bateria de chumbo-ácido regulada por válvula - uma versão modificada da bateria convencional de chumbo-ácido -, as baterias de níquel-cádmio e as baterias de íon-lítio. Em comparação com os outros tipos, as baterias de chumbo-ácido têm uma vida útil mais curta e menor densidade de energia. No entanto, devido à sua elevada fiabilidade, baixa autodescarga e baixos custos de investimento e manutenção, são atualmente a tecnologia predominante em sistemas fotovoltaicos residenciais de pequena escala, uma vez que as baterias de iões de lítio ainda estão em fase de desenvolvimento e são cerca de 3,5 vezes mais caras que as baterias de chumbo. Além disso, como os dispositivos de armazenamento dos sistemas fotovoltaicos são estacionários, a menor energia e densidade de potência e, portanto, o maior peso das baterias de chumbo-ácido não são tão críticos como, por exemplo, no transporte elétrico. [9] Outras baterias recarregáveis consideradas para sistemas fotovoltaicos distribuídos são sódio-enxofre e vanádio-redox, dois tipos proeminentes de sal fundido e baterias de fluxo, respectivamente. consumo.[73]​.

Os sistemas fotovoltaicos com uma solução de bateria integrada também precisam de um controlador de carga, pois a tensão e a corrente variáveis ​​do painel solar requerem ajuste constante para evitar danos por sobrecarga. Os controladores de carga básicos podem simplesmente ligar e desligar os painéis fotovoltaicos ou podem medir pulsos de energia conforme necessário, uma estratégia chamada PWM ou modulação por largura de pulso. Controladores de carregamento mais avançados incorporarão a lógica MPPT em seus algoritmos de carregamento de bateria. Os controladores de carga também podem desviar energia para alguma finalidade diferente do carregamento da bateria. Em vez de simplesmente desligar a energia fotovoltaica livre quando não for necessária, o usuário pode optar por aquecer o ar ou a água quando a bateria estiver cheia.

Controle e medição

O contador deve ser capaz de acumular unidades de energia em ambas as direções, ou devem ser utilizados dois contadores. Muitos medidores acumulam bidirecionalmente, alguns sistemas usam dois medidores, mas um medidor unidirecional (com detentor) não acumulará energia de qualquer alimentação resultante para a rede.[75]​ Em alguns países, um monitor de frequência e tensão com desconexão de todas as fases é necessário para instalações acima de 30 kWp. Isto é feito quando é gerada mais energia solar do que a empresa de energia pode acomodar e o excesso não pode ser exportado ou armazenado. Historicamente, os operadores da rede tiveram de fornecer linhas de transmissão e capacidade de produção. Agora eles também precisam fornecer armazenamento. Normalmente trata-se de armazenamento hidráulico, mas também são utilizados outros meios de armazenamento. Inicialmente, o armazenamento foi utilizado para que os geradores de carga base pudessem operar em plena capacidade. Com a energia renovável variável, o armazenamento é necessário para permitir que a energia seja gerada sempre que disponível e consumida sempre que necessário.

As duas variáveis ​​que um operador de rede possui são armazenar eletricidade para quando for necessária ou transmiti-la para onde for necessária. Se ambos falharem, instalações maiores que 30 kWp poderão desligar automaticamente, embora na prática todos os inversores mantenham a regulação de tensão e deixem de fornecer energia se a carga for inadequada. Os operadores de rede têm a opção de reduzir o excesso de geração de grandes sistemas, embora isso seja mais comumente feito com energia eólica do que com energia solar, e resulte em uma perda substancial de receita.[76]​ Os inversores trifásicos têm a opção única de fornecer energia reativa, o que pode ser vantajoso no atendimento aos requisitos de carga.[77]​.

As instalações fotovoltaicas precisam ser monitoradas para detectar falhas e otimizar seu funcionamento. Existem diversas estratégias de monitorização fotovoltaica dependendo do desempenho da instalação e da sua natureza. O monitoramento pode ser feito no local ou remotamente. Você pode medir apenas a produção, recuperar todos os dados do inversor ou recuperar todos os dados dos equipamentos de comunicação (sondas, medidores, etc.). As ferramentas de monitoramento podem ser dedicadas apenas ao monitoramento ou oferecer funções adicionais. Inversores individuais e controladores de carga de bateria podem incluir monitoramento usando protocolos e software específicos do fabricante.[78] A medição de energia de um inversor pode ter precisão limitada e pode não ser adequada para fins de medição de receitas. Um sistema de aquisição de dados de terceiros pode monitorar múltiplos inversores, utilizando os protocolos do fabricante do inversor, e também adquirir informações relacionadas às condições climáticas. Medidores inteligentes independentes podem medir a produção total de energia de uma instalação fotovoltaica. Medições independentes, como análise de imagens de satélite ou um medidor de radiação solar (um piranômetro), podem ser usadas para estimar a luz solar total para comparação.[79] Os dados coletados por um sistema de monitoramento podem ser visualizados remotamente através da World Wide Web, como o OSOTF.

Dimensionamento do sistema fotovoltaico

Conhecendo o consumo anual de energia em kWh de uma instituição ou de uma família, por exemplo 2300Kwh, legível na sua fatura de eletricidade, é possível calcular o número de painéis fotovoltaicos necessários para satisfazer as suas necessidades energéticas. Ao conectar-se ao site https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/es/, após selecionar o local onde instalar os painéis ou clicar no mapa ou escrever o nome do local, deve-se selecionar "Rede PV" e "Mostrar resultados" obtendo a seguinte tabela por exemplo referente à cidade de Palermo:.

Utilizando o programa wxMaxima "Maxima (software)"), o número de painéis necessários para um consumo anual de 2300 kWh e para uma tecnologia de silício cristalino com ângulo de inclinação de 35°, ângulo de orientação de 0° e perdas totais iguais a 21,88% é arredondado para 6:.

Em média, cada família consegue consumir 30% da energia diretamente da energia fotovoltaica. O sistema de armazenamento pode levar o seu autoconsumo a um máximo de 70%, portanto a capacidade de armazenamento da bateria que deve estar no caso específico é: 4,41 kWh, que é arredondada para 4,8 kWh.

Se o preço da energia for 0,5€/Kwh, o custo da energia sem impostos será de 1.150€ por ano:.

Portanto se um painel de 300W custa 200€, a bateria de 4,8Kwh custa 3000€, o inversor para converter corrente contínua em corrente alternada 1000€, o regulador de carga 100€, a instalação custa 1000€, o custo total será de 6300€:.

que são amortizados em 5,46 anos:.

a bateria tem vida útil de 10 anos e os painéis de 25 a 30 anos.

Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que aún son una nueva tecnología emergente con importancia limitada. Sin embargo, los sistemas autónomos o fuera de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistema más común durante las décadas de 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy cara y era un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala. Solo en lugares donde no había red eléctrica disponible, eran económicamente viables. Aunque todavía se están implementando nuevos sistemas autónomos en todo el mundo, su contribución a la capacidad fotovoltaica total instalada está disminuyendo. En Europa, los sistemas fuera de la red representan el 1 por ciento de la capacidad instalada. En los Estados Unidos, representan alrededor del 10 por ciento. Los sistemas fuera de la red todavía son comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo.[8]​.

CPV

Os sistemas fotovoltaicos de concentração (CPV) e fotovoltaicos de alta concentração (HCPV) usam lentes ópticas ou espelhos curvos para concentrar a luz solar em células solares pequenas, mas altamente eficientes. Além de concentrar a óptica, os sistemas CPV às vezes usam rastreadores solares e sistemas de refrigeração e são mais caros.

Especialmente os sistemas HCPV são mais adequados para locais com elevada irradiância solar, concentrando a luz solar até 400 vezes ou mais, com eficiências de 24 a 28 por cento, superiores às dos sistemas normais. Existem vários projetos de sistemas disponíveis no mercado, mas eles não são muito comuns. No entanto, está sendo pesquisado e desenvolvido.[1]​.

CPV é frequentemente confundido com CSP (energia solar concentrada), que não utiliza energia fotovoltaica. Ambas as tecnologias favorecem locais que recebem muita luz solar e competem diretamente entre si.

Híbrido

Um sistema híbrido combina energia fotovoltaica com outras formas de geração, geralmente um gerador a diesel. O biogás também é usado. A outra forma de geração pode ser um tipo capaz de modular a produção de energia com base na demanda. No entanto, mais de uma forma de energia renovável pode ser utilizada, por exemplo, a eólica. A geração de energia fotovoltaica serve para reduzir o consumo de combustíveis não renováveis. Os sistemas híbridos são mais frequentemente encontrados em ilhas. A Ilha Pellworm na Alemanha e a Ilha Kythnos na Grécia são exemplos notáveis ​​(ambas combinadas com o vento).[80]​[81]​ A fábrica de Kythnos reduziu o consumo de diesel em 11,2%.[82]​.

Em 2015, um estudo de caso realizado em sete países concluiu que em todos os casos os custos de produção podem ser reduzidos através da hibridização de mini-redes e redes isoladas. Contudo, os custos de financiamento destes híbridos são cruciais e dependem em grande parte da estrutura de propriedade da central eléctrica. Embora a redução de custos para as empresas públicas possa ser significativa, o estudo também identificou que os benefícios económicos são insignificantes ou mesmo negativos para as empresas não públicas, como os produtores independentes de energia.[83][84]​.

Também tem havido trabalho que demonstra que o limite de penetração da energia fotovoltaica pode ser aumentado através da implantação de uma rede distribuída de sistemas híbridos fotovoltaicos + cogeração nos EUA.[85] A distribuição temporal do fluxo solar e as necessidades elétricas e de aquecimento de residências unifamiliares representativas nos EUA foram analisadas e os resultados mostram claramente que a hibridização de CHP com PV pode permitir a implantação adicional de PV acima do que é possível com um sistema centralizado convencional de geração de eletricidade. Esta teoria foi reconfirmada com simulações numéricas usando dados de fluxo solar por segundo para determinar que a reserva de bateria necessária para fornecer tal sistema híbrido é possível com sistemas de bateria relativamente pequenos e baratos.

