Autonomia solar (“off-grid”), o guia prático!

Por Julien ALLERA, especialista em autonomia solar.

Neste guia de autonomia solar, discutiremos os princípios fundamentais. euautonomia solar fora da rede) significa satisfazer todas as suas necessidades energéticas com a força do sol — sem qualquer assistência da rede elétrica. Para isso, é necessária a instalação de um dispositivo solar acoplado a um sistema de armazenamento de energia. O uso de baterias solares é, portanto, essencial.

Antes vista como uma ideia marginal devido aos seus custos volumosos e dissuasivos, a instalação de um sistema solar fora da rede viu a sua popularidade crescer. Os avanços na tecnologia solar na última década tornaram os equipamentos solares mais eficientes e menos dispendiosos. Isto levou a uma democratização deste tipo de solução. . É hoje bastante comum ver, por exemplo, chalés de campo, ou mesmo habitats alternativos (Yurt, Tiny House), inteiramente alimentados por sistemas de autonomia solar off-grid.

Se a ideia de adquirir um sistema solar independente fora da rede lhe agrada, você veio ao lugar certo. Neste blog, forneceremos as informações essenciais sobre sistemas de autossuficiência solar fora da rede antes de fazer sua compra. Nós o ajudaremos a determinar se tal sistema é adequado às suas necessidades. Tentaremos orientá-lo sobre como escolher o sistema que atenda perfeitamente às suas necessidades.

Pontos essenciais para se aproximar da autonomia solar:

Um sistema solar fora da rede utiliza painéis solares, uma solução de armazenamento de bateria e equipamento adicional para fornecer energia a um local sem depender da rede EDF. Suas aplicações são variadas; pode fornecer eletricidade para parques de campismo, autocaravanas, barcos, chalés remotos e, claro, casas e vilas.
Antes de abordar um projeto de autonomia solar, é essencial para determinar o tamanho do sistema que seria adequado para você. São possíveis duas abordagens: com base no seu consumo atual de eletricidade ou realizando uma avaliação cuidadosa da carga.
O custo de um kit solar fora da rede capaz de alimentar uma casa residencial pode variar entre 8€ e 000€, dependendo, claro, dos poderes e capacidades exigidos.

O que é um sistema solar autônomo?

Quando se fala em autonomia fora da rede, muitos pensam apenas em painéis solares, quando na realidade existem muitos outros componentes necessários para colocar em funcionamento um sistema fotovoltaico fora da rede.

Um sistema solar completo fora da rede possui todos os equipamentos necessários para gerar, armazenar e fornecer energia solar no local. Operando sem conexão com a EDF, esses sistemas também são conhecidos como “sistemas solares autônomos” ou ssistemas solares fora da rede.

Ao contrário de outras configurações solares, como o sistema solar ligado à rede mais comum, os sistemas de autossuficiência solar fora da rede dependem de baterias para fornecer energia na ausência de sol.

No entanto, as baterias continuam caras – muito mais do que os painéis solares aos quais estão associadas. A necessidade de armazenamento significativo de baterias torna estes sistemas muito mais caros do que os sistemas solares ligados à rede.

Quais são os diferentes usos possíveis de um sistema de autonomia solar?

Uma das maiores vantagens da energia solar como fonte de energia é a sua modularidade. De fato, um sistema SUNCONNECT 3K-RS por exemplo, pode ser modulado em potência e capacidade através da adição subsequente de baterias, por exemplo, e/ou painéis:

Aqui estão algumas das aplicações mais comuns da autonomia solar fora da rede:

Fonte de alimentação para pequenas casas, casas móveis, chalés, etc.

sistema solar autônomo para pequenas casas

Fornecendo energia para casas de todos os tamanhos

É importante notar que por vezes um sistema solar fora da rede não será economicamente relevante. Por exemplo, onde o acesso à energia da rede EDF pode ser considerado. Isto diz respeito a situações em que procuramos alimentar uma casa num ambiente urbano, por exemplo. Neste caso, um kit solar híbrido será mais adequado e permitirá maximizar o seu autoconsumo. Além disso, você terá autossuficiência energética em caso de queda de energia. Mas na maioria das vezes, os custos de ligação da ENEDIS para casas distantes das redes são exorbitantes, e mais do que justificam o investimento em energia solar autónoma!

Orçamento ENEDIS para ligação a 700m: 85€!

Apresentação em vídeo de um sistema off-grid

Autossuficiência solar com EDF (modo híbrido)

Testemunho France 3 sobre um sistema solar autônomo

Quais são as etapas do projeto?

