Junho 02, 2020

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MLPE e otimizadores de potência para módulos fotovoltaicos

Marcelo Gradella Villalva, PhD
Professor de Engenharia Elétrica e Especialista em Sistemas Fotovoltaicos
LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP
www.lesf.com.br


Introdução

Neste artigo vamos abordar as vantagens oferecidas pelos otimizadores de potência como solução para o problema causado pelas sombras nos sistemas fotovoltaicos. Antes da leitura deste artigo talvez você se interesse por estas publicações relacionadas: Entendendo as curvas IV e PV dos módulos fotovoltaicos, Entenda os otimizadores para sistemas fotovoltaicos, Entendendo o efeito das sombras parciais nos sistemas fotovoltaicos

Curva I-V e P-V dos módulos e arranjos fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos possuem um comportamento elétrico que é descrito por sua curva de corrente e tensão (I-V). O produto da tensão e da corrente dá origem à curva de potência e tensão (P-V). Se você tem um módulo, um string (módulos ligados em série) ou um arranjo (vários strings ligados em paralelo), sempre vão existir curvas I-V e P-V equivalentes, como mostramos nas ilustrações abaixo.

Figura 1: Curvas I-V e P-V de um módulo, um string e um arranjo fotovoltaico.

As curvas I-V e P-V dos módulos, strings ou arranjos fotovoltaicos teriam sempre esse mesmo formato se os módulos de uma instalação estivessem sempre sujeitos à mesma intensidade de luz. Sabemos que isso nem sempre é verdade. Nas usinas solares isso até pode acontecer, mas nas instalações em telhados, principalmente nas regiões urbanas, a situação é bem diferente. Um único string ou um único módulo sombreado pode derrubar a geração de energia de um sistema inteiro.

Figura 2: Curvas I-V e P-V de strings com sombreamentos uniforme e parcial.

Na Figura 2 vemos o que acontece quando apenas alguns módulos de um string recebem sombra. Isso é o que chamamos de sombreamento parcial. A mesma situação pode ser encontrada em sistemas com vários strings em paralelo, mesmo se apenas um dos strings tiver uma pequena parte dos módulos sombreados.

O problema apontado na Figura 2 é a presença de vários pontos de máxima potência nas curvas I-V e P-V, um fenômeno que ocorre nas situações de sombreamento parcial dos módulos fotovoltaicos de um sistema. Na curva I-V o ponto de máxima potência localiza-se no joelho da curva, enquanto na curva P-V o ponto de máxima potência é localizado no pico do gráfico.

Mas qual é o problema causado pela presença de múltiplo pontos de máxima potência? Para entender isso é necessário compreender o funcionamento do inversor fotovoltaico. Existe um sistema de controle em todo inversor fotovoltaico denominado MPPT (maximum power point tracker), que em tradução livre significa “rastreador do ponto de máxima potência”. Alguns autores brasileiros gostam do nome “seguidor” no lugar e “rastreador”. É uma questão de gosto, que não se discute. Vamos seguir em frente neste artigo com o termo “rastreador”.

O que faz o MPPT - rastreador do ponto de máxima potência?

Quando ligamos um conjunto de módulos à entrada do inversor, respeitadas as características do equipamento, ele não sabe quantos nem quais módulos estão conectados. O inversor não tem conhecimento sobre o modelo dos módulos, a potência, a quantidade de módulos ligados e série – não sabe absolutamente nada! A única coisa que o inversor sabe é que ele deve extrair energia dos módulos e convertê-la em corrente alternada.

O módulo fotovoltaico possui um ponto ótimo de operação que é o seu ponto de máxima potência – localizado no joelho da curva I-V ou no pico da curva P-V, como já falamos. Uma das funções do inversor fotovoltaico é ajustar o ponto de operação dos módulos, fazendo-os operar o mais próximo possível do seu ponto de máxima potência.

Já que o inversor não conhece as características dos módulos que estão ligados a ele, deve haver algum meio de “rastrear” o ponto de máxima potência. Essa é a função do sistema de MPPT existente em todos os inversores solares grid-tie, empregados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica.