• - O sistema PVT (híbrido PV/T), também conhecido como coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, converte a radiação solar em energia térmica e elétrica. Este sistema combina um módulo solar (PV) com um coletor solar térmico de forma complementar.

• - Sistema CPVT. Um sistema térmico fotovoltaico concentrado híbrido (CPVT) é semelhante a um sistema PVT. Utiliza energia fotovoltaica concentrada (CPV) em vez da tecnologia fotovoltaica convencional e combina-a com um coletor solar térmico.

• - Sistema CPV/CSP. Foi proposto um novo sistema solar híbrido CPV/CSP, que combina o concentrador fotovoltaico com a tecnologia não fotovoltaica de energia solar concentrada (CSP), também conhecida como solar térmica concentrada.[88]​.

• - Sistema fotovoltaico diesel. Combina um sistema fotovoltaico com um gerador a diesel.[89]​ Combinações com outras energias renováveis ​​são possíveis e incluem turbinas eólicas.[90]​.

painéis solares flutuantes

Painéis solares flutuantes são sistemas fotovoltaicos que flutuam na superfície de tanques de água potável, lagos de pedreiras, canais de irrigação ou lagoas de saneamento e resíduos. Estes sistemas são denominados «flutuantes» quando utilizados exclusivamente para a produção elétrica ou «aquavoltaicos» quando utilizados para melhorar sinergicamente a aquicultura[91]. Um pequeno número desses sistemas existe na França, Índia, Japão, Coreia do Sul, Reino Unido, Singapura e Estados Unidos.[92]​[93][94][95][96]​.

Diz-se que os sistemas têm vantagens sobre a energia fotovoltaica terrestre. O custo dos terrenos é mais caro e há menos regras e regulamentos para estruturas construídas em corpos d'água não utilizados para recreação. Ao contrário da maioria das usinas solares terrestres, os painéis flutuantes podem ser discretos porque ficam ocultos da vista do público. Eles alcançam maior eficiência do que os painéis fotovoltaicos terrestres, porque a água resfria os painéis. Os painéis possuem um revestimento especial para evitar ferrugem ou corrosão.[97]​.

Em maio de 2008, a vinícola Far Niente em Oakville, Califórnia, foi pioneira na instalação do primeiro sistema fotovoltaico flutuante do mundo, instalando 994 módulos solares fotovoltaicos com capacidade total de 477 kW em 130 pontões e flutuando-os no lago de irrigação da vinícola. No caso da vinícola Far Niente, foram economizados 0,75 acres (0,30 ha) que seriam necessários para um sistema terrestre. Outra vantagem de um sistema fotovoltaico flutuante é que os painéis são mantidos em temperatura mais baixa do que em terra, permitindo maior eficiência na conversão de energia solar. O sistema fotovoltaico flutuante também reduz a quantidade de água perdida por evaporação e inibe o crescimento de algas.[100]​.

Parques fotovoltaicos flutuantes começam a ser construídos em escala comercial. A multinacional de eletrônicos e cerâmica Kyocera construirá a maior fazenda do mundo, uma fazenda de 13,4 MW no reservatório da Barragem de Yamakura, na província de Chiba. região do Brasil.[105]​.

Rede CC

As redes DC são encontradas no transporte elétrico: bondes e trólebus. Algumas plantas piloto foram construídas para tais aplicações, como os depósitos de bondes em Hannover Leinhausen, usando contribuintes fotovoltaicos[106] e Genebra (Bachet de Pesay).[107] A central de Genebra de 150 kWp alimenta diretamente a rede elétrica de elétricos e trólebus com corrente contínua de 600 V, enquanto anteriormente fornecia cerca de 15% da eletricidade na sua inauguração em 1999.

Sistema autônomo

Um sistema autônomo ou isolado não está conectado à rede elétrica. Os sistemas autônomos variam amplamente em tamanho e aplicação, desde relógios de pulso ou calculadoras até edifícios remotos ou espaçonaves. Se a carga precisar ser alimentada independentemente da insolação solar, a energia gerada é armazenada e armazenada em buffer com uma bateria.[108] Em aplicações não portáteis onde o peso não é um problema, como em edifícios, as baterias de chumbo-ácido são mais comumente utilizadas devido ao seu baixo custo e tolerância a abusos.

Um controlador de carga pode ser incorporado ao sistema para evitar danos à bateria devido a carga ou descarga excessiva. Também pode ajudar a otimizar a produção de painéis solares usando uma técnica de rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT). No entanto, em sistemas fotovoltaicos simples, onde a tensão do módulo fotovoltaico corresponde à tensão da bateria, o uso da eletrônica MPPT é geralmente considerado desnecessário, pois a tensão da bateria é estável o suficiente para fornecer a captação de energia quase máxima do módulo fotovoltaico. Em dispositivos pequenos (por exemplo, calculadoras, parquímetros) apenas é consumida corrente contínua (CC). Em sistemas maiores (por exemplo, edifícios, bombas de água remotas), normalmente é necessário ar condicionado. Para converter a CC dos módulos ou baterias em CA, é utilizado um inversor. "Inversor (eletrônica)").

Em ambientes agrícolas, o conjunto pode ser utilizado para alimentar diretamente bombas CC, sem a necessidade de um inversor "Inversor (eletrônico)"). Em ambientes remotos, como áreas montanhosas, ilhas ou outros locais onde a energia da rede não está disponível, os painéis solares podem ser usados ​​como única fonte de eletricidade, normalmente carregando uma bateria de armazenamento. Os sistemas autônomos estão intimamente relacionados à microgeração e à geração distribuída.

• - Sistemas fotovoltaicos do Pico.

• - Luminárias solares.

As luzes solares de rua são fontes de luz alimentadas por painéis fotovoltaicos geralmente montados na estrutura de iluminação. O painel solar deste sistema fotovoltaico fora da rede carrega uma bateria recarregável, que alimenta uma lâmpada fluorescente ou LED à noite. A iluminação pública solar é um sistema de energia autónomo e tem a vantagem de poupar nos custos de escavação e manutenção, bem como na conta de luz, apesar do seu custo inicial mais elevado em comparação com a iluminação pública convencional. Eles são projetados com baterias grandes o suficiente para garantir que funcionem por pelo menos uma semana e, mesmo na pior situação, espera-se que diminuam apenas ligeiramente.

• - Telecomunicações e sinalização.

• - Veículos solares.

• - Bombas solares.

El costo de producir células fotovoltaicas se ha reducido debido a las economías de escala en la producción y los avances tecnológicos en la fabricación. Para las instalaciones a gran escala, los precios por debajo de $ 1,00 por vatio eran comunes en 2012.[118]​ Se había logrado una disminución de precios del 50% en Europa de 2006 a 2011 y existe la posibilidad de reducir el costo de generación en un 50% para 2020.[119]​ Las células solares de silicio cristalino han sido reemplazadas en gran medida por células solares de silicio multicristalino menos costosas, y las células solares de silicio de película delgada también se han desarrollado a costos de producción más bajos. Aunque se reducen en eficiencia de conversión de energía a partir de "siwafers" monocristalinos, también son mucho más fáciles de producir a costos comparativamente más bajos.

La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico.[120]​[121]​ Los encabezados de las filas de la izquierda muestran el costo total, por kilovatio pico (kW ), de una instalación fotovoltaica. Los costos de los sistemas fotovoltaicos han ido disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que habían caído a USD 1389 / kW a fines de 2014.[122]​ Los encabezados de las columnas en la parte superior se refieren a la producción de energía anual en kWh esperada de cada kW instalado. Esto varía según la región geográfica porque la insolación promedio depende de la nubosidad promedio y el grosor de la atmósfera atravesada por la luz solar. También depende de la trayectoria del sol en relación con el panel y el horizonte. Los paneles generalmente se montan en un ángulo basado en la latitud y, a menudo, se ajustan estacionalmente para adaptarse a la declinación "Declinación (astronomía)") solar cambiante. El seguimiento solar también se puede utilizar para acceder a una luz solar aún más perpendicular, aumentando así la producción total de energía.

Los valores calculados en la tabla reflejan el costo total (promedio) en centavos por kWh producido. Asumen un costo de capital total del 10% (por ejemplo , una tasa de interés del 4%, un costo de operación y mantenimiento del 1%,[123]​ y la depreciación del desembolso de capital durante 20 años). Normalmente, los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años.[124]​[125]​.

Custo do sistema em 2013

Em sua edição de 2014 do relatório "Roteiro Tecnológico: Energia Solar Fotovoltaica", a Agência Internacional de Energia (AIE) publicou preços em dólares por watt para sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais e de serviços públicos em oito grandes mercados em 2013.[126]​.

Curva de aprendizado

Os sistemas fotovoltaicos demonstram uma curva de aprendizagem em termos de custo nivelado de eletricidade (LCOE), reduzindo seu custo por kWh em 32,6% para cada duplicação da capacidade. Usando LCOE e dados de capacidade instalada cumulativa da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA) de 2010 a 2017, a equação da curva de aprendizagem para sistemas fotovoltaicos é semelhante.

• - LCOE: custo nivelado da eletricidade (em USD/kWh).

• - Capacidade: capacidade instalada acumulada de sistemas fotovoltaicos (em MW).

Padronização

A utilização crescente de sistemas fotovoltaicos e a integração da energia fotovoltaica nas estruturas e técnicas existentes de fornecimento e distribuição aumentam a necessidade de normas e definições gerais para componentes e sistemas fotovoltaicos. As normas são compiladas pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e aplicam-se à eficiência, durabilidade e segurança de células, módulos, programas de simulação, conectores e cabos, sistemas de montagem, eficiência geral de inversores, etc.[130]​.

Regulamentações nacionais

No Reino Unido, as instalações fotovoltaicas são geralmente consideradas desenvolvimento permitido e não requerem permissão de planeamento. Se a propriedade estiver listada ou estiver em uma área designada (parque nacional, área de grande beleza natural, local de interesse científico especial ou Norfolk Broads), é necessária permissão de planejamento.[131]​.

