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AC/DC no fotovoltaico: inversores e conversão de corrente

Introdução: O que é que o AC/DC tem a ver com sistemas solares?

O que é que a lendária banda de rock AC/DC tem a ver com sistemas solares? O nome da banda pretendia simbolizar potência bruta e atuações cheias de energia – tal como a energia carregada da corrente alternada (AC) e a força “bruta” da corrente contínua (DC) que circulam numa instalação fotovoltaica.

Para lidar com estes fluxos de energia recorre‑se à eletrónica de potência. Neste artigo fica a saber como funcionam os inversores e porque é importante escolher entre sistemas monofásicos e trifásicos.

Corrente contínua encontra corrente alternada

O “problema” de base nos sistemas solares é simples: as células fotovoltaicas produzem corrente contínua (DC), mas praticamente todas as aplicações domésticas utilizam corrente alternada (AC) a 50 Hz. Além disso, os sistemas de baterias voltam a trabalhar em corrente contínua.

O que distingue os dois tipos de corrente?

Corrente contínua (DC):

• A corrente flui continuamente num único sentido
• Como um barco que só navega rio acima
• Exemplos: baterias, módulos fotovoltaicos, equipamentos USB

Corrente alternada (AC):

• O sentido da corrente inverte‑se constantemente (50 vezes por segundo a 50 Hz)
• Como um barco que está sempre a ir rio acima e rio abaixo
• Padrão na rede elétrica europeia

O inversor: coração da conversão de energia

Princípio de funcionamento

O inversor converte a corrente contínua dos módulos solares em corrente alternada compatível com a rede. Isto é feito através de interruptores eletrónicos de potência (IGBTs ou MOSFETs) que ligam e desligam a corrente contínua a grande velocidade:

1. Entrada DC: corrente contínua proveniente dos módulos
2. “Picotagem”: os semicondutores de potência ligam e desligam o DC muito rapidamente, com durações de impulso variáveis
3. Modulação PWM: através de modulação por largura de impulso (PWM) forma‑se, a partir destes “pedaços” de DC, uma curva aproximadamente sinusoidal
4. Saída AC: corrente alternada a 50 Hz, sincronizada com a rede

Funções importantes do inversor

• Sincronização com a rede: a frequência e a fase são ajustadas à rede pública – em caso de desvio relevante o inversor desliga‑se
• Proteção anti‑ilha: em caso de falha de rede, o inversor desliga‑se automaticamente para proteger equipas de manutenção
• Janelas de tensão e frequência: injeção apenas dentro dos limites regulamentares
• Limitação de potência: os operadores de rede podem impor limites de injeção, que são implementados via software no inversor

Em Portugal, estas funções têm de cumprir os requisitos técnicos definidos pela Direção‑Geral de Energia e Geologia (DGEG) e pelos operadores de rede (por exemplo, E‑REDES), alinhados com as normas europeias aplicáveis a inversores ligados à rede de baixa tensão.

MPPT: o centro de controlo

O Maximum Power Point Tracker (MPPT) está normalmente integrado no próprio inversor. A sua missão: extrair da instalação fotovoltaica, em cada instante, a potência máxima possível, independentemente da carga ou das condições meteorológicas.

Como funciona o MPPT?

A potência elétrica é o produto da tensão pela corrente: P = U × I

Cada módulo solar tem uma curva característica própria, que relaciona tensão e corrente. Esta curva varia com:

• Sombreamento
• Alterações de temperatura
• Variações da radiação solar

O MPPT “varre” continuamente esta curva de potência. Um algoritmo muito utilizado, o Perturb and Observe (perturbar e observar), funciona assim:

1. A tensão é ligeiramente aumentada ou reduzida (perturbação)
2. Mede‑se a alteração da potência resultante (observação)
3. A potência aumentou? → continua‑se a variar na mesma direção
4. A potência diminuiu? → inverte‑se a direção da variação

Desta forma, o MPPT acompanha permanentemente o ponto de potência máxima.

