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Estrutura de uma instalação fotovoltaica: do módulo à injeção na rede

Introdução: Do módulo solar à instalação fotovoltaica

O termo genérico “instalação solar” abrange tanto instalações fotovoltaicas como sistemas solares térmicos. As instalações fotovoltaicas – ou simplesmente PV – convertem a radiação solar em energia elétrica, enquanto os sistemas solares térmicos produzem energia térmica. Neste artigo focamo‑nos nas instalações fotovoltaicas.

Depois de, no artigo anterior, Do fotão ao volt: como funciona uma célula solar?, termos visto o funcionamento de uma célula solar individual, olhamos agora para o conjunto: como é que, a partir de células individuais, se obtém uma instalação solar completa?

Da célula à central solar

A hierarquia de uma instalação fotovoltaica é claramente estruturada:

  • Célula solar → módulo: várias células são ligadas eletricamente entre si e encapsuladas mecanicamente numa moldura
  • Módulo → string: os módulos são ligados em série para atingir a tensão necessária ao inversor
  • String → instalação: vários strings alimentam um ou mais inversores
  • Instalação → central / parque: muitas instalações em conjunto formam um parque solar

Mesmo um único módulo solar ou um único string pode ser considerado uma instalação fotovoltaica completa – por exemplo, num sistema de varanda.

Hierarquia de células solares, módulos, strings e instalações

Contudo, a disposição de células e módulos solares é apenas uma parte do quadro. Para que a instalação funcione, são ainda necessários:

  • Estruturas de suporte e sistemas de montagem
  • Cabos e caixas de junção
  • Eletrónica de potência (inversores, MPPT)
  • Opcional: baterias de armazenamento
  • Contadores de energia e sistemas de monitorização

Montagem e estruturas de suporte

Os módulos solares podem ser montados em muitos locais:

Aplicações residenciais

  • Coberturas de habitações (telhado inclinado ou plano)
  • Garagens e carports
  • Sistemas de varanda
  • Fachadas

Aplicações comerciais e industriais

  • Naves industriais e edifícios de escritórios
  • Instalações em solo (parques solares)
  • Agri‑PV (combinado com agricultura)

Tipos de estrutura / inclinação

Estrutura fixa:

  • Os módulos são montados de forma fixa em coberturas ou em solo
  • Geometricamente ligados ao edifício ou à estrutura de suporte
  • Solução simples, económica e de baixa manutenção
  • Padrão para a maioria das aplicações residenciais e comerciais

Estrutura móvel com seguidor solar (tracker):

  • Os módulos seguem o percurso do sol ao longo do dia
  • Movimento assegurado por motores elétricos ou sistemas hidráulicos
  • Possível aumento de produção de 15–35%
  • Custos e manutenção mais elevados
  • Geralmente só é economicamente viável em grandes centrais solares

Em qualquer tipo de montagem, a robustez, a resistência ao vento e, no caso de edifícios, a verificação da capacidade estrutural da cobertura são determinantes na escolha do sistema de fixação. Em Portugal, estas verificações seguem o Regulamento de Estruturas de Edifícios e Pontes e as normas europeias aplicáveis (por exemplo, Eurocódigos).

Percurso da energia: do módulo à tomada

O percurso da energia elétrica produzida pela instalação solar pode dividir‑se em cinco etapas principais:

1. Produção em corrente contínua (DC)

Os módulos solares convertem a luz solar em corrente contínua (DC). A tensão gerada depende do número de células ligadas em série dentro do módulo e do número de módulos em série no string.

2. MPPT e otimização em DC

O “Maximum Power Point Tracker” (MPPT) ajusta continuamente a tensão de funcionamento para extrair a potência máxima dos módulos. Em condições de nebulosidade variável ou sombreamento parcial, esta função é particularmente importante para limitar perdas de produção.

3. Conversão para corrente alternada (AC)

O inversor converte a corrente contínua em corrente alternada compatível com a rede:

  • 230 V monofásico para instalações pequenas
  • 400 V trifásico para instalações de maior potência

Em Portugal, os inversores devem cumprir as normas europeias aplicáveis (por exemplo, EN 50549 para ligação à rede de baixa tensão) e as regras técnicas da E‑REDES ou do operador de rede local para injeção de energia.