Nos Estados Unidos, o Artigo 690 do Código Elétrico Nacional fornece diretrizes gerais para a instalação de sistemas fotovoltaicos; estes podem ser substituídos por leis e regulamentos locais. Muitas vezes é necessária uma licença que exige a apresentação de planos estruturais e cálculos antes do início dos trabalhos. Além disso, muitos locais exigem que o trabalho seja realizado sob a orientação de um eletricista licenciado.

Nos Estados Unidos, a Autoridade com Jurisdição (AHJ) analisará os projetos e emitirá licenças antes que a construção possa começar legalmente. As práticas de instalação elétrica devem atender aos padrões estabelecidos no Código Elétrico Nacional (NEC) e ser inspecionadas pela autoridade competente para garantir a conformidade com o código de construção, código elétrico e código de segurança contra incêndio. As jurisdições podem exigir que os equipamentos tenham sido testados, certificados, listados e rotulados por pelo menos um dos Laboratórios de Testes Reconhecidos Nacionalmente (NRTL).[132]​ Nos EUA, muitas localidades exigem uma licença para instalar um sistema fotovoltaico. Um sistema ligado à rede normalmente requer um eletricista licenciado para fazer a conexão entre o sistema e a fiação conectada à rede do edifício.[133] Instaladores que atendem a essas qualificações são encontrados em quase todos os estados. Vários estados proíbem associações de proprietários de residências de restringir dispositivos solares.[134][135][136]​.

Embora Espanha gere cerca de 40% da sua electricidade através de energia fotovoltaica e outras fontes renováveis, e cidades como Huelva e Sevilha tenham quase 3.000 horas de sol por ano, em 2013 Espanha emitiu um imposto solar para compensar a dívida criada pelo investimento feito pelo governo espanhol. Aqueles que não se conectarem à rede podem enfrentar uma multa de até 30 milhões de euros (US$ 40 milhões)[137]​[138]​ Essas medidas foram finalmente retiradas em 2018, quando foi introduzida nova legislação proibindo qualquer imposto sobre o autoconsumo de energia renovável.[139]​.

Poluição e energia na produção fotovoltaica

A energia fotovoltaica é um método bem conhecido de geração de eletricidade limpa e livre de emissões. Os sistemas fotovoltaicos são normalmente compostos por módulos fotovoltaicos e inversores (que transformam corrente contínua em corrente alternada). Os módulos fotovoltaicos são feitos principalmente de células fotovoltaicas, que não apresentam nenhuma diferença fundamental em relação ao material de fabricação dos chips de computador. O processo de produção de células fotovoltaicas (chips de computador) exige grande consumo de energia e envolve a utilização de produtos químicos altamente tóxicos ao meio ambiente. Existem poucas fábricas fotovoltaicas em todo o mundo que produzem módulos fotovoltaicos com energia produzida a partir de células fotovoltaicas. Esta medida reduz enormemente a pegada de carbono durante o processo de fabricação. A gestão de produtos químicos utilizados no processo de fabricação está sujeita às leis e regulamentos locais da fábrica.

Impacto na rede elétrica

Com o surgimento dos sistemas fotovoltaicos em telhados, o fluxo de energia torna-se bidirecional. Quando há mais geração local do que consumo, a eletricidade é exportada para a rede. No entanto, a rede eléctrica não é tradicionalmente concebida para lidar com a transferência de energia nos dois sentidos. Portanto, alguns problemas técnicos podem surgir. Por exemplo, em Queensland, Austrália, havia mais de 30% dos agregados familiares com energia fotovoltaica nos telhados no final de 2017. A famosa curva pato da Califórnia de 2020 tem aparecido com muita frequência em muitas comunidades desde 2015. Um problema de pico pode surgir quando a electricidade regressa à rede.[140] Existem soluções para gerir o problema dos surtos, como a regulação do fator de potência dos inversores fotovoltaicos, o controlo de tensão e energia de novos equipamentos ao nível das distribuidoras de eletricidade, o reencaminhamento de cabos elétricos, a gestão da procura, etc.

Implicações na gestão da fatura de eletricidade e no investimento energético

Os clientes têm diferentes situações específicas, por exemplo, diferentes necessidades de conforto/conveniência, diferentes tarifas de eletricidade ou diferentes padrões de utilização. Uma tarifa de eletricidade pode ter vários elementos, como a tarifa diária de acesso e medição, a tarifa de energia (baseada em kWh, MWh) ou a tarifa de pico de procura (por exemplo, um preço para o maior consumo de energia durante 30 minutos num mês). A energia fotovoltaica é uma opção promissora para reduzir as tarifas de energia quando o preço da electricidade é razoavelmente elevado e aumenta continuamente, como na Austrália e na Alemanha. No entanto, quando se aplica uma taxa de procura de pico, a energia fotovoltaica pode ser menos atrativa se a procura de pico ocorrer principalmente no final da tarde ou início da noite, por exemplo, em comunidades residenciais. Em geral, o investimento em energia é em grande parte uma decisão económica e as decisões de investimento baseiam-se na avaliação sistemática da melhoria operacional, eficiência energética, geração no local e opções de armazenamento de energia.[141]​[142]​.

• - Folha informativa sobre energia fotovoltaica do Centro de Sistemas Sustentáveis ​​da Universidade de Michigan.

• - Revista Home Power http://www.homepower.com/.

• - Gestão de projetos solares.

• - Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos Arquivado em 19 de julho de 2019 na Wayback Machine.

• - Melhores práticas para instalação de energia solar fotovoltaica em aterros municipais de resíduos sólidos: um estudo preparado em parceria com a Agência de Proteção Ambiental para a RE-Powering America's Land Initiative: Localização de energia renovável em terrenos potencialmente contaminados e locais de mineração Laboratório Nacional de Energia Renovável.

Visão geral

Um sistema fotovoltaico converte a radiação solar, na forma de luz, em eletricidade utilizável. É composto pelo painel solar e pelos demais componentes do sistema. Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados com base em vários aspectos, como sistemas conectados à rede vs. sistemas autônomos, sistemas integrados ao edifício vs. Outras distinções podem incluir: sistemas com microinversores versus inversores centrais, sistemas que utilizam silício cristalino versus tecnologia de película fina e sistemas com módulos de fabricantes chineses versus fabricantes europeus e americanos.

Cerca de 99% dos sistemas de energia solar europeus e 90% dos americanos estão ligados à rede, enquanto os sistemas fora da rede são um pouco mais comuns na Austrália e na Coreia do Sul.[8]​: Os sistemas fotovoltaicos raramente utilizam armazenamento de bateria. Isto pode mudar à medida que os incentivos governamentais para o armazenamento distribuído de energia entrarem em vigor e os investimentos em soluções de armazenamento se tornarem gradualmente economicamente viáveis ​​para pequenos sistemas.[9]​[10]​ Uma instalação solar residencial típica é montada no telhado, em vez de ser integrada no telhado ou na fachada do edifício, o que é muito mais caro. As usinas solares em grande escala são montadas no solo, com painéis solares fixos e inclinados, em vez de usar dispositivos de rastreamento caros. O silício cristalino é o material predominante em 90% dos módulos solares produzidos em todo o mundo, enquanto o seu rival, o filme fino, perdeu quota de mercado.[1] Cerca de 70% de todas as células e módulos solares são produzidos na China e em Taiwan, e apenas 5% por fabricantes europeus e americanos.[1] A capacidade instalada tanto de pequenos sistemas de cobertura como de grandes centrais de energia solar está a crescer rápida e igualmente, embora haja uma tendência notável para sistemas solares. escala de serviços públicos, à medida que o foco das novas instalações está a mudar da Europa para regiões mais ensolaradas, como o Cinturão do Sol dos EUA, que se opõem menos aos parques solares montados no solo e os investidores colocam mais ênfase na rentabilidade.[8]​.

Impulsionado pelos avanços tecnológicos e pelo aumento da escala e sofisticação da fabricação, o custo da energia fotovoltaica está diminuindo continuamente.[3]​ Existem vários milhões de sistemas fotovoltaicos distribuídos em todo o mundo, principalmente na Europa, com 1,4 milhão de sistemas somente na Alemanha.[1]​ - bem como na América do Norte, com 440.000 sistemas nos Estados Unidos.[11]​ A eficiência de conversão de energia de um módulo solar convencional aumentou de 15 para 20% desde então. 2004.[1]​ e um sistema fotovoltaico recupera a energia necessária para sua fabricação em cerca de 2 anos. Em locais com irradiância excepcional, ou quando a tecnologia de película fina é usada, o chamado tempo de retorno de energia é reduzido para um ano ou menos.[1] A medição líquida e os incentivos financeiros, como taxas preferenciais para a eletricidade gerada por energia solar, também apoiaram enormemente a instalação de sistemas fotovoltaicos em muitos países.[12] O custo nivelado da eletricidade proveniente de sistemas fotovoltaicos de grande escala tornou-se competitivo com as fontes de eletricidade convencionais numa lista cada vez mais restrita. ampla gama de regiões geográficas, e a paridade de rede foi alcançada em cerca de 30 países diferentes.[13]​[14]​[15]​.

Em 2015, o mercado fotovoltaico global em rápido crescimento aproxima-se da marca dos 200 GW, cerca de 40 vezes a capacidade instalada em 2006.[16] Estes sistemas contribuem atualmente para 1% da geração global de eletricidade. Os principais instaladores de sistemas fotovoltaicos em termos de capacidade são atualmente a China, o Japão e os Estados Unidos, enquanto metade da capacidade mundial está instalada na Europa, com a Alemanha e a Itália fornecendo entre 7% e 8% do respetivo consumo nacional de eletricidade com energia solar fotovoltaica. contribuem com 16% e 11% da demanda global, respectivamente.

