Painel solar DIY

D.I.Y.  |    07/09/2010   |   14737 hits   |   J. Ricardo Simões Rodrigues

Motivação

Não precisava nem dizer, mas lá vai. Como curioso que sou, sempre tive vontade de ver como a energia solar funcionava na prática. Faltava uma boa desculpa para a empreitada. Pois bem. Meus pais adquiriram uma pequena chácara a alguns quilômetros de Nova Brasilândia d'Oeste, Rondônia (a mesma dos artefatos indígenas e do possível meteorito). Ocorre que, naquela propriedade, ainda não chegou a instalação elétrica. Temos aí um típico cenário onde a energia solar se destaca.
Assim, resolvemos, eu e meu irmão Roberto, dar início a esse projeto com o objetivo inicial de fornecer luz elétrica à moradia localizada naquela propriedade.

Este artigo, assim como o painel e periféricos, é um trabalho em progresso.

Disclaimer

Este texto foi produzido com a intenção pura e simples de relatar minha experiência na construção de um painel solar. Não me responsabilizo por eventuais montagens realizadas com base nas ideias aqui expostas. O trabalho com inversores DC/AC envolve risco de choque elétrico.
O autor não assume nenhuma responsabilidade que possa derivar de problemas técnicos ou avarias em equipamentos quaisquer que possam ocorrer devido aos circuitos e ideias apresentadas neste texto, bem como os danos que possam advir.
O autor declina qualquer responsabilidade por eventuais danos que possam ser sofridos por usuários como resultado de erros, defeitos ou omissões nas informações fornecidas.

Teoria de funcionamento e dimensionamento do painel

O painel solar fotovoltaico é um dispositivo utilizado para a conversão de energia luminosa proveniente do Sol em energia elétrica para utilização residencial ou industrial. Para se ter uma ideia do enorme potencial dessa forma de geração de energia, basta informar que um m² pode receber até 1000 watts de energia proveniente do Sol. Obviamente, com a tecnologia atual e usuais restrições orçamentárias, estamos longe de conseguirmos converter toda essa energia em eletricidade.
Um painel, geralmente, é formado por várias células. Cada célula solar funciona como uma unidade autônoma de conversão de energia luminosa em eletricidade de corrente contínua. Apresenta dois polos: geralmente a parte superior, que recebe a luz solar é o polo negativo (-) e a parte inferior, o positivo (+). Por exemplo: certo tipo de célula pode fornecer até 3,6A e uma tensão de 0,5V, totalizando 1,8W.
Relembrando:

P = V x I

onde P é Potência em watts (W), V é a voltagem em volts (V) e I é a corrente em amperes (A).
Conforme necessário for, tais células serão arranjadas em série ou em paralelo. Ligando células em série, teremos um aumento da tensão do arranjo que equivalerá à soma das tensões individuais.
Exemplo: ligando 6 células de 0,5V e 3,6A em série, o circuito resultante passará a apresentar uma tensão de 3V mantendo uma corrente de 3,6A. Se ligássemos em paralelo, a tensão ficaria em 0,5V mas a corrente subiria para 21,6A.
A energia assim gerada deve ser convenientemente acumulada em baterias para posterior uso.
A opção pelo arranjo de células mais apropriado será feita com base nos objetivos do sistema.
Dimensionamento do painel
Em meu caso pretendia construir um painel que convertesse energia solar o suficiente para os seguintes equipamentos de iluminação:

Quantidade

Item

Watts

Horas de uso

Watts total

W/h

4

Lâmpadas fluorescentes

15

3

60

180

2

Lâmpadas fluorescentes

20

3

40

120

Total

100

300



Pretendia construir painéis de até 70W utilizando células de 0,55V e 3,6A. Fazendo os cálculos, verifiquei que necessitaria de mais de 35 células ligadas em série:

70W = n x 0,55 x 3,6
n = 70/1,98
n = 35,35

Assim, arredondei para o próximo número par: utilizaria 36 células em série, capazes de gerar um máximo de 71W.
A seguir passamos ao cálculo do número de painéis necessários para converter os 300W/h a serem consumidos pela iluminação. Presumi, nos cálculos, um total de 5,5 horas de sol por dia e uma ineficiência de 20%.
O primeiro número a ser encontrado é resultante da divisão de W/h a serem consumidos pelo total de horas de sol disponíveis, o que resultou em 54,55 W. A esse número acrescentei a ineficiência do sistema de 20%, o que resulta em 65,45W.
Agora podemos encontrar o número de painéis necessários à aplicação: dividimos a potência do painel individual que construiremos (70W) por 64,45 W e obtemos 0,94. Logo, necessitaremos de 0,94 painel. Arredondando, um painel consegue suprir energia elétrica para os equipamentos desejados.
Dimensionamento do banco de acumuladores
Se a ideia é armazenar a energia convertida, esse é um trabalho para os acumuladores químicos, nossas conhecidas baterias.
Salienta-se que a bateria para tal finalidade não pode ser to tipo comum, de uso automotivo. Esse tipo de equipamento é criado para fornecer grande corrente em um curso espaço de tempo (a partida do automóvel) e não são projetadas para ciclos profundos de carga e descarga. Para essa finalidade a bateria escolhida deve ser do tipo estacionária.
Dadas as modestas dimensões do projeto, escolhi utilizar baterias de 45 A/h como módulos. As baterias também podem ser ligadas em série ou em paralelo, conforme explicado no caso das células solares.
O cálculo se resumirá em descobrir quantas baterias de 45A/h serão necessárias para armazenar energia convertida pelo número de painéis suficientes para o uso pretendido.
Primeiro calculamos quantos A/h o painel converte. Esse número é obtido multiplicando-se o máximo de amperes produzidos pelo painel (3,6A) pelo número de painéis (1) pela quantidade de horas de sol (5,5). Teremos

