Como funcionam os sistemas fotovoltaicos Off-Grid?

Nesse artigo iremos abordar os sistemas fotovoltaicos  Off-Grid, também conhecidos como sistemas isolados ou autônomos. Nas usinas fotovoltaicas isoladas o consumidor passa a ter uma autonomia e independência maior da concessionária de energia.

O que são os sistemas fotovoltaicos off-grid?

A tradução literária da expressão off-grid é fora da rede, ou desconectado da rede, o que significa que o sistema fotovoltaico não apresenta um ponto de conexão com a concessionária, ou seja, ele é isolado. Existem duas opções para os sistemas off-grid: com ou sem armazenamento de energia. Nos sistemas sem armazenamento, a energia gerada deve ser consumida ou realizar trabalho instantaneamente. Um exemplo são os sistemas de bombeamento de água alimentados por módulos fotovoltaicos. Neste caso, enquanto os módulos fotovoltaicos estiverem gerando energia, a bomba é alimentada, bombeando água para algum reservatório ou diretamente para irrigação.

Entretanto, neste artigo, a ênfase será os sistemas fotovoltaicos off-grid com armazenamento de energia. Abordaremos suas características de funcionamento, peculiaridades e em que situações podem ser utilizados. A partir de agora quando mencionarmos a palavra off-grid, entende-se por sistemas fotovoltaicos com armazenamento de energia.

Por que armazenar energia?

Nos sistemas conectados à rede da concessionária, quando a geração de energia pelo sistema fotovoltaico é maior que o consumo momentâneo da unidade em que o sistema está instalado, o excedente é injetado na rede e depois será compensado na fatura de energia. Já nos sistemas off-grid esse excedente precisa ser armazenado de alguma maneira para poder ser utilizado em momentos em que não há geração, como por exemplo, a noite.

Os bancos de baterias são os equipamentos mais utilizados para armazenamento de energia. Eles funcionam como se fossem a rede da concessionária, permitindo energia estável e ininterrupta.

Como funcionam os sistemas fotovoltaicos off-grid?

Os sistemas off-grid tem como fonte de energia os módulos fotovoltaicos, que convertem a radiação solar em corrente elétrica. A tensão na saída desses módulos varia ao longo do dia,  já o banco de baterias, possui uma tensão mais estável, com valores nominais normalmente de 12V, 24V, 36V ou 48 V. Para resolver esse problema, utiliza-se um equipamento chamado de controlador de carga, que será abordado posteriormente. Por fim, o banco de baterias é conectado em um aparelho chamado inversor, que converte a corrente e tensão contínuas oriundas dos módulos fotovoltaicos e baterias, em corrente e tensão alternadas, que são utilizadas na maioria dos equipamentos do nosso dia-a-dia. A seguir explicaremos melhor como funciona cada um dos componentes do sistema off-grid:

Componentes dos sistemas fotovoltaicos off-grid

Módulos fotovoltaicos

São capazes de converter a radiação solar em corrente elétrica contínua. A quantidade de energia produzida por eles dependem das condições climáticas. Em dias ensolarados, com poucas nuvens há uma conversão maior de radiação solar em energia elétrica. Normalmente procura-se instalá-los com orientação e inclinação apropriadas para cada região de forma a otimizar seu rendimento. Devem ser instalados de forma a evitar sombreamentos constantes e em estruturas apropriadas para cada local.

Controlador de Carga

São responsáveis por entregar uma tensão estável para o banco de baterias, uma vez que a tensão na saída dos módulos varia ao longo do dia, de acordo com as condições climáticas. Os controladores de carga podem ser encontrados utilizando duas tecnologias: PWM  (Pulse With Modulation) ou MPPT (Maximum Power Point Tracking), esta última consegue maximizar a geração dos módulos buscando a máxima potência disponível para o carregamento do banco de baterias.