Conexão à rede solar

Um sistema ligado à rede é conectado a uma rede independente maior (normalmente a rede de energia pública) e fornece energia diretamente à rede. Esta energia pode ser partilhada por um edifício residencial ou comercial antes ou depois do ponto de medição de receita, dependendo se a produção de energia creditada é calculada independentemente do consumo de energia do cliente (tarifa feed-in) ou apenas da diferença de energia (medição líquida). Esses sistemas variam em tamanho, desde residenciais (2-10 kW) até usinas de energia solar (até dezenas de MW). Esta é uma forma de geração descentralizada de eletricidade. A injeção de eletricidade na rede requer a transformação de corrente contínua em corrente alternada através de um inversor de rede especial e sincronizado. Em instalações do tamanho de quilowatts, a tensão no lado CC do sistema é tão alta quanto permitido (normalmente 1.000 V, exceto 600 V residencial nos EUA) para limitar as perdas ôhmicas. A maioria dos módulos (60 ou 72 células de silício cristalino) gera entre 160 W e 300 W a 36 volts. Às vezes é necessário ou desejável conectar módulos parcialmente em paralelo, em vez de todos em série. Um conjunto de módulos conectados em série é chamado de “cadeia”.[18]​.

Escala do sistema

Os sistemas fotovoltaicos são geralmente classificados em três segmentos de mercado distintos: telhados residenciais, telhados comerciais e sistemas de escala de serviços públicos montados no solo. Suas capacidades variam de alguns quilowatts a centenas de megawatts. Um sistema residencial típico tem cerca de 10 quilowatts e é montado num telhado inclinado, enquanto os sistemas comerciais podem atingir a escala de megawatts e são normalmente instalados em telhados de baixa inclinação ou mesmo planos. Embora os sistemas montados em telhados sejam pequenos e tenham um custo por watt mais elevado do que as grandes instalações à escala comercial, eles representam a maior parte do mercado. No entanto, há uma tendência crescente para usinas de energia maiores, especialmente na região do "cinturão solar" do planeta.[8]​ [19]​.

Desempenho

As incertezas no rendimento ao longo do tempo estão principalmente relacionadas com a avaliação do recurso solar e o desempenho do próprio sistema. No melhor dos casos, as incertezas são geralmente de 4% devido à variabilidade climática anual, 5% devido à estimativa do recurso solar (no plano horizontal), 3% devido à estimativa da irradiação no plano da matriz, 3% devido à potência nominal dos módulos, 2% devido às perdas por sujeira, 1,5% devido às perdas por neve e 5% devido a outras fontes de erro. Identificar e reagir a perdas gerenciáveis ​​é fundamental para a eficácia da receita e da operação e manutenção. O monitoramento do desempenho da instalação pode fazer parte dos acordos contratuais entre o proprietário da instalação, o construtor e a empresa compradora da energia produzida. Um método de criação de "dias sintéticos" usando dados meteorológicos prontamente disponíveis e verificação usando a faixa de testes Open Solar Outdoors torna possível prever o desempenho de sistemas fotovoltaicos com um alto grau de precisão. podem ocorrer perdas de neve de 30%. O acesso à Internet tornou possível melhorar ainda mais o controle e a comunicação de energia. Existem sistemas específicos de vários fornecedores. Para sistemas solares fotovoltaicos que usam microinversores (conversão CC em nível de painel), os dados de energia dos módulos são fornecidos automaticamente e podem ver o status de toda a sua base instalada rapidamente.

Contenido

Un sistema fotovoltaico para el suministro de energía residencial, comercial o industrial está formado por el conjunto solar y una serie de componentes que a menudo se resumen en el balance del sistema (BOS). Este término es sinónimo de "Balance de planta" q.v. Los componentes del BOS incluyen equipos de acondicionamiento de energía y estructuras para su montaje, normalmente uno o más convertidores de potencia de CC a CA, también conocidos como inversores "Inversor (electrónica)"), un dispositivo de almacenamiento de energía, un sistema de estanterías que soporta el conjunto solar, el cableado eléctrico y las interconexiones, y el montaje de otros componentes.

Opcionalmente, un sistema de balance puede incluir alguno o todos los siguientes elementos: medidor de ingresos de créditos de energía renovable, rastreador de punto de máxima potencia (MPPT), sistema de baterías y cargador, rastreador solar por GPS, software de gestión de la energía, sensores de irradiación solar, anemómetro o accesorios específicos diseñados para satisfacer los requisitos especializados de un propietario de sistema. Además, un sistema CPV requiere lentes o espejos ópticos y a veces un sistema de refrigeración.

Los términos "panel solar" y "sistema fotovoltaico" a menudo se utilizan incorrectamente de manera intercambiable, a pesar de que el panel solar no abarca todo el sistema. Además, "panel solar" se utiliza a menudo como sinónimo de "módulo solar", aunque un panel consta de una cadena de varios módulos. El término " sistema solar " también es un nombre inapropiado para un sistema fotovoltaico.

Painel solar

Os componentes básicos de um sistema fotovoltaico são as células solares. Uma célula solar é o dispositivo elétrico que pode converter diretamente a energia dos fótons em eletricidade. Existem três gerações tecnológicas de células solares: a primeira geração (1G) de células de silício cristalino (c-Si), a segunda geração (2G) de células de película fina (como CdTe, CIGS, silício amorfo e GaAs), e a terceira geração (3G) de células orgânicas, sensibilizadas por corantes, Perovskita e multijunção.[26][27]​.

Células solares c-Si convencionais, normalmente conectadas em série, são encapsuladas em um módulo solar para protegê-las dos elementos. O módulo consiste em uma tampa de vidro temperado, um encapsulante macio e flexível, uma folha traseira de material resistente às intempéries e ao fogo e uma moldura de alumínio ao redor da borda externa. Eletricamente conectados e montados em uma estrutura de suporte, os módulos solares formam uma cadeia de módulos, geralmente chamada de painel solar.[28]​ Um painel solar é composto por um ou mais desses painéis. Um painel fotovoltaico, ou painel solar, é uma coleção interligada de módulos solares. A energia que um único módulo pode produzir raramente é suficiente para atender às necessidades de uma casa ou empresa, por isso os módulos são unidos para formar um conjunto. A maioria dos conjuntos fotovoltaicos utiliza um inversor para converter a corrente contínua produzida pelos módulos em corrente alternada que pode alimentar luzes, motores e outras cargas. Os módulos de um conjunto fotovoltaico são normalmente primeiro conectados em série para obter a tensão desejada; As strings individuais são então conectadas em paralelo para que o sistema possa produzir mais corrente. Os painéis solares são normalmente medidos sob condições de teste padrão (STC) ou condições de teste PVUSA (PTC), em watts.[29] Os valores típicos do painel variam de menos de 100 watts a mais de 400 watts. A classificação do conjunto consiste na soma das classificações dos painéis, em watts, quilowatts ou megawatts.

Um módulo fotovoltaico típico de 150 watts tem cerca de um metro quadrado de tamanho. Espera-se que tal módulo produza 0,75 quilowatt-hora (kWh) todos os dias, em média, tendo em conta o clima e a latitude, para uma insolação de 5 horas de sol/dia. A saída e a vida útil do módulo são degradadas pelo aumento da temperatura. Permitir que o ar ambiente flua para cima e, se possível, para trás dos módulos fotovoltaicos reduz este problema, pois o fluxo de ar reduz a temperatura de operação e, consequentemente, aumenta a eficiência do módulo. Isto ocorre quase sempre para instalações com um único módulo fotovoltaico, levando erroneamente a que este fenômeno seja considerado o mesmo para instalações com muitos módulos. No entanto, foi recentemente demonstrado que, em geradores fotovoltaicos, o aumento da velocidade do vento aumenta as perdas de energia.[30] Este resultado aparentemente contra-intuitivo segue leis bem conhecidas da mecânica dos fluidos: a interação do vento com o gerador fotovoltaico induz variações no fluxo de ar que alteram a transferência de calor dos módulos para o ar. [3].

A vida útil efetiva dos módulos é normalmente de 25 anos ou mais.[31]​ O período de retorno para um investimento em uma instalação solar fotovoltaica varia amplamente e é geralmente menos útil do que um cálculo de retorno sobre o investimento.[32]​ Embora normalmente estimado em 10 a 20 anos, o período de retorno financeiro pode ser muito mais curto com incentivos.[33]​.

O efeito da temperatura nos módulos fotovoltaicos é geralmente quantificado por meio de coeficientes que relacionam variações na tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito e potência máxima com mudanças de temperatura. Neste trabalho são apresentadas diretrizes experimentais completas para estimativa de coeficientes de temperatura[34].

Devido à baixa tensão de uma única célula solar (normalmente cerca de 0,5 V), várias células são ligadas em série na fabricação de um "laminado". O laminado é montado em uma caixa protetora resistente às intempéries, formando assim um módulo fotovoltaico ou painel solar. Os módulos podem então ser encadeados para formar um conjunto fotovoltaico. Em 2012, os painéis solares disponíveis aos consumidores tinham uma eficiência de até aproximadamente 17%,[35]​ enquanto os painéis disponíveis no mercado em 2020 podem atingir até 27%. Relata-se que um grupo do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar criou uma célula que pode atingir uma eficiência de 44,7%, tornando muito mais viáveis ​​as esperanças dos cientistas de atingir o limite de eficiência de 50%.[36][37][38][39]​.

