Olá Energistas! Vamos continuar falando mais sobre os sistemas solares fotovoltaicos. No post de hoje, chegou a vez de conversarmos sobre o Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid, o sistema que é isolado da rede.

Dentre algumas das aplicações do Sistema Fotovoltaico Off-Grid podemos destacar a iluminação pública de rodovias e seu uso em algumas localidades onde não chega energia elétrica pela rede de distribuição, como zonas rurais muito afastadas. Então podemos empregar um sistema fotovoltaico autônomo.

Nesse post você vai descobrir como funciona o Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid e quais são os seus principais componentes.

COMO FUNCIONA O SISTEMA FOTOVOLTAICO OFF-GRID

Em linhas gerais, o Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid possui o mesmo princípio de funcionamento do Sistema Solar Fotovoltaico On-Grid, conectado na rede. No sistema On-Grid, os módulos fotovoltaicos geram energia para injetar na rede de distribuição e não há o armazenamento de energia em baterias.

Em contrapartida, no Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid, o sistema gera energia e a armazena em baterias, para atender ao consumo de uma casa por exemplo, com o sistema solar fotovoltaico sem conexão à rede de distribuição, isolado da rede elétrica.

Dito isto, qual o caminho da energia desde os módulos fotovoltaicos até os equipamentos de consumo?

Então, a energia que módulos fotovoltaicos geram é em corrente contínua. Em seguida, esta energia segue para um controlador de carga, regulando a tensão desta energia para a armazenar nas baterias.

Em seguida, ao alimentar o banco de baterias, a energia chega ao inversor, conforme a necessidade do sistema ao qual está conectado.

Logo, o inversor converte a energia que antes estava em corrente contínua é para corrente alternada, possibilitando o uso da energia nos equipamentos do nosso dia a dia.

Confira abaixo, um esquema de como é a ligação de um Sistema Off-Grid. 

  1.  Módulos Fotovoltaicos: Conversão da radiação solar em corrente elétrica.
  2. Controlador de Carga: Regula tensão que carrega as baterias, garantindo a sua operação das baterias adequadamente.
  3. Baterias: Armazenar a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos e alimentar as cargas consumidoras ligadas ao sistema fotovoltaico
  4. Inversor: Converte a energia gerada em corrente contínua para corrente alternada, alimentando as cargas conectadas ao sistema fotovoltaico.

COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO OFF-GRID

Agora que já entendemos melhor como funciona o sistema fotovoltaico Off-Grid, vamos conhecer mais sobre cada um dos seus componentes.

1 Módulos Fotovoltaicos

Comumente, chamamos os módulos FV de coração do sistema Off-Grid. Os módulos fotovoltaicos são formados por um agrupamento de células conectadas eletricamente.

De acordo com o número de células que compõem o módulo fotovoltaico, ele aplicará uma tensão de saída e uma potência ao Sistema Off-Grid. Por exemplo, um módulo de 60 células pode aplicar uma tensão de aproximadamente 30 Volts.

Entretanto, o módulo FV não se comporta como uma fonte convencional, pois não apresenta uma tensão de saída constante nos seus terminais, que varia de acordo com a radiação ao qual estará submetido

Sistema Fotovoltaico off-grid
Módulo Solar Fotovoltaico

Para que a geração do sistema fotovoltaico atenda a necessidade de consumo das cargas conectadas à ele, é importante definir os módulos com uma potência adequada, levando-se em consideração também a área disponível para o arranjo dos módulos.

Para saber tudo sobre os módulos fotovoltaicos acesse aqui!

2 Controlador de Carga

O controlador de carga funciona como o cérebro do Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid. É um dispositivo eletroeletrônico responsável pelo gerenciamento de carga. 

A função do controlador de carga é realizar a conexão entre as baterias e os módulos fotovoltaicos do sistema, fazendo com que a bateria não seja descarregue ou tenha um excesso de carga.

Por essa razão, os Sistemas Solares Fotovoltaicos Off-Grid devem obrigatoriamente possuir um controlador de carga para realizar a interface dos módulos com as baterias.

As tecnologias mais comuns no mercado são a PWM e MPPT. Essas tecnologias possuem algoritmos que controlam a tensão de saída de acordo com a fase de carregamento das baterias.

Vamos conhecer melhor esses dois tipos de controladores de carga.

Controlador de carga eletrônico PWM

PWM quer dizer Pulse Width Modulation, que significa Modulação por Largura de Pulso.

O controle por PWM, atuará para maximizar o uso da bateria e prolongar sua vida útil. Ou seja, o seu controle opera no chaveamento do sistema através da verificação da tensão nos terminais da bateria.

Sendo assim, dependendo do nível de tensão da bateria, o controle em PWM atuará para evitar uma descarga ou sobrecarga.

