O crescimento da energia solar fotovoltaica obrigou outros setores a se desenvolverem. Um desses setores é a engenharia de estruturas, que precisa trabalhar fortemente no desenvolvimento de diferentes soluções para a fixação dos painéis dos sistemas fotovoltaicos. Nesse artigo abordaremos os diversos tipos de montagem possíveis para os sistemas fotovoltaicos: Montagem em telhado, em solo, estacionamentos solares e soluções alternativas.
Além de abordar as características dos diferentes tipos de montagem, serão discutidos alguns requisitos importantes que devem ser cumpridos pela estrutura qualquer que seja a solução empregada.
Montagem de sistemas fotovoltaicos em telhado
Quando o assunto é geração distribuída, o tipo de instalação mais utilizada é, sem dúvidas, os sistemas fotovoltaicos em telhado (rooftop). Para esse tipo de sistemas existem diversos modelos de estruturas, para atender a diversos tipos de telhado.
Para telhados coloniais geralmente utiliza-se um modelo de gancho que é fixado ao caibro e passa por entre as telhas. Um trilho é então fixado ao gancho e os módulos fotovoltaicos são finalmente fixados aos trilhos. Esse modelo apresenta como vantagem dispensar a necessidade de furar as telhas.
Para a fixação em telhado de fibrocimento utiliza-se o parafuso com prisioneiro. Essa solução aparece como alternativa para praticamente todo tipo de telhado, tendo como inconveniente a necessidade de perfurar as telhas.
Para coberturas metálicas existem diversas soluções, cada uma adequada a um formato diferente de telha. Uma solução bastante interessante permite que a estrutura seja colada diretamente na telha. Atente que a estrutura e a cola devem ser específicas para essa aplicação e a montagem deve seguir rigorosamente as instruções. A figura abaixo apresenta diferentes soluções para fixação de painéis fotovoltaicos a telhas metálicas.
Montagem de sistemas fotovoltaicos em laje
Para montagem em laje utiliza-se a estrutura em forma de triângulo, podendo ser com inclinação fixa ou possuir ajuste de inclinação. Esse tipo de estrutura pode ser aparafusada ou concretada na laje, podendo ainda ser fixada utilizando-se lastros de concreto.
Montagem de sistema solar no solo
A montagem de sistemas fotovoltaicos em solo geralmente é utilizada para sistemas maiores, seja de geração centralizada ou distribuída. Esse tipo de estrutura pode ser fixada ao solo com bases de concreto ou como estacas. Outra característica interessante das instalações em solo é a possibilidade de se utilizar um dispositivo denominado tracker. Esse dispositivo faz com que os módulos fotovoltaicos mudem de orientação ao longo do dia, seguindo o movimento do sol.
Estacionamento com sistema solar
Outra alternativa para montagem de sistemas fotovoltaicos é o aproveitamento de áreas de estacionamento, utilizando os módulos fotovoltaicos como cobertura. Esse tipo de solução, quando analisada isoladamente, pode encarecer o sistema, uma vez que a estrutura necessária é mais robusta. Por isso, ao se analisar os custos de uma instalação de um sistema fotovoltaico no modelo estacionamento solar ou “carport”, como é conhecido, deve-se considerar sua dupla função: geração de energia e cobertura para os carros.
Soluções alternativas para montagem de estruturas de um sistema fotovoltaico
Além das estruturas mais comuns para sistemas fotovoltaicos já apresentadas, existem diversas soluções alternativas desenvolvidas para casos específicos. Existem soluções para montagem de sistemas fotovoltaicos em fachadas de edifícios, como quebra-sol em janelas, no teto de veículos e, até mesmo, estruturas para sistemas fotovoltaicos flutuantes. Neste momento reforça-se o papel do engenheiro em identificar os requisitos e escolha dos materiais, dimensões e formas adequadas a cada aplicação. No tópico a seguir são listadas algumas características essenciais e alguns cuidados que devem ser tomados ao se escolher a estrutura para seu sistema fotovoltaico.
Pré-requisitos e especificações necessárias para a estrutura de um sistema solar
Quando se pensa na estrutura que será utilizada para suportar os módulos de um sistema fotovoltaico pensa-se, inicialmente, na sua resistência mecânica.
Avaliação da resistência do sistema à forças estáticas e mecânicas
O sistema fotovoltaico, quando instalado, está sujeito a uma série de solicitações mecânicas, sejam estáticas ou dinâmicas. Essas forças geram tensões e deformações que, se ultrapassados os limites do material (geralmente alumínio ou aço), podem resultar em falhas e graves acidentes.
É trabalho do engenheiro calcular as forças que atuam no sistema fotovoltaico a fim de selecionar as dimensões e materiais adequados para a estrutura.
As principais forças estáticas presentes no sistema são: O próprio peso dos módulos fotovoltaicos, das estruturas de fixação e, quando aplicável o peso da neve e do gelo. No Brasil, país de clima tropical, esse tipo de solicitação mecânica não costuma gerar grandes problemas.
