Sistema solar de 12 V para motorhome, van ou chalé: dimensionamento, componentes e ligações

Como um sistema de 12 V se organiza

Todo sistema off-grid de 12 V tem poucas peças, sempre as mesmas. Os painéis e o alternador carregam uma bateria, cada um pelo seu próprio carregador; tudo o que você usa puxa da bateria, direto em 12 V ou por um inversor; e cada cabo que sai da bateria tem o seu fusível.

Os componentes do exemplo; cada seção abaixo explica como foram dimensionados.

Tudo começa pelo balanço de energia

Tudo se dimensiona a partir de um número: os watts-hora (Wh) que você gasta por dia, ou seja, a potência de cada carga vezes as horas em que ela funciona. Uma geladeira de compressor não fica ligada o tempo todo, então conte o consumo médio ao longo do dia, não o valor da etiqueta; no calor ele sobe bastante. Um medidor de potência de corrente contínua, ou o monitor de bateria descrito mais abaixo, mostra quanto os seus aparelhos consomem de verdade.

Geladeira, bomba e celular usam os valores predefinidos da calculadora solar off-grid; troque cada linha pelos seus dados.

O notebook carrega num carregador USB-C de 12 V, e não pelo inversor: como mostra a seção do inversor, só isso economiza mais energia do que as luzes e a bomba gastam juntas.

A calculadora solar off-grid com estas seis cargas, 1,5 dia de autonomia, 4 horas de sol pleno e painéis de 200 W: os números deste guia.Abrir o exemplo na calculadora

Dimensionando a bateria

A bateria precisa cobrir os dias sem sol que você quer atravessar, usando só a parte da capacidade que ela entrega sem se estragar. Numa van que também carrega rodando, um ou dois dias bastam; um chalé usado o ano todo costuma pedir dois ou três. Com 633 Wh por dia, 1,5 dia e uma LiFePO4 utilizável a 80%, a calculadora pede 1,2 kWh, ou 99 Ah em 12 V: uma bateria LiFePO4 de 100 Ah.

LiFePO4 ou AGM?

• A LiFePO4 entrega 80% ou mais da capacidade por milhares de ciclos e pesa muito menos. O mesmo exemplo com AGM, utilizável a 50% e com 85% de eficiência de carga, pede cerca de 158 Ah. Nosso comparativo LiFePO4 e AGM entra nos detalhes.
• A AGM custa menos na compra e pode ser carregada abaixo de zero; dura muito mais se raramente descer abaixo de meia carga.
• O frio. Células de lítio não devem ser carregadas abaixo de zero: o manual dos controladores Victron avisa que baterias de lítio podem ser danificadas se carregadas abaixo de 5 °C, e a própria bateria Lithium NG da Victron só aceita carga entre +5 e +50 °C. Descarregar no frio não é problema. No Brasil isso pesa pouco, mas vale para a serra no inverno e para quem viaja ao sul do continente: nesses casos, escolha uma bateria com proteção contra carga em baixa temperatura ou com aquecimento.

Da página do produto ou do datasheet de cada fabricante. As baterias Victron Lithium Smart e Lithium NG exigem BMS externo: não compre sem ele. A disponibilidade no Brasil varia; em qualquer bateria, nacional ou importada, confira a corrente do BMS em comparação com a sua maior carga (um inversor pode pedir 100 A), as tensões de carga e a proteção contra o frio.

Para ler a carga pela tensão, use a nossa tabela de tensão da LiFePO4 de 12 V, mas não espere muito: em repouso, uma LiFePO4 de 12 V marca entre cerca de 12,8 e 13,4 V de 20% a 90% de carga. Por isso vale ter um monitor de bateria.

Painéis e horas de sol pleno

As horas de sol pleno (HSP) são a energia solar do dia sobre o painel, em kWh/m², expressa em horas de sol pleno a 1.000 W/m². Elas dependem da estação, da latitude e da inclinação do painel, e pesam mais do que qualquer outro dado. Como lembra a nossa calculadora solar off-grid, no inverno elas podem cair abaixo de 2 horas no centro e no norte da Europa, enquanto no verão chegam muitas vezes a 5 ou 6.

