Partes de uma instalação fotovoltaica

União de painéis solares

    Para obtermos a tensão e intensidade desejadas existe a hipótese de instalar os painéis em série, em paralelo ou de forma mista, de maneira a que possamos somar voltagens ou intensidades em função da instalação realizada, cuja explicação deverá constar do manual de instruções fornecido pelo fabricante, cumprindo assim com a condição de que todos tenham a mesma curva característica para que não descompensem, e até poderemos agrupar painéis compostos para formarmos grupos maiores.

Fixações, suportes e sujeições

    O bastidor é o caixilho encarregado de segurar no painel solar. Muitas das vezes serão fornecidos kits de montagem para instalá-lo adequadamente. Se não for assim, o instalador terá que o fazer de acordo com a legislação em vigor (além de ter em conta a força do vento, entre outros aspectos, a fim de evitar o desprendimento dos elementos por causa dos ventos fortes, pelo que deverá aguentar uma velocidade do vento de 150 km/h no mínimo). A inclinação ideal dos painéis é calculada a partir da latitude do local.

    Esta alteração da inclinação será efectuada para captar toda a energia solar possível se não tivermos uma outra forma de energia alternativa.

    Há vários tipos de estruturas: desde um simples poste que suporte 4 painéis no máximo até grandes estruturas de vigas para aguentar várias dezenas deles.

    Para fixar estes painéis utiliza-se betão e parafusos roscados de aço inox. Tanto a estrutura como os suportes deverão ser também de aço inox, ferro galvanizado ou alumínio anodizado.

    Deve-se igualmente deixar uma altura mínima de 30 cm entre o chão e o painel, e nas zonas de montanha a altura mínima deve ser maior para evitar ser atingido ou enterrado pela água ou pela neve. No entanto, será aconselhável consultar também o Regulamento Electrotécnico de Baixa Tensão em vigor.

    Se instalar traves, deve-se colocar peças que evitem a sua deformação. Se a base for de betão, deve-se também reforçá-la com faixas de aço ou introduzindo peças metálicas no betão, quando ainda estiver mole, para que fique bem seguro (é o método mais utilizado). Mas se montar esta estrutura em postes utiliza-se reforços perpendiculares de aço inox agrafados ou unidos com uma fivela de mesmo material.

Acumuladores e Baterias

    Os acumuladores ou baterias são muito utilizados naqueles momentos em que não se pode utilizar a energia solar. Evita-se assim cortar o abastecimento de energia eléctrica a todos os aparelhos ligados, por exemplo, a iluminação de uma habitação. Porém, há casos em que não são precisos, por exemplo, para as bombas de água, mas normalmente serão sempre úteis.

    Um acumulador deverá cumprir os seguintes requisitos:

• Terá que ceder a uma potência instantânea superior à que os painéis solares são capazes de dar no seu melhor momento. Isto deverá ser assim para que possa fornecer a energia necessária no arranque de um motor, por exemplo, o de um frigorífico, que requer uma potência bastante superior à do seu funcionamento normal.
• Terá que manter um nível de tensão estável, já que um painel solar gera energia em função da intensidade solar que recebe, e a instabilidade seria muito prejudicial para os aparelhos.

    A voltagem de uma bateria determinará a voltagem de funcionamento dos painéis solares, pelo que estes terão que se adaptar a essas condições e não ao contrário. A voltagem nominal de uma bateria costuma ser de 12 V, dependendo do estado de carga em que estiver, pelo que o seu rendimento de trabalho ficará entre os 11 e os 15 volts. Por causa disto, deve-se unir 36 células, uma vez que em função da temperatura que tiver pode-se obter uns 17 volts, sendo precisos 14,5 volts para carregá-la. Embora possa parecer um valor elevado, se a célula aquecer, a voltagem que é capaz de proporcionar descerá, mas continuará a fornecer uma voltagem suficiente para trabalhar adequadamente. Se não o fizer assim, o painel poderá não desempenhar a sua função em condições, produzindo-se uma perda de potência em relação à máxima. No entanto, unicamente representará 10% para efeitos do cálculo da potência real de trabalho.