O sistema de MPPT permite buscar o ponto de máxima potência do módulo fotovoltaico (ou do conjunto de módulos) através de pequenas perturbações. O inversor aumenta um pouco a tensão de operação dos módulos e observa o que aconteceu. Se a potência aumentou, ele continua aumentando ainda mais. Se a potência diminuiu na primeira perturbação, então o algoritmo instrui o inversor a andar para o lado oposto, diminuindo a tensão para observar se a potência vai aumentar ou diminuir.

Esse método simples, denominado “perturbação e observação”, equipa a quase totalidade dos inversores solares grid-tie. A ideia do algoritmo consiste em provocar ligeiras perturbações na tensão dos módulos e observar o que acontece como resultado. Dessa forma o inversor vai rastreando as curvas I-V e P-V em busca do ponto de máxima potência.

Figura 3: Funcionamento do algoritmo de MPPT de “perturbação e observação” com uma curva P-V normal (sem sombras ou com sombreamento uniforme).

Figura 4: Algoritmo de MPPT preso a um máximo local em situação de sombreamento parcial dos módulos fotovoltaicos.

O algoritmo de perturbação e observação funciona muito bem quando tudo está perfeito, ou seja, quando todos os módulos têm a mesma intensidade de luz. Neste caso o inversor será capaz de encontrar o ponto máximo da curva P-V.

Entretanto, em situações de sombreamento parcial a maior parte dos inversores não vai conseguir encontrar o ponto de máxima potência do sistema pelo fato de existirem vários máximos, como ilustra a Figura 4. Neste exemplo existe um máximo global (que seria o ponto ótimo de operação do sistema) e um máximo local de baixa potência.

Em casos somo o ilustrado na Figura 4, que ocorrem em situações de sombreamento parcial, o  mecanismo de MPPT vai quase sempre ficar preso a algum ponto de máximo local, sendo incapaz de enxergar a existência do máximo global. O que isso significa na prática? Traduzindo em linguagem simples: você pode ter um sistema de 10 kW que vai fornecer apenas 300W por causa de uma simples sombra existente em apenas 1 módulo d instalação.

Deve haver um modo de nos protegermos das sombras parciais, que são uma situação muito comum nos sistemas fotovoltaicos. O que podemos fazer? Existem várias estratégias, que incluem a separação dos módulos em conjuntos menores, a adoção de tecnologias de inversores e otimizadores (tecnologias MLPE, sobre o que vamos falar a seguir) ou o uso de inversores com algoritmos inteligentes de MPPT (assunto sobre o qual vamos falar em outro artigo).

MLPE - Eletrônica embarcada no módulo

A eletrônica embarcada no módulo fotovoltaico é uma boa tradução para a expressão MLPE (module level power electronics), que tem se tornado bastante conhecida na literatura. Ter a eletrônica embarcada nos módulos significa que levamos a eletrônica até perto dos módulos, em vez de levarmos as conexões elétricas dos módulos por meio de longos cabos até os inversores tradicionais.

Um exemplo muito conhecido de MLPE são os microinvesores, aqueles pequenos inversores que são instalados nos telhados, junto aos módulos, dispensando o uso de inversores de strings. Vamos falar sobre os microinvesores em outro artigo. Neste artigo quero apresentar aos leitores os otimizadores de potência, que são os irmãos mais novos dos microinversores, mas são um pouco diferentes.

Figura 5: Conceito de MLPE: a eletrônica é levada para perto dos módulos fotovoltaicos. Exemplos de soluções MLPE para sistemas fotovoltaicos são os microinversores e os otimizadores de potência.

A eletrônica embarcada no módulo é uma alternativa ao inversor grid-tie tradicional. Por “tradicional” nós entendemos aqueles inversores que recebem nas suas entradas um ou mais strings com um certo número de módulos ligados em série. É o que chamamos de string inverter (inversor de strings) ou inversor central, nome que damos aos inversores de grandes potências empregados nas usinas solares.