A saída elétrica das células fotovoltaicas é extremamente sensível ao sombreamento ("efeito de luz de Natal").[40]​[41]​[42]​ Quando mesmo uma pequena parte de uma célula, módulo ou conjunto está na sombra, enquanto o resto está sob a luz solar, o desempenho diminui drasticamente devido ao "curto-circuito" interno (os elétrons invertem o curso através da parte sombreada da junção p-n). Se a corrente extraída da cadeia de células em série não for maior do que aquela que a célula sombreada pode produzir, a corrente (e, portanto, a potência) desenvolvida pela cadeia será limitada. Se houver tensão suficiente disponível nas outras células da cadeia, a corrente será forçada através da célula quebrando a junção na parte sombreada. Essa tensão de ruptura em células comuns está entre 10 e 30 volts. Em vez de aumentar a energia produzida pelo painel, a célula sombreada absorve energia, convertendo-a em calor. Como a tensão reversa de uma célula sombreada é muito maior que a tensão direta de uma célula iluminada, uma célula sombreada pode absorver energia de muitas outras células da cadeia, afetando desproporcionalmente a saída do painel. Por exemplo, uma célula sombreada pode diminuir 8 volts, em vez de adicionar 0,5 volts, em um determinado nível de corrente, absorvendo assim a energia produzida por outras 16 células.[43]​ Portanto, é importante que uma instalação fotovoltaica não seja sombreada por árvores ou outros obstáculos.

Vários métodos foram desenvolvidos para determinar as perdas de sombreamento de árvores em sistemas fotovoltaicos, tanto em grandes regiões usando LiDAR,[44]​ quanto em nível de sistema individual usando sketchup.[45]​ A maioria dos módulos possui diodos de bypass entre cada célula ou sequência de células que minimizam os efeitos do sombreamento e perdem energia apenas na parte sombreada do conjunto. A principal função do diodo bypass é eliminar pontos quentes que se formam nas células e que podem danificar o conjunto e causar incêndios.

A luz solar pode ser absorvida pela poeira, neve ou outras impurezas na superfície do módulo (coletivamente denominadas sujeira). A sujeira reduz a luz que atinge as células, o que por sua vez reduz a potência do sistema fotovoltaico. As perdas de sujidade acumulam-se com o tempo e podem tornar-se grandes se não for realizada uma limpeza adequada. Em 2018, a perda anual global de energia devido à sujeira foi estimada em pelo menos 3% - 4%.[46]​ No entanto, as perdas devido à sujeira variam muito de região para região,[47]​ e dentro das regiões.[48]​ Manter uma superfície de módulo limpa aumentará o desempenho da produção ao longo da vida útil do sistema fotovoltaico. Num estudo realizado numa área com muita neve (Ontário), a limpeza de painéis solares planos após 15 meses aumentou a sua produção em quase 100%. Porém, os conjuntos inclinados em 5° foram adequadamente limpos com água da chuva. Em muitos casos, especialmente em regiões áridas ou em locais próximos de desertos, estradas, indústria ou agricultura, a limpeza regular dos painéis solares é rentável. Em 2018, a perda estimada de receitas induzida pela incrustação foi estimada entre 5 mil milhões de euros e 7 mil milhões de euros.[49]​.

A fiabilidade a longo prazo dos módulos fotovoltaicos é crucial para garantir a viabilidade técnica e económica da energia fotovoltaica como uma fonte de energia de sucesso. A análise dos mecanismos de degradação dos módulos fotovoltaicos é fundamental para garantir uma vida útil atual superior a 25 anos.[50]​.

A insolação solar é composta por radiação direta, difusa e refletida. O fator de absorção de uma célula fotovoltaica é definido como a fração da radiação solar incidente que é absorvida pela célula.[51]​ Ao meio-dia de um dia sem nuvens no equador, a potência do sol é de aproximadamente 1 kW/m²,[52]​ na superfície da Terra, em um plano perpendicular aos raios solares. Portanto, as instalações fotovoltaicas podem acompanhar o sol ao longo do dia para melhorar a captação de energia. No entanto, os dispositivos de rastreamento têm um custo adicional e requerem manutenção, por isso é mais comum que os conjuntos fotovoltaicos tenham suportes fixos que inclinam o conjunto e o orientam em direção ao meio-dia solar (aproximadamente ao sul no hemisfério norte ou ao norte no hemisfério sul). O ângulo de inclinação, a partir da horizontal, pode variar dependendo da estação,[53]​ mas se for fixo, deve ser ajustado para obter a produção ideal do conjunto durante a parte de demanda elétrica máxima de um ano típico para um sistema autônomo.[53]​ Este ângulo de inclinação ideal do módulo não é necessariamente idêntico ao ângulo de inclinação para a produção anual máxima de energia do conjunto. Otimizar o sistema fotovoltaico para um ambiente específico pode ser complicado, pois questões como fluxo solar, sujeira e perdas de neve devem ser levadas em consideração. Além disso, trabalhos subsequentes mostraram que os efeitos espectrais podem desempenhar um papel na seleção ideal de materiais fotovoltaicos. Por exemplo, o albedo espectral pode desempenhar um papel importante na produção, dependendo da área de superfície ao redor do sistema fotovoltaico e do tipo de material da célula solar. Para o clima e as latitudes dos Estados Unidos e da Europa, a insolação típica varia de 4 kWh/m²/dia em climas do norte a 6,5 ​​kWh/m²/dia nas regiões mais ensolaradas. Uma instalação fotovoltaica nas latitudes norte da Europa ou dos Estados Unidos pode produzir 1 kWh/m²/dia. Uma instalação fotovoltaica típica de 1 kW na Austrália ou nas latitudes meridionais da Europa ou dos Estados Unidos pode produzir entre 3,5 e 5 kWh por dia, dependendo da localização, orientação, inclinação, insolação e outros factores. No Deserto do Saara, com menos nebulosidade e melhor ângulo solar, idealmente poderiam ser obtidos cerca de 8,3 kWh/m²/dia, desde que o vento, quase sempre presente, não jogue areia nas unidades. A área do Deserto do Saara é superior a 9 milhões de km². Destes, 90.600 km² (ou seja, cerca de 1%) poderiam gerar tanta eletricidade quanto todas as usinas do mundo juntas.[54]​.

Montagem

Os módulos são montados em matrizes em algum tipo de sistema de montagem, que pode ser classificado como montagem no solo, no telhado ou em poste. No caso dos parques solares, uma grande moldura é montada no solo e nela são montados os módulos. No caso dos edifícios, muitas estruturas diferentes foram concebidas para telhados inclinados. Para telhados planos são utilizados racks, contêineres e soluções integradas ao edifício. Os racks de painéis solares montados em postes podem ser fixos ou móveis. Os suportes laterais do poste são adequados para situações em que um poste tem algo montado em sua parte superior, como uma luminária ou antena. A montagem em poste eleva o que de outra forma seria uma montagem montada no solo acima das sombras de arbustos e animais, e pode satisfazer os requisitos do código elétrico para inacessibilidade de fiação exposta. Os painéis montados em poste estão abertos a mais ar de resfriamento na parte inferior, aumentando o desempenho. Uma multiplicidade de racks montados em postes pode formar uma garagem de estacionamento ou outra estrutura de sombra. Uma moldura que não segue o sol da esquerda para a direita pode permitir o ajuste sazonal para cima ou para baixo.

Cabeamento

Devido ao seu uso externo, os cabos solares são projetados para serem resistentes à radiação ultravioleta e às flutuações de temperatura extremamente altas e geralmente não são afetados pelo clima. Os padrões que especificam o uso de fiação elétrica em sistemas fotovoltaicos incluem o IEC 60364 da Comissão Eletrotécnica Internacional, na seção 712 "Sistemas de Fornecimento Solar Fotovoltaico (PV)", o Padrão Britânico BS 7671, que incorpora regulamentos relacionados à microgeração e sistemas fotovoltaicos, e o Padrão dos EUA UL4703, no tópico 4703 "Cabo Fotovoltaico".

Rastreador

Um sistema de rastreamento solar inclina um painel solar ao longo do dia. Dependendo do tipo de sistema de rastreamento, o painel é direcionado diretamente para o sol ou para a área mais brilhante de um céu parcialmente nublado. Os rastreadores melhoram muito o desempenho no início da manhã e no final da tarde, aumentando a quantidade total de energia produzida por um sistema em 20-25% para um rastreador de eixo único e em 30% ou mais para um rastreador de dois eixos, dependendo da latitude. Os rastreadores são eficazes em regiões que recebem diretamente uma grande porção de luz solar. Sob luz difusa (ou seja, sob nuvens ou neblina), o rastreamento tem pouco ou nenhum valor. Como a maioria dos sistemas fotovoltaicos concentrados são muito sensíveis ao ângulo da luz solar, os sistemas de rastreamento permitem que eles produzam energia útil por mais de um curto período por dia.[57]​ Os sistemas de rastreamento melhoram o desempenho por duas razões principais. Primeiro, quando um painel solar está perpendicular à luz solar, recebe mais luz na sua superfície do que se estivesse inclinado. Em segundo lugar, a luz direta é usada de forma mais eficaz do que a luz angular.[58]​ Revestimentos anti-reflexos especiais podem melhorar a eficiência do painel solar para luz direta e angular, reduzindo um pouco o benefício de rastreamento.[59]​.

Rastreadores e sensores para otimizar o desempenho são frequentemente considerados opcionais, mas podem aumentar a produção viável em até 45%.[60] Matrizes que se aproximam ou excedem um megawatt costumam usar rastreadores solares. Tendo em conta as nuvens, e o facto de a maior parte do mundo não estar na linha do equador, e de o sol se pôr à noite, a medida correcta da energia solar é a insolação, o número médio de quilowatts-hora por metro quadrado por dia. Para o clima e as latitudes dos Estados Unidos e da Europa, a insolação típica varia de 2,26 kWh/m/dia ​​em climas do norte a 5,61 kWh/m/dia ​​nas regiões mais ensolaradas.[61][62]​.

Para sistemas grandes, a energia obtida com o uso de sistemas de monitoramento pode compensar a complexidade adicional. Para sistemas muito grandes, a manutenção adicional do rastreamento é um prejuízo substancial.[63]​ O rastreamento não é necessário para sistemas fotovoltaicos planos e de baixa concentração. Para sistemas fotovoltaicos altamente concentrados, o rastreamento de eixo duplo é uma necessidade.[64]​ A evolução dos preços influencia o equilíbrio entre adicionar mais painéis solares fixos e ter menos painéis rastreados.

