Calcule o rendimento do seu sistema FV Calcule gratuitamente a produção, autoconsumo e rentabilidade da sua instalação solar.

Ao calculador solar →

Eletrónica de potência: inversores e conversores DC-DC

Introdução: O desafio da conversão de corrente

Os módulos solares estão montados, a bateria está pronta a funcionar e o sol brilha. A base para um sistema solar está criada. Falta, porém, um componente essencial: o inversor e as suas múltiplas funções.

O desafio nos sistemas solares:

• As células solares geram corrente contínua (DC)
• Os equipamentos domésticos necessitam de corrente alternada (AC)
• As baterias voltam a armazenar corrente contínua (DC)

Para resolver isto recorre‑se à eletrónica de potência. Neste artigo fica a saber como funcionam os diferentes componentes.

Visão geral: componentes de eletrónica de potência

Tanto na tecnologia solar como em praticamente todos os equipamentos modernos, nada funciona sem eletrónica de potência. Em sistemas solares e baterias utilizam‑se vários componentes, cada um com tarefas específicas na conversão de energia elétrica:

Unidirecional e bidirecional

Estes componentes podem ser unidirecionais (num só sentido) ou bidirecionais (em ambos os sentidos):

• Unidirecional: Apenas, por exemplo, de corrente contínua para alternada
• Bidirecional: Ambos os sentidos possíveis (fundamental para sistemas de armazenamento em bateria!)

O inversor: o coração do sistema solar

Os inversores convertem a corrente contínua gerada pelos módulos solares em corrente alternada. Isto é feito através de interruptores eletrónicos de potência, os chamados semicondutores de potência ou chaves de potência.

Princípio de funcionamento: o “picotar” da corrente

1. A corrente contínua é ligada e desligada muito rapidamente
2. Através de tempos de condução diferentes cria‑se um padrão
3. A partir dos valores médios destes “pedaços de corrente contínua” gera‑se uma forma de onda alternada
4. A frequência resultante é, em Portugal e na Europa, de 50 Hz

O resultado é uma corrente alternada compatível com a rede, adequada para todas as aplicações domésticas.

Funções importantes do inversor

Para além da simples conversão de corrente, os inversores modernos assumem outras funções essenciais para o funcionamento seguro e eficiente do sistema solar:

Nota para Portugal:
A ligação de inversores à rede pública deve cumprir o Regulamento de Acesso às Redes e às Interligações (RARI) e as regras técnicas da E‑REDES ou do operador de rede local, incluindo requisitos de proteção anti‑ilha, qualidade de energia e injeção máxima de potência.

Rendimento

Os inversores modernos atingem 96–98% de rendimento. As perdas resultam de:

• Perdas de comutação nos semicondutores
• Consumo próprio da eletrónica de comando
• Desenvolvimento de calor e perdas nos componentes passivos

O retificador: o inverso do inversor

Um retificador é, em termos de função, o inverso de um inversor: converte corrente alternada em corrente contínua.

Princípio de funcionamento

Na retificação, a forma de onda da corrente alternada é parcialmente “cortada”:

• Aproveitam‑se apenas os “picos” positivos da corrente alternada
• O valor médio destes picos resulta numa corrente contínua aproximadamente constante
• Comutação em alta frequência e filtragem adicional suavizam o resultado

Aplicação em sistemas solares

Os retificadores são necessários quando:

• Uma bateria ligada ao lado AC é carregada a partir da rede
• Se pretende armazenar temporariamente excedentes de energia da rede em baterias

Conversores DC-DC: ajustar a tensão

Os conversores DC-DC (conversores de corrente contínua) alteram o nível de tensão da corrente contínua, sem a transformar em corrente alternada.

Elevador de tensão (Boost Converter)

Converte baixa tensão em alta tensão.

Constituição típica:

• Fonte de baixa tensão
• Bobina (indutor)
• Diodo
• Chave de potência
• Condensador

Princípio de funcionamento:

1. Chave fechada: A corrente flui através da bobina, formando‑se um campo magnético
2. Chave abre: O campo magnético colapsa e gera uma tensão adicional
3. Condensador carrega: A tensão aumentada é armazenada no condensador

Este processo repete‑se a frequência muito elevada, resultando numa tensão de saída estável.

Redutor de tensão (Buck Converter)

Converte alta tensão em baixa tensão.

