O que é um sistema solar fotovoltaico
O sistema solar fotovoltaico constitui uma tecnologia de aproveitamento dos recursos endógenos para produção de energia elétrica de forma descentralizada. A produção de energia surge da conversão da energia solar incidente em materiais semicondutores através do efeito fotoelétrico nas células fotovoltaicas. Existem diferentes tipos de células fotovoltaicas, dependendo da natureza e características dos materiais utilizados.
A eletricidade produzida pelos painéis solares geram uma corrente contínua (DC) que não é compatível com os aparelhos electrónicos utilizados nas nossas casas, por isso, tem de ser convertida para corrente alternada (AC) através de um inversor. Deste modo, a eletricidade pode ser utilizada pelos aparelhos domésticos, armazenada em baterias para utilização posterior ou, em alguns casos, ser vendida à rede elétrica. A configuração do sistema fotovoltaico determina o nível de tensão e a potência dos inversores.
Painéis fotovoltaicos
Tipos de painéis
No mercado existem vários tipos de painéis solares fotovoltaicos para uso doméstico, dependendo da natureza e caraterísticas dos materiais utilizados. A tecnologia mais abundante no mercado é atualmente a que recorre ao silício cristalino, que por sua vez se subdivide em poli e monocristalino. A diferença entre uma célula solar monocristalina e policristalina é a composição do cristal de silício. Nos painéis solares monocristalinos, as células fotovoltaicas são formadas por um único tipo de cristal de silício. Por outro lado, as células policristalinas são formadas por um conjunto de diferentes cristais unidos.
Os painéis solares monocristalinos são bastante fáceis de reconhecer devido à sua coloração e aparência uniforme. O silício monocristalino permite, atualmente, eficiências de conversão entre 16 a 18%. As células monocristalinas são mais eficientes que as policristalinas, ou seja, conseguem produzir mais energia com a mesma área disponível, apresentando maior potência/capacidade de produção de energia que os policristalinos. Contudo, são mais caras por apresentarem uma produção de energia mais elevada.
As células fotovoltaicas de painéis solares policristalinos são mais acessíveis. Por outro lado, apresentam algumas desvantagens devido a menor tolerância ao calor, o que significa que têm uma eficiência menor do que a monocristalina. Em particular, estima-se que, nos painéis policristalinos, o índice de eficiência é no máximo 16%, principalmente devido à menor quantidade de silício incorporada. O efeito negativo que as altas temperaturas causam nessas células, torna-as menos atraentes para utilizadores que residem em áreas quentes.
Existem, ainda, mais tipos de painéis fotovoltaicos, como é o caso dos painéis de película fina — estruturas muito finas que podem ser facilmente incorporadas noutros componentes, como telhas, vidros, alvenaria e outros. Dependendo do material utilizado, podemos encontrar painéis de película fina de silício amorfo (a-Si), telurídeo de cádmio (CdTe), cobre, índio, gálio e selênio (GIS / CIGS) ou células fotovoltaicas orgânicas (OPC). A tecnologia de filme fino sempre foi mais barata, mas menos eficiente que a tecnologia convencional. No entanto, melhorou significativamente ao longo dos anos e a eficiência da célula de laboratório para CdTe e CIGS agora ultrapassa 21%, superando o silício multicristalino (material dominante atualmente usado na maioria dos sistemas solares fotovoltaicos). Testes de tempo de vida útil dos módulos de filmes finos, em condições de laboratório, apresentam uma degradação um pouco mais rápida em comparação com os sistemas solares convencionais, enquanto geralmente se espera uma vida útil de 20 anos ou mais.
Ligação dos módulos
O painel solar, conforme a quantidade e característica da interligação das células fotovoltaicas, adquire tensões e correntes diferentes.
As células podem ser ligadas em série ou ligadas em paralelo. Ligações em série de várias células aumentam a tensão disponibilizada e para minimizar as perdas de potência no sistema, apenas deverão ser utilizados módulos do mesmo tipo.
As ligações em paralelo entre módulos individuais aumentam a corrente elétrica e são utilizadas tipicamente nos sistemas autónomos (sistemas de produção e de consumo de energia eléctrica sem ligação à rede eléctrica pública).