    Por muito que o pretenda, nunca poderá dispor do acumulador ideal, já que se tiver uma auto-descarga baixa não suportará as grandes descargas, e se tiver capacidade para suportar grandes descargas ficará mesmo muito caro. Torna-se por isso difícil escolher o acumulador mais apropriado, uma vez que às vezes não é fácil decidir qual o factor mais importante: o económico ou o da idoneidade.

    Ao falar em descarga do acumulador ou da sua capacidade estamos a fazer referência a um tempo de descarga de 100 horas, já que é o intervalo de autonomia mínima.

    As baterias que são mais utilizadas nas aplicações fotovoltaicas são as de níquel-cádmio e as de chumbo-ácido.

    As baterias de níquel-cádmio são bastante mais caras, mas também mais fiáveis e resistentes. Suportam descargas até 90% da sua capacidade teórica e recuperam-se completamente; uma outra vantagem é a sua capacidade para aguentar as baixas temperaturas. Outro pormenor que é preciso ter em atenção é que os curto-circuitos que podem danificar as baterias de chumbo não são demasiado perigosos para as baterias de níquel-cádmio, para além de que não sofreriam grandes danos se ficassem sem água, pois a única coisa que aconteceria é que deixariam de trabalhar durante algum tempo. A sua manutenção é mínima e não produzem gases corrosivos.

    Os dois tipos de baterias têm uma vida muito semelhante, embora as de chumbo-ácido possam durar muito mais tempo se tiverem manutenção apropriada.

    Os acumuladores alcalinos são mais caros, fazendo com que as pessoas utilizem baterias de chumbo-ácido, que já foram muito utilizadas no passado e são muito fiáveis.

    O acumulador estacionário Pb (chumbo) – Sb (antimónio) é apropriado para as instalações fotovoltaicas, sendo utilizado tanto no serviço intermitente como no contínuo, e está preparado para produzir altas intensidades em pouco tempo. Denomina-se também baterias ou acumuladores de arranque. O acumulador de platina-antimónio com placas tubulares é o mais utilizado nas instalações médias e grandes, já que admite descargas altas, embora a vida útil seja maior quanto menor seja a profundidade de descarga a que o submeter. O melhor para o acumulador é manter a descarga em 30% ou menos de capacidade, embora haja ocasiões em que se alcance 80%, pelo que estas baterias recebem também o nome de baterias de ciclo fundo.

    Estas últimas são entregues em celas de polipropileno translúcido, cada uma delas com uma tensão de 2 voltas, as quais ficarão ligadas em série até chegarem aos 12 ou 24 volts. Todas as ligações necessárias serão efectuadas com parafusos.

    Para as instalações pequenas normalmente são utilizadas as de chumbo-cálcio, pois não precisam de manutenção e apresentam uma auto-descarga muito baixa, mas sendo de ciclo superficial, não admitem muitos ciclos abaixo dos 15% da sua capacidade e aguentam profundidades até 40%, pelo que a capacidade utilizável é metade da de uma estacionária do mesmo valor nominal.

    As baterias de chumbo-cálcio vendem-se de forma compacta ou mono-bloco, da mesma maneira que as dos automóveis, e têm um tamanho reduzido para facilitar o seu transporte. Se a isto acrescentarmos o facto de terem um preço acessível, tornar-se-ão as mais utilizadas nas pequenas instalações.

Processos de carga e descarga

    Quando estiver perante uma instalação de energia solar típica para uma habitação, uma parte da energia produzida será utilizada para satisfazer as necessidades da habitação e o resto será absorvido pela bateria se não estiver a 100%. Se não estiver completamente carregada, não permita a passagem da corrente colocando algum dispositivo para o efeito. De noite, o consumo eléctrico acresce (ao ter que utilizar a luz artificial) sendo extraído da própria bateria, pelo que o ciclo carga-descarga se repetirá todos os dias. Quando estiver chuva, neve ou simplesmente nublado, gastará a energia da bateria e só a carrega quando o tempo voltar a ser favorável após dois ou três dias. Isto demorará vários dias, porque, embora a carregue, continuará a consumir. Então, irá completar o ciclo autónomo, onde a bateria irá depender unicamente da sua capacidade para satisfazer a necessidade energética de cada momento.

