Armazenamento de energia solar para uso noturno

Os módulos fotovoltaicos geram eletricidade quando existe irradiância solar suficiente. Depois do pôr do sol, um painel FV convencional deixa de ser uma fonte ativa, pelo que as cargas noturnas têm de ser alimentadas por outra fonte, como a rede elétrica, uma bateria, um gerador ou uma combinação destes.

O armazenamento altera o momento em que a energia solar gerada pode ser usada, e não a forma como os módulos FV a geram. Nos períodos em que a produção FV excede a procura imediata do local, parte dessa energia pode ser encaminhada para uma bateria, se a arquitetura do sistema, as regras de funcionamento e o estado da bateria o permitirem. A energia armazenada pode então ser descarregada mais tarde, quando a produção FV é menor ou inexistente.

A questão de projeto importante não é, portanto, apenas a quantidade de eletricidade que o painel FV produz durante o dia. O sistema tem de considerar quando a energia é produzida, quando é consumida, quanto pode realmente ser armazenado e que perdas ocorrem entre o carregamento e a utilização posterior.

Também não é necessária uma bateria em todas as instalações FV. Os locais ligados à rede podem consumir a produção solar durante o dia e retirar eletricidade da rede à noite, quando a ligação e as regras locais permitirem esse modelo de funcionamento.

Num local ligado à rede, o consumo noturno pode normalmente continuar a ser uma questão de fornecimento pela rede, a menos que o proprietário tenha motivos para deslocar energia entre períodos de tempo ou para manter cargas selecionadas durante uma falha de energia. Acrescentar baterias apenas porque o local tem FV pode introduzir equipamento, controlos, manutenção, perdas de conversão e restrições de funcionamento que podem não ser necessários para o objetivo real.

O ponto de partida deve ser o perfil de carga do local. Uma habitação com baixa procura noturna apresenta um problema de armazenamento diferente de uma instalação comercial com refrigeração, bombas, servidores, equipamento de processo ou outras cargas que continuam durante a noite. O consumo mensal de energia, por si só, não consegue descrever essas diferenças.

O momento das cargas também é importante. Dois locais podem consumir o mesmo número de quilowatts-hora num dia e exigir sistemas de baterias muito diferentes, porque um concentra a procura num curto período ao fim da tarde e o outro tem uma carga constante durante toda a noite.

As disposições da rede também devem ser incluídas na análise. As regras de importação e exportação, a capacidade de ligação disponível, a estrutura tarifária, as disposições de contagem e os requisitos técnicos locais podem alterar a utilidade operacional do armazenamento. Estas questões dependem da jurisdição e do contrato de eletricidade em causa, e não de uma regra universal de armazenamento solar.

Antes de selecionar o equipamento, o operador deve, por isso, separar três questões: quanta energia noturna é necessária, quanta potência instantânea tem de ser fornecida e se a rede continua disponível durante esse período.

A capacidade da bateria e a potência da bateria são grandezas diferentes. A capacidade de energia exprime-se normalmente em quilowatts-hora e descreve a quantidade de energia que pode ser armazenada ou fornecida dentro da gama de funcionamento utilizável. A potência, expressa em quilowatts, descreve a rapidez com que a bateria e a respetiva eletrónica de potência conseguem fornecer ou absorver energia.

Uma bateria pode, por isso, ter energia suficiente para uma necessidade noturna e, ainda assim, não conseguir suportar uma carga instantânea elevada. O inverso também é possível: um sistema pode fornecer potência elevada durante um curto período, mas não ter energia utilizável suficiente para cobrir várias horas de consumo.

A parte utilizável da capacidade nominal depende do sistema de baterias, dos limites de funcionamento, dos controlos do estado de carga, da temperatura, do estado de degradação e da profundidade de descarga permitida. Deve usar-se a informação do fabricante para o produto concreto, em vez de presumir que toda a capacidade da placa de características pode ser descarregada todas as noites.

As perdas de conversão também têm de ser incluídas. A energia pode passar por um carregador, um inversor, uma bateria, cablagem e equipamento de controlo entre a geração FV e a carga final em corrente alternada. A energia recuperada à noite não será, portanto, idêntica à energia originalmente disponível no painel.

O perfil de carga relevante deve incluir, idealmente, os picos de curta duração, além da energia total. Motores, bombas, equipamento de AVAC ou outros dispositivos podem criar condições de arranque ou de cargas simultâneas que influenciam os requisitos de potência do inversor e da bateria, mesmo quando o seu consumo noturno total de energia é moderado.

Um cálculo de armazenamento útil começa com o consumo medido ao longo do tempo. Dados horários ou mais detalhados podem mostrar como a procura se altera após o pôr do sol, quando ocorrem as cargas mais elevadas e quanta energia tem de ser fornecida até a produção solar ser retomada ou o fornecimento pela rede voltar a estar disponível.

A variação sazonal também deve ser considerada. As noites de inverno podem ser mais longas, enquanto a produção FV do dia anterior pode ser menor, e alguns edifícios têm cargas de aquecimento, arrefecimento, rega ou processo que variam ao longo do ano. Uma bateria dimensionada com base num único dia favorável pode não se comportar da mesma forma noutra estação.

O projeto também depende do objetivo. A deslocação de energia, a redução das importações da rede durante períodos selecionados, o funcionamento de uma carga isolada da rede e o fornecimento de energia de reserva durante falhas são requisitos diferentes. Cada um pode resultar num projeto diferente de capacidade, potência, controlo e inversor, mesmo para o mesmo local.