Nos sistemas com ligação à rede, encontram-se várias fileiras ligadas em paralelo. O número de módulos por fileira irá depender da tensão e corrente do sistema.
Qualidade e caraterísticas dos painéis
A classe dos painéis é outro fator importante que deve ser considerado na escolha dos painéis. Tal como outros equipamentos, existem diferentes classes de qualidade dos painéis, designadamente A B e C. Os painéis que não os de classe A apresentam defeitos de fabrico (maior ou menor influência no rendimento do equipamento) fazendo reduzir significativamente o seu preço. Na hora da aquisição dos painéis tenha em atenção esse fator e não compre um equipamento de classe B ou C, pensando que se trata de um equipamento de classe A. No caso de lhe ser apresentada informação pouco clara, o consumidor pode consultar os dados que habitualmente estão disponíveis na “chapa característica” presente na parte traseira de todos os painéis fotovoltaicos.
Inversores
As células fotovoltaicas dos módulos solares aproveitam a energia da luz solar para criar diretamente uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais, produzindo uma corrente contínua (DC). A rede elétrica, e a grande maioria dos equipamentos, utilizam corrente alternada (AC). O inversor converte a energia elétrica gerada pelos módulos solares de corrente contínua para corrente alternada (DC › AC), garantindo adicionalmente a segurança do sistema e permitindo medir a quantidade de energia produzida.
Dimensionamento, eficiência e consumo
O dimensionamento do sistema deve ser feito de tal modo que o inversor não seja nem pouco utilizado nem sobrecarregado.
O aspeto mais importante a ter em conta na escolha de um inversor é o seu rendimento (ou eficiência – relação entre a potência de saída e a potência de entrada do inversor), pois este decide, do total de energia gerada pelos painéis fotovoltaicos, a quantidade que é fornecida. A eficiência dos inversores varia e tem uma tendência a diminuir quando estes estão a funcionar abaixo do valor da sua potência nominal.
Assim, além da eficiência dos módulos solares, que varia atualmente entre os 16 e os 18%, é igualmente importante considerar a eficiência dos inversores, a qual ronda tipicamente valores na ordem dos 95 a 98%.
Outro dado que, apesar de parecer irrelevante, também tem a sua importância prende-se com o consumo em stand-by dos inversores e, tendo em atenção este fator, procure inversores com o menor consumo possível.
características técnicas
As especificações técnicas que devem constar na ficha técnica de um inversor são:
Entrada em DC
- Potência em DC máxima;
- Tensão em DC máxima;
- Corrente máxima de entrada;
- Valor mínimo e máximo de tensão no ponto de potência máxima;
- Valor de consumo em stand-by.
Saída em AC
- Potência nominal em AC; *
- Potência máxima em AC;
- Corrente máxima de saída;
- Corrente nominal;
- Eficiência.
* A potência nominal do inversor é determinada pela potência de pico do módulo (fornecida pelo fabricante), sendo que estas raramente se verificam na prática. Por esta razão, a potência nominal do inversor pode tomar valores na ordem dos 5% a 10% mais baixos do que a potência de pico dos módulos, mas o valor máximo da corrente de entrada e da tensão no inversor nunca devem ser excedidos.
Tipos de inversores
Em relação aos inversores podem ser considerados quatro tipos: microinversores, inversores centrais, inversores de string e inversores multi-string.
Os microinversores, tal como o nome indica, são inversores de menores dimensões e que por norma estão associados a apenas um ou dois painéis fotovoltaicos. As suas principais vantagens são: a maior eficiência (otimizam a produção para cada painel e uma sombra/impureza num painel não afeta os restantes), a capacidade de produção com menores valores de radiação (ao nascer e pôr do sol), a sua modularidade (podendo adicionar inversores/painéis ao longo do tempo de acordo com as suas necessidades) e garantia mais elevada por terem menor desgaste.