Otimizadores de potência: a última tecnologia em MLPE

Otimizadores de potência para módulos fotovoltaicos são pequenos conversores eletrônicos que podem ser instalados diretamente nos terminais dos módulos fotovoltaicos. Os otimizadores podem ser afixados embaixo dos módulos, nos mesmos trilhos de fixação, ou podem ser colados diretamente nas superfícies traseiras ou presos às molduras dos módulos.

O otimizador é essencialmente um conversor de energia CC-CC, com entrada e saída em corrente contínua. A função do otimizador é servir como um estágio intermediário de conversão de energia entre os módulos fotovoltaicos e o inversor. No lugar de strings de módulos ligados ao inversor, como nas soluções tradicionais, encontramos strings de módulos com otimizadores.

Nos sistemas fotovoltaicos com otimizadores os módulos não são diretamente conectados entre si, como vemos na figura abaixo. Cada módulo é ligado ao seu próprio otimizador. Os otimizadores são ligados sem série, formando strings que depois são ligadas aos inversores. A diferença entre um string tradicional e um string com otimizadores é mostrada nas figuras a seguir.

Figura 6: String tradicional e string com otimizadores de potência.

Qual é a vantagem dos otimizadores? A melhor resposta é que cada módulo fotovoltaico passa a ser monitorado e otimizado pelo seu próprio otimizador. A principal função do otimizador é buscar o ponto de máxima potência de cada módulo individualmente. Essa busca é feita de forma dedicada, desacoplando cada um dos módulos de um sistema fotovoltaico.

O efeito prático disso é que a influência das sombras parciais é praticamente eliminada sobre o sistema fotovoltaico como um todo. Somente os módulos sombreados sofrem a influência da sombra, com a redução da geração em função da menor intensidade de luz recebida. Entretanto, a presença de sombras em alguns módulos não afeta os demais módulos do sistema. Os módulos não sombreados continuam operando normalmente, cada um com a sua própria curva I-V e sua curva P-V, sem a existência de máximos locais e sem qualquer impacto no restante do sistema causado pelos módulos sombreados.

Figura 7: O efeito das sombras parciais é eliminado com o uso de otimizadores, pois cada módulo passa a ter o seu MPPT individual. No caso do string tradicional o MPPT atua sobre o conjunto todo, correndo o risco de ficar preso a um máximo de potência local.

Figura 8: Sistema fotovoltaico com otimizadores da Solar Edge. Além da principal vantagem dos otimizadores (imunidade a sombras) é possível monitorar individualmente a produção de dos módulos, o que possibilita uma visão detalhada do desempenho do sistema. Fonte: Solar Edge

Existem poucos fabricantes mundiais de otimizadores fotovoltaicos. Essa é uma tecnologia relativamente nova no mercado e as soluções existentes são cobertas por um grande número de patentes. Solar Edge, Tigo e Maxim são exemplos de empresas que desenvolvem tecnologias de otimizadores para módulos fotovoltaicos. A Solar Edge possui uma grande fatia do mercado mundial e suas soluções são as mais conhecidas. No Brasil já existem diversos sistemas em funcionamento com essa solução.

Os otimizadores estão tornando-se muito populares no Brasil. O modo de instalação é semelhante ao dos microinverores. Os equipamentos são posicionados embaixo dos módulos, como mostramos nas figuras a seguir.
 

Figura 9: Instalação genérica: otimizadores de potência são instalados de forma semelhante aos microinversores, permanecendo sob os módulos fotovoltaicos e normalmente presos aos mesmos trilhos de suporte. Fonte: divulgação

Figura 10: Instalação em telhado: otimizadores de potência são instalados de forma semelhante aos microinversores, permanecendo sob os módulos fotovoltaicos e normalmente presos aos mesmos trilhos de suporte. Fonte: divulgação

Figura 11: Instalação em usinas: otimizadores de potência são instalados de forma semelhante aos microinversores, permanecendo sob os módulos fotovoltaicos e normalmente presos aos mesmos trilhos de suporte. Fonte: divulgação 

Figura 12: Instalação genérica: otimizadores de potência podem ser fixados diretamente à moldura dos módulos fotovoltaicos. Fonte: divulgação

Vantagens dos otimizadores

Imunidade a sombras

Imunidade a sombras talvez seja, na opinião do autor deste artigo, a principal vantagem dos otimizadores. Existem opiniões divergentes acerca do principal benefício dos otimizadores, diante das inúmeras vantagens que eles oferecem. Alguns especialistas afirmarm que a redução de perda por mismatch de potência (sobre o que vamos falar logo a seguir) é a principal vantagem.