Antes de adquirir qualquer equipamento necessário para um sistema de energia solar (híbrido) ou fora da rede, é crucial dominar os fundamentos da concepção e dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia. Conforme ilustrado abaixo, o primeiro passo é desenvolver um perfil de carregamento via nossa calculadora, para estimar a quantidade de energia que você consumirá diariamente no local.

exemplos (clique neste link para acessar a calculadora Excel online) :

Passo 1 – Avaliação do consumo em kWh:

O elemento mais crucial no projeto de um sistema solar fora da rede é a estimativa da energia necessária diariamente em kWh. Para locais conectados à rede, dados precisos do perfil de carga podem ser obtidos usando medidores para medir diretamente as cargas. Para sistemas fora da rede ou autônomos, sempre comece usando nossa calculadora de carga fora da rede para necessidades de verão e inverno. A tabela de carga também ajudará a calcular cargas de pico, fatores de potência e demanda máxima necessária para dimensionar o sistema apropriado. Tenha o cuidado de distinguir entre as noções de kW (potência) e kWh (energia)!

Passo 2 – Dimensionamento da Bateria:

A capacidade da bateria é medida em Ah ou Wh. O Baterias de níquel-ferro são dimensionadas em Ah (para obter a capacidade em KwH, deve-se multiplicar a capacidade em Ah x a tensão, por exemplo 200Ahx48V = 9.6 kWh de energia nominal), enquanto a capacidade das baterias o lítio é medido em kWh. Todos os fatores de perda devem ser considerados para garantir que o tamanho da bateria seja suficiente para atender às cargas, incluindo o profundidade máxima permitida de descarga (DoD), o que também terá impacto na vida útil. Considere também o tipo e a química da bateria, a faixa de tensão da bateria, os dias de autonomia mínimos (dias contínuos sem luz solar) e a taxa máxima de carga da bateria (classificação C), conforme explicado em mais detalhes posteriormente.

Passo 3 – Dimensionamento da instalação solar

É necessário ter uma instalação solar dimensionada corretamente para carregar a bateria enquanto alimenta as cargas. Para garantir que a instalação solar seja suficientemente grande, considere as condições locais, incluindo a irradiância solar média ao longo do ano (horas de pico de luz solar), problemas de sombreamento, orientação e ângulo de inclinação do painel, perdas de cabos e degradação térmica (fatores de perda). A ferramenta de projeto solar PVGIS pode ajudar a estimar a geração solar ao longo do ano, com base na orientação e localização dos painéis.

Passo 4 – Seleção do inversor-carregador

Depois de concluídas as etapas 1 a 3, você precisará escolher um carregador inversor adequado, bem como um controlador de carga solar MPPT para combinar com a instalação solar com base no comprimento dos painéis e strings, que determinarão a tensão das cadeias. Use uma calculadora de tensão da corrente para estimar as tensões máxima e mínima da corrente, o que o ajudará a determinar a escolha do carregador MPPT mais adequado (usei o exemplo da calculadora Victron MPPT neste caso). Em seguida, o inversor-carregador de bateria pode ser selecionado para atender às suas necessidades de carga contínua e de pico.

Como selecionar o inversor de bateria certo?

LOs inversores de bateria para aplicações fora da rede têm inúmeras especificações a serem levadas em consideração antes de escolher e dimensionar um inversor de bateria adequado. Vários tipos de sistemas estão disponíveis, incluindo inversores-carregadores interativos com rede, inversores híbridos, sistemas completos com armazenamento de bateria integrado (conhecidos como BESS) e sistemas de baterias de acoplamento CA. Abaixo descrevo alguns conceitos-chave a serem considerados ao selecionar um inversor adequado, analisando a ficha técnica de um inversor de bateria que usamos com frequência, le Victron Multiplus-II. Aqui estão os critérios que devem ser levados em consideração:

– Potência de saída contínua do inversor e potência de pico (kVA e kW)

– Capacidade de carga do inversor-carregador para as baterias (em A)

– Capacidade de transferência

– Compatibilidade da bateria (dependendo da tecnologia)

– Tipo de arquitetura (acoplamento DC ou AC?)

– Telemetria e monitoramento de sistema local e/ou remoto

1. Potência de saída do inversor – valores máximos contínuos e de pico (kW)

Os inversores de bateria (híbridos ou fora da rede) vêm em uma ampla variedade de tamanhos, determinados pela potência contínua medida em kW ou kVA. A potência do inversor depende de sua topologia ou design, do tipo de circuito de conversão de energia, da presença ou não de transformador, do sistema de refrigeração e da temperatura de operação. Abaixo estão dois tipos principais de inversores híbridos e fora da rede disponíveis.