Os inversores centrais por outro lado suportam um número “finito” de painéis, sendo por isso “fechados” e são também menos eficientes e sujeitos a maior desgaste. Esta solução é caracterizada pela ligação dos módulos em série de forma a constituírem strings que são depois ligadas a um único inversor de potência aproximadamente igual ao sistema. Apesar de estes inversores serem robustos, de alta eficiência e mais baratos que os microinversores (especialmente em instalações de grandes dimensões), apresentam uma diminuição do rendimento na presença de incompatibilidades entre os módulos e sombreamento parcial, e obrigam a usar secções de cabos maiores devido às elevadas correntes. Devido às dimensões do inversor central, obriga a sua instalação num local próprio que por vezes se traduz em grandes distâncias entre o sistema fotovoltaico e o inversor.
O inversor de strings é uma versão reduzida do inversor central aplicado a vários conjuntos de strings. Com esta solução cada conjunto de strings é associado a um inversor, permitindo assim minimizar o impacto do sombreamento parcial e a incompatibilidade dos módulos. Além disso, as correntes são menores pelo que se pode usar secções menores nos cabos.
Uma outra solução é o conceito dos inversores multi-strings. O conceito é parecido com o inversor de string com a diferença da utilização de inversores DC/DC ligados à string (ou conjunto de strings) e estes ligados a um inversor central. Do ponto de vista do painel fotovoltaico esta configuração consiste em vários inversores de fileira, mas do ponto de vista da rede a configuração é vista como um único inversor central. Esta solução permite usar na mesma instalação diferentes módulos fotovoltaicos com diferentes tecnologias (por exemplo cristalino ou película fina) e orientação.
Inversores monofásicos e inversores trifásicos
Tal como as instalações elétricas, também os inversores podem ser monofásicos ou trifásicos. Recorrendo aos esquemas tipo relativos às unidade de produção em autoconsumo com fonte da DGEG (Direcção-Geral de Energia e Geologia), o mesmo refere “Nas instalações trifásicas alimentadas pela RESP (Rede Elétrica de Serviço Público) os inversores solares devem ser, em regra, trifásicos podendo, até 15 A de corrente estipulada (3,45 kVA, em 230V), ser utilizados inversores monofásicos”. Portanto, inversores monofásicos podem ser ligados também em redes trifásicas (mas inversores trifásicos só podem ser ligados em redes trifásicas), porém em algumas situações é necessário utilizar transformador. Neste sentido, há inversores com e sem transformador.
Na tabela a seguir são apresentados os principais prós e os contras dos dois inversores (com e sem transformador):
Caraterísticas
- A tensão de entrada e de saída estão eletricamente isoladas
- Muito difundido
- Fundamentalmente inversores centralizados
Vantagens
- Possibilidade de ligação em tensão reduzida de segurança
- Forte experiência operacional
- Menores interferências eletromagnéticas
- Não é necessária a ligação equipotencial do gerador fotovoltaico
Desvantagens
- Perda no transformador
- Maior peso
- Maior volume
Caraterísticas
- A tensão do gerador fotovoltaico deve ser significativamente superior ao valor de pico da tensão de rede, ou é necessário usar conversores elevadores DC/DC
- A maioria dos inversores de fileira e integrados (módulos AC)
Vantagens
- Maior eficiência (para os dispositivos que não possuam conversor DC/DC)
- Menor peso
- Menor volume
- Instalação DC reduzida para inversores de cadeia de módulos e integrados (módulos AC)
Desvantagens
- Uso de dispositivos adicionais de proteção
- Flutuação do ponto operacional
- Instalação com proteção de isolamento classe II
- Maiores interferências eletromagnéticas
Estruturas de suporte para fixação de painéis fotovoltaicos
Tão importante como a escolha dos painéis e inversores é a escolha da estrutura de fixação dos mesmos, uma vez que essas estruturas irão orientar o seu sistema para o local que retire maior aproveitamento possível (com a inclinação e orientação adequadas), bem como garantir a segurança dos seus equipamentos.
Se possível opte sempre por estruturas resistentes (materiais que sejam resistentes ao tempo, como por exemplo o alumínio) e robustos, com os ângulos adequados. Podem utilizar-se estruturas de alumínio, de ferro ou de aço. As primeiras, já são desenhadas para os painéis solares e resultam numa montagem simples e sólida. Também se destacam pelo seu menor peso, quando comparadas com as estruturas de ferro, e por não necessitarem de manutenção com o passar dos anos. Actualmente, são as mais utilizadas, dada a facilidade do seu transporte, inclusivamente quando são levadas para um telhado ou um terraço. Por outro lado, as estruturas de ferro costumam ser feitas à medida para instalações que precisam de uma estrutura de desenho especial ou para as estruturas do género poste, que são habitualmente fixadas em paredes verticais.