    A profundidade de descarga de um ciclo diário é de 5% ou 10% da capacidade total (nas habitações), mas num ciclo autónomo será determinado pelo tipo de bateria, nunca deverá ultrapassar os 80% nas de Ni-Cd e nas estacionárias de Pb-Sb, sendo 40% nas não estacionárias para uso fotovoltaico, como podem ser as de Pb-Ca, e chegando a 20% se instalarmos uma de automóvel, o que nunca será recomendável.

Nível ou estado da carga

    Conforme a bateria se descarrega, a sua voltagem diminui e quando se carrega aumenta de tal forma que uma bateria de 12 volts proporcionará 13 volts. Para determinar a média de voltagem de uma maneira fiável, com as curvas de tensão-profundidade de carga que fornece o fabricante, desligue a bateria para evitar cargas ou descargas e poderá assim medir com o voltímetro.

    Uma outra forma de consegui-lo é medindo a intensidade relativa de electrólito com a ajuda de um densímetro e levando o valor ao gráfico correspondente. Nas baterias carregadas obtém-se um valor semelhante a 1,3 e nas descarregadas de 1,05. Antes de chegar a 0 atinge-se o valor inferior limite, do qual já não há recuperação possível se continuar a descarregar-se. Nas baterias de 12 V, a voltagem inferior limite é de aproximadamente 11 V.

Velocidade de carga/descarga

    Se uma bateria estiver a carregar, a diferença de potencial nos bornes é superior à que teria se a desligasse da corrente da carga, graças à resistência interna da bateria. Quando estiver a descarregar-se, a tensão nos bornes será inferior graças à sua resistência interna. Pode observar que a resistência interna desempenha um papel fundamental, já que a queda de tensão interna é o produto da intensidade pela resistência interna, pelo que o regime de carga-descarga irá depender da intensidade (queda de tensão interna).

Temperatura da bateria

    A voltagem final recomendada para que a bateria alcance o estado de carga plena será maior quanto menor for a temperatura, já que esta impedirá que se produza a reacção química apropriadamente, pelo que irá absorver mais energia para poder finalizar o processo. Este é um dado relevante, uma vez que em função do local onde estiver terá de corrigir a voltagem aplicada dependendo da temperatura média que tiver que suportar.

Reguladores de carga

    O regulador encarrega-se de ajustar a corrente que chega à bateria para evitar sobrecargas e não desaproveitar a energia captada, pelo que este aparelho deverá medir em cada momento a voltagem para não deixar passar a corrente à bateria ou fazer chegar apenas o suficiente para mantê-la a plena carga uma vez alcançado o valor determinado. Esta corrente mínima chama-se corrente de flutuação, de maneira que quando a bateria receber esta energia absorverá exactamente a energia necessária para manter a bateria a plena carga e quando não se consumir energia será utilizada para compensar a auto-descarga.

Conversores

    Os conversores são aparelhos que transformam a corrente contínua em corrente alternada para poder ser utilizada nos aparelhos domésticos.

    Existem aparelhos que recebem corrente contínua a uma voltagem determinada e a transformam também em corrente contínua, mas a uma voltagem distinta. São os conversores CC-CC (em inglês DC-DC), mas também há outro tipo de conversores que transformam a corrente contínua em alternada. São os chamados CC-CA (em inglês DC-CA).

    Tanto nas aplicações fotovoltaicas como no resto, os mais utilizados são os do segundo tipo, embora às vezes também sejam utilizados os do primeiro, por exemplo, para alimentar um aparelho de 24 volts com uma bateria de 12 volts ou vice-versa. Isto, para além de fornecer a energia na forma apropriada, apresenta a vantagem de o fazer num pacote estável.