• Dimensione para o pior mês que você quer cobrir. No Brasil, o mês crítico de um chalé usado o ano todo depende da região: no Sul e no Sudeste costuma ser junho ou julho, no inverno; no Norte e no Nordeste costuma cair na estação das chuvas. Confira os valores mês a mês do seu local no SunData do CRESESB. Uma van que só roda no verão considera o mais fraco dos meses em que viaja.
• Na horizontal ou inclinados. Painéis na horizontal no teto de uma van captam no inverno bem menos do que painéis inclinados para o sol num chalé. Como regra prática, incline-os mais ou menos na latitude do lugar, voltados para o norte.
• Procure o dado do seu local. No PVGIS, que cobre também a América do Sul, abra os dados mensais, escolha o local e marque a irradiação horizontal para um teto plano, ou a irradiação na inclinação dos seus painéis para um chalé; divida os kWh/m² de cada mês pelos dias do mês.

Para a nossa van, projetamos com 4 horas de sol pleno: confira esse valor nos meses em que você viaja. A calculadora pede então pelo menos 274 W, contando 20% de perdas, os 95% do controlador e 25% de margem para recarregar depois dos dias nublados. Dois painéis de 200 W dão 400 W, que num dia assim captam cerca de 1,2 kWh e voltam a encher a bateria cerca de 1,8 dias depois de um dia e meio sem sol. Com 1,5 hora, um teto plano no inverno de lugares mais frios, as mesmas cargas pediriam 800 W (veja o cálculo): mais do que cabe no teto de uma van, e é por isso que veículos também carregam pelo alternador.

Série ou paralelo, e sombra

• Em série as tensões se somam e a corrente é a de um painel: cabo mais fino descendo do teto e a tensão de que os controladores MPPT gostam. Mas a sombra num painel derruba a fileira inteira, o que só os diodos de bypass dos painéis amenizam.
• Em paralelo as correntes se somam: cada painel trabalha por conta própria, o que funciona melhor em tetos onde uma claraboia, um bagageiro ou uma árvore fazem sombra num painel. O cabo leva o dobro da corrente.
• Fusíveis em paralelo. O datasheet de cada painel informa o fusível máximo em série: 20 A no Renogy RSP200D, cuja corrente de curto-circuito é de 11,05 A. Com dois em paralelo, um painel com defeito só pode receber a corrente do outro, menos de 20 A; com três, pode receber 22,1 A, e então cada painel precisa do seu fusível.

Dos datasheets dos fabricantes. Em qualquer painel, inclusive de marcas vendidas no Brasil, confira Voc, Isc, o coeficiente de temperatura da Voc e o fusível máximo em série, e meça o teto antes de comprar.

MPPT ou PWM, e como dimensionar o controlador

Um controlador PWM liga o painel direto na bateria, então um painel feito para uns 18 V trabalha perto dos 13 V da bateria e desperdiça até cerca de um quarto da potência. Um MPPT converte a tensão mais alta para a da bateria e aproveita quase tudo. O PWM serve para um painel pequeno; num sistema como o nosso, o MPPT se paga.

A corrente

A calculadora divide os 400 W dos painéis por 12 V, 33,3 A, e arredonda para um controlador de 40 A. Na prática a bateria carrega a 13 V ou mais, então 400 W dão no máximo cerca de 31 A: serve um controlador especificado para pelo menos essa corrente e para 400 W em 12 V. Os datasheets da Victron dizem que, se você ligar mais potência fotovoltaica, o controlador limita a potência de entrada, então um controlador um pouco menor só corta as horas de sol mais forte.