Outra função importante do controlador de carga é fazer o monitoramento da descarga das baterias, não deixando que elas sejam completamente descarregadas. Otimizando  a sua utilização e aumentando o ciclo de vida do banco de baterias.

Os controladores de carga possuem uma corrente máxima de saída, e a multiplicação dessa corrente pela tensão do banco de baterias tem como produto a potência do sistema. Ex: um controlador de carga com corrente máxima de 60 A, ligado em um banco de baterias com tensão nominal de 24V tem uma potência de 1440 W ( 60 A x 24 V = 1440 W )

Banco de Baterias

As baterias utilizadas em sistemas fotovoltaicos possuem características especiais, são chamadas de baterias estacionárias. Elas não devem ser descarregadas completamente e o ciclo de descarga é constantemente monitorado pelo controlador de carga. As baterias são conectadas em série e/ou paralelo para obter a tensão compatível com a saída do controlador de carga e com a entrada do inversor.  

O banco de baterias dá autonomia ao sistema, quanto maior a quantidade de baterias do banco, maior será a quantidade de energia que pode ser armazenada. Porém, o seu dimensionamento deve ser feito de maneira bem cautelosa pois representa um custo significativo do projeto. Um ponto bastante importante é verificar quanto tempo de autonomia o banco de baterias é capaz de fornecer energia em momentos em que há pouca ou nenhuma geração pelos módulos fotovoltaicos, como no caso de dias chuvosos e períodos noturnos.

Assim como os outros componentes do sistema, o banco de baterias deve ser instalado por profissionais capacitados, e em local arejado e apropriado, uma vez que representa um risco de incêndio em potencial caso as boas práticas e normas específicas não sejam seguidas.

Inversor

A função do inversor é converter a energia em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), que é utilizada na maioria dos aparelhos e equipamentos. Nos sistemas off-grid deve ser levado em consideração uma informação muito importante: O inversor é considerado como a única fonte de energia, ou seja, ele deve ser capaz de fornecer potência para suprir todos os equipamentos conectados ao sistema. É como se fosse um gerador, se for conectado a uma potência maior do que ele pode fornecer, ele não conseguirá suprir toda demanda e irá desarmar. Por exemplo: um inversor de 3000 W é capaz de fornecer potência para cargas cuja soma de todas as potências sejam 3000 W. Se for ligado um chuveiro de 5000 W em um sistema off-grid alimentado por apenas esse inversor, ele não será capaz de fornecer energia para esse chuveiro. Já nos casos on grid (conectados na rede), essa potência complementar é obtida através da rede da concessionária.

Monitoramento

Além dos equipamentos principais listados acima, há também como forma complementar, os sistemas de monitoramento, que permite obter dados de geração, corrente, tensão, potência e também gerenciamento remoto do sistema off-grid.

Por que instalar um sistema fotovoltaico off-grid?

Os sistemas off-grid podem ser utilizados em diversas situações. Em alguns casos o consumidor deseja ficar livre de vez dos aumentos tarifários constantes ou da instabilidade da rede da concessionária e opta por adquirir um sistema isolado da rede. Há também situações em que não há rede próxima, como em fazendas, chácaras e sítios localizadas em locais remotos. Muitas vezes, nessa situação, para a concessionária levar um ponto de energia próximo ao local de consumo, é cobrado um custo elevado e prazos longos, tornando o sistema off-grid viável.

A utilização de sistemas off-grid para abastecer sistemas de bombeamento de água em locais remotos, como foi mostrado anteriormente, postes de iluminação e até mesmo um motor home tem conquistado um espaço cada vez maior com a acessibilidade à tecnologia nos últimos anos.

Aprimorando o sistema off-grid, tem-se o sistema híbrido que possibilita a utilização de várias fontes de energia interligadas como módulos fotovoltaico, banco de baterias, rede da concessionária e grupo gerador de forma que se tenha um gerenciamento do uso da energia e continuidade no fornecimento, porém, esse assunto será abordado em um outro artigo.

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