Linversores de bateria fora da rede empregar Transformadores toroidais para serviços pesados, que são mais caros, mas fornecem alta potência de pico e pico e podem lidar com altas cargas indutivas. Esses inversores normalmente contêm sistemas de resfriamento com ventilação ativa para manter o desempenho em altas temperaturas. Conforme explicado abaixo, a maioria destes inversores possui carregadores integrados e também são interativos em rede (este é o caso do Victron Multiplus-II)

LInversores híbridos e sistemas de bateria acoplados AC use inversores sem transformador com 'transistores de comutação' (exemplo: inversores híbridos Fronius GEN24, GROWATT ou DEYE, etc...) Esses inversores compactos e leves têm menor potência de pico e classificações de surto, mas são mais econômicos, sendo mais baratos e fáceis de fabricar. Geralmente também são totalmente classificados contra intempéries, o que significa que podem ser instalados com segurança em locais mais expostos, embora a exposição direta à luz solar deva sempre ser evitada. No entanto, não foram concebidos para funcionar fora da rede durante todo o ano, mas podem muito bem assumir funções de reserva ocasionais.

É crucial compreender a potência máxima que o inversor pode fornecer continuamente, bem como a potência de pico que pode suportar por curtos períodos de tempo, o que muitas vezes é necessário ao iniciar cargas indutivas como motores. Não seja obrigado a escolher entre ligar o secador de cabelo ou a torradeira!

Ppotência em KVA ou kW? O que escolhemos?

É importante observar se a potência do inversor é indicada em kW ou kVA. Quilowatts são geralmente a medida mais precisa. Isso pode ser confuso ao dimensionar um inversor para suas necessidades. A taxa de conversão geral usada para converter de kVA para kW é mostrada abaixo:

kVA x 0.8 = kW

Por exemplo, um inversor Victron de 5kVA é aproximadamente equivalente a um inversor de 4kW. Outro exemplo é um inversor com uma potência contínua de 3000 VA (3kVA), que normalmente gera apenas 2400 Watts continuamente, ou cerca de 80% da potência “aparente” declarada.

2. Capacidade de carga do inversor (geralmente expressa em A):

Esta é a capacidade do inversor de carregar a bateria a partir de uma fonte chamada “costa” (um gerador). Uma taxa de carga mais alta significa que a bateria pode ser recarregada mais rapidamente, o que pode ser benéfico em áreas com períodos limitados de luz solar ou quando você é forçado a ligar o gerador. Exemplo com inversor a bateria Multiplus-II:

3. Tamanho da instalação fotovoltaica (kW)

O tamanho (entenda a potência) da instalação fotovoltaica deve ser compatível com a capacidade do inversor. Um inversor superdimensionado ou subdimensionado em comparação com a instalação fotovoltaica pode resultar em perda de eficiência e desempenho. SSe por exemplo você pegar um Multiplus-3000VA e adicionar dois carregadores Victron RS 450/100 de 5 kWp cada, você só conseguirá utilizar a potência do Multiplus, ou seja, 3KVA de uma potência potencial total de 10KVA (se os seus painéis produzirem em condições ideais!).

4. Poder de passe/transferência (A):

A passagem de energia refere-se à capacidade do inversor de transferir energia da rede ou de uma fonte geradora para as cargas sem passar pelas baterias. Isto é importante para manter a energia durante interrupções ou quando a bateria está descarregada. Esta noção é especialmente importante em configurações híbridas, e menos em um local isolado (na verdade, com 32A * 230V = 6000W, o que já corresponde a um gerador bastante confortável).

5.Compatibilidade da bateria – Tensão do sistema e tipo de bateria

É fundamental garantir que o inversor da bateria seja compatível com a tensão do sistema e o tipo de bateria utilizada, seja de lítio, níquel-ferro ou outras baterias. Por exemplo, um Multiplus-II 48V terá que ser equipado com uma bateria de 48V, obviamente, etc.

6. Tipo de arquitetura do sistema: Acoplamento DC ou AC?

Os inversores podem ser acoplados em corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC), cada configuração apresentando suas vantagens e desvantagens. A escolha dependerá do seu sistema específico e das suas necessidades.

