Sistema Fotovoltaico Off-Grid (Isolado): Você acha que sabe tudo?

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Sistema Fotovoltaico Off-Grid (Isolado): Você acha que sabe tudo?
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Uma das inúmeras vantagens da energia solar é que ela está presente em todo o lugar. Esteja você morando em um grande centro urbano ou em uma fazenda ou sítio isolados e sem acesso à rede elétrica, a tecnologia fotovoltaica poderá ser utilizada para gerar sua energia elétrica. O que difere em cada caso, e que Ronilson di Souza apresenta nesse texto, é o tipo de sistema a ser instalado, sistema fotovoltaico Off-grid ou On-Grid. Você sabe quais são as diferenças e qual é indicado nessas situações? Leia o texto e descubra!

Entendendo a diferença entre os sistemas fotovoltaicos

Existem dois tipos de sistemas fotovoltaicos, de acordo à sua ligação para com a rede pública de distribuição de energia elétrica:

1 – Sistema Fotovoltaico Isolado, também conhecido como Sistema Fotovoltaico Off-grid (do inglês: fora da rede).

2 – Sistema Fotovoltaico Conectado à rede, também conhecido como Sistema Fotovoltaico On-Grid (do inglês: na rede).

Nos primórdios da energia solar fotovoltaica, entre as décadas de 1950 e 1970, os sistemas fotovoltaicos Off-grid eram o único tipo que existiam pois, o foco era levar energia elétrica a locais onde as redes de distribuição não chegavam.

Os grandes exemplos de utilização de sistema fotovoltaico Off-grid são os satélites artificiais (de telecomunicações, meteorológicos, de espionagem, por que não?) orbitando o nosso planeta, e são todos eletricamente alimentados por painéis solares, que são um dos componentes do sistema fotovoltaico implementados no satélite.

Em seguida, os painéis solares fotovoltaicos foram utilizados para aplicações terrestres, principalmente em telecomunicação. Um dos primeiros usos documentados de painel solar foi para alimentação elétrica de um ‘telefone rural’, instalado na cidade norte-americana de Americus (Georgia), no ano de 1955.

sistemas fotovoltaicos off-grid
Técnico ajustando o painel solar do primeiro “telefone solar” instalado na cidade de Americus-Georgia-USA, em 1955 – Fonte: Lucent Technologies Inc.

Nova possibilidade

O conceito de sistema fotovoltaico on-grid e sistema fotovoltaico Off-grid surgiu somente após a utilização da tecnologia dos inversores para ligar diretamente os painéis solares fotovoltaicos à rede, sem que a energia passasse por um banco de baterias; o que eliminaria um dos mais custosos (e menos duráveis) componentes de um sistema fotovoltaico isolado (sistema fotovoltaico Off-grid), que é a bateria.

Foi então que a utilização da energia solar fotovoltaica deu um salto, e a partir do final da década de 1990, principalmente com os incentivos financeiros à adoção da tecnologia, teve início a massiva produção dos componentes principais (módulos, inversores, controladores de carga, baterias), seguida de novas técnicas e componentes para a integração dos sistemas fotovoltaicos, chamados, em inglês, de “balance of system” (ou componentes de integração do sistema – CIS, que são as estruturas de fixação, conectores, cabos e ferramentas específicas, entre outros).

Como é composto um sistema fotovoltaico Off-Grid

Um sistema fotovoltaico Off-grid tem, basicamente a seguinte estrutura:
1 – Arranjo Fotovoltaico (o conjunto de placas solares fotovoltaicas): responsável pela captação da radiação solar e conversão em energia elétrica.

2 – Banco de baterias: responsável pelo armazenamento da energia elétrica convertida, permitindo a sua utilização a qualquer momento, inclusive durante a noite.

3 – Controlador de carga: dispositivo eletro-eletrônico responsável pelo gerenciamento de carga do banco de baterias, e em alguns casos, pelo gerenciamento da energia utilizada pelaos aparelhos consumidores de energia elétrica.

4 – Inversor Solar (Autônomo): é o componente responsável pela transformação da corrente contínua gerada pelas placas solares e armazenada nas baterias em corrente alternada, possibilitando a utilização da energia elétrica em equipamentos feitos para operar ligados à rede elétrica. Quando os equipamentos trabalham somente com corrente contínua (como é o caso da maioria dos aparelhos utilizados em telecomunicação) não há necessidade de se ter um “inversor autônomo” no sistema fotovoltaico isolado (sistema fotovoltaico Off-grid).

