Junho 02, 2020

Login to your account

Username *
Password *
Remember Me

Create an account

Fields marked with an asterisk (*) are required.
Name *
Username *
Password *
Verify password *
Email *
Verify email *
Captcha *
Reload Captcha
Image
Image

Introdução

Neste artigo vamos falar sobre os componentes internos do inversor solar para a conexão à rede elétrica. Esse tipo de inversor, conhecido como grid-tie, é empregado nos sistemas de geração distribuída e nas usinas fotovoltaicas centralizadas. Em uma ou em outra aplicação os componentes são semelhantes, mudando apenas as dimensões e sua forma de organização. Um inversor de 1 MW basicamente tem os mesmos componentes e os mesmos sistemas de controle do seu irmão menor de 10 kW, por exemplo.

Inversor é tudo igual? Num mercado em que as pessoas ainda não se convenceram da importância de usar conectores no lugar de emendas com fita isolante, fica difícil explicar a importância da escolha cuidadosa do inversor.

Por fora, bela viola: todos os inversores são mais ou menos parecidos... apenas por fora. Alguns têm design futurista, enquanto outros são mais antiquados. Alguns trazem display e teclado para a comunicação com seres humanos, enquanto outros já aboliram essa interface obsoleta (como o inversor da foto abaixo), que pode ser substituída por um aplicativo de celular.

Afinal, o que é importante analisar na escolha de um inversor solar? Existe no inversor algum tipo de beleza interior? Parafraseando (e corrigindo) o saudoso poeta: que me perdoem os feios, mas beleza interior é fundamental.

Por fora do inversor

Existem dezenas de marcas de inversores solares atualmente disponíveis no mercado brasileiro. Consigo me lembrar de algumas: Fronius, SMA, Sungrow, Huawei, Omnik, Solar Edge, APS, ABB (que saiu do mercado), Growatt, Solis, Refusol, Delta e... agora não me recordo de mais nenhuma.

Por que essas marcas são lembradas? Porque investem em muito marketing e são conhecidas ou porque têm algum diferencial? Para que este artigo não seja taxado de tendencioso, vamos nos aprofundar tecnicamente no lugar de nos atermos a marcas, grifes ou opiniões.

Se é possível determinar um filtro inicial para a escolha dos inversores, além do status que suas marcas possuem, podemos considerar os seguintes aspectos: tempo de existência do fabricante, participação no mercado mundial, prazo de garantia, presença de assistência técnica local, ferramentas e canais de suporte, qualidade do atendimento pós-venda, preço (importante!) e... qualidade.

Figura 1: Inversor solar fotovoltaico do tipo grid-tie.

A qualidade é quase sempre o item mais complicado para se avaliar. Todos os inversores comercializados no Brasil, até o limite de 10 kW, devem possuir certificação INMETRO. Muitos acreditam que essa certificação é um atestado de qualidade, mas não é. A certificação apenas afirma que o equipamento passou em uma sequência de testes e atende alguns requisitos. Nada se pode afirmar, com ou sem o selo do INMETRO, sobre a qualidade dos componentes internos do inversor.

Acima de 10 kW a situação fica pior: não é necessário o selo do INMETRO. Os fabricantes normalmente fornecem, por imposição das concessionárias de energia, seus certificados internacionais. E voltamos ao mesmo ponto: esses certificados nada dizem sobre a qualidade do que tem dentro da caixa.

Quem compra um inversor não sabe o que tem lá dentro. Assim como a maioria dos compradores de carros (como eu) não avalia o motor escondido sob o capô. A gente quer já sair acelerando sem se preocupar. Mas não é bem assim.

Por dentro do inversor

O inversor solar é um equipamento eletrônico complexo, composto por uma estrutura básica de transistores de potência, placa de controle com microprocessador, filtros de entrada e saída e sistemas auxiliares de interface e comunicação.

Além desses componentes, que constituem o hardware do inversor, ainda há sofisticados sistemas de controle e proteção embutidos na programação do microprocessador. É muita tecnologia! Se você quiser entender um pouco sobre o funcionamento de inversor, recomendo ler este outro artigo meu: Funções e requisitos técnicos dos inversores fotovoltaicos - Parte I

Toda essa tecnologia é para que você, usuário, possa viver tranquilo e não se preocupar em saber se o inversor está operando corretamente ou não. O sistema fotovoltaico deve ser transparente para o usuário. Não precisamos a todo momento lembrar que ele existe. Tudo o que queremos é que energia produzida pelos painéis solares (em corrente contínua) seja eficientemente e seguramente injetada na rede elétrica (na forma de corrente alternada). E no final do mês queremos nos livrar da conta de energia.