À medida que os preços, a confiabilidade e o desempenho dos rastreadores de eixo único melhoraram, os sistemas foram instalados em uma porcentagem crescente de projetos em escala de serviços públicos. De acordo com dados da WoodMackenzie/GTM Research, as remessas globais de rastreadores solares atingiram um recorde de 14,5 gigawatts em 2017. Isso representa um crescimento de 32% ano a ano, com crescimento semelhante ou maior projetado à medida que a implantação solar em grande escala acelera.[65]​.

Investidor

Os sistemas projetados para fornecer corrente alternada (CA), como aplicações ligadas à rede, requerem um inversor para converter corrente contínua (CC) de módulos solares em CA. Os inversores ligados à rede devem fornecer eletricidade CA de maneira senoidal, sincronizada com a frequência da rede, limitar a tensão de alimentação a não superior à tensão da rede e desconectar-se da rede se a tensão da rede estiver desligada. Os inversores ilhados só precisam produzir tensões e frequências reguladas em forma de onda senoidal, pois não é necessária nenhuma sincronização ou coordenação com o fornecimento da rede.

Um inversor solar pode ser conectado a uma série de painéis solares. Em algumas instalações, um microinversor solar é conectado a cada painel solar. Por razões de segurança, um disjuntor é fornecido nos lados CA e CC para permitir a manutenção. A saída CA pode ser conectada à rede elétrica por meio de um medidor de eletricidade.[68]​ O número de módulos no sistema determina o total de watts CC que o painel solar pode gerar; No entanto, em última análise, o inversor controla a quantidade de watts CA que podem ser distribuídos para consumo. Por exemplo, um sistema fotovoltaico composto por módulos fotovoltaicos de 11 quilowatts CC (kW), emparelhados com um inversor de 10 quilowatts CA (kW), será limitado à potência do inversor de 10 kW. Em 2019, a eficiência de conversão dos conversores de última geração atingiu mais de 98%. Enquanto os inversores string são usados ​​em sistemas fotovoltaicos residenciais e comerciais de médio porte, os inversores centrais cobrem o mercado comercial e de grande escala. A participação de mercado dos inversores centrais e string é de aproximadamente 44% e 52%, respectivamente, e menos de 1% para microinversores.[69]​.

O rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT) é uma técnica usada por inversores conectados à rede para obter a máxima potência possível do conjunto fotovoltaico. Para fazer isso, o sistema MPPT do inversor faz uma amostragem digital da saída de energia em constante mudança do painel solar e aplica a resistência apropriada para encontrar o ponto de potência máxima ideal.[70]​.

O anti-ilhamento é um mecanismo de proteção para desligar imediatamente o inversor, evitando que ele gere energia CA quando a conexão com a carga não existir mais. Isto ocorre, por exemplo, em caso de apagão. Sem esta proteção, a linha de abastecimento se tornaria uma “ilha” alimentada cercada por um “mar” de linhas não alimentadas, à medida que o painel solar continua a fornecer energia CC durante o apagão. O isolamento é um perigo para os trabalhadores das empresas de energia, que podem não perceber que uma CA continua a receber energia e pode impedir que os dispositivos se reconectem automaticamente.[71]​ O anti-ilhamento não é necessário para sistemas completos fora da rede.

Bateria

Embora ainda caros, os sistemas fotovoltaicos utilizam cada vez mais baterias recarregáveis ​​para armazenar o excedente que será utilizado à noite. As baterias usadas para armazenamento na rede também estabilizam a rede elétrica, nivelando as cargas de pico e desempenham um papel importante em uma rede inteligente, pois podem carregar durante períodos de baixa demanda e alimentar a rede com sua energia armazenada quando a demanda é alta.

As tecnologias de bateria mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos atuais são a bateria de chumbo-ácido regulada por válvula - uma versão modificada da bateria convencional de chumbo-ácido -, as baterias de níquel-cádmio e as baterias de íon-lítio. Em comparação com os outros tipos, as baterias de chumbo-ácido têm uma vida útil mais curta e menor densidade de energia. No entanto, devido à sua elevada fiabilidade, baixa autodescarga e baixos custos de investimento e manutenção, são atualmente a tecnologia predominante em sistemas fotovoltaicos residenciais de pequena escala, uma vez que as baterias de iões de lítio ainda estão em fase de desenvolvimento e são cerca de 3,5 vezes mais caras que as baterias de chumbo. Além disso, como os dispositivos de armazenamento dos sistemas fotovoltaicos são estacionários, a menor energia e densidade de potência e, portanto, o maior peso das baterias de chumbo-ácido não são tão críticos como, por exemplo, no transporte elétrico. [9] Outras baterias recarregáveis consideradas para sistemas fotovoltaicos distribuídos são sódio-enxofre e vanádio-redox, dois tipos proeminentes de sal fundido e baterias de fluxo, respectivamente. consumo.[73]​.

Os sistemas fotovoltaicos com uma solução de bateria integrada também precisam de um controlador de carga, pois a tensão e a corrente variáveis ​​do painel solar requerem ajuste constante para evitar danos por sobrecarga. Os controladores de carga básicos podem simplesmente ligar e desligar os painéis fotovoltaicos ou podem medir pulsos de energia conforme necessário, uma estratégia chamada PWM ou modulação por largura de pulso. Controladores de carregamento mais avançados incorporarão a lógica MPPT em seus algoritmos de carregamento de bateria. Os controladores de carga também podem desviar energia para alguma finalidade diferente do carregamento da bateria. Em vez de simplesmente desligar a energia fotovoltaica livre quando não for necessária, o usuário pode optar por aquecer o ar ou a água quando a bateria estiver cheia.

Controle e medição

O contador deve ser capaz de acumular unidades de energia em ambas as direções, ou devem ser utilizados dois contadores. Muitos medidores acumulam bidirecionalmente, alguns sistemas usam dois medidores, mas um medidor unidirecional (com detentor) não acumulará energia de qualquer alimentação resultante para a rede.[75]​ Em alguns países, um monitor de frequência e tensão com desconexão de todas as fases é necessário para instalações acima de 30 kWp. Isto é feito quando é gerada mais energia solar do que a empresa de energia pode acomodar e o excesso não pode ser exportado ou armazenado. Historicamente, os operadores da rede tiveram de fornecer linhas de transmissão e capacidade de produção. Agora eles também precisam fornecer armazenamento. Normalmente trata-se de armazenamento hidráulico, mas também são utilizados outros meios de armazenamento. Inicialmente, o armazenamento foi utilizado para que os geradores de carga base pudessem operar em plena capacidade. Com a energia renovável variável, o armazenamento é necessário para permitir que a energia seja gerada sempre que disponível e consumida sempre que necessário.

As duas variáveis ​​que um operador de rede possui são armazenar eletricidade para quando for necessária ou transmiti-la para onde for necessária. Se ambos falharem, instalações maiores que 30 kWp poderão desligar automaticamente, embora na prática todos os inversores mantenham a regulação de tensão e deixem de fornecer energia se a carga for inadequada. Os operadores de rede têm a opção de reduzir o excesso de geração de grandes sistemas, embora isso seja mais comumente feito com energia eólica do que com energia solar, e resulte em uma perda substancial de receita.[76]​ Os inversores trifásicos têm a opção única de fornecer energia reativa, o que pode ser vantajoso no atendimento aos requisitos de carga.[77]​.

As instalações fotovoltaicas precisam ser monitoradas para detectar falhas e otimizar seu funcionamento. Existem diversas estratégias de monitorização fotovoltaica dependendo do desempenho da instalação e da sua natureza. O monitoramento pode ser feito no local ou remotamente. Você pode medir apenas a produção, recuperar todos os dados do inversor ou recuperar todos os dados dos equipamentos de comunicação (sondas, medidores, etc.). As ferramentas de monitoramento podem ser dedicadas apenas ao monitoramento ou oferecer funções adicionais. Inversores individuais e controladores de carga de bateria podem incluir monitoramento usando protocolos e software específicos do fabricante.[78] A medição de energia de um inversor pode ter precisão limitada e pode não ser adequada para fins de medição de receitas. Um sistema de aquisição de dados de terceiros pode monitorar múltiplos inversores, utilizando os protocolos do fabricante do inversor, e também adquirir informações relacionadas às condições climáticas. Medidores inteligentes independentes podem medir a produção total de energia de uma instalação fotovoltaica. Medições independentes, como análise de imagens de satélite ou um medidor de radiação solar (um piranômetro), podem ser usadas para estimar a luz solar total para comparação.[79] Os dados coletados por um sistema de monitoramento podem ser visualizados remotamente através da World Wide Web, como o OSOTF.

Dimensionamento do sistema fotovoltaico

Conhecendo o consumo anual de energia em kWh de uma instituição ou de uma família, por exemplo 2300Kwh, legível na sua fatura de eletricidade, é possível calcular o número de painéis fotovoltaicos necessários para satisfazer as suas necessidades energéticas. Ao conectar-se ao site https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/es/, após selecionar o local onde instalar os painéis ou clicar no mapa ou escrever o nome do local, deve-se selecionar "Rede PV" e "Mostrar resultados" obtendo a seguinte tabela por exemplo referente à cidade de Palermo:.

Utilizando o programa wxMaxima "Maxima (software)"), o número de painéis necessários para um consumo anual de 2300 kWh e para uma tecnologia de silício cristalino com ângulo de inclinação de 35°, ângulo de orientação de 0° e perdas totais iguais a 21,88% é arredondado para 6:.

Em média, cada família consegue consumir 30% da energia diretamente da energia fotovoltaica. O sistema de armazenamento pode levar o seu autoconsumo a um máximo de 70%, portanto a capacidade de armazenamento da bateria que deve estar no caso específico é: 4,41 kWh, que é arredondada para 4,8 kWh.

Se o preço da energia for 0,5€/Kwh, o custo da energia sem impostos será de 1.150€ por ano:.