Utilização de sistemas fotovoltaicos Off-grid

Hoje em dia a utilização dos sistemas fotovoltaicos Off-grid é, principalmente, para ‘levar energia elétrica a localidades não atendidas pela rede elétrica’, ou para manter algum equipamento fora da rede, de forma a continuar operando mesmo quando há falta de energia na rede pública.

No início dos anos 2000, com os incentivos à universalização da energia elétrica, em especial através do Programa Luz para Todos, muitas distribuidoras que atendem às zonas rurais do Brasil adotaram os pequenos sistemas fotovoltaicos como fonte de energia, conseguindo atender a comunidades muito distantes dos centros urbanos, e onde o custo de levar as redes seria muito alto.

Muitas comunidades no interior do país somente puderam receber alguns dos pequenos confortos que a energia elétrica traz (como iluminação e telecomunicação) somente a partir do ano de 2009. Distribuidoras de energia elétrica como a CEMIG (de Minas Gerais) e a COELBA (da Bahia) fizeram uso massivo dos sistemas fotovoltaicos Off-grid, e popularizaram ainda mais essa tecnologia.

Na região de Ribeirão Preto, a Blue Sol instalou muitos sistemas fotovoltaicos Off-grid em fazendas, para suprir energia elétrica para equipamentos de localização terrestre utilizados pelas máquinas agrícolas autônomas, como as plantadeiras e colheitadeiras automáticas.

Sistemas fotovoltaicos off-grid
Sistemas Fotovoltaicos Off-Grid instalados na região de Ribeirão Preto pela BlueSol Energia Solar – Fonte: Ronilson di Souza/BlueSol

Uso não recomendado

A eletrificação de uma residência situada em um centro urbano, através de um sistema fotovoltaico Off-grid, apesar de ser plenamente possível, não é tão atrativa do ponto de vista financeiro. Isto porque os custos da energia elétrica fornecida pela rede pública de distribuição é muito menor que os custos de instalação, operação e manutenção de um sistema fotovoltaico isolado autônomo (Off-grid).

Contudo, em uma residência na zona rural, ao se considerar os custos das demais opções (ex.: motogerador a combustível líquido, e os custos do combustível ao longo dos anos de operação do gerador; ou os custos de se prover a rede, incluído os postes, os cabos, o transformador, etc), pode ser muito mais viável adotar um gerador solar fotovoltaico Off-grid. É por isso que as distribuidoras escolheram essa opção, para atender ao Programa Luz para Todos.

Dimensionamento do sistema fotovoltaico Off-grid

Um sistema fotovoltaico Off-grid pode ser projetado para alimentar qualquer tipo de carga, qualquer valor de potência e qualquer montante de energia. É claro que, quanto mais potente forem os equipamentos a serem eletricamente alimentados, e quanto maior o tempo de uso, mais energia consomem, e maior deverá ser o sistema fotovoltaico Off-grid para atender às suas necessidades energéticas.

E quanto mais potente é um sistema Off-grid, maior será o investimento financeiro para a sua implantação. Por isso, é muito mais comum a alimentação de pequenas cargas, como iluminação, telecomunicação e pequenos utensílios domésticos. Alimentar um grande “pivô de irrigação” requer uma obra de altíssimo custo, o que pode fazer com que a escolha de um motogerador a combustível líquido seja uma opção até mais barata (mesmo que o custo com combustível e manutenção ao longo de cinco anos acabe sendo maior que o custo de instalação e operação de um sistema fotovoltaico Off-grid).

Sistema fotovoltaico off-grid
Sistema fotovoltaico da CESP, instalado pela Blue Sol na cidade de Paraibuna-SP

Requisitos para dimensionamento dos componentes de um sistema fotovoltaico Off-grid

Quando se projeta um sistema fotovoltaico Off-grid, deve-se levar em conta dois fatores principais: a energia elétrica necessária para alimentar os equipamentos elétricos que serão utilizados e a radiação solar disponível no local de instalação do sistema.

É muito comum os iniciantes no assunto de energia solar fotovoltaica perguntarem: “o que dá pra “tocar” com duas placas e uma bateria?” Quando, na verdade, a pergunta deve ser: “quantas placas e quantas baterias serão necessárias pra suprir essa necessidade?”

O primeiro componente a ser dimensionado é o banco de baterias, e deve-se considerar os seguintes fatores:

1) Toda a energia para alimentar os equipamentos consumidores de energia devem estar nas baterias; a função do painel solar fotovoltaico é repor a energia consumida das baterias (recarregar as baterias).