Preciso abrir o meu inversor antes de comprar? No que este artigo vai ser útil para mim? Veja bem... ninguém precisa sair por aí desmontando inversores. Mas uma coisa é verdade: essas marcas “famosinhas” não ganharam notoriedade por acaso. Os grandes players do mercado, que possuem as maiores fatias de vendas, investem pesadamente em qualidade e desenvolvimento tecnológico. Os grandes não são grandes ao acaso, pelo menos “no que se refere” (emprestando o cacoete de uma notória colega) aos inversores.

Figura 2: Os principais componentes e blocos internos de um inversor solar grid-tie.

A seguir vamos ver alguns componentes de um inversor da marca SMA. Na minha opinião os equipamentos da SMA, ao lado de Fronius, Sungrow, Solis e Solar Edge (marcas que considero de primeira linha) são as “Ferraris” do mercado solar. A respeito de SMA e Fronius posso falar com mais propriedade, pois são equipamentos que já usei, testei e desmontei para olhar por dentro.

Capacitores, os grandes vilões

Vamos começar avaliando os capacitores eletrolíticos do barramento CC. Esses componentes estão presentes em todos os inversores solares e também em qualquer outro equipamento que possua entrada em corrente contínua. A função desses capacitores é manter constante a tensão de entrada do inversor e também filtrar ondulações nas correntes.

Embora necessários, os capacitores são um problema para os inversores. Junto com os transistores de potência, talvez até antes deles, os capacitores são os componentes mais propensos a defeitos e falhas. Normalmente é o capacitor que limita a vida útil do equipamento. Nem é preciso dizer que bons capacitores são necessários para produzir um inversor com durabilidade prolongada.

Vamos ver a seguir dois equipamentos de mesmo porte, lado a lado. Por fora já sabemos que são bonitinhos. Agora vamos olhar seus interiores. De longe são muito parecidos, mas a inspeção dos componentes internos revela diferenças notáveis.

 

Figura 3: Dois inversores lado a lado. São muito parecidos quando vistos de longe.

Olhando mais de perto vemos a diferença de qualidade nos capacitores eletrolíticos dos dois equipamentos. O inversor genérico emprega capacitores de um fabricante também genérico. Minha primeira hipótese é que os capacitores estão ligados em paralelo. Sendo assim,  a tensão nominal dos capacitores (315V) é muito próxima do limite operacional. Isso reduz a capacidade do equipamento  de suportar surtos e sobretensões. Minha segunda hipótese diz que os capacitores podem estar ligados em série, o que reduz sua capacitância pela metade, mas duplica a tensão de trabalho. Não seria recomendável essa configuração (espero que não seja a hipótese verdadeira) por dois motivos: a ligação série provoca o desbalanço da tensão entre os componentes, além de elevar grandemente a resistência interna ESR.

ESR é a sigla de “Equivalent Series Resistance”. Traduzindo: é uma resistência elétrica que todo capacitor eletrolítico possui. Essa resistência, além de dificultar o funcionamento do componente no exercício da sua função, provoca o aquecimento do componente, levando-o de forma mais rápida ao final da sua vida. Você já viu uma placa eletrônica antiga com aqueles capacitores estufados? A principal causa disso é o ESR.

No equipamento da SMA, por outro lado, encontramos um conjunto de capacitores eletrolíticos da marca EPCOS. Sem querer fazer propaganda, há de se reconhecer: os melhores equipamentos mundiais (inversores solares ou qualquer outra coisa) geralmente são equipados com capacitores dessa marca. Nem é preciso dizer mais nada... mas vamos continuar. Vejamos que os capacitores empregados no SMA têm tensão nominal de 550V, superior à tensão máxima operacional. Na folha de dados o fabricante especifica uma faixa operacional de tensão e um limite absoluto. Esse limite é justamente a tensão máxima que o capacitor suporta nos seus terminais, de acordo com suas especificações. Vemos então que os capacitores do equipamento SMA trabalham folgados em relação à tensão. Além disso, seguramente posso afirmar que os capacitores estão ligados em paralelo. Sendo seis capacitores, a ESR total é reduzida a 1/6 da ESR individual de cada componente.

Figura 4: Capacitores eletrolíticos empregados nos inversores.

Transistores de potência

Vamos mais a fundo em nossa investigação. Desmontamos os inversores para analisar os seus componentes mais de perto.

Um componente importante do inversor é o transistor eletrônico de potência. Juntamente com os capacitores eletrolíticos, o transistor é um dos componentes mais críticos do equipamento. 