Portanto se um painel de 300W custa 200€, a bateria de 4,8Kwh custa 3000€, o inversor para converter corrente contínua em corrente alternada 1000€, o regulador de carga 100€, a instalação custa 1000€, o custo total será de 6300€:.

que são amortizados em 5,46 anos:.

a bateria tem vida útil de 10 anos e os painéis de 25 a 30 anos.

Esta sección incluye sistemas que son altamente especializados y poco comunes o que aún son una nueva tecnología emergente con importancia limitada. Sin embargo, los sistemas autónomos o fuera de la red ocupan un lugar especial. Eran el tipo de sistema más común durante las décadas de 1980 y 1990, cuando la tecnología fotovoltaica todavía era muy cara y era un nicho de mercado puro de aplicaciones a pequeña escala. Solo en lugares donde no había red eléctrica disponible, eran económicamente viables. Aunque todavía se están implementando nuevos sistemas autónomos en todo el mundo, su contribución a la capacidad fotovoltaica total instalada está disminuyendo. En Europa, los sistemas fuera de la red representan el 1 por ciento de la capacidad instalada. En los Estados Unidos, representan alrededor del 10 por ciento. Los sistemas fuera de la red todavía son comunes en Australia y Corea del Sur, y en muchos países en desarrollo.[8]​.

CPV

Os sistemas fotovoltaicos de concentração (CPV) e fotovoltaicos de alta concentração (HCPV) usam lentes ópticas ou espelhos curvos para concentrar a luz solar em células solares pequenas, mas altamente eficientes. Além de concentrar a óptica, os sistemas CPV às vezes usam rastreadores solares e sistemas de refrigeração e são mais caros.

Especialmente os sistemas HCPV são mais adequados para locais com elevada irradiância solar, concentrando a luz solar até 400 vezes ou mais, com eficiências de 24 a 28 por cento, superiores às dos sistemas normais. Existem vários projetos de sistemas disponíveis no mercado, mas eles não são muito comuns. No entanto, está sendo pesquisado e desenvolvido.[1]​.

CPV é frequentemente confundido com CSP (energia solar concentrada), que não utiliza energia fotovoltaica. Ambas as tecnologias favorecem locais que recebem muita luz solar e competem diretamente entre si.

Híbrido

Um sistema híbrido combina energia fotovoltaica com outras formas de geração, geralmente um gerador a diesel. O biogás também é usado. A outra forma de geração pode ser um tipo capaz de modular a produção de energia com base na demanda. No entanto, mais de uma forma de energia renovável pode ser utilizada, por exemplo, a eólica. A geração de energia fotovoltaica serve para reduzir o consumo de combustíveis não renováveis. Os sistemas híbridos são mais frequentemente encontrados em ilhas. A Ilha Pellworm na Alemanha e a Ilha Kythnos na Grécia são exemplos notáveis ​​(ambas combinadas com o vento).[80]​[81]​ A fábrica de Kythnos reduziu o consumo de diesel em 11,2%.[82]​.

Em 2015, um estudo de caso realizado em sete países concluiu que em todos os casos os custos de produção podem ser reduzidos através da hibridização de mini-redes e redes isoladas. Contudo, os custos de financiamento destes híbridos são cruciais e dependem em grande parte da estrutura de propriedade da central eléctrica. Embora a redução de custos para as empresas públicas possa ser significativa, o estudo também identificou que os benefícios económicos são insignificantes ou mesmo negativos para as empresas não públicas, como os produtores independentes de energia.[83][84]​.

Também tem havido trabalho que demonstra que o limite de penetração da energia fotovoltaica pode ser aumentado através da implantação de uma rede distribuída de sistemas híbridos fotovoltaicos + cogeração nos EUA.[85] A distribuição temporal do fluxo solar e as necessidades elétricas e de aquecimento de residências unifamiliares representativas nos EUA foram analisadas e os resultados mostram claramente que a hibridização de CHP com PV pode permitir a implantação adicional de PV acima do que é possível com um sistema centralizado convencional de geração de eletricidade. Esta teoria foi reconfirmada com simulações numéricas usando dados de fluxo solar por segundo para determinar que a reserva de bateria necessária para fornecer tal sistema híbrido é possível com sistemas de bateria relativamente pequenos e baratos.

• - O sistema PVT (híbrido PV/T), também conhecido como coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, converte a radiação solar em energia térmica e elétrica. Este sistema combina um módulo solar (PV) com um coletor solar térmico de forma complementar.

• - Sistema CPVT. Um sistema térmico fotovoltaico concentrado híbrido (CPVT) é semelhante a um sistema PVT. Utiliza energia fotovoltaica concentrada (CPV) em vez da tecnologia fotovoltaica convencional e combina-a com um coletor solar térmico.

• - Sistema CPV/CSP. Foi proposto um novo sistema solar híbrido CPV/CSP, que combina o concentrador fotovoltaico com a tecnologia não fotovoltaica de energia solar concentrada (CSP), também conhecida como solar térmica concentrada.[88]​.

• - Sistema fotovoltaico diesel. Combina um sistema fotovoltaico com um gerador a diesel.[89]​ Combinações com outras energias renováveis ​​são possíveis e incluem turbinas eólicas.[90]​.

painéis solares flutuantes

Painéis solares flutuantes são sistemas fotovoltaicos que flutuam na superfície de tanques de água potável, lagos de pedreiras, canais de irrigação ou lagoas de saneamento e resíduos. Estes sistemas são denominados «flutuantes» quando utilizados exclusivamente para a produção elétrica ou «aquavoltaicos» quando utilizados para melhorar sinergicamente a aquicultura[91]. Um pequeno número desses sistemas existe na França, Índia, Japão, Coreia do Sul, Reino Unido, Singapura e Estados Unidos.[92]​[93][94][95][96]​.

Diz-se que os sistemas têm vantagens sobre a energia fotovoltaica terrestre. O custo dos terrenos é mais caro e há menos regras e regulamentos para estruturas construídas em corpos d'água não utilizados para recreação. Ao contrário da maioria das usinas solares terrestres, os painéis flutuantes podem ser discretos porque ficam ocultos da vista do público. Eles alcançam maior eficiência do que os painéis fotovoltaicos terrestres, porque a água resfria os painéis. Os painéis possuem um revestimento especial para evitar ferrugem ou corrosão.[97]​.

Em maio de 2008, a vinícola Far Niente em Oakville, Califórnia, foi pioneira na instalação do primeiro sistema fotovoltaico flutuante do mundo, instalando 994 módulos solares fotovoltaicos com capacidade total de 477 kW em 130 pontões e flutuando-os no lago de irrigação da vinícola. No caso da vinícola Far Niente, foram economizados 0,75 acres (0,30 ha) que seriam necessários para um sistema terrestre. Outra vantagem de um sistema fotovoltaico flutuante é que os painéis são mantidos em temperatura mais baixa do que em terra, permitindo maior eficiência na conversão de energia solar. O sistema fotovoltaico flutuante também reduz a quantidade de água perdida por evaporação e inibe o crescimento de algas.[100]​.

Parques fotovoltaicos flutuantes começam a ser construídos em escala comercial. A multinacional de eletrônicos e cerâmica Kyocera construirá a maior fazenda do mundo, uma fazenda de 13,4 MW no reservatório da Barragem de Yamakura, na província de Chiba. região do Brasil.[105]​.

Rede CC

As redes DC são encontradas no transporte elétrico: bondes e trólebus. Algumas plantas piloto foram construídas para tais aplicações, como os depósitos de bondes em Hannover Leinhausen, usando contribuintes fotovoltaicos[106] e Genebra (Bachet de Pesay).[107] A central de Genebra de 150 kWp alimenta diretamente a rede elétrica de elétricos e trólebus com corrente contínua de 600 V, enquanto anteriormente fornecia cerca de 15% da eletricidade na sua inauguração em 1999.

Sistema autônomo

Um sistema autônomo ou isolado não está conectado à rede elétrica. Os sistemas autônomos variam amplamente em tamanho e aplicação, desde relógios de pulso ou calculadoras até edifícios remotos ou espaçonaves. Se a carga precisar ser alimentada independentemente da insolação solar, a energia gerada é armazenada e armazenada em buffer com uma bateria.[108] Em aplicações não portáteis onde o peso não é um problema, como em edifícios, as baterias de chumbo-ácido são mais comumente utilizadas devido ao seu baixo custo e tolerância a abusos.

Um controlador de carga pode ser incorporado ao sistema para evitar danos à bateria devido a carga ou descarga excessiva. Também pode ajudar a otimizar a produção de painéis solares usando uma técnica de rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT). No entanto, em sistemas fotovoltaicos simples, onde a tensão do módulo fotovoltaico corresponde à tensão da bateria, o uso da eletrônica MPPT é geralmente considerado desnecessário, pois a tensão da bateria é estável o suficiente para fornecer a captação de energia quase máxima do módulo fotovoltaico. Em dispositivos pequenos (por exemplo, calculadoras, parquímetros) apenas é consumida corrente contínua (CC). Em sistemas maiores (por exemplo, edifícios, bombas de água remotas), normalmente é necessário ar condicionado. Para converter a CC dos módulos ou baterias em CA, é utilizado um inversor. "Inversor (eletrônica)").

Em ambientes agrícolas, o conjunto pode ser utilizado para alimentar diretamente bombas CC, sem a necessidade de um inversor "Inversor (eletrônico)"). Em ambientes remotos, como áreas montanhosas, ilhas ou outros locais onde a energia da rede não está disponível, os painéis solares podem ser usados ​​como única fonte de eletricidade, normalmente carregando uma bateria de armazenamento. Os sistemas autônomos estão intimamente relacionados à microgeração e à geração distribuída.

• - Sistemas fotovoltaicos do Pico.

• - Luminárias solares.

As luzes solares de rua são fontes de luz alimentadas por painéis fotovoltaicos geralmente montados na estrutura de iluminação. O painel solar deste sistema fotovoltaico fora da rede carrega uma bateria recarregável, que alimenta uma lâmpada fluorescente ou LED à noite. A iluminação pública solar é um sistema de energia autónomo e tem a vantagem de poupar nos custos de escavação e manutenção, bem como na conta de luz, apesar do seu custo inicial mais elevado em comparação com a iluminação pública convencional. Eles são projetados com baterias grandes o suficiente para garantir que funcionem por pelo menos uma semana e, mesmo na pior situação, espera-se que diminuam apenas ligeiramente.