4. Consumo local ou injeção na rede

A corrente alternada é utilizada:

  • diretamente pelos consumos da habitação ou do edifício,
  • para carregar uma bateria de armazenamento,
  • e/ou é injetada na rede pública, de acordo com o regime de autoconsumo em vigor (UPAC – Unidade de Produção para Autoconsumo, ou UPP – Unidade de Pequena Produção, conforme o enquadramento legal aplicável).

5. Medição e faturação

Os contadores de energia registam a energia consumida e a energia injetada na rede, servindo de base à faturação e à gestão energética. Em Portugal, os sistemas de autoconsumo são regulados pelo Decreto‑Lei n.º 162/2019 (regime jurídico do autoconsumo de energia renovável), que define também as regras de medição e remuneração da energia excedentária.

Percurso da energia desde o módulo solar, passando pelo inversor, até à rede interna da casa

Integração de baterias: acoplamento AC vs. DC

As instalações solares com bateria integrada dispõem de um “amortecedor” de energia. Com uma eletrónica de carga inteligente, a energia pode ser armazenada de forma ajustada às necessidades: dias nublados são compensados com energia previamente armazenada e dias muito soalheiros são aproveitados para carregar a bateria.

Sistemas com acoplamento em AC

  • O inversor fotovoltaico está diretamente ligado aos módulos
  • A bateria é carregada e descarregada no lado de corrente alternada (AC)
  • É necessária uma conversão adicional AC/DC específica para a bateria
  • Permite a instalação posterior de baterias em sistemas já existentes com relativa facilidade
  • Apresenta um rendimento global ligeiramente inferior devido às conversões adicionais

Vantagens: grande flexibilidade na instalação, independência em relação ao inversor fotovoltaico, solução simples para modernizar instalações existentes.

Sistemas com acoplamento em DC

  • A bateria é ligada diretamente ao barramento de corrente contínua dos módulos
  • O carregamento e descarregamento ocorrem sem conversão intermédia em AC
  • A conversão para AC só ocorre para alimentar a rede interna do edifício
  • Rendimento global mais elevado, com menores perdas de conversão

Vantagens: menos perdas de conversão, melhor eficiência no aumento da taxa de autoconsumo.

Comparação entre instalações solares com acoplamento em AC e em DC Instalações solares com acoplamento em AC e DC em comparação

Medição de energia e tipos de contador

Para que a instalação solar, a bateria e a rede pública funcionem de forma coordenada, é necessária uma gestão integrada da instalação. A base dessa gestão são os dados de medição fornecidos pelos contadores de energia.

Contadores unidirecionais

Medem o fluxo de energia apenas num sentido:

  • Contador de consumo: mede a energia fornecida pela rede ao edifício
  • Contador de injeção: mede a energia injetada pela instalação fotovoltaica na rede
  • Contador de produção: regista a produção total de energia da instalação

Contadores bidirecionais

Medem, no mesmo equipamento, a energia consumida da rede e a energia injetada na rede. Combinam as funções de contador de consumo e de injeção, sendo hoje a solução mais comum em unidades de autoconsumo em Portugal.

Smart meters

A variante mais avançada:

  • Medição digital e comunicação remota
  • Possibilidade de transmissão de dados em tempo quase real
  • Base para sistemas de gestão de energia e tarifas dinâmicas
  • Comunicação através de infraestrutura de telecontagem do operador de rede

Em Portugal, a substituição progressiva dos contadores tradicionais por contadores inteligentes está em curso, permitindo uma integração mais eficiente das instalações fotovoltaicas e de outros recursos energéticos distribuídos.

Perfis de carga e grau de autonomia

Os perfis diários de consumo num agregado familiar variam significativamente:

  • Manhã: consumo relativamente baixo (pessoas fora de casa) e produção ainda reduzida (sol baixo)
  • Meio do dia: consumo geralmente baixo, produção solar máxima → a bateria carrega
  • Fim de tarde / noite: consumo elevado (cozinhar, iluminação, equipamentos, eventualmente climatização), sem produção solar → a bateria descarrega

Para alcançar um grau de autonomia elevado (percentagem do consumo coberto pela própria produção), três fatores têm de estar equilibrados:

  1. Produção (kWp): potência de pico da instalação, ou seja, quanto pode produzir em condições ideais.
  2. Capacidade de armazenamento (kWh): quanta energia pode ser armazenada na bateria.
  3. Consumo (kWh/ano): necessidades anuais de eletricidade do agregado ou do edifício.

