Janelas fotovoltaicas aquecem água em um apartamento em Bucareste há dois anos

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Um projeto-piloto de dois anos em Bucareste utiliza janelas fotovoltaicas semitransparentes para aquecer água doméstica diretamente em corrente contínua, transformando um tanque de água comum em um reservatório térmico sem a necessidade de inversor solar ou bateria.

Por Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL

Para as pessoas que vivem em prédios residenciais, usar energia solar não é tão simples quanto para os proprietários que têm acesso aos próprios telhados.

Milhões de moradores de apartamentos não possuem área de telhado própria utilizável. Em muitos casos, as únicas superfícies diretamente disponíveis para eles são varandas, corrimãos e janelas.

Sistemas fotovoltaicos de varanda tipo plug-in tornaram-se uma resposta importante para esse problema. Mas eles também levantam outra questão: o que acontece com a eletricidade solar produzida em um momento em que o apartamento não precisa dela?

Há mais de dois anos, estamos testando uma abordagem diferente em um apartamento real em Bucareste, na Romênia.

Em vez de alimentar a instalação elétrica do apartamento com eletricidade fotovoltaica, janelas fotovoltaicas semitransparentes fornecem diretamente um aquecedor de água elétrico comum em corrente contínua.

A ideia é simples: usar o próprio aquecedor de água como armazenamento de energia.

A eletricidade solar produzida ao longo de várias horas durante o dia é convertida diretamente em calor e armazenada como água quente para uso posterior.

Não há bateria fotovoltaica nem inversor solar entre o envidraçamento fotovoltaico e o elemento de aquecimento. O lado fotovoltaico funciona fora da rede elétrica e não injeta eletricidade na rede pública.

Quando a energia solar é insuficiente, o controlador conecta o mesmo aquecedor de água à rede elétrica convencional após o pôr do sol, para que ele possa atingir o ponto de ajuste do termostato.

Dois anos de funcionamento real em residências

O sistema está instalado em uma varanda envidraçada voltada para o sul, em Bucareste.

O envidraçamento fotovoltaico possui uma capacidade nominal instalada de aproximadamente 845 Wp e fornece água quente para uso doméstico em uma residência com quatro pessoas, sendo a água quente utilizada diariamente, incluindo um banho por pessoa por dia.

A documentação do projeto anterior indicava uma capacidade nominal de 683 Wp, com base na ficha técnica do fabricante de 2021 disponível no momento da encomenda em 2022. O fabricante confirmou posteriormente que o envidraçamento entregue corresponde a modelos mais recentes e de maior potência. Ao recalcular a mesma configuração com 11 janelas usando a ficha técnica atual, obtém-se aproximadamente 845 Wp. Essa correção altera a classificação nominal STC, mas não modifica a energia medida entregue ao aquecedor de água nem a cobertura de água quente registrada abaixo.

Monitoramos o sistema ao longo de dois períodos consecutivos, de outubro a setembro.

Entre 2023 e 2024, as janelas fotovoltaicas forneceram 446 kWh ao aquecedor de água, atendendo a 46,7% da demanda energética para água quente sanitária da residência.

Entre 2024 e 2025, elas forneceram 462 kWh, cobrindo 43,7% da demanda energética para água quente sanitária.

Em ambos os períodos, a família esteve fora por aproximadamente um mês, o que significa que cada período de medição de outubro a setembro representa efetivamente cerca de 11 meses de uso real na residência.

Esses resultados são importantes porque o objetivo do sistema não é a máxima produção fotovoltaica instantânea. O objetivo é utilizar o máximo possível da energia solar disponível dentro do apartamento.

A potência nominal corrigida da placa do PV também não afeta as análises separadas de economia de água e resfriamento apresentadas mais adiante neste artigo: o cálculo da água é baseado no fluxo medido e no tempo de espera, enquanto o modelo de resfriamento se baseia na área envidraçada e nas características de ganho de calor solar, e não na potência elétrica nominal do PV.