• - Telecomunicações e sinalização.

• - Veículos solares.

• - Bombas solares.

El costo de producir células fotovoltaicas se ha reducido debido a las economías de escala en la producción y los avances tecnológicos en la fabricación. Para las instalaciones a gran escala, los precios por debajo de $ 1,00 por vatio eran comunes en 2012.[118]​ Se había logrado una disminución de precios del 50% en Europa de 2006 a 2011 y existe la posibilidad de reducir el costo de generación en un 50% para 2020.[119]​ Las células solares de silicio cristalino han sido reemplazadas en gran medida por células solares de silicio multicristalino menos costosas, y las células solares de silicio de película delgada también se han desarrollado a costos de producción más bajos. Aunque se reducen en eficiencia de conversión de energía a partir de "siwafers" monocristalinos, también son mucho más fáciles de producir a costos comparativamente más bajos.

La siguiente tabla muestra el costo total (promedio) en centavos de dólar por kWh de electricidad generada por un sistema fotovoltaico.[120]​[121]​ Los encabezados de las filas de la izquierda muestran el costo total, por kilovatio pico (kW ), de una instalación fotovoltaica. Los costos de los sistemas fotovoltaicos han ido disminuyendo y en Alemania, por ejemplo, se informó que habían caído a USD 1389 / kW a fines de 2014.[122]​ Los encabezados de las columnas en la parte superior se refieren a la producción de energía anual en kWh esperada de cada kW instalado. Esto varía según la región geográfica porque la insolación promedio depende de la nubosidad promedio y el grosor de la atmósfera atravesada por la luz solar. También depende de la trayectoria del sol en relación con el panel y el horizonte. Los paneles generalmente se montan en un ángulo basado en la latitud y, a menudo, se ajustan estacionalmente para adaptarse a la declinación "Declinación (astronomía)") solar cambiante. El seguimiento solar también se puede utilizar para acceder a una luz solar aún más perpendicular, aumentando así la producción total de energía.

Los valores calculados en la tabla reflejan el costo total (promedio) en centavos por kWh producido. Asumen un costo de capital total del 10% (por ejemplo , una tasa de interés del 4%, un costo de operación y mantenimiento del 1%,[123]​ y la depreciación del desembolso de capital durante 20 años). Normalmente, los módulos fotovoltaicos tienen una garantía de 25 años.[124]​[125]​.

Custo do sistema em 2013

Em sua edição de 2014 do relatório "Roteiro Tecnológico: Energia Solar Fotovoltaica", a Agência Internacional de Energia (AIE) publicou preços em dólares por watt para sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais e de serviços públicos em oito grandes mercados em 2013.[126]​.

Curva de aprendizado

Os sistemas fotovoltaicos demonstram uma curva de aprendizagem em termos de custo nivelado de eletricidade (LCOE), reduzindo seu custo por kWh em 32,6% para cada duplicação da capacidade. Usando LCOE e dados de capacidade instalada cumulativa da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA) de 2010 a 2017, a equação da curva de aprendizagem para sistemas fotovoltaicos é semelhante.

• - LCOE: custo nivelado da eletricidade (em USD/kWh).

• - Capacidade: capacidade instalada acumulada de sistemas fotovoltaicos (em MW).

Padronização

A utilização crescente de sistemas fotovoltaicos e a integração da energia fotovoltaica nas estruturas e técnicas existentes de fornecimento e distribuição aumentam a necessidade de normas e definições gerais para componentes e sistemas fotovoltaicos. As normas são compiladas pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e aplicam-se à eficiência, durabilidade e segurança de células, módulos, programas de simulação, conectores e cabos, sistemas de montagem, eficiência geral de inversores, etc.[130]​.

Regulamentações nacionais

No Reino Unido, as instalações fotovoltaicas são geralmente consideradas desenvolvimento permitido e não requerem permissão de planeamento. Se a propriedade estiver listada ou estiver em uma área designada (parque nacional, área de grande beleza natural, local de interesse científico especial ou Norfolk Broads), é necessária permissão de planejamento.[131]​.

Nos Estados Unidos, o Artigo 690 do Código Elétrico Nacional fornece diretrizes gerais para a instalação de sistemas fotovoltaicos; estes podem ser substituídos por leis e regulamentos locais. Muitas vezes é necessária uma licença que exige a apresentação de planos estruturais e cálculos antes do início dos trabalhos. Além disso, muitos locais exigem que o trabalho seja realizado sob a orientação de um eletricista licenciado.

Nos Estados Unidos, a Autoridade com Jurisdição (AHJ) analisará os projetos e emitirá licenças antes que a construção possa começar legalmente. As práticas de instalação elétrica devem atender aos padrões estabelecidos no Código Elétrico Nacional (NEC) e ser inspecionadas pela autoridade competente para garantir a conformidade com o código de construção, código elétrico e código de segurança contra incêndio. As jurisdições podem exigir que os equipamentos tenham sido testados, certificados, listados e rotulados por pelo menos um dos Laboratórios de Testes Reconhecidos Nacionalmente (NRTL).[132]​ Nos EUA, muitas localidades exigem uma licença para instalar um sistema fotovoltaico. Um sistema ligado à rede normalmente requer um eletricista licenciado para fazer a conexão entre o sistema e a fiação conectada à rede do edifício.[133] Instaladores que atendem a essas qualificações são encontrados em quase todos os estados. Vários estados proíbem associações de proprietários de residências de restringir dispositivos solares.[134][135][136]​.

Embora Espanha gere cerca de 40% da sua electricidade através de energia fotovoltaica e outras fontes renováveis, e cidades como Huelva e Sevilha tenham quase 3.000 horas de sol por ano, em 2013 Espanha emitiu um imposto solar para compensar a dívida criada pelo investimento feito pelo governo espanhol. Aqueles que não se conectarem à rede podem enfrentar uma multa de até 30 milhões de euros (US$ 40 milhões)[137]​[138]​ Essas medidas foram finalmente retiradas em 2018, quando foi introduzida nova legislação proibindo qualquer imposto sobre o autoconsumo de energia renovável.[139]​.

Poluição e energia na produção fotovoltaica

A energia fotovoltaica é um método bem conhecido de geração de eletricidade limpa e livre de emissões. Os sistemas fotovoltaicos são normalmente compostos por módulos fotovoltaicos e inversores (que transformam corrente contínua em corrente alternada). Os módulos fotovoltaicos são feitos principalmente de células fotovoltaicas, que não apresentam nenhuma diferença fundamental em relação ao material de fabricação dos chips de computador. O processo de produção de células fotovoltaicas (chips de computador) exige grande consumo de energia e envolve a utilização de produtos químicos altamente tóxicos ao meio ambiente. Existem poucas fábricas fotovoltaicas em todo o mundo que produzem módulos fotovoltaicos com energia produzida a partir de células fotovoltaicas. Esta medida reduz enormemente a pegada de carbono durante o processo de fabricação. A gestão de produtos químicos utilizados no processo de fabricação está sujeita às leis e regulamentos locais da fábrica.

Impacto na rede elétrica

Com o surgimento dos sistemas fotovoltaicos em telhados, o fluxo de energia torna-se bidirecional. Quando há mais geração local do que consumo, a eletricidade é exportada para a rede. No entanto, a rede eléctrica não é tradicionalmente concebida para lidar com a transferência de energia nos dois sentidos. Portanto, alguns problemas técnicos podem surgir. Por exemplo, em Queensland, Austrália, havia mais de 30% dos agregados familiares com energia fotovoltaica nos telhados no final de 2017. A famosa curva pato da Califórnia de 2020 tem aparecido com muita frequência em muitas comunidades desde 2015. Um problema de pico pode surgir quando a electricidade regressa à rede.[140] Existem soluções para gerir o problema dos surtos, como a regulação do fator de potência dos inversores fotovoltaicos, o controlo de tensão e energia de novos equipamentos ao nível das distribuidoras de eletricidade, o reencaminhamento de cabos elétricos, a gestão da procura, etc.

Implicações na gestão da fatura de eletricidade e no investimento energético

Os clientes têm diferentes situações específicas, por exemplo, diferentes necessidades de conforto/conveniência, diferentes tarifas de eletricidade ou diferentes padrões de utilização. Uma tarifa de eletricidade pode ter vários elementos, como a tarifa diária de acesso e medição, a tarifa de energia (baseada em kWh, MWh) ou a tarifa de pico de procura (por exemplo, um preço para o maior consumo de energia durante 30 minutos num mês). A energia fotovoltaica é uma opção promissora para reduzir as tarifas de energia quando o preço da electricidade é razoavelmente elevado e aumenta continuamente, como na Austrália e na Alemanha. No entanto, quando se aplica uma taxa de procura de pico, a energia fotovoltaica pode ser menos atrativa se a procura de pico ocorrer principalmente no final da tarde ou início da noite, por exemplo, em comunidades residenciais. Em geral, o investimento em energia é em grande parte uma decisão económica e as decisões de investimento baseiam-se na avaliação sistemática da melhoria operacional, eficiência energética, geração no local e opções de armazenamento de energia.[141]​[142]​.

• - Folha informativa sobre energia fotovoltaica do Centro de Sistemas Sustentáveis ​​da Universidade de Michigan.

• - Revista Home Power http://www.homepower.com/.

• - Gestão de projetos solares.

• - Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos Arquivado em 19 de julho de 2019 na Wayback Machine.

• - Melhores práticas para instalação de energia solar fotovoltaica em aterros municipais de resíduos sólidos: um estudo preparado em parceria com a Agência de Proteção Ambiental para a RE-Powering America's Land Initiative: Localização de energia renovável em terrenos potencialmente contaminados e locais de mineração Laboratório Nacional de Energia Renovável.