Apesar de ser mais acessível economicamente, não se recomenda o controle por PWM, por limitar a geração dos módulos em uma tensão correspondente à das baterias, desperdiçando energia.

POR QUE O CONTROLADOR PWM DESPERDIÇA ENERGIA?

Imagine um banco de baterias com 48V, quando os módulos estão produzindo energia com tensão de 60V, o controlador ajusta a tensão para 48 V e estes 12V são perdidos.

Controlador de Carga PWM

Controlador de Carga MPPT

Os controladores de carga que possuem a tecnologia MPPT, são mais sofisticados e são mais indicados.

Esse tipo de controlador de carga tem um algoritmo mais complexo que segue a Máxima Potência do Módulo, não desperdiçando sua produção de energia.

Nesse sentido, é possível manter o carregamento da bateria em níveis que garantam sua eficiência e segurança sem que a sua tensão seja imposta aos módulos.

Pelo contrário, permite a operação simultânea dos níveis de tensão aplicáveis aos componentes, ao garantir a operação desacoplada dos dois.

POR QUE O CONTROLADOR MPPT NÃO DESPERDIÇA ENERGIA?

Imagine um banco de baterias com 48V, quando os módulos estão produzindo energia com tensão de 60V, o controlador ajusta a tensão para 48 V, mas diferentemente do PWM, a corrente irá aumentar, fazendo com que a energia entregue para as baterias seja a mesma que foi produzida pelos módulos.

Controlador de Carga MPPT Off-Grid

3 Banco de Baterias

As baterias são as responsáveis pelo armazenamento da energia elétrica produzida pelos módulos fotovoltaicos, permitindo a sua utilização a qualquer momento, inclusive durante a noite.

Em geral, as baterias dos sistemas fotovoltaicos são as baterias estacionárias.

As baterias de íon lítio também estão chegando no mercado, apesar de mais caras, elas têm uma vida útil maior e maior capacidade.

Em baterias estacionárias, as placas metálicas imersas em ácido sulfúrico, são mais grossas do que em baterias automotivas, isso as permitem fornecer uma quantidade constante de corrente por um longo período de tempo.

Para a garantia do seu pleno funcionamento e vida útil, não é bom descarregar as baterias completamente. Logo é importante monitorar o ciclo de descarga constantemente pelo controlador de carga.

Podemos conectar as baterias em série e/ou paralelo, para obter a tensão compatível com a saída do controlador de carga e com a entrada do inversor. A associação em série permite tensões maiores, o recomendado é manter de 12 a 48 V.

Mas Joi, como saber quantas baterias vou utilizar?

Então Energistas, antes de calcular, deve-se levar em consideração uma série de fatores, como quais equipamentos consumirão energia pelo sistema, a autonomia que se deseja, as características dos equipamentos que compõem o sistema fotovoltaico, etc.

Quanto maior a quantidade de baterias do banco, maior será a capacidade de armazenamento de energia.

Entretanto, como o banco de baterias é um dos custos mais significativos do projeto, o dimensionamento deve ser cauteloso.

No meu curso de dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos temas uma planilha completa, ACESSE AQUI.

4 INVERSOR SOLAR OFF-GRID

O inversor do Sistema Fotovoltaico Off-Grid é o componente responsável pela conversão da energia em corrente contínua gerada pelos módulos fotovoltaicos e armazenada nas baterias para corrente alternada.

Portanto, ele possibilita que a energia alimente os equipamentos que se conectam ao Sistema Off-Grid, uma vez que a maioria das cargas residenciais são construídas para operar de acordo com a rede elétrica, em corrente alternada.

Cabe destacar aqui que podemos ligar diretamente nas baterias os equipamentos que utilizam corrente contínua.

Inversor de Sistema Fotovoltaico Off-Grid

Em Sistemas Fotovoltaicos Off-Grid, considera-se o inversor como a única fonte de energia. Ou seja, o inversor deve ser capaz de fornecer potência para suprir todos os equipamentos conectados ao sistema.

Por isso, deve-se sempre levar em consideração a alimentação total da carga, para estar compatível com a potência nominal do inversor.

Caso se utilize o sistema para alimentar equipamentos que utilizam motores, como geladeiras e bombas de água, deve-se utilizar o equipamento compatível com estas potências. Máquinas motrizes na sua partida exigem uma corrente muito elevada, por isso é importante que o inversor supra essa demanda.

Tipos de Inversores

Da mesma forma, deve-se atentar ao tipo de onda ao escolher o inversor. Existem três tipos de ondas.

Os inversores de onda Senoidal Pura, produzirão tensões de ondas baixa distorção harmônica, sendo os mais recomendados para alimentar as cargas.