Princípio de funcionamento:

1. Chave fechada: A corrente flui para a bobina e para o condensador de saída
2. Chave abre: O campo magnético na bobina colapsa, a polaridade muda e a energia é libertada para a carga
3. Carga alternada: Através da comutação rápida e da “inércia” da bobina obtém‑se uma tensão média mais baixa e estabilizada

Conversor DC-DC bidirecional (Buck‑Boost)

Combina ambas as funções – pode elevar e reduzir a tensão. É particularmente importante para:

• Carregamento e descarga de baterias em diferentes estados de carga
• Adaptação a tensões variáveis dos módulos solares

Compreender os blocos de construção

Para melhor compreensão, seguem‑se os principais componentes utilizados nestes conversores.

Bobina (indutor)

Um condutor elétrico enrolado que:

• Ao passar corrente cria um campo magnético
• Quando a corrente é interrompida, mantém o fluxo de corrente por um curto período

Analogia: Como uma roda de água pesada que continua a girar algum tempo depois de se fechar a torneira.

Diodo

Permite a passagem de corrente apenas num sentido. Funciona como uma válvula de retenção num sistema hidráulico.

Condensador

Armazena energia sob a forma de campo elétrico. É constituído por duas placas metálicas separadas por um isolante. Serve como armazenamento intermédio para estabilizar a tensão.

Chave de potência

Interruptores eletrónicos baseados em semicondutores (por ex. MOSFET, IGBT):

• Elevadíssima velocidade de comutação
• Dimensões reduzidas
• Comandados por sinais de baixa potência provenientes da eletrónica de controlo

MPPT: potência máxima do sistema solar

O Maximum Power Point Tracker (MPPT) está frequentemente integrado no inversor. A sua função é garantir que, independentemente do tempo ou da carga, o sistema solar opere sempre no ponto de potência máxima.

Porque é necessário?

A potência elétrica é: P = U × I (tensão × corrente)

Cada módulo solar tem uma curva característica própria, que varia com:

• Sombreamento
• Temperatura das células
• Variações da radiação solar

Existe um ponto ótimo nesta curva – o ponto de potência máxima (Maximum Power Point) – em que o produto de tensão e corrente é máximo. O MPPT procura continuamente esse ponto.

O algoritmo “Perturb and Observe”

1. A tensão de operação 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 continuamente o ponto de potência máxima, mesmo com condições de radiação variáveis.

Sistema de gestão de baterias (BMS)

Os sistemas de armazenamento em bateria modernos integram um sistema inteligente de controlo e monitorização, o BMS, para garantir um funcionamento seguro.

Tarefas principais do BMS

O BMS desempenha um conjunto de funções indispensáveis para a segurança e longevidade da bateria:

Principais parâmetros de bateria

O BMS monitoriza vários parâmetros que indicam o estado atual da bateria. Estas abreviaturas normalizadas surgem frequentemente em documentação técnica:

O BMS acompanha estes valores em permanência e decide sobre medidas de proteção ou limitação de funcionamento.

Enquadramento normativo e regulamentar em Portugal

Embora os princípios de eletrónica de potência sejam universais, o dimensionamento e a integração de inversores, conversores e baterias em edifícios em Portugal devem respeitar normas e regulamentos nacionais e europeus.

Normas técnicas relevantes

• Cálculo de cargas térmicas e desempenho energético de edifícios
  Em vez de normas DIN alemãs, em Portugal aplicam‑se:

  • EN 12831 (cálculo de carga térmica de aquecimento) e normas associadas, utilizadas no âmbito do Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE)
  • EN ISO 6946, transposta como NP EN ISO 6946, para cálculo de coeficientes de transmissão térmica (valores U) de elementos da envolvente

• Bombas de calor e sistemas de climatização
  O desempenho de bombas de calor e equipamentos HVAC é avaliado segundo:

  • EN 14511, EN 14825 e normas relacionadas, adotadas como normas portuguesas (NP EN …), em vez das diretrizes VDI alemãs

• Sistemas fotovoltaicos e inversores
  Para projeto e segurança de instalações fotovoltaicas e da eletrónica de potência associada aplicam‑se, entre outras:

  • NP EN 62446 (requisitos de ensaio e documentação de sistemas FV ligados à rede)
  • NP EN 62109 (segurança de conversores de potência para uso fotovoltaico)
  • Regras técnicas dos operadores de rede (por ex. E‑REDES) para ligação de micro e miniprodução.

Regulamentação energética dos edifícios

Em Portugal, o desempenho energético dos edifícios e a integração de sistemas solares e de armazenamento são enquadrados por:

• Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), gerido pela ADENE
• Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS)
• Transposição da Diretiva Europeia de Desempenho Energético dos Edifícios (EPBD), que estabelece requisitos para edifícios novos de quase zero energia (nZEB) e incentiva a integração de renováveis (solar térmico, fotovoltaico, bombas de calor, etc.)

