Como os Painéis Solares Injetam Eletricidade na Rede?

Conceito Fundamental: Corrente e Diferença de Potencial

Um Painel Fotovoltaico conectado à instalação doméstica (e à rede do fornecedor) produz uma tensão contínua (CC), que é então convertida em uma tensão alternada sincronizada (CA) por um inversor. Esta tensão é ajustada à mesma frequência (50 Hz) e uma amplitude comparável à da rede.

Na eletricidade, a corrente circula se e somente se existir uma diferença de potencial (ΔV) — especialmente em corrente contínua, onde apenas a diferença de tensão instantânea determina o fluxo de corrente. Em contraste, no caso de duas fontes alternadas sincronizadas (mesma frequência, mesma forma de onda), a corrente pode circular mesmo que as tensões instantâneas sejam iguais em alguns momentos, graças a um deslocamento de fase (alguns graus) entre as sinusoides.

Neste contexto, é a diferença de fase entre as tensões, bem como as características de impedância do circuito, que determinam a existência e a direção da corrente.

N.B.: Em uma tensão alternada de 220 V, a tensão varia de +311 V a -311 V. De fato, o valor de 220 V é o valor eficaz (RMS) da tensão alternada. Este é o valor usado para cálculos de potência e especificações de equipamentos elétricos. A tensão alternada oscila entre um valor positivo máximo e um valor negativo máximo. O valor máximo (amplitude) é na verdade \( V_{\mathrm{CREST}} = V_{\mathrm{RMS}} \times \sqrt{2} \) → \( 220 \times \sqrt{2} \approx 311\,\text{V} \)

Papel do Deslocamento de Fase na Transferência de Energia

Em termos de física, essa transferência obedece à equação de potência: \( P = V \cdot I \cdot \cos(\varphi) \). Esta fórmula é conhecida como a "Fórmula da Potência Ativa em Corrente Alternada Monofásica Senoidal."

• P é a potência ativa (em watts, W),
• V é a tensão eficaz (em volts, V),
• I é a corrente eficaz (em amperes, A),
• cos(φ) é o fator de potência onde φ é o deslocamento de fase entre tensão e corrente.

Mesmo que a tensão eficaz seja nominalmente a mesma (230 V, por exemplo), são as variações instantâneas de tensão (fase, dinâmica, microajustes) que permitem que o inversor injete uma corrente direcionada para a rede.

Analogia com Dois Tubos de Água a Pressão Variável

Imagine duas bombas hidráulicas conectadas às duas extremidades de um mesmo tubo, cada uma produzindo uma variação de pressão a uma frequência de 50 Hz.

Essas variações criam ondas de pressão no fluido (semelhantes às ondas sonoras) que se deslocam pelo tubo. Essas ondas causam áreas de compressão e relaxamento do fluido, sem deslocamento global de massa, mas com oscilações locais das partículas de água.

Este sistema é uma boa analogia com duas fontes de tensão alternada em um circuito elétrico: a pressão representa a tensão, o fluxo corresponde à corrente e a resistência ao fluxo é semelhante à impedância elétrica.

Caso 1: Deslocamento de Fase 0° (bombas perfeitamente em fase)

As duas pressões são idênticas a cada instante.

Não há diferença de pressão entre as duas extremidades do tubo comum.

Portanto: fluxo nulo em todo o tempo, sem movimento do fluido.

• \( Q(t) = 0 \)
• \( \Delta p(t) = 0 \)
• Potência instantânea: \( P(t) = \Delta p(t) \cdot Q(t) = 0 \)
• Potência média: 0

Conclusão: Não há transferência de energia. O fluido está estático apesar da pressão oscilante.

Caso 2: Deslocamento de Fase 180° (bombas em oposição de fase)

Pressões opostas: quando uma empurra, a outra puxa.

Diferença de pressão máxima a cada instante.

O fluido oscila fortemente de uma bomba para a outra, alternadamente.

O fluxo \( Q(t) \) está em oposição de fase com a diferença de pressão.

O produto \( \Delta p(t) \cdot Q(t) \) é negativo metade do tempo, positivo a outra metade, mas perfeitamente simétrico.

Conclusão:

• Potência instantânea: variável, às vezes positiva, às vezes negativa.
• Potência média: zero — há troca cíclica de energia (como um capacitor ou uma bobina), mas sem transferência líquida.
• Energia armazenada e liberada alternadamente.

Caso 3: Deslocamento de Fase 90° (bombas em quadratura de fase)

Quando uma bomba está em sua pressão máxima, a outra está no ponto de fluxo máximo (porque o gradiente de pressão está mudando).

A pressão e o fluxo estão em quadratura (90° de deslocamento).

Isso corresponde a uma situação em que a potência instantânea é sempre não nula, mas muda de sinal durante o ciclo.

Conclusão:

• Potência instantânea: sinusoidal, com alternância entre injeção e absorção.
• Potência média: sempre zero — como com 180°, há uma transferência de energia alternada, sem acumulação líquida.

Caso 4: Deslocamento de Fase intermediário (por exemplo, 5°)

Neste caso, o deslocamento de fase não é totalmente nulo (como no caso 0°), nem de 90° (onde a pressão e o fluxo estão deslocados ao máximo, mas sem transferência líquida), nem máximo (como no caso 180°), mas intermediário.

A diferença de pressão não é máxima em todos os momentos, mas varia parcialmente.

O fluxo também é sinusoidal, mas está parcialmente em fase com a pressão.

Este deslocamento de fase cria uma transferência líquida de energia entre as bombas, resultando em um fluxo real de fluido de uma bomba para a outra.

• Se a bomba A estiver adiantada em fase em relação à bomba B, então a energia é transferida de A para B, e o fluido se move em média de A para B.
• Se a bomba A estiver atrasada em fase, então B transfere energia para A, e o fluido se move de B para A.

Injeção de Corrente em Função do Deslocamento de Fase

Embora exista um fluxo instantâneo alternado em todos os casos, uma transferência líquida de massa só ocorre se o deslocamento de fase for parcial (diferente de 0°, 90° ou 180°).

O fluido é, portanto, o meio da energia mecânica e pode se tornar um vetor de transporte de matéria em situações de transferência líquida de energia.