n = 3,6 x 1 x 5,5 
n = 18,51 A/h

As baterias, recomenda-se, não devem ser descarregadas além de 50% para melhorar sua performance e vida útil. Logo, numa bateria de 45A/h temos 22,5A/h que serão efetivamente utilizados.
Agora descobrimos quantas baterias serão utilizadas para armazenar 18,51 A/h dividindo 18,51 A/h por 22,5A/h que resulta em 0,82 bateria, o que arredondamos para uma bateria.

Materiais

Os materiais que adquiri foram os seguintes:

Item

Preço

Bateria 45AH

R$ 150,00

36 Células (3”x6” 1.8W 0.55V 3.6A), tabs, diodos e caneta de fluxo

R$ 138,60

Chapa de Vidro e cantoneira de alumínio

R$ 65,00

Chapa Compensado 10mm

R$ 50,00

Chapa Pegboard

R$ 50,00

Controlador de carga

R$ 40,00

Tinta e Verniz para madeira

R$ 40,00

Total

R$ 533,60



As chapas de compensado e Pegboard são bem maiores do que o necessário para a confecção de um painel: 2mx2m e 1,8x2,5m, respectivamente.
As células solares, tabs e diodos foram adquiridos no Ebay, sendo enviadas dos Estados Unidos. Tive a sorte de não ser notificado para pagamento do Imposto de Importação, o que me economizou os temidos 60%.
O Controlador de carga também foi adquirido via Ebay, sendo postado de Hong Kong. Ambas encomendas foram entregues em trinta dias.
Já possuía os seguintes itens:

Item

Adesivo de silicone

Adesivo de poliuretano (Brascoflex)

Adesivo de contato para madeira

Parafusos para madeira

Estanho para solda

Caixa de sobrepor para ligação



As ferramentas a serem utilizadas são encontradas na maioria de nossas oficinas caseiras: chaves de fenda e philips, serra elétrica para madeira ou serrote, arco de serra, furadeira elétrica, ferro de solda, etc.

Construção

Montagem das células

Decidi montar o painel em duas partes de 18 células: cada parte seria composta de três cadeias de seis células (3 x 6) fornecendo um máximo de 9,9V. Depois ligaria as duas partes em série, totalizando 19,8V.
As células que utilizei possuem uma largura de 15cm e altura de 8cm. A espessura é desprezível e não precisou ser levada em conta nesse projeto. Abaixo uma ilustração da frente e do verso das células:

Frente da célula: polo negativo

Parte traseira da célula: polo positivo

Esse foi o arranjo utilizado para disposição das 18 células:



As fitas metálicas (tabs) são utilizadas para interligar as células em cadeias e depois interligar as cadeias. Tais fitas já são estanhadas, o que facilita muito o trabalho por não precisarmos utilizar solda. Devemos apenas aplicar o fluxo utilizando a caneta, posicionar a fita e utilizar o ferro de soldar.
O vídeo adiante mostra o processo.


Primeiramente soldamos as fitas nas partes traseiras de todas as células para posteriormente soldarmos umas às outras formando uma cadeia de seis células. Saliento que as células que utilizei já possuíam um pedaço de fita já soldada, tando na parte traseira quanto na frente. Precisei apenas fazer uma emenda para completar o tamanho necessário para alcançar a próxima célula.
Como já dito, as células são ligadas em série. Assim, a parte traseira (polo positivo) de uma célula deve ser ligada à parte fronta de outra célula (polo negativo), sucessivamente.


Ligação em série de duas células
É importante manter as células bem fixas no momento da soldagem para evitar deslocamentos desagradáveis (temos apenas duas mãos, afinal). Utilizei um pedaço de Pegboard e espaçadores para mantê-las no lugar durante a soldagem.

É importante sempre testar as cadeias com o voltímetro, para evitar erros na montagem e ligações. Espera-se que uma cadeia de seis células (no meu caso) forneça 3,3V (6 x 0,55V) ao sol.

