1. Introdução

A produção de energia solar tem avançado rapidamente graças às melhorias na regulamentação tarifária e na redução dos preços dos componentes. Esse crescimento pode ser observado tanto em grandes centrais fotovoltaicas afastadas dos centros urbanos como em instalações menores, próximas aos consumidores, como em telhados de casas, prédios, hospitais e indústrias. Independentemente do tipo de instalação, os cabos elétricos são fundamentais para o transporte de energia, tanto em corrente contínua como em corrente alternada. No entanto, os cabos fotovoltaicos possuem características distintas que os diferenciam dos cabos usados em instalações elétricas de baixa tensão em corrente alternada.
Este artigo tem como objetivo apresentar essas características específicas dos cabos fotovoltaicos, bem como orientar sobre a seleção, dimensionamento e instalação adequados desses produtos.

2. Tipos de instalações fotovoltaicas

Sistema fotovoltaico conectado à rede (ON-GRID)

Uma instalação elétrica fotovoltaica é composta por uma variedade de componentes elétricos e mecânicos que foram escolhidos de forma adequada. Esses componentes são responsáveis pela geração de eletricidade em corrente contínua a partir da radiação solar, pelo transporte dessa energia elétrica por meio de condutores, pelo armazenamento eventual e, por fim, pela conversão dessa eletricidade em corrente alternada. A corrente alternada é utilizada diretamente pelos aparelhos eletroeletrónicos existentes no local ou distribuída pelas redes elétricas até os centros de consumo.

Existem casos especiais em que o sistema fotovoltaico é conectado diretamente às cargas em corrente contínua, sem o uso de inversores. Também existem situações em que são utilizados os chamados “microinversores”, que são inversores de baixa potência DC/AC acoplados diretamente ao módulo fotovoltaico, eliminando a necessidade de uma instalação em corrente contínua externa ao módulo.

Os sistemas fotovoltaicos são divididos em duas grandes categorias: on-grid e off-grid. Os sistemas on-grid são aqueles conectados à rede de distribuição pública de energia local, onde a geração fotovoltaica e a alimentação proveniente da rede da distribuidora pública de energia local coabitam na mesma instalação. Nesse tipo de sistema, quando a geração do sistema fotovoltaico do edifício não é suficiente para colmatar as cargas, estas são alimentadas pela rede da distribuidora. Quando há excedente de energia gerada pelo sistema fotovoltaico, o excedente é injetado na rede pública de distribuição, gerando um crédito de kWh para o proprietário da edificação.

No sistema on-grid, o inversor é a interface que garante o paralelismo adequado entre as fontes fotovoltaica e pública. Os inversores on-grid, também chamados de inversores grid-tie, possuem internamente todos os componentes de proteção e comando necessários para garantir a total segurança do sistema. A medição do consumo de energia utiliza um medidor bidirecional ou um duplo contador, que regista a energia consumida da rede pelo edifício e a energia excedente injetada na rede pelo sistema de geração fotovoltaico. Ao final do período, é calculada a diferença entre essas duas grandezas, que poderá resultar em um saldo a pagar pelo utilizador ou um desconto em kWh concedido pela distribuidora, dependendo da utilização das cargas e da quantidade de energia fotovoltaica gerada no período de medição. A Figura 1 apresenta os principais componentes de um sistema on-grid.

Figura 1 – Diagrama de blocos de um sistema de microprodução fotovoltaico ligado à rede.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Sistemas isolados (OFF-GRID)

Em geral, sistemas fotovoltaicos isolados requerem algum tipo de armazenamento de energia, o que pode ser realizado através de baterias ou outras formas de armazenamento. Estes tipos de sistemas são compostos por três blocos principais: o bloco gerador, que inclui módulos solares FV (ou outra fonte de energia renovável), cabos e estruturas de suporte; o bloco de condicionamento de potência, que inclui inversores e controladores de carga; e o bloco de armazenamento, que inclui baterias. A energia gerada é armazenada nas baterias para garantir o funcionamento do sistema em momentos de pouca ou nenhuma luz solar, como dias nublados ou à noite. O dimensionamento das baterias deve levar em consideração as condições climáticas locais e a demanda de energia do sistema. A figura 2 apresenta um exemplo de um sistema fotovoltaico isolado.