Os transistores de potência funcionam como chaves liga-desliga em um processo denominado chaveamento. O inversor solar é um conversor eletrônico chaveado (como as fontes de alimentação de computadores, por exemplo). Tipicamente um transistor liga e desliga cerca de 30 mil vezes por segundo. Imagine isso durante várias horas, dias e anos de funcionamento. O transistor é submetido a um estresse muito grande e em algum momento vai falhar, pois sua vida útil é limitada. A escolha e o dimensionamento dos transistores são fundamentais para determinar a durabilidade de um conversor eletrônico.

A seguir mostramos algumas informações a respeito dos transistores empregados nos dois equipamentos que estamos analisando.

Figura 5: Transistores de potência empregados nos inversores.

 

Figura 6: Preços dos transistores em um distribuidor internacional. Fonte: Mouser

 

Figura 7: Folha de dados do transistor empregado no inversor SMA.

 

Figura 8: Folha de dados do transistor empregado no inversor genérico.

Análise comparativa: capacitores e transistores

O inversor SMA de 3000W usa capacitores para 550V e transistores para 150A (em temperatura de 25oC). O inversor genérico de 5000W usa capacitores de 315V e transistores de 120A.

O primeiro fabricante tem o cuidado de superdimensionar os seus componentes, entregando ao mercado um equipamento confiável e durável. Por outro lado, o inversor genérico usa os componentes com pouca folga. Qual dos equipamentos você acha que vai falhar primeiro? 

O inversor SMA emprega um transistor de maior capacidade, que custa $1,11 mais caro do que o transistor do inversor genérico. Isso dá uma diferença grande no custo final do equipamento (pois são empregados 5 transistores), levando ao sobrepreço do produto final. É verdade que esse não é o preço que o fabricante vai pagar pelo componente. Estamos fazendo apenas uma análise comparativa de custo usando como referência os valores de um distribuidor varejista. A mensagem importante é: o fabricante SMA optou por usar em seu equipamento de 3000W um transistor mais robusto e mais caro, enquanto o fabricante genérico emprega um transistor mais barato e inferior para um equipamento de 5000W.

Você percebeu o que estamos falando? O inversor da SMA usado nesta comparação tem potência nominal de 3000W, enquanto o genérico é de 5000W. Ou seja, estamos forçando esta comparação de forma muito tendenciosa. É verdade: estamos favorecendo o inversor genérico. Como se diz popularmente, estamos comparando bananas com laranjas... e mostrando como as laranjas são superiores.

Não é nenhum segredo na indústria eletrônica que os transistores, nos melhores projetos, devem trabalhar com uma boa folga. Isso eleva a vida útil do componente e reduz o MTBF (Mean Time Between Failures), uma figura de mérito muito conhecida na indústria. Em interpretação livre, o MTBF é o tempo que um determinado equipamento (em média) demora para falhar.

Por último, olhando novamente para os capacitores, observe na tabela a tensão ótima de trabalho de cada inversor, considerando a potência nominal e a corrente máxima de entrada especificada pelo fabricante. A tensão de operação do inversor SMA é bem distante da tensão nominal dos capacitores. Capacitores super-dimensionados não são um preciosismo do fabricante. O (bom) inversor solar foi feito para ter uma vida útil de pelo menos 15 anos. O inversor genérico, por outro lado, tem uma tensão de operação próxima da tensão máxima dos capacitores e sua expectativa de vida é muito menor.

Figura 9: Características informadas nas etiquetas dos inversores.


Chave seccionadora de corrente contínua 

A chave seccionadora é um componente de pequena importância no inversor. Sua única função é seccionar. Só isso. Quantas vezes na vida de um inversor alguém vai acionar a chave liga/desliga, que conecta o circuito dos módulos fotovoltaicos ao inversor? Quase nunca, você deve estar pensando – e com razão.

O que poucas pessoas sabem é que essa chave, que é tão pouco usada, tem que funcionar muito bem na hora em que for solicitada. Duas características são importantes na chave seccionadora: capacidade de condução de corrente durante a operação normal do inversor e capacidade de seccionamento da corrente.

A primeira característica (capacidade de condução) garante que a chave tenha perdas ôhmicas pequenas e não alcance temperaturas elevadas durante a operação normal. A segunda (capacidade de seccionamento) garante que o componente vai ser capaz de interromper a corrente sem produzir um arco elétrico, mesmo com o inversor em funcionamento, o que poderia causar derretimento do componente e incêndio.

Figura 10: Chave seccionadora não rotativa empregada no inversor SMA.