Montagem do módulo de 18 células

Adiante, cortei um pedaço de Pegboard com espaço suficiente para acomodar as três fileiras de células. É importante, também, deixar uns 3cm de espaço nas bordas para, posteriormente, haver espaço para os barramentos, diodos etc.
Nessa placa de Pegboard foram aplicadas três demãos de tinta acrílica branca (a que tinha à mão) e posteriormente acomodadas as cadeias de células.
Para a fixação das células na chapa, utilizei adesivo de silicone. Aplica-se um pouco no verso das células e acomoda-se na placa. Muito cuidado é necessário ao se fazer pressão nas células pois são muito frágeis.

Módulo de 18 células

Ao final, dessa etapa tinha os dois módulos acima. Note que já estão devidamente soldados os barramentos (fita metálica mais larga) que interliga as três cadeias. A metodologia a ser utilizada é a mesma da ligação das células: serial, polo positivo a polo negativo da próxima cadeia. Ao final dessa etapa, novo teste: esse módulo deve fornecer um máximo de 9,9V (18 x 0,55V) ao sol.

Frame

O quadro para acomodar os módulos foi feito com compensado de 10mm. Após o corte de um pedaço retangular com tamanho suficiente para acomodar os dois módulos, procedi à montagem. Utilizei ripas também de compensado com uma largura de quatro centímetros para fazer uma moldura sobre a qual assentaria o vidro protetor. Essas ripas foram aparafusadas à chapa principal com um espaçamento de 10cm e utilizada cola de contato para aumentar a rigidez impermeabilizar.
O tratamento do quadro foi feito com verniz de marca Suvinil. O rótulo prometia proteção UV e impermeabilização. O tempo dirá. Apliquei três demãos.
Após, foram acomodados os módulos em seus respectivos compartimentos, feitas as interligações, e aplicado o vidro protetor. Utilizei um vidro de 3mm. Recomenda-se vidro temperado para uma maior rigidez e proteção em caso de quebra. O vidro foi aplicado sobre uma generosa porção de Adesivo de poliuretano. Antes, apliquei a cantoneira de alumínio na borda do quadro, de modo a acomodar o vidro e proteger as laterais de madeira do quadro.

Painel do controlador e Inversor

O painel controlador não possui grande complexidade. Trata-se apenas de uma placa envernizada de compensado utilizada para centralizar as conexões entre o painel solar, o controlador de carga e bateria.
O controlador utilizado foi um dos mais baratos encontrados no Ebay, já que se trata de um primeiro projeto.

Na parte superior, a entrada, vinda do painel solar. Na inferior, a conexão à bateria. A conexão não usada é a de carga, onde podem ser ligados pequenos dispositivos que utilizem 12V em corrente contínua diretamente.

Painel controlador de carga

Planejo a inclusão de voltímetro para monitoração contínua da voltagem e, quiça, de um amperímetro.
Na futura lista de aquisições está um controlador que utilize a tecnologia Maximum Power Point Tracking (MPPT), que otimiza o carregamento da bateria e a utilização da carga fornecida pelo painel solar.
Não adquiri um inversor dedicado para a tarefa de converter a corrente contínua de 12V da bateria em alternada de 110V. Para essa função estamos utilizando um no-break marca TS-Shara, modelo SOHO de 600VA.

Bateria e no-break fazendo o papel de inversor
Futuramente, pretendo adquirir um inversor de onda senoidal para cumprir essa tarefa. Para a utilização dos equipamentos de iluminação, o no-break (onda senoidal modificada) está dando conta do recado.

Instalação on site

A instalação foi feita no telhado da casa. Como a casa não está posicionada no sentido leste-oeste, tive que deixar o painel girado em relação ao telhado, não dando um efeito estético muito agradável. Já a inclinação indicada para a latitude (11°), deixei um pouco mais, na mesma inclinação do telhado (uns 30°). Menor inclinação iria acarretar o acúmulo de muita água. Além de que, para a aplicação, o painel produzirá mais energia que o acumulador poderia armazenar. Então uma pequena perda não faria diferença.

Painel solar no telhado

Funcionamento

Até o momento, o painel e o resto do sistema tem funcionado a contento. O sistema tem sido usado exclusivamente para iluminação, acionamento de um aparelho de som e pequenas aplicações como carregamento de celulares etc.
A bateria tem funcionado sempre com mais de 70% de carga, o que é bom para uma longevidade. Em dias normais, por volta de uma ou duas horas da tarde o controlador acusa 100% de carga.

Iluminação em funcionamento
Estudo a expansão do banco acumulador para adicionar mais uma bateria de 45Ah para acionamento de um microcomputador, levando conexão à internet à chácara via GSM ou Wifi (a propriedade está a uns 6 ou 7 km do centro urbano). Assim poderei monitorar remota e continuamente a produção e consumo de energia pois estou a mais de 70km da locação.

Referências

Basicamente, minhas ideias foram tiradas desses dois sites:

Solar Panel System : Getting FREE power from the sun (http://www.freesunpower.com/)

How I built an electricity producing Solar Panel (http://www.mdpub.com/SolarPanel/)



Última edição concluída em 19/09/2010 por J. Ricardo Simões Rodrigues.