Tipos de estruturas
Para determinar o tipo de estrutura adequada, será necessário avaliar o local em que se vão colocar. O sítio ideal será um telhado já orientado para o sul e com uma inclinação de 30-35 graus. Para tal, será suficiente instalar uma estrutura solar complanar, que se adapta ao telhado mantendo a sua inclinação. Este tipo de estrutura fotovoltaica é a mais económica e rápida de montar, sendo entregue completa e tendo uma melhor adaptação à envolvente local ou, por outras palavras, ao ambiente. Também existem estruturas para telhados de chapa, que têm um tipo de fixação adequada para este tipo de coberturas.
Em segundo lugar, encontramos as estruturas reguláveis, que dispõe de ângulos reguláveis, o que permite colocar painéis com o grau de inclinação desejado. Costumam ser colocadas em telhados planos, coberturas e terraços, sendo que se adapta o grau de inclinação para o ideal de acordo com a zona da península. No Sul de Portugal, é necessária uma inclinação maior do que no Norte, já que o sol irá marcar uma circunferência, durante o seu trajecto, mais alta, uma vez que o sol se encontra mais próximo. As estruturas reguláveis também são muito úteis para os telhados com pouca inclinação e que necessitam de mais graus para que os raios de sol incidam de forma perpendicular nos painéis, o que irá optimizar o rendimento dos painéis ao máximo. Uma estrutura solar regulável também se pode situar em solo firme, numa horta ou no jardim de uma quinta. O mais importante é que, enquanto o sol se vai movendo, não se produzam sombras sobre a superfície dos painéis. Este facto é vital para determinar qual a estrutura necessária para a instalação, de acordo com a envolvente da habitação.
A posição em que se coloquem os painéis solares é indiferente, têm o mesmo rendimento na horizontal ou na vertical. O mais importante é que, no final, os painéis estejam orientados a sul e com a inclinação necessária. A norma para que se orientem os painéis a sul é sempre a mesma para as instalações solares realizadas no hemisfério Norte do planeta. Todo o território Português está neste hemisfério. Pelo contrário, o grau de inclinação vai depender do local em específico da instalação e da temporada em que o seu uso é previsto. Caso se preveja um uso ao longo de todo o inverno, deve usar-se um grau de inclinação maior, de forma a potenciar o aproveitamento do sol durante os meses de Dezembro e Janeiro. Isto porque, durante estes meses a altura do sol é muito baixa, o que torna necessário que os painéis formem um ângulo maior. Caso seja previsto o uso no verão, o grau de inclinação deverá ser muito baixo, já que estamos a falar da época do ano em que o sol se encontra a uma maior altura. Um detalhe a destacar é o aproveitamento da inclinação do telhado se este for próximo do desejável. Isto é, se um telhado tiver uma inclinação de 24 graus e o necessário forem 30 graus para se obter um grau de inclinação óptimo, recomendamos, neste tipo de casos, que se aproveite a inclinação existente do telhado e que se recorra ao uso de uma estrutura complanar, que é barata. A diferença de captação de energia será mínima quando se fala deste intervalo de graus.
Existem também estruturas com seguidores solares. Um seguidor ou rastreador solar é um dispositivo que orienta um sistema solar fotovoltaico para otimizar a captação de energia. O sistema de seguidor solar aumenta a percentagem de captação de luz solar direta, e por conseguinte um aumento de produção de energia. Em geral, os sistemas de rastreamento do sol conseguem fazer com que seja captada aproximadamente mais 50% de luz solar no verão e 20% adicional no inverno, mas estes dados podem divergir tendo em conta a latitude.