En Arquitetura de acoplamento DC, o mais difundido fora da rede, um carregador de bateria “MPPT” controla os painéis solares durante o dia para maximizar a produção solar, que será reinjetada nas baterias. A eficiência é excelente (92-96%), porém, se o autoconsumo de energia ocorrer durante a produção, a conversão DC/DC/AC (já que o MPPT fornece corrente contínua, ele próprio corrugado pelo inversor de bateria para alimentar seu 230V cargas), causará perdas adicionais:

En Diagrama de acoplamento CA, menos comum e frequentemente encontrado em sistemas de maior potência, um inversor solar (Fronius) é interligado à saída do inversor de bateria Multiplus. Este último é responsável por controlá-lo de acordo com as necessidades instantâneas de potência, para que a energia produzida pelo Fronius seja direcionada prioritariamente aos consumidores, SEM passar pelas baterias:

Este tipo de arquitetura tem duas vantagens notáveis:

- Melhor performance se a maior parte do seu consumo for feita durante o dia (você consumirá literalmente “conforme o sol passa”).

- Potência acumulada da saída da Fronius E do inversor da bateria. Ou seja, se o seu Fronius produz 3KWP de potência instantânea, e você tem um Multiplus de 3KVA, teoricamente pode chegar a 6KVA!

No entanto, este tipo de sistema tem duas desvantagens:

- O Fronius deve ser controlado por modulação de frequênciae pelo Multiplus, que pode alterar os relógios digitais e ser problemático para determinados equipamentos sensíveis (eletrodomésticos, etc.). Falamos do fenômeno da “cintilação”.

- O desempenho de carregamento da bateria é medíocre, porque há uma conversão DC/AC/DC e as perdas são maiores.

Então, qual seria a melhor arquitetura para um sistema robusto fora da rede?

Finalmente, podemos ter uma arquitetura mista, combinando acoplamento AC e DC. Isso tem a vantagem de ser robusto e redundante (se o Fronius estiver em serviço pós-venda, você tem a produção solar do carregador Victron MPPT e vice-versa)!

Exemplo de sistema misto off-grid, combinando acoplamento CC e CA (através de um Fronius):

7. Telemetria e gestão local (supervisão):

A capacidade de monitorizar e controlar o seu sistema local e remotamente é uma vantagem considerável, permitindo uma gestão óptima do consumo de energia, produção solar e armazenamento de energia. Isto permite também monitorizar com precisão, dia após dia, as diversas variáveis do sistema (produção solar, consumo em kWh, picos de potência, estado de carga da bateria), e eventualmente identificar anomalias. É, portanto, uma ferramenta essencial para integração em um sistema fora da rede.

Ao lado, um extrato de um dashboard do sistema Monitoramento Victron VRM. Lá podemos acompanhar parâmetros detalhados, como tensão da bateria, estado de carga, potências e tensões diversas, tudo em tempo real.

Que tipo de bateria para escolher?

Historicamente, a maioria dos inversores de bateria foram projetados para funcionar com baterias de chumbo-ácido amplamente disponíveis (Gel, AGM e OpZ). As baterias de chumbo-ácido são maiores, mais pesadas e podem emitir gases que requerem ventilação. Eles inerentemente têm uma vida útil limitada e não toleram qualquer abuso ou erros de manuseio (descarga profunda, temperaturas, sulfatação, etc.). Em comparação, as baterias de íons de lítio são mais leves, compactas, mais eficientes e podem ser armazenadas com segurança em um invólucro selado, ao mesmo tempo em que são modulares. Muitos sistemas de baterias de lítio, como os de BYD, Pylontech ou TESVOLT, apresentam unidades de gerenciamento de bateria (BMS) integradas, exigindo um inversor com comunicações compatíveis (protocolo de rede CANbus) para operar com segurança e eficiência. Temos que namorar várias centenas de baterias de lítio implantadas em locais isolados com excelente feedback e taxas de falhas anedóticas (cerca de 1%).

No que diz respeito ao sistema de gestão BMS, algumas baterias de lítio são autogeridas, por exemplo as baterias de titanato de lítio Zenaji Aeon.

Para sistemas fora da rede, Baterias Edison de níquel-ferro são uma excelente escolha, dada a sua robustez e tolerância a abusos (descargas profundas prolongadas, temperaturas, etc…). Eles têm uma vida útil de várias décadas, quando dimensionados e gerenciados adequadamente. Uma das maiores vantagens das baterias NiFe é que elas não desligam sob baixa tensão ou baixo estado de carga (SOC), ao contrário das baterias de lítio modernas. Por outro lado, necessitarão de manutenção regular (adição trimestral de água desmineralizada).