Compreender o sistema trifásico

As redes europeias não utilizam apenas corrente alternada simples, mas sim sistema trifásico (corrente alternada trifásica). Trata‑se de três correntes alternadas sinusoidais com a mesma frequência, desfasadas entre si de 120°.

Porque se utiliza sistema trifásico?

A transmissão de potência é significativamente mais eficiente:

• Corrente alternada monofásica precisa de 2 condutores
• Sistema trifásico utiliza 3 condutores para transportar aproximadamente o triplo da potência

O “truque” está no equilíbrio das fases: em cada instante, as três fases compensam‑se mutuamente. Quando a corrente numa fase atinge o máximo, nas outras duas circulam correntes de sentido oposto com aproximadamente metade da intensidade. Assim, não é necessário um condutor de retorno separado para a mesma potência útil.

Níveis de tensão em Portugal

Os níveis de tensão na rede portuguesa são, em termos práticos, equivalentes aos de outros países europeus:

Os inversores fotovoltaicos ligados à rede de baixa tensão têm de cumprir estes níveis e as regras técnicas de ligação definidas pela DGEG e pelos operadores de rede.

Inversor monofásico ou trifásico?

A escolha entre inversores monofásicos e trifásicos tem impacto direto no dimensionamento e no funcionamento da sua instalação.

Inversor monofásico

Num inversor monofásico, a corrente contínua é convertida apenas numa fase de corrente alternada. É típico em instalações pequenas a médias.

Vantagens:

• Arquitetura simples: apenas dois condutores no lado AC (fase e neutro)
• Mais económico: custo de aquisição geralmente inferior
• Compatibilidade: muitos equipamentos domésticos utilizam apenas uma fase

Desvantagens:

• Potência limitada: regra geral adequado para potências até cerca de 3–6 kWp
• Carga assimétrica: correntes elevadas numa única fase podem causar desequilíbrios
• Inadequado para grandes consumidores trifásicos: carregadores de veículos elétricos ou bombas de calor trifásicas exigem normalmente alimentação trifásica

Em Portugal, os operadores de rede podem limitar a potência máxima admissível por fase para evitar desequilíbrios significativos na rede de baixa tensão. Em instalações residenciais com potências mais elevadas, a solução trifásica é muitas vezes preferível.

Inversor trifásico

Um inversor trifásico converte a corrente contínua em três fases de corrente alternada simétricas. É o padrão em instalações de maior dimensão.

Vantagens:

• Maior potência de saída: adequado para instalações a partir de cerca de 6 kWp
• Melhor distribuição de carga: as correntes são repartidas pelas três fases
• Injeção simétrica: mais favorável para a rede, reduzindo desequilíbrios
• Compatível com grandes consumidores: bombas de calor, carregadores de veículos elétricos, fogões trifásicos

Desvantagens:

• Custo superior: eletrónica de potência mais complexa
• Instalação mais exigente: necessidade de equilibrar cargas entre fases e cumprir requisitos adicionais de proteção

Recomendação

Retificadores e percursos DC

Quando se utilizam baterias ou soluções com acoplamento em corrente contínua, os retificadores convertem novamente a corrente alternada em corrente contínua. Isto é necessário, por exemplo, quando:

• Uma bateria AC‑acoplada é carregada a partir da rede
• Se pretende armazenar temporariamente excedentes da rede

Também aqui se atingem rendimentos elevados, tipicamente na ordem dos 96–98%. As perdas resultam sobretudo de:

• Perdas de comutação nos semicondutores de potência
• Filtragem de harmónicas

Topologias modernas reduzem estas perdas através de frequências de comutação elevadas e filtros otimizados.

O “S” de software também é de solar

Para além do hardware, o software é essencial para o controlo de uma instalação fotovoltaica. O software funciona como interface entre módulos solares, baterias, contadores de energia e utilizador.