Os seguidores solares podem ser de um eixo ou de dois eixos. Em seguidores solares de eixo único, o mecanismo roda apenas num plano. O eixo de rotação pode ser polar (mais adequado em latitudes altas) ou horizontal. Os seguidores de um eixo do tipo horizontal são mais adequados em baixas latitudes como nos trópicos e perto do equador e são também estruturalmente mais rígidos e estáveis sendo mais resistentes a danos provocados por tempestades. A energia anual obtida com a utilização de um seguidor solar de um eixo aumenta aproximadamente até 30% em comparação com um sistema imóvel. A energia anual obtida com a utilização de um seguidor solar de dois eixos, em comparação com um sistema fixo, aumenta aproximadamente até 40%. Os seguidores de dois eixos acompanham com mais exatidão a gama de movimentos do sol (permitem seguir a trajetória diária do Sol bem como a trajectória anual), no entanto, são mais complexos do ponto de vista técnico e mais caros. No entanto, seguir o Sol implica uma maior despesa. Estas estruturas podem vir equipadas com um sistema de controlo eléctrico, ou ser movidas através de meios termohidráulicos. Se utilizamos um sistema de controlo eléctrico, será necessário a sua alimentação em energia eléctrica, o que reduz a eficiência energética global do sistema. Além disso, caso o mecanismo deixe de funcionar, o sistema fotovoltaico pode ficar imobilizado numa posição desfavorável, o que conduz a uma diminuição considerável da radiação captada durante o período de imobilização. Em geral, o principal problema dos seguidores solares é que eles aumentam os custos do projeto. Portanto pode-se argumentar que o mesmo nível de desempenho pode ser alcançado simplesmente aumentando o tamanho total do sistema. Isto também elimina a manutenção adicional necessária para o sistema de rastreamento solar. Outro problema é que os motores do sistema de rastreamento necessitam uma manutenção contínua. Como os incentivos para o uso de energia solar continuam a diminuir, a relação custo-eficiência da instalação de um sistema de rastreamento pode diminuir fazendo com que os consumidores invistam cada vez menos neste tipo de sistemas.
Tenha em atenção
Quando escolher a estrutura de fixação dos painéis, deve considerar também os seguintes aspetos
Os painéis fotovoltaicos são por norma aplicados nas coberturas, ficando por isso sujeitos a condições atmosféricas.
O sistema de montagem deverá cumprir com as normas de segurança e deve ser certificado por uma entidade como por exemplo TÜV.
Procure que a sua instalação seja sempre feita por técnicos qualificados que usem os melhores equipamentos e métodos (nunca permita que furem telhas/lajes de cobertura para a fixação do sistema) e que possam ser responsabilizados por qualquer defeito no processo de instalação do sistema.
Desconfie também de qualquer empresa que apenas lhe venda os equipamentos e não lhe ofereça o serviço completo, ou seja, com a respetiva instalação, uma vez que poderá ser muito importante nos casos em que tenha algum problema com os seus equipamentos e necessite de acionar as respetivas garantias e pedir as consequentes responsabilidades.
Tenha também atenção à fixação dessas mesmas estruturas, pois podem comprometer de forma grave a estanquicidade da sua cobertura. Materiais com acabamentos de baixa qualidade podem apresentar sinais de degradação ao fim de pouco tempo. Perfis e fixadores em alumínio garantem-lhe um peso reduzido sobre o seu telhado, bem como uma longa durabilidade.
Sistema de monitorização
Para beneficiar do rendimento da sua instalação fotovoltaica de autoconsumo, vai querer sempre alcançar uma curva de autoconsumo idêntica à curva de consumos. Assim será sempre importante medir e controlar os seus dados de consumo e a produção do sistema de autoconsumo fotovoltaico. Para o auxiliar existem equipamentos que lhe permitem monitorizar/registar os seus consumos e produção para que possa acompanhar estes dados com o maior rigor e cuidado possíveis.
Consegue controlar o seu consumo e, em simultâneo, monitorizar a sua produção fotovoltaica, através de uma série de soluções flexíveis de monitorização disponíveis no mercado.
Para mais detalhes por favor consulte a secção Otimização do sistema.
Baterias
Um sistema solar fotovoltaico produz energia elétrica apenas durante o dia. Poderá considerar comprar um conjunto de baterias para armazenamento da energia e utilizar no período da noite. As baterias permitem, sempre que houver produção em excesso, o armazenamento da energia para utilização nos períodos de baixa ou de não produção, aumentando consideravelmente a sua independência em relação à rede elétrica. Além disso, as baterias servem como sistema de backup em caso de emergência ou de corte de energia.