2) As baterias devem prover a energia necessária para os períodos de uso completo dos equipamentos, ou seja, deve haver energia para atender o conjunto de equipamentos por um dia completo.

É claro que o tempo de uso dos equipamentos deve ser verificado, como no caso se existem um conjunto de luminárias, deve-se analisar (ou estimar) por quanto tempo as lâmpadas ficarão acesas, considerando um período de 24 horas.

Por exemplo: dez lâmpadas, em que duas ficam ligadas por 4 horas, 4 ficam ligadas por seis horas, duas ficam ligadas por duas horas, e duas ficam ligadas por 10 horas; avalia-se o consumo de energia de cada grupo de lâmpadas, a fim de dimensionar adequadamente o banco de baterias do sistema fotovoltaico Off-grid sem subdimensionar (correndo o risco de faltar energia) nem superdimensionar (e encarecer demais o projeto).

3) As baterias devem ter capacidade de armazenar, no mínimo, dois períodos de operação completos, ou seja, devem armazenar energia para dois dias de funcionamento, mesmo com tempo nublado ou chuvoso.

Calculando a quantidade de módulos fotovoltaicos

Após o dimensionamento do banco de baterias do sistema fotovoltaico Off-grid, dimensiona-se o arranjo fotovoltaico (o conjunto de placas solares), que deve ser capaz de repor a energia consumida pelos equipamentos elétricos em um período de operação, e prover uma “folga” de energia, que seja capaz de suprimir quaisquer perdas e/ou compensar um eventual dia anterior com baixa radiação solar (nublado ou chuvoso).

A quantidade de placas solares a serem utilizadas no arranjo fotovoltaico depende não só da quantidade de energia a ser gerada diariamente, mas também da disponibilidade do recurso solar da localidade, ou seja, da quantidade de radiação solar média que há no local de instalação do sistema fotovoltaico Off-grid.

Em locais em que há maiores quantidades de radiação solar (em médias anuais e mensais) o arranjo fotovoltaico (a quantidade de placas) é menor do que em localidades com menor quantidade de radiação solar.

Controlador de carga

Uma vez definido o banco de baterias e o arranjo fotovoltaico do sistema fotovoltaico Off-grid, é feito o dimensionamento e seleção do controlador de cargas das baterias. Como esse componente é o responsável pelo controle da energia elétrica que vem das placas solares e vai para o banco de baterias, o seu dimensionamento é feito em função das características elétricas do arranjo fotovoltaico e do conjunto de baterias.

De acordo à potência desses dois componentes, o projetista pode optar por selecionar um dispositivo mais simples (que simplesmente trabalha ligando/desligando o arranjo fotovoltaico do banco de baterias), ou um dispositivo mais sofisticado, que consiga gerenciar os níveis de tensão (voltagem) e corrente elétrica (amperagem) enviadas às baterias. Mais sofisticação significa maior custo, mas também significa maior rendimento.

É possível dividir o arranjo fotovoltaico entre vários controladores de carga, e ligá-los todos ao mesmo banco de baterias. Isso é prática comum, especialmente em sistemas fotovoltaicos Off-grid de grande porte.

Quando é preciso alimentar aparelhos eletroeletrônicos que trabalham em corrente alternada, faz-se uso de um inversor, que é dimensionado segundo a potência dos equipamentos que serão alimentados. A potência do inversor autônomo deve ser SEMPRE superior à potência das cargas que serão alimentadas.

Mas é possível dividir os equipamentos elétricos entre vários inversores, e alimentá-los todos pelo mesmo banco de baterias, o que é feito em grandes sistemas fotovoltaicos Off-grid

Em breve

Em um artigo futuro nós apresentaremos todas as considerações, variáveis e cálculos necessários para se dimensionar um sistema fotovoltaico isolado autônomo com armazenamento elétrico (ou simplesmente sistema fotovoltaico autônomo – SFA), que é o termo correto para o que popularmente é chamado de sistema fotovoltaico Off-grid.


Gostou do texto? Ficou com alguma dúvida sobre o sistema fotovoltaico Off-grid? Então não deixe de postar abaixo o seu feedback. Abraço e até a próxima!

Professor Técnico/Eletrotécnico Especialista em Sistemas Fotovoltaicos
CREA-SP: 5069378190
www.linkedin.com/in/aetneo
Blue Sol – Energia Solar

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