A tensão: a conferência no frio

A tensão de circuito aberto (Voc) de um painel sobe com o frio, e é máxima num amanhecer gelado, antes de a carga puxá-la para baixo. Dois RSP200D em série dão 46 V a 25 °C; com −0,28% por °C, a −10 °C viram 50,5 V. O manual da Victron acrescenta 10% de margem em clima frio: 55,6 V, bem dentro de um controlador de 75 ou de 100 V. Um terceiro painel em série chegaria a 75,8 V a −10 °C (69 V a 25 °C), acima do limite de um controlador de 75 V, e a Victron avisa que danos por tensão FV alta demais não são cobertos pela garantia. Use a menor temperatura que você espera no lugar: no Brasil raramente chega a −10 °C, mas a conta é a mesma.

Voc(frio) = Voc × painéis em série × (1 + coeficiente × (25 °C − temperatura mínima))
2 × 23,0 V × (1 + 0,0028 × 35) = 50,5 V

Os painéis também precisam dar partida no controlador: os MPPT da Victron começam a funcionar quando a tensão FV supera a da bateria em 5 V, e seguem funcionando até 1 V acima dela. Dois painéis de 12 V em série ficam muito acima disso; um só basta com boa luz.

Dos datasheets dos fabricantes. Para um único painel de 200 W basta o Victron 100/20 (20 A, 290 W em 12 V); o 75/15 é especificado para 15 A e 220 W. Em qualquer controlador, confira: corrente ≥ watts dos painéis ÷ 13 V, tensão FV máxima ≥ Voc no frio mais 10%, um perfil LiFePO4 com tensões ajustáveis e um jeito de não carregar abaixo de zero (sensor de temperatura ou ligação com o BMS da bateria).

Cabos, fusíveis e chaves seccionadoras

Cabos finos desperdiçam energia em calor e enganam o controlador, que mede a bateria através deles. O Wiring Unlimited da Victron sugere manter a queda abaixo de 2,5%; a nossa calculadora de bitola de cabo parte de 3% e também confere se o cabo aguenta o fusível. Para os 40 A do controlador em 1,5 m, ela indica 10 mm² (1,7% de queda) com um fusível entre 50 e 60 A: o de 6 mm² até atenderia a queda, mas não aguenta o fusível de 50 A.

Do controlador à bateria: 40 A, 1,5 m, 3% de queda.Abrir a calculadora de bitola

O cabo do teto leva os 10,42 A da fileira a 38,4 V, então pode ser fino: para 5 m a calculadora indica 2,5 mm² com 1,9% de queda (confira). Os cabos solares com conectores MC4 costumam ser mais grossos de qualquer forma; a Victron lembra que os MC4 aceitam cabo solar de 4 ou 6 mm². Para painéis portáteis que você leva para fora e conecta, os conectores Anderson Powerpole são uma escolha comum.

Os fusíveis junto à bateria

Todo cabo positivo que sai da bateria ou do barramento leva um fusível nessa ponta, escolhido pelo cabo, para que um curto em qualquer ponto o queime. Com lítio, a Victron exige ainda que pelo menos um fusível tenha capacidade de interrupção igual ou maior que a corrente de curto-circuito da bateria: peça esse dado ao fabricante da bateria.

Faixas do Wiring Unlimited da Victron, com o datasheet dos MEGA da Littelfuse e o porta-fusível MRBF da Blue Sea Systems. Fusíveis de lâmina (os automotivos comuns), só para ramais pequenos, numa caixa de fusíveis mais adiante.

Chaves seccionadoras

• Seccionadora dos painéis. O manual da Victron pede um meio de desligar todos os condutores ativos do arranjo fotovoltaico. Use uma chave ou um disjuntor especificado para corrente contínua, para a Voc no frio e a corrente dos painéis, não uma peça para corrente alternada.
• Chave geral da bateria. Uma chave no positivo permite trabalhar com segurança; a Victron recomenda seccionar só o positivo. A Battery Switch da Victron é especificada para 275 A contínuos até 60 V. Sem chave, retire o fusível principal.
• A ordem. Ligue ao controlador primeiro a bateria e depois os painéis: os MPPT da Victron reconhecem a tensão do sistema pela bateria.