Em geral, a utilização de acumuladores, ou seja baterias para armazenamento da energia, obriga a que se torne indispensável a utilização de um regulador de carga adequado que faça a gestão do processo de carga, por forma a proteger e garantir uma elevada fiabilidade e um maior tempo de vida útil dos acumuladores, bem como a utilização de um inversor. Os sistemas de armazenamento de energia de baterias solares mais recentes, geralmente incluem já um inversor integrado e sistemas de controlo computarizados.
Existem diferentes tipos de baterias disponíveis no mercado (para mais detalhes por favor consulte a secção Armazenamento da Energia).
Kits de autoconsumo
O que são os kits
Um Kit Solar Fotovoltaico de Autoconsumo é uma composição de painéis solares e outros equipamentos que juntos vão produzir energia solar. O mercado disponibiliza atualmente kits fotovoltaicos para autoconsumo modulares, com potências que variam entre 250W e 1500W (kits compostos por 1 a 6 painéis). Até estas potências não é necessário pagar taxas.
Os kits de autoconsumo adaptam-se às diferentes necessidades e são geralmente compostos por:
- Painéis fotovoltaicos;
- Inversor;
- Medidor de Corrente;
Poderá também incluir:
- Gestor do Sistema (com esta ferramenta controla e monitoriza todo o sistema de autoconsumo solar fotovoltaico, do qual consegue obter estatísticas sobre os seus consumos e respetiva produção de energia);
- Bateria (ainda não aconselhável – por ser uma tecnologia ainda muito recente, sujeita a mais melhoras no futuro, no entanto já existem sistemas que trazem baterias incorporadas. Estas permitem armazenar os excedentes de produção de eletricidade durante o dia para serem consumidos à noite).
Tipos de kits
Em geral, há dois tipos de kits: os pré-montados e os kits chave-na-mão.
Normalmente, os kits pré-montados não incluem a mão-de-obra de instalação, ou seja, incluem somente os equipamentos principais do kit fotovoltaico. Estes kits incluem todas as peças para a sua montagem. Uma das principais vantagens destes kits é a facilidade da sua montagem. Apenas tem que fixar os painéis no telhado, o inversor, ligar os cabos elétricos e, por fim, ligar à instalação elétrica da sua habitação. Se pretender uma instalação com bateria para armazenamento de energia, recomenda-se igualmente o contacto com uma empresa especializada neste tipo de instalação.
Por outro lado, os kits chave-na-mão não incluem unicamente todos os materiais e acessórios necessários ao correto funcionamento do sistema de autoconsumo fotovoltaico, mas também o projecto, a entrega e a instalação dos mesmos. A diferença principal entre um kit pré-montado e um kit chave-na-mão é o preço, sendo que o segundo é normalmente mais caro.
Vantagens dos kits
Os kits são modulares, portanto permitem a sua adaptação às diferentes necessidades dos consumidores.
São uma solução mais barata e rápida. Especialmente no caso dos kits pré-montados, que permitem de economizar consideravelmente o tempo de instalação e a mão-de-obra.
Também, a compra de um kit garante que todos os componentes do sistema sejam compatíveis (inversor, painéis, etc). Por conseguinte, poupa recursos pessoais tais como tempo e esforço pessoal para investigar e comparar as diferentes opções para cada componente do sistema.
Desvantagens dos kits
A compra de um kit limita a possibilidade de escolha, assim sendo caso queira uma solução ou sistema mais personalizado, um kit poderá não ser a melhor opção para si.
Dado a grande oferta e variabilidade de kits no mercado, selecionar qual comprar deverá ser uma decisão que requer alguma cautela. O kit que escolher deve ser proporcional ao seu consumo para obter o retorno do investimento. Em segundo lugar, antes de escolher, compare e analise as garantias dos fabricantes e escolha equipamentos licenciados para Portugal.
Embora os kits sejam normalmente mais baratos, lembre-se que os preços variam de acordo com a tipologia do kit e o equipamento incluído, bem como os serviços oferecidos (e.g. projecto, entrega e/ou instalação). Se decidir pela compra de um kit pré-montado, considere que pode ter que pagar para o instalar.