Figura 2 – Diagrama de blocos de um sistema de microprodução fotovoltaico e eólico (híbrido) autónomo.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

3. Componentes de uma instalação Fotovoltaica

Uma instalação solar fotovoltaica é um conjunto de elementos que têm a finalidade de produzir eletricidade a partir da energia solar. É um tipo de energia renovável que capta a radiação solar através de painéis fotovoltaicos.
O conjunto de componentes que compõem um sistema fotovoltaico depende da sua aplicação específica, seja para habitações isoladas ou para uso próximo à rede, e ainda da utilização de baterias e conversores de potência.
De entre os possíveis componentes, encontram-se os módulos solares fotovoltaicos, as baterias, os reguladores de carga, os conversores e outros componentes.

Figura 3 – Módulo fotovoltaico Módulo FV com 36 células em série.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

As baterias, por exemplo, são frequentemente utilizadas em sistemas fotovoltaicos autónomos para armazenar energia e seu dimensionamento adequado é crucial para o bom funcionamento do sistema. Normalmente, são utilizadas baterias do tipo chumbo-ácido e sua escolha deve ser baseada na aproximação da potência média diária e do tempo de armazenamento necessário.

Figura 4 – Baterias com o elétrodo positivo em forma de tubo e com conteúdo transparente.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Os reguladores de carga também são importantes, uma vez que sua função é controlar o fluxo de energia entre o gerador e a carga, protegendo a bateria contra sobrecargas e descargas profundas e monitorizam a segurança da instalação. Estes podem ser divididos em três grupos principais: reguladora série, reguladores shunt e reguladores de ponto de potência máxima.

Figura 5 – Regulador de carga da marca STECA.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Os conversores são utilizados para adaptar a potência gerada às necessidades da carga e podem ser DC/DC ou DC/AC.

Figura 6 – Ondulador ou inversor DC/AC da marca SMA.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Por fim, os componentes de proteção, como as proteções contra descargas atmosféricas, os disjuntores e os fusíveis, são indispensáveis para evitar a degradação dos módulos solares fotovoltaicos.

Figura 7 – Porta-fusível bipolar da marca Hager
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Os cabos fotovoltaicos têm um papel fundamental no bom funcionamento de um sistema fotovoltaico, pois são estes que permitirão a passagem da corrente elétrica entre os vários equipamentos que compõem o sistema FV.

Figura 8 – Cabo solar fotovoltaico Prysmian Prysolar H1Z2Z2-K do fabricante Prysmian Group
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/sites/default/files/atoms/files/Prysmian-Prysolar-H1Z2Z2-K-PT.pdf

Em suma, o sucesso de um sistema fotovoltaico depende da seleção adequada dos componentes para atender às necessidades específicas de cada aplicação.

4. Requisitos para a instalação de cabos elétricos fotovoltaicos

Em sistemas fotovoltaicos de grande dimensão, múltiplos módulos são conectados em série, gerando uma tensão contínua de operação elevada, algumas vezes próxima de 1000 V. Por isso, é essencial o uso de cabos apropriados para aplicações em corrente contínua, com tensão nominal de isolamento igual ou superior à tensão máxima do sistema fotovoltaico. Utilizar condutores isolados não é recomendado em sistemas fotovoltaicos, uma vez que sua tensão de isolamento é baixa.
Além disso, os cabos para sistemas fotovoltaicos precisam de possuir proteção mecânica adequada, pois podem ser instalados em ambientes expostos ao tempo. Normalmente, a tensão de isolamento dos cabos solares é de 0,9/1,8 kV em corrente contínua. Como são frequentemente instalados em ambientes externos, os cabos solares fotovoltaicos devem ser resistentes à radiação ultravioleta.

Caso contrário, devem estar protegidos da radiação UV ou instalados em condutas que resistam a essa radiação. Alguns fabricantes de cabos solares garantem uma vida útil de, no mínimo, 25 anos sob radiação solar direta.
Os cabos solares suportam uma temperatura de trabalho de 90 °C, podendo operar em 120 °C por determinados períodos. Normalmente, nos catálogos dos fabricantes, esse período é de 20000 horas.

Instalação de cabos solares

Durante a instalação dos condutores, é importante observar para que eles sejam acomodados e fixados de forma que não sofram fadiga devido a esforços mecânicos. Por serem instalados em locais como telhados e na presença de estruturas metálicas, deve-se tomar cuidado para que eles sejam protegidos contra bordas cortantes ou perfurantes, o que danificaria a camada de proteção, podendo afetar também o isolamento do cabo.