O problema do autoconsumo solar em varandas

A Umweltbundesamt, ou UBA — a Agência Alemã de Meio Ambiente, órgão federal alemão responsável pelo meio ambiente — oferece um ponto de referência interessante.

Para um sistema fotovoltaico de varanda de 800 W, montado verticalmente e voltado para o sul, a UBA estima uma produção anual de aproximadamente 532 kWh. A agência também estima que, sem bateria, cerca de 240 kWh por ano — aproximadamente 45% — possam ser consumidos diretamente no apartamento.

A razão é fácil de entender.

Um sistema fotovoltaico convencional com plug-in fornece a carga elétrica necessária nos momentos em que o sol está gerando eletricidade.

Se o sistema fotovoltaico estiver produzindo 500 W enquanto o apartamento consome apenas 150 W, a residência não consegue consumir todos os 500 W simultaneamente, a menos que outra carga seja ativada, a energia seja armazenada ou o excedente seja exportado.

Nossa abordagem muda essa relação.

Em vez de tentar fazer a geração solar seguir a demanda elétrica instantânea do apartamento, conectamos-a a uma carga que pode absorver energia ao longo do tempo.

Um aquecedor de água é, na verdade, uma bateria térmica.

Ele pode receber 100 W, 300 W ou 500 W ao longo de várias horas, acumular essa energia na forma de calor e fornecer água quente armazenada mais tarde no dia.

Isso permite que a produção solar e seu uso real ocorram em momentos diferentes, sem a necessidade de uma bateria eletroquímica.

Por que as janelas fotovoltaicas são eletricamente diferentes de dois painéis convencionais para varandas

Há outra parte importante desse conceito que é fácil de ser negligenciada.

O sistema funciona particularmente bem não apenas porque os componentes fotovoltaicos estão conectados a um aquecedor de água, mas também porque os vidros fotovoltaicos podem oferecer uma compatibilidade elétrica muito melhor para o aquecimento de água em corrente contínua do que um sistema fotovoltaico típico de uma ou duas placas para varandas.

Um aquecedor de água elétrico possui um elemento de aquecimento resistivo fixo.

Tomemos, como exemplo, um aquecedor de água padrão de 3 kW e 230 V. O mesmo princípio elétrico se aplica a aquecedores de água com outras potências; o valor de 3 kW é usado aqui apenas como exemplo claro para comparação.

Se os módulos fotovoltaicos forem conectados diretamente a essa resistência de aquecimento, sem um inversor ou conversor DC/DC MPPT ativo, o ponto de operação depende da relação entre a tensão do arranjo fotovoltaico e a resistência do elemento de aquecimento.

Isso significa que a potência indicada no módulo fotovoltaico não é automaticamente a potência que chega ao aquecedor.

Considere dois módulos PV convencionais e modernos com capacidade nominal combinada de aproximadamente 800 Wp.

Para as características dos módulos utilizadas em nossa comparação, conectar esses dois módulos diretamente ao elemento de aquecimento de um aquecedor de água de 3 kW e 230 V resulta em uma potência máxima transferida de apenas cerca de 300 W, apesar da capacidade nominal aproximada de 800 Wp do par.

O valor exato depende das características de corrente-tensão dos módulos, mas o problema subjacente permanece o mesmo: dois módulos convencionais operam com uma tensão DC relativamente baixa em comparação com a tensão necessária para um bom ajuste com a resistência de um aquecedor de água convencional de 230 V.

Sua potência nominal de 800 W, portanto, não pode ser utilizada de forma eficiente simplesmente conectando-os diretamente ao elemento de aquecimento.

Nossa instalação com janelas fotovoltaicas se comporta de maneira diferente.

Embora a capacidade nominal instalada corrigida seja de aproximadamente 845 Wp, medimos um pico de 499 W entregue diretamente ao aquecedor de água.

Isto não significa que o vidro fotovoltaico seja inerentemente mais eficiente do que os módulos convencionais de silício cristalino. Significa apenas que a configuração elétrica é mais adequada à carga.