Vai instalar um sistema fotovoltaico em telhado com a presença de chaminés, árvores, prédios ou qualquer obstáculo que possa causar sombras? Nem pense duas vezes: o emprego de otimizadores pode maximizar a eficiência do sistema fotovoltaico e proporcionar um resultado muito superior ao que seria obtido com inversores convencionais.

Instalação de módulos em condições e características distintas

As sombras não são os únicos problemas que podem ser resolvidos pelos otimizadores. Os otimizadores facilitam bastante a vida do projetista e podem viabilizar projetos muito complexos em que existem módulos distribuídos em várias águas de telhados, com diferentes inclinações  e orientações azimutais (orientação azimutal é a direção para onde o painel está orientado: norte, sul, leste, oeste etc).

Com inversores tradicionais recomenda-se nunca misturar no mesmo string ou na mesma entrada de MPPT módulos com diferentes características (potência, inclinação, orientação etc), ao passo que nos projetos com otimizadores isso não é um problema.|

Figura 13: Otimizadores permitem a instalação de strings com módulos em diferentes condições operacionais. O caso mais comum são projetos com águas de telhados com inclinações e orientações distintas. Fontes: Solar Edge, PVSol

Redução de perdas por incompatibilidade (mismatch) de potência

Esta é uma vantagem pouco conhecida mas não menos importante dos otimizadores. Nos sistemas fotovoltaicos tradicionais os módulos são ligados em série. Mesmo tomando o cuidado de empregar módulos do mesmo fabricante a da mesma potência, sabemos que um módulo nunca é igual ao outro. Pequenas diferenças ou  mismatches de potência entre os módulos de um string provocam a redução da eficiência geral do conjunto. Mesmo que o inversor realize a busca do ponto de máxima potência do string, individualmente os módulos não vão operar exatamente no seu ponto de máxima potência. Esse é um problema desprezado nos projetos com inversores tradicionais de strings. Os otimizadores, além das vantagens que mencionamos anteriormente, também conseguem resolver esse problema, proporcionando um aumento adicional da eficiência do sistema fotovoltaica. Em outras palavras: conseguimos produzir mais energia, extraindo sempre o máximo de potência de cada módulo do sistema.

Considerações finais

Até agora falamos das vantagens, mas é sempre bom falar também dos pontos negativos e dos critérios de decisão sobre a adoção de uma determinada tecnologia. Nenhuma tecnologia é perfeita. Quando me perguntam sobre qual é a melhor tecnologia de conversores para sistemas fotovoltaicos, sempre desconverso ou respondo um simples “não sei”. A melhor resposta é que cada caso deve ser analisado individualmente.

Você está construindo uma usina solar de grande capacidade? Eu não recomendaria neste caso o uso de otimizadores. Em grande escala o custo dos otimizadores torna inviável sua aplicação. Usinas solares de grande porte devem ser construídas com inversores de strings ou inversores centrais de grande potência. Não há solução melhor do que essas para as grandes usinas.

Você está construindo um sistema de micro ou minigeração com potência de até algumas centenas de quilowatts? Está em dúvida sobre usar inversores de strings convencionais ou otimizadores? Sua decisão pode estar baseada em alguns desses fatores: segurança, custo, otimização contra sombras, complexidade da instalação ou outros.