Como a vida útil de um sistema fotovoltaico é elevada, (estima-se um período de no mínimo 25 anos) é fundamental que as tubagens, condutas, abraçadeiras e fivelas possuam uma vida útil igual ou superior a do sistema. Caso isso não seja possível, é importante uma manutenção programada após alguns anos para substituição desses itens.

Os módulos fotovoltaicos possuem cabos para conexão entre eles, um pólo positivo e o outro negativo. Esses cabos são interligados por conectores resistentes à radiação UV, impermeáveis e, por questão de segurança, de difícil desconexão. Para alimentar os inversores, é necessário levar o cabo dos painéis até uma caixa de junção (também conhecida como string box). Esse cabo que irá interligar os módulos até a caixa de junção deverá ser escolhido de acordo com a distância entre os componentes do sistema fotovoltaico. É importante utilizar nesse cabo o conector de mesma marca e modelo dos demais já fornecidos pelos módulos fotovoltaicos, com a finalidade de fornecer uma segurança maior para a instalação.

Figura 9 – fichas de conexão MC4 entre módulos fotovoltaicos.
Fonte: F Pereira, M Oliveira – Porto: Publindústria, 2011. Pereira, Filipe. (2011). Curso técnico instalador de energia solar fotovoltaica.

Os cabos solares da Prysminan Group garantem todas estas caraterísticas.

5. Dimensionamento e características dos cabos para instalações fotovoltaicas

A cablagem é formada por elementos condutores que transmitem eletrões através dela. Através do dito movimento (por melhor que seja a condutividade elétrica do material), irão ocorrer perdas que geram calor nos cabos e que se traduzem em quedas de tensão nos mesmos. A queda de tensão dependerá da resistência do condutor e da intensidade que o percorre. A fórmula de cálculo para essa queda de tensão é:

Em que:
∆V – Queda de tensão num condutor;
Rc – Resistência do condutor do cabo;
I – Intensidade de corrente que percorre o cabo.

A resistência do condutor deverá ser calculada conhecendo a resistividade do material, a secção e o comprimento do mesmo através da seguinte fórmula:

A cablagem DC deve ser projetada com o máximo cuidado e rigor, pois a fraca qualidade dos contactos elétricos poderá levar ao aparecimento de arcos e, consequentemente ao risco de provocar incêndio.

No dimensionamento dos cabos devem ser observados três critérios essenciais:
·      O cumprimento dos limites fixados pela tensão nominal;
·      O cumprimento dos limites fixados pela intensidade de corrente máxima admissível do cabo;
·      E a minimização das perdas na linha!

Os condutores de polaridade positiva e negativa devem ser independentes e não agrupados num só cabo.

Os cabos são fornecidos frequentemente nas cores vermelha, azul e preta, de forma a permitir uma maior compreensão do desenho da instalação. Abaixo são indicadas as características mais usuais deste tipo de cabos, especificando- se que género de cabo deveremos utilizar nestas instalações.

Propriedades dos cabos DC

Figura 10 – Cabo solar fotovoltaico Prysmian Prysolar H1Z2Z2-K do fabricante Prysmian Group
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/sites/default/files/atoms/files/Prysmian-Prysolar-H1Z2Z2-K-PT.pdf

Características das cablagens DC

Quedas de tensão em DC (∆U%), permitidas para as instalações FV

As quedas de tensão em DC (U%), permitidas para as instalações FV, são as seguintes:

– Quedas de tensão entre o gerador FV e o regulador/inversor – 3 ou 1 % para
sistemas ligados à rede;
– Quedas de tensão entre o regulador e baterias – 1 %;
– Quedas de tensão entre o regulador e inversor – 1 %;
– Quedas de tensão entre o inversor e baterias – 1 %;
– Quedas de tensão entre o inversor/regulador e equipamentos (cargas) – 3 %.

Dimensionamento de cabos para sistemas FV

Cálculo da secção de cablagem das fileiras pelo método da queda de tensão (sistemas ligados à rede)

A fórmula a usar para o dimensionamento da cablagem dos módulos até ao inversor, tendo em conta a queda de tensão referida atrás, é a seguinte:

Sfileira – seção do cabo de fileira DC em mm²;
Lfileira – Comprimento da cablagem de fileira, em metros;
Ifileira – corrente nominal proveniente da fileira, em ampere;
σ – Condutividade do condutor;
UMPP – Valor da tensão proveniente da fileira.