Em vez de um ou dois módulos de potência relativamente alta operando em baixa tensão e alta corrente, o envidraçamento fotovoltaico oferece um maior número de elementos geradores de menor potência.

Eles podem ser conectados eletricamente de modo que o conjunto atinja uma tensão DC muito mais útil, mantendo-se a potência total instalada moderada.

Potência moderada + tensão DC adequada + aquecimento resistivo + armazenamento térmico.

Essa combinação se adapta particularmente bem a um elemento de aquecimento de água resistivo.

Por que um MPPT ativo não é essencial aqui

Um conversor MPPT ativo pode aumentar a potência instantânea transferida ao aquecedor em determinadas condições de irradiação, mantendo o arranjo fotovoltaico mais próximo de seu ponto de potência máxima exata.

No entanto, o ganho em potência instantânea não se traduz diretamente em energia anual adicional útil. O tanque de água possui capacidade térmica finita, e assim que é atingido o ponto de ajuste do termostato, o aquecedor para de receber energia. Portanto, a potência extra durante o meio-dia pode fazer com que o tanque atinja sua temperatura de corte mais cedo, em vez de aumentar proporcionalmente o autoconsumo anual.

Nossa configuração já possui um equilíbrio suficientemente bom entre o arranjo fotovoltaico e a resistência de aquecimento, de modo que uma etapa MPPT ativa não é essencial para alcançar o objetivo do projeto. Qualquer ganho adicional útil também precisa ser avaliado em relação ao consumo próprio do conversor, às perdas de conversão, aos custos adicionais e à complexidade extra.

O pico medido de 499 W em um sistema fotovoltaico com aproximadamente 845 Wp mostra que a energia útil já pode ser transferida diretamente para o aquecedor com uma arquitetura muito simples.

Isto difere do exemplo com dois painéis convencionais. Com dois módulos convencionais que somam cerca de 800 Wp, a menor correspondência de tensão com um elemento de aquecimento de 3 kW/230 V torna a conversão ativa de energia muito mais importante se o objetivo for extrair algo próximo à potência fotovoltaica disponível nos módulos.

Como alternativa, vários módulos convencionais podem ser conectados em série para elevar a tensão do array.

Mas, uma vez instalados vários módulos fotovoltaicos convencionais de alta potência, a energia total disponível torna-se muito maior. Nesse ponto, usar um inversor e fornecer energia para vários equipamentos elétricos domésticos geralmente faz mais sentido do que dedicar todo o array a apenas um aquecedor de água.

É por isso que consideramos a instalação fotovoltaica em vidros e o aquecimento de água por corrente contínua uma combinação particularmente natural.

Janelas fotovoltaicas → corrente contínua direta → elemento de aquecimento → água quente armazenada.

Isso não é um argumento contra os painéis fotovoltaicos convencionais em varandas

Os painéis fotovoltaicos convencionais em varandas são uma solução excelente e ajudaram a tornar a geração solar acessível às pessoas que não possuem telhado.

Também não estamos dizendo que os módulos convencionais não possam ser usados para o aquecimento de água por corrente contínua. Eles podem sim.

Com módulos suficientes em série, uma resistência de aquecimento adequadamente selecionada ou eletrônica de potência DC/DC ativa, os módulos convencionais também podem aquecer água de forma eficiente.

A diferença é que um sistema típico de varanda, composto por um ou dois módulos convencionais de alta potência, não se adapta naturalmente a um elemento aquecedor de água padrão de 230 V.

Os envidraçamentos fotovoltaicos ocupam um nicho elétrico diferente.

A fachada ou a varanda podem conter vários elementos de envidraçamento fotovoltaico, fornecendo a tensão necessária para o aquecimento direto sem criar simultaneamente um arranjo fotovoltaico de vários quilowatts.

Isso torna o conceito especialmente interessante para apartamentos.

Armazenar energia na água em vez de em uma bateria

O tanque de água também muda a maneira como devemos pensar no dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos.