Tarefas do software da instalação

• Regulação e comando: interação estreita com o MPPT e com o controlo do inversor
• Aquisição de dados: registo digital e gestão de todas as grandezas medidas
• Comunicação de dados: troca de informação entre os vários componentes
• Monitorização: deteção de falhas e quebras de desempenho
• Cálculo de custos: previsões de produção e análise de amortização
• Integração em casa inteligente: ligação a sistemas de automação residencial e gestão de cargas

Nota sobre normas, regulamentação e incentivos em Portugal

Em Portugal, o enquadramento técnico e regulamentar para instalações fotovoltaicas e eficiência energética é diferente do alemão, mas baseia‑se em grande medida em normas europeias:

• Normas de cálculo térmico e de desempenho energético:

  • O cálculo de necessidades de aquecimento e arrefecimento e o desempenho energético global dos edifícios é efetuado segundo o Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), gerido pela ADENE, com base em normas EN (por exemplo, EN ISO 52016, EN ISO 13790 e sucessoras) integradas na regulamentação nacional.
  • Para o cálculo de coeficientes de transmissão térmica (valores‑U) utilizam‑se as normas europeias da família EN ISO 6946, transpostas e referidas nos regulamentos do SCE.

• Regulamentação de desempenho energético dos edifícios:

  • O quadro legal é definido pelo Decreto‑Lei n.º 101‑D/2020, que estabelece os requisitos de desempenho energético dos edifícios, a metodologia de cálculo e as exigências mínimas para elementos da envolvente (valores‑U máximos), sistemas técnicos e integração de energias renováveis.
  • Este diploma transpõe a Diretiva Europeia relativa ao desempenho energético dos edifícios (EPBD) e define metas para edifícios com necessidades quase nulas de energia (nZEB).

• Certificação energética:

  • Todos os edifícios novos e muitos edifícios existentes sujeitos a transação (venda, arrendamento) devem possuir Certificado Energético, emitido no âmbito do SCE pela ADENE.
  • A etiqueta energética portuguesa segue a escala europeia (A+, A, B, …, F), mas o método de cálculo e os limiares de classe são específicos de Portugal.

• Incentivos e apoios financeiros (substituem referências alemãs como BAFA ou KfW):

  • Programa de Apoio a Edifícios Mais Sustentáveis (gerido pelo Fundo Ambiental): apoia a instalação de painéis solares fotovoltaicos, bombas de calor, isolamento térmico e outras medidas de eficiência. Os apoios são tipicamente a fundo perdido, com percentagens de cofinanciamento que podem ir até cerca de 70% do investimento elegível, sujeitos a limites por medida e por edifício.
  • Vale Eficiência: apoio dirigido a famílias economicamente vulneráveis para implementação de medidas de eficiência energética, incluindo eventualmente sistemas solares térmicos ou fotovoltaicos e melhorias de isolamento.
  • Incentivos fiscais: em determinados anos têm existido benefícios no âmbito do IRS (dedução de parte do IVA ou de despesas com energias renováveis e eficiência), bem como taxas de IVA reduzidas para algumas intervenções em habitação permanente – as condições concretas devem ser verificadas anualmente na legislação fiscal em vigor.
  • Podem ainda existir programas regionais ou municipais de apoio a energias renováveis e reabilitação energética, financiados por fundos europeus (por exemplo, PRR ou Portugal 2030).

Ao planear uma instalação fotovoltaica em Portugal, é importante articular o dimensionamento técnico (incluindo a escolha entre inversor monofásico ou trifásico) com estes requisitos regulamentares e com os programas de apoio disponíveis, de forma a maximizar o retorno do investimento e garantir a conformidade legal.

Conclusão

A seguir: Baterias de armazenamento: o apoio em dias de pouco sol

Fontes

• Verivox: Diferenças entre corrente AC e DC
• Elektronik-Kompendium: Warum 220 Volt?
• Optivolt: Ein- vs. dreiphasige Wechselrichter
• Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• Martin Doppelbauer: Grundlagen der Elektromobilität (Springer, 2020)