Nota 1:
– O fator 2x prende-se com o facto de ser o condutor de ida e volta.
– O valor calculado para a secção transversal, dos cabos de fileira em DC, é arredondado para o maior valor aproximado das secções transversais standard disponíveis no mercado.

Nota 2:
– Os cabos de fileira deveram ter de suportar 1,25 vezes a corrente de curto-circuito do gerador FV, e incluir as devidas proteções contra falhas de terra e curto-circuitos. Tal é indicado na norma IEC 60364-7-712.
– Os cabos de fileira são os responsáveis por fazer a ligação elétrica entre os painéis fotovoltaicos e a caixa de junção, e devem ser dimensionados de forma a transportar uma corrente 25 % superior à corrente de curto-circuito do gerador.

Figura 11 – Cálculo da secção de cablagem das fileiras pelo método da queda de tensão
Fonte: Webinar da Prysmian Group – Escolha correta de cabos para sistemas fotovoltaicos

Cálculo da secção de cablagem do cabo principal em DC

O cabo principal em DC estabelece a ligação entre a caixa de junção das strings do gerador FV e o inversor.
Na norma europeia IEC 60364-7-712 é indicado que o cabo principal DC deverá suportar até 1,25 vezes a ICC do gerador sob condições CTS. A secção do cabo é determinada em função da sua corrente máxima admissível, obedecendo à regra:

IMÁX. ≥ 1,25 X ICC gerador FV (CTS)

Para o dimensionamento do cabo principal, assumindo um fator de perdas na linha de 1 % (ou de 2 % quando estamos perante tensões inferiores a 120 V) para as condições de referência CTS, utiliza-se a fórmula seguinte, que nos dá o valor da secção transversal do cabo.

Em que:

O valor calculado para a secção transversal do cabo principal é arredondado para o maior valor aproximado das secções transversais standard existentes no mercado: 2,5 mm2, 4 mm2, 6 mm2, 10 mm2, 16 mm2, 25 mm2, 35 mm2, etc.
É recomendável que se utilizem cabos isoladores monopolares para os condutores positivos e negativos, de forma a obter uma proteção de terra e de curto-circuito eficaz.

Figura 12 – Cálculo da secção de cablagem do cabo principal em DC
Fonte: Webinar da Prysmian Group – Escolha correta de cabos para sistemas fotovoltaicos

Instalação solar FV

Figura 13 – Tipo de cablagem numa instalação solar FV
Fonte: Webinar da Prysmian Group – Escolha correta de cabos para sistemas fotovoltaicos

De seguida é apresentado os tipos de cabos a usar na ligação entre o inversor e o transformador e os cabos para ligação a média e alta tensão.

Figura 14 – Tipos de cabos a usar do cabo principal em DC
Fonte: Webinar da Prysmian Group – Escolha correta de cabos para sistemas fotovoltaicos

Lado de corrente contínua (cabo solar)

Cabo para a conexão entre módulos fotovoltaicos e caixas de strings (combiner box).

Figura 15 – Cabo a usar o lado DC nos módulos FV ou caixa de strings numa instalação FV
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/sites/default/files/atoms/files/Prysmian-Prysolar-H1Z2Z2-K-PT.pdf

Estes cabos da Prysmian Group possui as seguintes características:

•       Designação genérica: H1Z2Z2-K
•       Norma: EN 50618
•       Condutor: Cobre estanhado
•       Alta resistência à intempérie
•       Tensão nominal: 1/1 kVac; 1,5/1,5 kVdc
•       Tensões máximas: 1,2/1,2 kVac; 1,8/1,8 kVdc
•       Ensaios de tensão (5 min.): 6,5 kVac e 15 kVdc
•       Apto para sistemas IT (categoria C)
•       Proteção contra a água: AD8

Figura 16 – Caraterísticas do Cabo Prysmian Prysolar H1Z2Z2-K da Prysmian Group
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/sites/default/files/atoms/files/Prysmian-Prysolar-H1Z2Z2-K-PT.pdf

Lado de corrente contínua ou alternada (cabo de energia)

Cabo de conexão entre Caixa strings (combiner box) e inversores e entre inversores e transformadores.

