Desenvolvimento de estrutura polimérica modular para integração de células fotovoltaicas em fachadas

Neste contexto, o projeto Solar Sandwich oferece uma solução de um suporte polimérico, que permite a integração funcional de múltiplos elementos num único componente estrutural complementado com um painel de células fotovoltaicas. Este suporte foi concebido tendo em conta a sua aplicação em fachada, podendo ser adaptado para outras superfícies arquitetónicas, privilegiando a facilidade de instalação, a adaptação a diferentes configurações e a compatibilidade com os requisitos de certificação portuguesas e europeias.

O projeto vai ao encontro aos princípios da sustentabilidade, nomeadamente através da redução de material, otimização estrutural, diminuição de peso do sistema e seleção criteriosa de materiais com elevada durabilidade e com a potencialidade de reciclagem após o fim de vida.

Design de geometria

O suporte polimérico foi desenvolvido como um módulo adaptável a diferentes dimensões de painéis fotovoltaicos flexíveis, através do encaixe direto de dois módulos, sem necessidade de componentes adicionais. A modularidade assume um papel central no projeto, facilitando a montagem, desmontagem e manutenção, ao mesmo tempo que reduz o tempo de instalação.

Em mais pormenor, a geometria do suporte apresenta duas zonas funcionais: uma face exterior dedicada à integração do painel fotovoltaico flexível e uma face interior destinada à fixação à fachada e à integração dos componentes elétricos. A face exterior inclui superfícies planas contínuas que asseguram a colagem eficaz do painel e contribuem para a estabilidade estrutural, bem como canais de ventilação que promovem a circulação de ar e favorecem o arrefecimento das células. Esta abordagem permite melhorar o desempenho térmico e a durabilidade do sistema em condições reais de operação.

Na face interior, foram integrados suportes para encaminhamento de cabos e para a fixação do microinversor, garantindo uma instalação organizada, segura e protegida durante o transporte e utilização. O sistema de fixação à fachada baseia-se num mecanismo de encaixe por pressão em perfil de alumínio, eliminando a necessidade de parafusos ou colas e permitindo uma montagem rápida e reversível.

Todos os encaixes foram desenhados para extração direta do molde, sem movimentos laterais, assegurando compatibilidade com processos de moldação por injeção eficientes e economicamente competitivos.

Material

O material polimérico utilizado foi selecionado com base nos requisitos essenciais do produto:

• propriedades mecânicas, para resistir aos esforços a que estará sujeito em utilização;
• resistência UV, crucial para garantir longevidade em ambientes exteriores;
• resistência à chama, cumprindo critérios de prevenção de risco elétrico e incêndio;
• gama de temperaturas de serviço alargada, para suportar as variações térmicas do ambiente no qual poderá estar inserido;
• baixa densidade, contribuindo para garantir a leveza do sistema;
• baixo coeficiente de expansão térmica linear;
• processabilidade por moldação por injeção.

Validação estrutural

O conceito desenvolvido foi avaliado por simulação numérica para solicitações de pressão e sucção do vento, conforme ilustrado na Figura 1, considerando todos os elementos do sistema, nomeadamente dois módulos do suporte polimérico, o painel fotovoltaico flexível e o microinversor. O modelo de simulação adotado foi desenvolvido em conformidade com os critérios do Eurocódigo aplicáveis a este tipo de análise.

Figura 1 - Modelos de simulação de a) pressão e b) sucção do vento.

Os resultados numéricos demonstraram que, tanto para pressão, como sucção do vento, o conceito desenvolvido apresenta um comportamento estrutural adequado, não comprometendo a sua integridade nem a utilização prevista.

Adicionalmente, avaliou-se a resposta do suporte à queda de gelo (Figura 2), tendo sido desenvolvido um modelo de simulação de acordo com a IEC 61215. Com base nessa norma, foi adicionada ao modelo a representação de uma esfera, simulando uma pedra de granizo. A esfera foi posicionada de modo a impactar uma das extremidades do suporte, considerada representativa das zonas potencialmente sujeitas a este tipo de solicitação.

Através da análise de resultados desta simulação verificou-se que a tensão máxima induzida pelo impacto do gelo permanece abaixo da tensão de cedência do material. Esta tensão máxima é apenas observada na superfície do suporte onde existe o impacto do gelo, pelo que não se espera que seja promovido um enfraquecimento considerável da estrutura (Figura 3).

Quanto à deformação da estrutura devido ao impacto de gelo, que pode ser observada na Figura 4, verifica-se que, após o impacto do gelo, o suporte apresenta uma ligeira oscilação, refletindo a resposta dinâmica da estrutura ao choque.

Sustentabilidade

A sustentabilidade foi incorporada como princípio transversal desde a fase de conceção. Para além da eficiência material e geométrica, destacam-se:

• redução significativa de componentes metálicos sobremoldados, diminuindo a complexidade de reciclagem;
• escolha de polímeros tecnicamente recicláveis e com potencial de incorporação de material reciclado;
• diminuição da massa global da estrutura, reduzindo emissões de transporte;
• prolongamento da vida útil devido a resistência UV e ao controlo de degradação térmica;
• integração funcional que reduz falhas e aumenta durabilidade, diminuindo substituições e resíduos.

Esta abordagem contribui para a criação de produtos fotovoltaicos mais alinhados com metas europeias de circularidade e menor pegada de carbono.

A integração funcional numa única estrutura polimérica permite reduzir custos de instalação, melhorar a fiabilidade e preparar os produtos para certificação internacional. O projeto demonstra como a engenharia de detalhe ao nível de encaixes, reforços, materiais e interfaces elétricas, pode elevar a competitividade de módulos fotovoltaicos orientados para aplicações em fachada.

Agradecimentos

Trabalho realizado no âmbito do projeto Solar Sandwich foi financiado no programa COMPETE2030-FEDER-00573900 e o acordo de subvenção nº 14380.