Perfil diário de produção e consumo de eletricidade num agregado familiar

Enquadramento regulamentar e incentivos em Portugal

Embora a estrutura técnica de uma instalação fotovoltaica seja semelhante em toda a Europa, o enquadramento legal, as normas técnicas e os apoios financeiros são específicos de cada país. Em Portugal, destacam‑se os seguintes pontos:

Normas e regras técnicas relevantes

  • Projeto e segurança das instalações elétricas: Regime das Instalações Elétricas de Serviço Particular (Decreto‑Lei n.º 96/2017) e Regras Técnicas das Instalações Elétricas de Baixa Tensão (RTIEBT), complementadas por normas europeias como a EN 62446 (requisitos de ensaio e documentação de sistemas fotovoltaicos ligados à rede).
  • Desempenho energético dos edifícios: Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), regulado pelo Decreto‑Lei n.º 101‑D/2020, que transpõe a Diretiva Europeia relativa ao desempenho energético dos edifícios. Este diploma estabelece requisitos mínimos de desempenho energético e incentiva a integração de renováveis, incluindo PV.
  • Ligação à rede: normas EN 50549 e regras técnicas da E‑REDES (ou do operador de rede local) para ligação de produção em baixa tensão, incluindo requisitos de proteção, anti‑ilha e qualidade de energia.

Regime de autoconsumo e injeção na rede

  • O Decreto‑Lei n.º 162/2019 define o regime jurídico do autoconsumo de energia renovável (UPAC) e da produção para venda à rede (UPP).
  • As UPAC podem injetar excedentes na rede, sendo remunerados de acordo com as regras definidas pela ERSE e pelos comercializadores.
  • Para potências mais elevadas, são exigidos estudos de ligação à rede e licenciamento específico junto da DGEG e do operador de rede.

Incentivos e apoios financeiros

Os programas de apoio são atualizados com alguma frequência, mas, de forma geral, incluem:

  • Programas do Fundo Ambiental: apoios periódicos à instalação de painéis solares fotovoltaicos, sistemas solares térmicos, bombas de calor e medidas de eficiência energética em edifícios residenciais (por exemplo, programas “Edifícios Mais Sustentáveis”). Os apoios costumam assumir a forma de comparticipação a fundo perdido de uma percentagem do investimento elegível, com tetos máximos por medida e por beneficiário.
  • Programas regionais e municipais: alguns municípios e comunidades intermunicipais lançam programas próprios de incentivo à eficiência energética e à instalação de renováveis, podendo incluir apoios adicionais ou simplificação de procedimentos.
  • Benefícios fiscais pontuais: em determinados períodos, têm existido benefícios fiscais associados a investimentos em eficiência energética e energias renováveis (por exemplo, deduções em sede de IRS para despesas com equipamentos de energias renováveis, quando previstos no Orçamento do Estado em vigor).

Ao planear uma instalação fotovoltaica em Portugal, é recomendável verificar:

  • os avisos mais recentes do Fundo Ambiental,
  • eventuais programas regionais ou municipais,
  • e as condições de ligação à rede junto do operador local.

Conclusão: Como a energia chega à tomada

Em resumo: Uma instalação fotovoltaica parece simples à primeira vista, mas os muitos detalhes técnicos revelam a sua complexidade. A célula solar produz corrente contínua, o MPPT otimiza a tensão para obter a potência máxima e, consoante o conceito da instalação, a energia flui para a bateria e/ou para o inversor. Os contadores de energia registam todos os fluxos para controlo e faturação, antes de a corrente alternada chegar às tomadas da casa ou ser injetada na rede pública, de acordo com o regime de autoconsumo em vigor em Portugal.

A seguir: AC/DC na fotovoltaica: inversores e conversão de energia

Fontes