Figura 17 – Cabo a usar na conexão entre Caixa strings (combiner box) e inversores e entre inversores e transformadores.
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/product-centre/construcao-e-infraestruturas/HarmOhny-Class-S-AL-XZ1-S-Eca

Este cabo possui as seguintes caraterísticas:

•       Designação genérica: XZ1-Al (S)
•       Norma: HD 603-5X-1
•       Muito alta resistência mecânica AG3 de acordo com a IEC 60364-5-51
•       Boa reação ao fogo
•       Possibilidade intermitente parcial ou total de estar coberto em água : AD7 (imersão)
•       Tensão nominal: 0,6 / 1 kV
•       Tensões máximas: 1,2 / 1,2 kVac; 1,8 / 1,8 kVdc
•       Ensaios de tensão (5 min.): 6,5 kVac e 15 kVdc
•       Adequado para sistemas IT (categoria C)

Lado de corrente contínua ou alternada (cabo de energia de alta resistência mecânica)

Conexão entre Caixa strings (combiner box) e inversores e entre inversores e transformadores

Figura 18 – Cabo a usar na conexão entre Caixa strings (combiner box) e inversores e entre inversores e transformadores.
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/product-centre/construcao-e-infraestruturas/HarmOhny-AllGround-S-AL-XZ1-S-Eca

Este cabo possui as seguintes caraterísticas:

·      Suporta impacto 7 vezes maior do que o cabo convencional XZ1-Al (S)
·      Muito alta resistência mecânica AG4 de acordo com a IEC 60364-5-51
·      Fosso simplificado
·      Não há necessidade de preparar leito de areia
·      Sem selecionar material para enterramento
·      Possibilidade intermitente parcial ou total de estar coberto em água: AD7 (imersão)
·      Menor necessidade de pessoal e recursos técnicos
·      Até 2 km de linha por dia
·      Mais ecológico
·      Área de construção otimizada
·      GRANDE POUPANÇA ECONÓMICA!

Lado de MT

Do lado da MT a Prysmian Group possui o cabo com as seguintes caraterísticas:

Figura 19 – Cabo a usar no lado de MT em instalações fotovoltaicas.
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/product-centre/construcao-e-infraestruturas/Vulpren-Class-AL-HEPRZ1-Fca

Características:
·      Isolamento de HEPR
·      Maior intensidade de corrente admissível
·      Excelente comportamento face à agua
·      Até 18/30 kV (Consultar para outras tensões)
·      Semiconductor externo pelável a frio
·      Menor diâmetro exterior
·      Maior facilidade de instalação
·      Mais leve
·      Menor raio de curvatura
·      Tripla extrusão (semicondutores + isolamento)
·      Isolamento reticulado em catenária e com composto próprio da General Cable
·      Bainha de elevada resistência mecânica, aos raios UVA e à absorção de água
·      De acordo com a especificação da Iberdrola

Lado de MT

Figura 20 – Cabo a usar no lado de MT em instalações fotovoltaicas.
Fonte: https://pt.prysmiangroup.com/product-centre/construcao-e-infraestruturas/Hersatene-Class-AL-RH5Z1-OL-Fca

Características:
·      Isolamento de XLPE
·      Tripla extrusão (semicondutores + isolamento)
·      Isolamento reticulado em catenária e com composto próprio da General Cable
·      Blindagem de fita de alumínio
·      Bainha de elevada resistência mecânica, aos raios UVA e à absorção de água
·      Até 18/30 kV (Consultar para outras tensões)
·      Semicondutor exterior pelável a frio
·      De acordo com a especificação da Iberdrola

Em resumo, os parâmetros elétricos que se devem ter em consideração para o dimensionamento da cablagem são:
•       Comprimento do cabo (Condutor positivo mais negativo);
•       Secção transversal do cabo;
•       Condutividade elétrica;
•       Tensão de trabalho DC;
•       Corrente de trabalho DC;
•       Queda de tensão;
•       Potência.

Os cabos da Prysmian Group para sistemas fotovoltaicos conferem uma qualidade acima da média, tornando a instalação mais segura e eficaz cumprindo com todas as normas em vigor!

A Prysmian Group Portugal é o parceiro certo na aquisição de cabos para parques ou outro tipo de sistemas fotovoltaicos, graças a:
•       Vasto leque de soluções
•       Longa vida útil
•       Qualidade
•       Serviço
•       Segurança

Importante

O correto dimensionamento das cablagens é muito importante para o bom funcionamento de uma instalação fotovoltaica, visto que podem ocorrer quedas de tensão que deverão ser sempre evitadas.

Filipe Pereira

Robotics, Industry 4.0 and Industrial Automation Technical Consultant

Specialist in Electronics and Automation