Os de onda Senoidal Modificada possuirão um sinal com mais distorção harmônica. Embora por produzir harmônicos, podem servir apenas para algumas cargas como lâmpadas e eletrodomésticos, pois não são sensíveis à essas distorções elétricas.

Finalmente, os inversores de onda Quadrada produzirão uma onda com alta distorção harmônica e baixa eficiência, o qual não é recomendado.

Contudo, quando um Sistema Fotovoltaico Off-Grid é destinado para alimentar cargas que exijam alto grau de confiabilidade, como equipamentos médicos, aparelhos de telecomunicações e equipamentos de alto custo, dê preferência aos inversores de onda senoidal pura.

5 CABEAMENTO E PROTEÇÕES

O cabeamento, basicamente, é o que liga os componentes e promove a circulação da energia entre eles.

Primeiramente, para evitar perdas na transmissão de energia do seu sistema e economizar com o cabeamento, é importante ligar todos os componentes que o mais próximo possível.

Para o dimensionamento da bitola dos cabos é de boa prática considerar uma queda de tensão de 3%, tensão nominal do sistema (12V a 48V) e temperatura de 50ºC.

Mas claro, caso as condições sejam diferentes, você consegue dimensionar corretamente verificando a NBR 5410. Por fim, leve sempre em consideração uma leve folga no dimensionamento, para caso haja imprevistos.

Para o cabeamento de corrente contínua, utilize sempre a NBR 16612 para o dimensionamento. Esta norma trata exclusivamente de cabos CC para sistemas fotovoltaicos

Já no caso das proteções, são os itens que asseguram o sistema contra qualquer surto elétrico. Pode-se seguir as especificações da NBR 5410, referentes às instalações elétricas de baixa tensão.

Independentemente do tamanho do Sistema Fotovoltaico Off-Grid, indica-se a instalação das proteções após os módulos fotovoltaicos, após o banco de baterias (proteções CC) e após o inversor (proteções CA), veja na figura abaixo.

Abro um parêntese aqui Energistas, para que fiquem atentos ao local de instalação do controlador de carga, das baterias, do inversor e das proteções.

A área deve ser limpa, seca, com boa ventilação e livre da incidência de raios solares. Além do mais, deve ter espaço suficiente para inspeção, manutenção, ensaio e reposição dos elementos.

Além disso, a qualidade de acabamento do serviço é sempre muito bem visada pelo cliente.

6 ESTRUTURAS DE FIXAÇÃO

Proteção de Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid

As estruturas dos módulos fotovoltaicos devem resistentes a corrosão, variações térmicas, cargas mecânicas e forças climáticas para garantir a segurança no processo de instalação e operação, seja contra ventos ou tempestades, assegurando que os módulos não saiam “voando”.

A escolha ideal para o sistema solar vai depender do tipo de módulo fotovoltaico do sistema, do local de instalação (telhado ou solo) e do tipo de  telhado.

Estrutura de Sistema Soltar Fotovoltaico Off-Grid
Estrutura de Sistema Solar Fotovoltaico Off-Grid

Em terrenos, devemos sempre estar bastante atentos a possibilidade de alagamentos. Sempre procure se informar sobre o histórico de chuvas do local, ou ao nível da água em rios próximos. 

Sobre as estruturas de fixação de módulos deve ser consultada a NBR 6123, que trata das forças devidas ao vento em edificações.

Da mesma forma que os demais componentes, as estruturas possuem diferentes modelos que vão depender do tipo de aplicabilidade. Geralmente são feitos de alumínio ou aço inoxidável para aplicações universais, como por exemplo: as estruturas de inclinação fixa, para telha de concreto, telhado metálico, telha de fibrocimento. Ou também estruturas para solo e os modelos de seguidores solares (trackers).

Já para as estruturas de fixação do banco de baterias não há norma, mas como o banco ficará o mais próximo dos outros equipamentos, indica-se que as estruturas de materiais sejam não inflamáveis.

CONCLUSÃO

Então, todos esses são os componentes que compõem o fluxo da geração de energia em um sistema fotovoltaico off-grid:

  • Módulos Fotovoltaicos
  • Controlador de carga
  • Baterias
  • Inversor
  • Cabeamento e Dispositivos de Proteção
  • Estruturas de Fixação

O objetivo da Energês é SIMPLIFICAR tudo pra você. Por isso, clique no botão abaixo para baixar um INFOGRÁFICO com um RESUMO de tudo que vimos até aqui.

E olha só o mais legal de tudo que você leu até agora, é que no nosso curso de DIMENSIONAMENTO SOLAR FOTOVOLTAICO, você conta com as DUAS PLANILHAS de dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos On-Grid e Off-Grid! Acesse agora Energista!

Por hoje é isso pessoal =D

Abraços, e até a próxima!

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