Carregando pelo alternador: o carregador DC-DC

Juntar as duas baterias com um relé (o isolador de bateria clássico) funcionava com chumbo-ácido em veículos mais antigos. Com LiFePO4 não: a baixa resistência da bateria de lítio puxa toda a corrente que o alternador consegue dar, pelo tempo que ele aguentar, e a tensão de carga é a do veículo, não a da bateria. Um carregador DC-DC limita a corrente e aplica o perfil de carga da bateria auxiliar.

Muitos veículos recentes (os Euro 6 europeus, como diz o manual da Victron) têm alternador inteligente, que varia a tensão e desliga quando o motor não precisa dele. Um DC-DC lida com isso se souber quando o motor está ligado: o Orion-Tr Smart da Victron detecta pela tensão (liga a 14 V e para a 13,1 V no ajuste para alternador inteligente), e o DCC30S da Renogy usa um fio de sinal da ignição (pós-chave). Antes de ligar qualquer coisa, descubra como o alternador do seu veículo é gerenciado.

Das páginas e manuais dos fabricantes. Em qualquer DC-DC, confira a corrente em comparação com o que o alternador consegue fornecer, um perfil LiFePO4, o suporte a alternador inteligente e o fusível e o cabo de entrada pedidos pelo fabricante.

O cabo de entrada é o grosso: 360 W de saída a 87% são cerca de 414 W de entrada, uns 33 A tirados da bateria do motor. Em 5 m a calculadora indica 16 mm² com fusível entre 50 e 80 A, o mesmo que a tabela da Victron (16 mm², 60 A).

Entrada do DC-DC: 33 A em 5 m.Conferir o cabo

Bateria congelada. A documentação desses carregadores DC-DC não menciona nenhum corte por temperatura da bateria: com uma bateria que pode congelar, o alternador a carregaria congelada enquanto você dirige. Use uma bateria que bloqueie a carga no frio ou se aqueça sozinha (as Renogy Pro com aquecimento, a SuperPack NG da Victron), ou deixe que um dispositivo que mede a temperatura desligue o carregador: o Orion-Tr Smart tem uma entrada de liga-desliga remoto que serve para isso.

O inversor: onda senoidal pura, consumo em vazio e pico

O inversor transforma os 12 V em corrente alternada como a da tomada. Escolha um de onda senoidal pura, com a mesma forma da rede para a qual os aparelhos são projetados, e dimensione-o por dois números: a potência contínua de tudo o que você liga ao mesmo tempo e o pico de partida de motores e compressores. Depois olhe o terceiro: o consumo em vazio. E confira a tensão de saída: no Brasil há regiões com 127 V e com 220 V.

O consumo em vazio é o que se esquece. O Phoenix 12/500 da Victron consome 6,0 W sem carga, 144 Wh por dia se ficar ligado: três vezes o nosso roteador. Carregue o notebook pelo inversor em vez do carregador USB-C e o dia sobe para 792 Wh, a bateria para 124 Ah (veja na calculadora). No modo ECO (1,0 W, acorda quando aparece uma carga) ficam 672 Wh e 105 Ah. Melhor ainda: tudo o que der em 12 V, e o inversor desligado.

Dos datasheets dos fabricantes. Em qualquer inversor, confira a potência contínua na sua temperatura (a dos Victron cai a 40 °C), o pico, o consumo em vazio, a tensão de saída da sua região e o cabo e o fusível do lado da bateria pedidos pelo manual. No Brasil, escolha um modelo cuja saída corresponda à tensão da sua região (127 V ou 220 V) em 60 Hz: os Phoenix VE.Direct existem em versões de 230 V e de 120 V, com frequência ajustável para 50 ou 60 Hz; confirme com o distribuidor qual versão e qual ajuste servem para os seus aparelhos.