Avaliação de resistência do sistema à solicitações dinâmicas
Além das forças estáticas, o sistema fotovoltaico precisa resistir também a solicitações dinâmicas. O principal exemplo de solicitação dinâmica são os ventos. A constante mudança na direção e na velocidade do vento faz com que as estruturas sofram com constantes variações no sentido e direção das tensões. Isso obriga o sistema a apresentar resistência mecânica para as mais diferentes solicitações.
Outro agravante gerado por esse caráter dinâmico das tensões provocadas pelo vento é a necessidade de resistência à falha por fadiga. Esse fenômeno ocorre quando uma estrutura falha devido à aplicação de tensão e compressão de maneira repetitiva no material, possibilitando sua ruptura em tensões significativamente menores do que a necessária para um rompimento por tensões estáticas.
Para os materiais mais comuns em estruturas de sistemas fotovoltaicos, a fadiga é um problema mais grave nas estruturas de alumínio em comparação às estruturas de aço.
Análise da resistência do sistema à corrosão
Outro ponto importante a ser analisado nas estruturas fotovoltaicas é a resistência à corrosão. Deve-se considerar, além das solicitações mecânicas, as interações que os materiais da estrutura podem ter com o ambiente e entre si.
A principal forma de corrosão é a oxidação do metal. Essa corrosão ocorre de maneira uniforme em todo o material e, eventualmente resulta em sua falha. Esse tipo de corrosão é extremamente comum, especialmente no aço. Ela pode ser controlada com a escolha correta do material e tratamento superficial, não sendo um grande problema para estruturas fotovoltaicas.
Um tipo de corrosão muito mais prejudicial a sistemas fotovoltaicos é a corrosão galvânica. Esse fenômeno ocorre quando dois metais com diferentes potenciais estão em contato através de um meio condutor ou corrosivo.
Nesse tipo de corrosão o metal menos nobre (anodo) passa por um processo de corrosão em relação ao material mais nobre (catodo). A Tabela abaixo apresenta uma versão simplificada da série galvânica. Para minimizar esse tipo de corrosão deve-se usar metais similares ou com potenciais galvânicos próximos.
Como reduzir os efeitos da corrosão nos sistemas fotovoltaicos?
Uma maneira de reduzir o impacto desse tipo de corrosão é evitar o uso de peças de pequena dimensão do metal que atua como anodo em contato com peças de grande dimensão do metal que atua como catodo. Deve-se também isolar o contato entre os dois metais. Quando não for possível evitar o uso de dois metais distantes na série galvânica, deve-se usar um terceiro metal como metal de sacrifício.
Metais de sacrifício
O zinco, que é menos nobre do que o aço e o alumínio, é comumente utilizado como metal de sacrifício em sistemas fotovoltaicos.
Existem ainda uma série de outros tipos de corrosão como corrosão por pite, corrosão intergranular, corrosão intragranular e outras, porém não serão abordadas por não serem tão comuns em sistemas fotovoltaicos.
Como já mencionado, os metais mais utilizados nas estruturas de sistemas fotovoltaicos são o aço e o alumínio. Existem uma série de ligas de aço com propriedades das mais variadas possíveis.
Quanto às propriedades mecânicas, não é difícil encontrar uma liga que se comporte bem para utilização em sistemas fotovoltaicos. Outro ponto favorável é o baixo custo desse material.
Galvanização quente
Por outro lado, para evitar problemas de corrosão deve-se usar um tipo de tratamento superficial chamado galvanização à quente. Esse processo confere ao aço uma camada superficial essencialmente de zinco, que atua como metal de sacrifício, protegendo o aço da corrosão. Outra alternativa é a utilização de ligas de aço inoxidável. Porém, este apresenta maior problema na interação com o alumínio e um custo significativamente mais elevado.
Já o alumínio apresenta como características que o tornam atrativo para o uso em sistemas fotovoltaicos: a baixa densidade (torna o material leve), a facilidade de ser fabricado nas mais diversas formas e perfis, a grande variedade de ligas que lhe proporcionam uma gama de propriedades distintas, alta resistência à corrosão e diversas alternativas de acabamentos, tornando esse metal atrativo para aplicações arquitetônicas.
Fonte: Photovoltaic Systems Engineering, Third Edition de Roger A. Messenger e Amir Abtahi.
Otimo
muito boa a explanação sobre sistemas foto voltaicos
Lucas, ótimo texto! Sobretudo na parte da explicação sobre a pilha galvânica. Uma dúvida, hoje o que temos de mais comum no mercado nacional para estruturas de fixação prevê perfis e uniões de alumínio sendo fixadas por parafusos e porcas de aço inox. Dois metais distantes na série galvânica. Pouco se fala da necessidade de isolamento desses contatos. Alguma exceção ou tratativa de exceção para esses dois metais?
Excelente texto. Contém muito conteúdo e de forma relativamente simples de entender as explicações.
Tenho interesse nas publicações, muito bom esse artigo