Na prática:
Ao planear um sistema solar com inversor e baterias num edifício novo ou sujeito a grande reabilitação, o projetista deve articular o dimensionamento elétrico (inversor, conversores, cablagem) com os requisitos do SCE e do REH/RECS, de forma a otimizar a classe energética do edifício.

Certificação energética e rotulagem

• Certificado Energético de Edifícios

  • Obrigatório para edifícios novos, grandes renovações e na venda ou arrendamento de imóveis
  • Emite uma classe energética de A+ a F, considerando isolamento, sistemas de climatização, produção de AQS e contributo de energias renováveis (incluindo fotovoltaico e baterias, quando relevantes)

• Rótulos de eficiência energética de equipamentos

  • Inversores, bombas de calor, aparelhos de ar condicionado e outros equipamentos seguem a rotulagem energética da UE, com classes de A a G
  • Para sistemas combinados (por ex. bomba de calor + fotovoltaico + armazenamento), o desempenho global pode ser considerado na certificação energética do edifício

Incentivos e apoios em Portugal para sistemas solares e eficiência

Ao contrário da Alemanha, onde existem programas como BAFA ou KfW, em Portugal os apoios são geridos sobretudo a nível nacional através de fundos europeus e programas específicos.

Programas de apoio relevantes (situação recente)

Atenção: Os programas são periódicos e sujeitos a avisos de abertura. É essencial verificar sempre a informação atualizada em sites oficiais (ADENE, DGEG, Fundo Ambiental, IAPMEI, etc.).

• Fundo Ambiental – Programas de Eficiência Energética em Edifícios Residenciais

  • Ex.: “Edifícios Mais Sustentáveis” (várias fases)
  • Tipicamente apoia:
  • Instalação de painéis solares fotovoltaicos e sistemas de armazenamento em bateria
  • Substituição de janelas, reforço de isolamento térmico
  • Instalação de bombas de calor e outros sistemas de climatização eficientes
  • Apoios frequentemente na ordem de até 70–85% do investimento elegível, com tetos máximos por medida (valores exatos variam por fase do programa)

• Programas financiados pelo PRR (Plano de Recuperação e Resiliência)

  • Linhas para eficiência energética em edifícios de serviços e indústria, incluindo:
  • Sistemas fotovoltaicos para autoconsumo
  • Otimização de sistemas HVAC e gestão de energia
  • Integração de sistemas de monitorização (onde se enquadra a eletrónica de potência e controlo)

• Apoios a Autoconsumo Renovável (UPAC)

  • A instalação de Unidades de Produção para Autoconsumo (UPAC) com inversores ligados à rede é regulada pela DGEG
  • Em determinados períodos existem linhas de apoio específicas (por ex. para condomínios, PME ou agricultura), que podem incluir comparticipação na instalação de inversores, baterias e sistemas de gestão de energia

• Benefícios fiscais pontuais

  • Em alguns anos, despesas com energias renováveis em habitação própria permanente podem ser parcialmente dedutíveis em sede de IRS, dentro de limites definidos
  • É necessário confirmar anualmente no Orçamento do Estado e na legislação fiscal em vigor

Em resumo para o leitor em Portugal:
Ao planear um sistema fotovoltaico com inversor, conversores DC-DC e baterias, vale a pena:

• Verificar programas ativos no Fundo Ambiental e no PRR
• Confirmar com a DGEG e o instalador se a UPAC pode beneficiar de apoios específicos
• Articular o projeto com um perito qualificado do SCE para maximizar a classe energética do edifício.

Conclusão

O que acontece quando todas estas funções são reunidas num único equipamento? Saiba mais no artigo O tudo‑em‑um: inversor híbrido.

Série completa de artigos “Armazenamento de energia para sistemas solares”

1. Das pernas de rã às baterias: como funciona um sistema de armazenamento de energia? – Fundamentos
2. Lítio vs. chumbo: que bateria escolher para o sistema solar? – Comparação tecnológica
3. Eletrónica de potência: inversores e conversores DC-DC – Está aqui
4. O tudo‑em‑um: inversor híbrido – Tudo num só equipamento
5. AC ou DC? Topologias de sistema para instalações solares – Conceitos de configuração de sistemas

Fontes

• Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• SMA: conhecimentos básicos sobre inversores solares
• HTW Berlin: Eficiência de inversores híbridos
• Elektronik-Kompendium: fundamentos