    Um equipamento do tipo CC-CC converte, com um inversor, a corrente contínua em corrente alternada, a qual aumentará ou baixará a tensão ao atravessar um transformador, voltando posteriormente a tornar-se em corrente contínua, mas com a voltagem adequada. Todos estes processos apresentam perdas que deverá ter em conta.

    Nunca deverá confundir um conversor com um estabilizador, o qual reduz a tensão desperdiçando uma quantidade de potência muito elevada.

    As especificações principais que deverão estar incluídas num conversor CC-CC são: tensões nominais de entrada e saída, rendimento, sobrecarga admissível, resistência ao curto-circuito e, portanto, potência.

    Os conversores CC-CA ou inversores permitem transformar a corrente contínua de 12 ou 24 volts, produzidos num painel solar e armazenados na bateria, em corrente alternada a 125 ou 220 volts, que é o que se utiliza normalmente nas casas. Tudo isto permite utilizar aparelhos eléctricos da mesma forma que a rede de abastecimento geral numa casa com energia a 220 volts. Mas isto também traz consigo uma perda de energia do próprio conversor, o qual tem o rendimento bastante pequeno nalgumas situações.

    Um conversor CC-CA leva transístores e tirístores incorporados capazes de cortar num segundo, muitas das vezes, a corrente que recebe, produzindo um comportamento semelhante ao da energia alternada típica.

    Em virtude do tipo de onda produzido, poderemos falar em conversores de onda quadrada, de onda modificada ou de onda sinusoidal.

    A corrente alternada tem uma forma sinusoidal, pelo que o conversor perfeito deveria ser também sinusoidal, mas é mais caro e nem sempre necessário, pelo que muitas das vezes utiliza-se um de onda quadrada que é muito mais económico. 

    As características que um conversor deverá possuir são as seguintes:

• Tem que resistir a potências puras elevadas, como a produzida ao arrancar o motor de um frigorífico, sem que o inversor fique inibido. É preciso salientar que os de onda quadrada não aguentam muito bem este tipo de subidas.
• Tem que possuir uma eficácia razoável, pelo que deverá ter em atenção se o aparelho irá trabalhar a uma potência pequena ou a uma fracção da mesma, já que neste caso o rendimento do conversor desce muito. A conversão do mesmo deverá ser de 70% trabalhando a uma potência de 21% da nominal e 85% quando estiver a trabalhar a uma potência superior a 40% da nominal.
• A montagem deve ser estável, independentemente da potência requerida para cada momento. Poder-se-á admitir uma variação de 5% nos conversores sinusoidais e de 10% nos conversores de onda quadrada. Contudo, se tivermos acumuladores, a tensão real de entrada não será superior a 125% nem inferior a 85% da tensão nominal de entrada do conversor.
• Tem de possuir uma baixa distorção harmónica no que diz respeito à qualidade da onda. Os parasitas da onda deverão ser eliminados totalmente através dos filtros electrónicos. A variação na frequência de saída será de 3% da nominal.
• Poderá ser instalado em paralelo, tendo em vista uma eventual ampliação da instalação.
• Deve ter arranque automático, para poder ser ligado e desligado conforme as necessidades de maior ou menor energia eléctrica.
• Tem ser seguro, pelo que terá de possuir tudo o que for necessário para evitar curto-circuitos, sobrecargas, inversões da polaridade, etc.
• Tem de suportar temperaturas de -5ºC a 40ºC, pelo que deverá apresentar um bom comportamento térmico.
• Deve incluir os indicadores luminosos necessários para avisar acerca de eventuais curto-circuitos.
• E deve incluir toda a documentação que assegure o funcionamento correcto e que defina as características do mesmo: a tensão do trabalho de entrada e saída, o potencial nominal, a frequência nominal e o factor de distorção, a forma da onda, as temperaturas admissíveis, o rendimento em função da potência requerida, a sobrecarga que resiste, a resistência ao curto-circuito e o factor de potência.