O cabo do inversor leva a maior corrente do sistema: uma carga de 1.000 W dá quase 100 A em 12 V. Siga o manual (para o 12/500 a Victron pede 6 mm² até 1,5 m, 10 mm² até 3 m e um fusível extra perto da bateria acima de 1,5 m) e confira se o BMS da bateria admite essa corrente.

O monitor de bateria

A tensão em repouso de uma LiFePO4 quase não muda entre 20% e 90%, então um voltímetro não diz a carga. Um monitor com shunt conta cada ampère-hora que entra e sai. O shunt vai no negativo: no borne negativo da bateria só se liga o shunt, e todos os outros negativos chegam do outro lado dele, como no diagrama lá em cima.

Das páginas dos fabricantes. Confira se o shunt aguenta mais que a sua corrente máxima e se nada passa por fora dele.

O exemplo, peça por peça

Nas calculadoras: exemplo solar off-grid, cabo do controlador, cabo do DC-DC, cabo do teto.

Uma versão econômica do exemplo poderia ter uma LiTime de 100 Ah, dois painéis RSP200D, um EPEver Tracer4210AN e o monitor da Renogy; uma topo de linha, a SuperPack NG, o SmartSolar 100/50 e o Orion-Tr Smart 12/12-30 da Victron: a SuperPack NG tem BMS e monitor de bateria integrados, então o SmartShunt é opcional. Já a versão econômica não tem nenhum corte de carga no frio (este modelo da LiTime não tem, e a EPEver não informa nenhum): se a bateria puder congelar, escolha a LiTime com aquecimento ou outra bateria com proteção contra o frio. Misturar marcas funciona, desde que cada carregador esteja ajustado nas tensões de carga da bateria. Os números da calculadora são o mínimo: um painel a mais ou uma bateria de 150 Ah custam menos do que ficar sem energia.

Segurança

• Prenda a bateria. Num veículo ela precisa ficar no lugar até num acidente: use os pontos de fixação do fabricante ou uma caixa com cintas.
• Crimpe, não torça. Terminais do tamanho certo com um alicate de crimpar adequado, e os bornes apertados no torque do manual. Terminal frouxo esquenta.
• Proteja os cabos. Passa-fios onde atravessam chapa, nada de cantos vivos e a passagem do teto vedada.
• O lado de corrente alternada. A saída de um inversor é tão perigosa quanto uma tomada. Num veículo, antes de mexer na parte elétrica, confira as regras locais e o seu seguro; numa edificação, deixe a instalação fixa de corrente alternada com um eletricista qualificado, como as normas locais pedirem.
• Frio e calor. Nada de carregar lítio abaixo de zero sem proteção; bateria e controlador ventilados e longe do calor do motor.
• Um fusível por bateria. Com baterias em paralelo, cada uma leva o seu fusível, para que uma falha numa delas não seja alimentada pelas outras.
• Pré-carregue o inversor. Os capacitores de entrada puxam um pico forte na primeira ligação: numa bateria de lítio isso pode abrir um arco no borne ou desarmar o BMS. Carregue-os antes por alguns segundos através de um resistor e só depois faça a ligação definitiva.
• A AGM também. Uma bateria AGM é selada, mas mesmo assim precisa de ventilação, e nunca deve ser carregada congelada.

Erros comuns

• Dimensionar os painéis pelo sol do verão e estranhar a bateria vazia no inverno.
• Um controlador de 75 V com três painéis de 12 V em série: tudo bem a 25 °C, alto demais numa manhã de geada.
• Deixar o inversor ligado por causa de uma carga pequena: o consumo em vazio pode passar o da carga.
• Fusíveis escolhidos pelo aparelho e não pelo cabo, ou postos na ponta errada.
• Um relé entre a bateria do veículo e uma LiFePO4 em vez de um carregador DC-DC.
• Negativos ligados direto na bateria, passando por fora do shunt: o monitor não vê essa corrente.
• Confiar na tensão para saber a carga de uma LiFePO4.