Com um sistema elétrico convencional, os usuários costumam focar em alcançar a maior potência instantânea possível.

Para o aquecimento solar direto de água, isso não é necessariamente desejável.

Se um grande conjunto fotovoltaico aquecer completamente o tanque ao meio-dia, a energia produzida posteriormente durante o dia não poderá mais ser utilizada por essa carga específica.

Um sistema fotovoltaico mais moderado pode, em vez disso, fornecer energia por muitas horas. O aquecedor acumula lentamente essa energia.

A quantidade importante, portanto, não é apenas o pico de watts, mas também os quilowatt-horas úteis armazenados durante o dia.

Os resultados de Bucareste ilustram isso. O sistema fotovoltaico com janela, de aproximadamente 845 Wp, que apresentou um pico medido de 499 W no aquecedor, forneceu 446 kWh no primeiro período de monitoramento e 462 kWh no segundo.

Isso foi suficiente para cobrir, respectivamente, 46,7% e 43,7% da demanda energética para água quente em domicílios com quatro pessoas.

Há também um benefício de economia de água

O experimento revelou ainda outro benefício que tem pouco a ver com a eficiência fotovoltaica.

Antes de usar o aquecedor de água local, o apartamento dependia da água quente fornecida centralmente.

Como acontece em muitos prédios residenciais, os moradores precisavam deixar a água correr enquanto aguardavam que ela ficasse suficientemente quente para o chuveiro.

No nosso estudo de caso em Bucareste, uma medição mostrou que a vazão do chuveiro era de 6,7 litros por minuto e que eram necessários aproximadamente cinco minutos para atingir cerca de 43°C no final de setembro.

Com base nessa medição e nos períodos de espera extrapolados sazonalmente, que variam entre cinco e oito minutos, o modelo de estudo de caso estimou aproximadamente 62,1 metros cúbicos de água por ano durante os períodos de espera para uma família de quatro pessoas que toma um banho por pessoa por dia.

Esse não é um valor universal. Os tempos de espera variam significativamente dependendo do edifício, do comprimento dos canos, do sistema de circulação e das condições operacionais.

Mas o mecanismo é universal.

Se a água quente for produzida localmente e armazenada a uma curta distância do chuveiro, o tempo de espera pode se tornar praticamente insignificante.

No nosso caso, o aquecedor de água local de 80 litros oferece, portanto, um benefício além da energia solar: reduz significativamente a água desperdiçada enquanto se espera pela chegada da água quente centralizada.

Os vidros fotovoltaicos também atuam como proteção solar

Janelas fotovoltaicas possuem outra característica que os módulos PV opacos convencionais não têm quando são simplesmente instalados em uma varanda.

Elas passam a fazer parte do envelope do edifício.

O mesmo vidro que gera eletricidade também reduz a radiação solar que entra no apartamento.

Modelamos separadamente esse efeito para o apartamento em Bucareste.

A fachada envidraçada voltada para o sul possui aproximadamente 12,9 m² de vidro, incluindo 7,92 m² de vidro fotovoltaico semitransparente.

Sob as premissas utilizadas no estudo, a substituição do vidro transparente convencional pelo vidro fotovoltaico reduz o ganho de calor solar através da fachada envidraçada como um todo em aproximadamente 40%.

Para o apartamento específico e as premissas de funcionamento do ar-condicionado utilizadas no modelo, isso corresponde a uma redução estimada no consumo de eletricidade para refrigeração de aproximadamente 433–481 kWh por verão, com um valor central de cerca de 457 kWh.

Esses números são estimativas calculadas, e não economias reais de energia do ar-condicionado medidas. A distinção é importante.

Não obstante, o cálculo ilustra uma característica fundamental das fotovoltaicas integradas a edifícios.

Os vidros podem gerar eletricidade e, ao mesmo tempo, reduzir a carga de refrigeração.