As chaves seccionadoras usadas na maior parte dos inversores solares empregam mecanismos rotativos. As chaves seccionadoras são conhecidas como causadoras de problemas nos circuitos de corrente contínua, pois sua capacidade de interrupção de arco elétrico é muito limitada.

Existe ainda um fato pouco conhecido no mercado, que é discretamente mencionado em alguns manuais de equipamentos: a chave rotativa requer o acionamento intencional durante algumas vezes por ano com o objetivo de proporcionar a limpeza dos contatos.

Basicamente você tem que ir até o inversor algumas vezes ao longo do ano, durante todos os anos de vida do equipamento, para limpar os contatos da chave. Ao deixar de fazer isso você está violando as recomendações do fabricante e reduzindo o tempo de vida do componente (e do inversor consequentemente).

A questão das chaves rotativas sempre vai ser um problema na maior parte dos equipamentos. Na próxima vez em que você for ler um manual de inversor, procure alguma orientação sobre a manutenção da chave seccionadora.

O inversor que tomamos como referência neste artigo emprega um tipo especial de chave seccionadora não rotativa. Essa chave é fabricada pela MERZ e equipa todos os inversores da SMA. É um detalhe pouco conhecido e que passa despercebido para a maior parte dos consumidores. Você só vai saber disso olhando dentro do inversor.

As chaves seccionadoras não rotativas possuem um mecanismo de contato por compressão. Além de garantir bom contato elétrico durante a operação do equipamento, o seccionamento (abertura do circuito sob carga) é muito rápido. Ao girar o botão manualmente o usuário produz a liberação de uma trava que instantaneamente abre os contatos, produzindo de forma segura a extinção do arco elétrico.

Além disso, as chaves não rotativas não requerem, de acordo com o fabricante, a manutenção preventiva. Não é necessário fazer nada. Um inversor solar equipado com esse tipo de chave pode funcionar durante muitos anos sem que a gente precise fazer nenhum tipo de ação sobre ele.

Um comentário importante, complementando o que eu disse acima: é recomendável, entretanto, inspecionar todas as instalações elétricas periodicamente, incluindo as conexões elétricas dos módulos fotovoltaicos aos inversores. Neste caso me refiro às instalações e não propriamente ao inversor.

Beleza interior

Por último, o quesito “boniteza”. É um aspecto subjetivo e pouco técnico. Mas existe algo que costumo dizer sempre: instalações elétricas e placas eletrônicas devem ser bonitas e esteticamente agradáveis. A beleza, que não é o que realmente importa, revela a preocupação com o projeto e o capricho na montagem.

Olhando mais de perto os dois equipamentos vemos diferenças no design que chamam a atenção. O equipamento genérico (com todo o respeito) tem um certo ar de montagem caseira, enquanto o SMA parece uma obra de arte, dando a impressão de que seu projeto foi cuidadoso (e passou por muitos anos de  desenvolvimento e amadurecimento) e sua montagem é majoritariamente mecanizada, exceto nos encaixes das placas e dos cabos de potência e de comunicação.

Vou ser criticado por alguns leitores por essa análise subjetiva a respeito da beleza interior dos inversores, mas essa diferença de fato se nota. Convido o leitor a algum dia abrir inversores de diferentes marcas e inspecionar visualmente cada detalhe. Beleza se põe na mesa, sim, ao contrário do que diz o provérbio.

Tire suas próprias conclusões:

Figura 11: Beleza interior: inversor genérico x SMA.

Conclusão

A conclusão deste artigo é mais ou menos isso: é melhor você pagar mais caro por um equipamento que vai durar mais tempo e não vai te decepcionar. Este é um caso em que o mais caro é melhor, sem dúvidas.

Nem sempre você vai conseguir olhar dentro de um equipamento para saber se ele é melhor ou pior do que outro. Então pesquise a respeito dos fabricantes, da sua reputação, da sua estrutura de atendimento, do seu prazo de garantia e outras coisas que mencionei no começo do artigo.

O melhor critério de escolha é o tempo de garantia do equipamento, que normalmente está diretamente relacionado com a confiança que o fabricante tem no seu próprio equipamento. Em segundo lugar, na minha opinião, é muito importante a disponibilidade do fabricante para dar suporte e manutenção caso o seu equipamento venha a falhar.

Boa sorte na sua escolha! E quando o seu inversor falhar depois de 2 anos de uso, não diga que não avisei.


Publicidade:

Avalie este item
(4 votos)
Última modificação em Terça, 11 Fevereiro 2020 02:14
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP (http://www.lesf.com.br). Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. É autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

www.cursosolar.com.br
Image
© 2019-2020 Canal Solar | www.canalsolar.com.br