O sobredimensionamento não é automaticamente mais seguro nem mais económico. A capacidade adicional da bateria pode ficar subutilizada se o sistema FV não produzir excedente de energia suficiente para a carregar ou se a carga noturna do local for pequena. O subdimensionamento também pode deixar parte da carga prevista dependente de outra fonte.

O cálculo deve, por isso, indicar explicitamente os seus pressupostos: carga esperada, capacidade utilizável, perdas de conversão, oportunidade de carregamento, condições ambientais, reserva operacional e qualquer autonomia exigida. Não é possível aplicar uma única dimensão genérica de bateria a instalações sem relação entre si.

Os sistemas fotovoltaicos-térmicos, ou PV/T, combinam a geração de eletricidade fotovoltaica com a recolha de energia térmica útil. Consoante o projeto, o calor pode ser transferido para ar ou líquido para aplicações como o aquecimento de água ou outras cargas térmicas. A tecnologia trata tanto os fluxos de energia elétrica como os de energia térmica do recurso solar disponível.

O PV/T não deve ser confundido com o armazenamento elétrico em baterias. Captar calor durante o dia não fornece, por si só, energia elétrica armazenada para os aparelhos noturnos convencionais. Se as cargas elétricas tiverem de funcionar depois de a geração solar parar, o sistema continua a precisar de uma fonte elétrica adequada, como a rede, uma bateria ou outro gerador.

O armazenamento térmico pode ser útil quando a necessidade noturna é ela própria térmica. A água aquecida ou outro meio térmico podem por vezes ser armazenados para uso posterior, mas esse é um problema de engenharia diferente do fornecimento de cargas elétricas com uma bateria.

Outras abordagens também podem reduzir a quantidade de armazenamento elétrico necessária. Algumas cargas podem ser deslocadas para as horas de luz do dia, controladas em função da produção FV disponível ou alimentadas diretamente enquanto o painel está a gerar. A viabilidade depende do processo e dos requisitos do utilizador.

O projeto deve, por isso, começar pelo serviço necessário à noite. A energia elétrica, a energia térmica, a alimentação de reserva sem interrupções e a simples deslocação de cargas não devem ser tratadas como objetivos intermutáveis.

Acrescentar uma bateria não dá automaticamente a um edifício energia ininterrupta durante uma falha da rede. Muitos sistemas FV e de armazenamento ligados à rede estão concebidos para se desligarem do fornecimento da rede quando necessário, e o funcionamento em reserva depende do inversor, do equipamento de comutação, dos controlos, da disposição das cargas protegidas e da configuração do sistema.

O projetista tem de decidir que cargas necessitam de reserva. Alimentar a iluminação, as comunicações ou equipamento crítico selecionado é diferente de tentar fazer funcionar todo o local. A potência de pico, as correntes de arranque, a duração prevista da falha e a energia armazenada disponível afetam essa decisão.

A transição para o modo de reserva também é importante. Algumas aplicações toleram uma breve interrupção, enquanto outras exigem um requisito de continuidade diferente. O equipamento selecionado e a arquitetura elétrica têm de suportar o comportamento pretendido, em vez de depender apenas da presença de uma bateria.

A produção FV durante uma falha pode por vezes contribuir com energia para um sistema de reserva corretamente configurado, mas isso depende do inversor e da arquitetura de armazenamento. Os módulos solares ligados a um sistema não garantem que a sua produção continue disponível quando a rede está em baixo.

O projeto de reserva deve, por isso, ser especificado independentemente da deslocação normal de energia para a noite. Um sistema pode ser adequado para usar energia solar armazenada depois do pôr do sol e, ainda assim, não ser adequado para o cenário de falha exigido.

A seleção da bateria deve basear-se em condições de funcionamento documentadas, e não numa simples comparação de quilowatts-hora nominais. A profundidade de descarga utilizável, a potência de carga e descarga, os limites de temperatura, o comportamento em ciclos, as definições de controlo, a compatibilidade com o inversor e o ambiente de instalação podem afetar o funcionamento prático.

Os termos da garantia devem ser lidos diretamente na documentação do fabricante ou do fornecedor do sistema proposto. Podem incluir condições de funcionamento, limites de energia processada, limites de tempo, requisitos de temperatura ou outras disposições, e não devem ser generalizados entre tecnologias ou marcas de baterias.

As regras locais da rede também são importantes. Os requisitos de ligação, os limites de exportação, as definições de proteção, a contagem e os processos de aprovação variam consoante a jurisdição e o tipo de sistema. Uma configuração de armazenamento tecnicamente possível pode exigir uma disposição de ligação diferente noutro local.

Os pressupostos financeiros exigem a mesma cautela. Os preços da eletricidade, os períodos tarifários, a utilização da bateria, a carga futura, a degradação, a manutenção, o financiamento e o excedente FV disponível influenciam o resultado económico. Não é possível indicar de forma responsável um período de retorno fixo sem esses dados.

O planeamento do armazenamento deve, por isso, começar com cargas medidas e um objetivo de funcionamento definido. A bateria é apenas uma parte do sistema; o comportamento do inversor, a ligação à rede, a lógica de controlo, a proteção elétrica, as condições ambientais e o perfil real de consumo determinam se o projeto proposto consegue satisfazer a necessidade noturna.