Para apartamentos com grandes áreas envidraçadas voltadas para o sul, leste ou oeste e com superaquecimento significativo no verão, esse benefício secundário pode ser particularmente relevante.

Janelas e balaustradas são superfícies que os moradores dos apartamentos podem realmente utilizar

O telhado não é o único local onde um edifício recebe radiação solar. As fachadas dos apartamentos também a recebem.

Vidros fotovoltaicos podem ser integrados em seções de janelas fixas, estruturas de varandas ou balaustradas envidraçadas.

Dessa forma, eles utilizam superfícies que já possuem função arquitetônica.

Isso não significa que os vidros fotovoltaicos sejam adequados para todas as fachadas. Orientação, sombreamento, transparência, aparência arquitetônica e aspectos econômicos precisam ser levados em consideração.

Mas, para apartamentos com grandes áreas envidraçadas expostas ao sol, a fachada pode se tornar uma superfície produtora de energia sem a necessidade de acesso ao telhado.

E quando essa eletricidade é utilizada localmente para água quente sanitária, o sistema não precisa depender do consumo simultâneo de eletricidade em domicílios.

Mantendo a arquitetura simples

Um dos objetivos do nosso projeto piloto foi evitar componentes desnecessários.

No lado fotovoltaico, não há bateria nem inversor solar. A eletricidade fotovoltaica é utilizada diretamente em corrente contínua por um elemento de aquecimento resistivo.

Quando a energia solar é insuficiente, o controlador alterna automaticamente o aquecedor para a rede de corrente alternada após o pôr do sol, para que ele possa atingir a temperatura definida pelo termostato da caldeira.

O conceito de comutação automática entre o fornecimento de rede DC fotovoltaico e o de CA também foi incluído em um pedido de patente romeno publicado pelo Escritório Estatal Romeno de Invenções e Marcas.

Mas a parte mais importante do conceito é ainda mais simples que o próprio sistema de comutação.

Trata-se da combinação de um gerador fotovoltaico integrado à fachada, com características elétricas DC adequadas, uma carga resistiva simples e um sistema de armazenamento térmico barato que as residências já necessitam no dia a dia.

Os apartamentos devem fazer parte da transição solar

A maioria das discussões sobre fotovoltaicos residenciais ainda começa pelo telhado.

Isso funciona bem para casas independentes. Para milhões de pessoas que vivem em prédios residenciais, isso não resolve o problema.

O balcão solar já demonstrou que os moradores de apartamentos desejam ter acesso à sua própria geração renovável de energia.

A próxima questão é como a superfície solar limitada disponível para eles pode ser utilizada da forma mais eficaz possível.

O nosso projeto piloto em Bucareste sugere uma abordagem possível.

Em dois períodos consecutivos de medição, as janelas fotovoltaicas forneceram 446 kWh e 462 kWh diretamente para a água quente doméstica, atendendo a 46,7% e 43,7% da demanda energética de água quente da residência.

A residência é composta por quatro pessoas que utilizam água quente diariamente.

A mesma instalação também oferece sombreamento solar, enquanto a produção local de água quente pode reduzir as perdas hídricas associadas à espera pela água quente centralizada.

O mais importante é que o sistema demonstra que a eletricidade fotovoltaica nem sempre precisa ser convertida em CA, armazenada em uma bateria ou exportada para a rede antes de se tornar útil.

Às vezes, o sistema de armazenamento mais eficaz já está dentro do apartamento.

Trata-se de um tanque d’água.

E, no caso dos vidros fotovoltaicos, a combinação de uma tensão DC mais alta e útil, potência moderada e armazenamento térmico pode tornar o uso direto da energia em DC uma das formas mais naturais de aproveitar a eletricidade que eles geram.

O kilowatt-hora solar mais valioso pode não ser aquele produzido pelo maior sistema. Pode ser o gerado no terraço, armazenado como água quente e utilizado pela mesma família algumas horas depois.

Medições mensais e cálculos detalhados de apoio estão disponíveis com o autor mediante solicitação.