  • Segurança: otimizadores e microinversores (soluções MLPE em geral) são tecnologias bem conhecidas por sua segurança. A possibilidade de um incêndio produzido por um arco elétrico é praticamente zero nos sistemas com esse tipo de tecnologia. Isso não significa, por outro lado, que um sistema com inversor tradicional não seja seguro. Qualquer instalação fotovoltaica bem feita, bem projetada e bem executada, oferece risco mínimo de incêndio ou de falhas. Mas em se tratando de soluções MLPE esse risco inexiste. No caso dos microinversores (que não são o foco deste artigo, mas nada nos impede de os mencionar aqui) o risco de arco elétrico não existe pois os sistemas trabalham com tensões baixas, já que os módulos não são ligados em série. Nos sistemas com otimizadores os módulos são indiretamente ligados em série, mas os otimizadores possuem mecanismos de detecção de arco elétrico que interrompem o funcionamento em caso de risco de incêndio. Além disso, outra vantagem (sob a ótica da segurança) dos otimizadores é a ausência de tensão de circuito aberto no string quando o sistema não está em operação. Vamos falar sobre esses recursos de segurança em outros artigos.
  • Custo: em larga escala os sistemas com otimizadores vão custar mais caro do que um sistema com inversor convencional. Para micro sistemas de geração (a maior parte dos sistemas residenciais) o custo dos otimizadores vai ser imperceptível e a solução pode até ser vantajosa. Na medida em que a potência aumenta o custo dos sistemas com otimizadores pode tornar-se proibitivo, mas ainda assim sua aplicação é viável em sistemas com até algumas centenas de quilowatts. Há de se levar em conta também o aumento de eficiência proporcionado pelos otimizadores. Mesmo em sistemas em que os otimizadores possam acrescentar um custo de até cerca de 10% no valor dos inversores, deve-se realizar um estudo sobre a geração adicional de energia que essa tecnologia proporciona. A longo prazo, considerando a vida útil do sistema fotovoltaico, os otimizadores podem mostrar-se vantajosos devido à redução do mismatch de potência dos módulos, mesmo que à primeira vista pareçam ser uma solução ligeiramente mais onerosa.
  • Imunidade a sombras: neste item não há muito o que dizer. Se o sistema fotovoltaico está sujeito a muitas sombras, a melhor solução é utilizar MLPE. Se a solução vai ser o uso de microinversor ou otimizador, fica a critério do projetista. Em geral os otimizadores são economicamente vantajosos em comparação com os microinversores, mas as duas tecnologias são igualmente capasz de imunizar os sistemas fotovoltaicos contra sombra parciais.
  • Complexidade de instalação: em telhados com muitas águas e pouco espaço contíguo para a instalação de strings, MLPE pode ser a única ou a melhor solução técnica possível. Misturar no mesmo string módulos com diferentes características ou condições operacionais nunca foi uma boa ideia. Mas isso não é um problema quando se empregam otimizadores. O projetista e o instalador ganham muita liberdade com a redução da complexidade proporcionada pelos otimizadores. Módulos podem ser instalados em qualquer local, sem qualquer preocupação com incompatibilidade entre eles, seja pelas características ou pelo modo de instalação de cada um dos módulos do sistema fotovoltaico.

Modo de ligação

A construção de um sistema fotovoltaico com otimizadores não é muito diferente daquela com inversores tradicionais de strings. Os módulos vão ser ligados em série (por meio dos otimizadores) e depois a conexão do string será levada ao inversor (isso está ilustrado na Figura 8). Assim como no caso dos microinversores, existem no mercado otimizadores para um ou dois módulos, como ilustramos nas figuras a seguir.

Figura 14: Otimizador simples (para um módulo fotovoltaico) e duplo (para dois módulos). Fonte: Solar Edge

Figura 15: Modo de ligação de um string com otimizadores simples. Fonte: Solar Edge

Conclusões

Otimizadores oferecem diversas vantagens para os sistemas fotovoltaicos. Neste artigo exploramos bastante a questão da imunização dos sistemas contra o efeito das sombras parciais, mas podemos citar outros benefícios dos otimizadores: redução das perdas de potência por incompatibilidade dos módulos (com consequente aumento da energia gerada), aumento da segurança das instalações (com a eliminação do risco de arco elétrico e redução das tensões de circuito aberto dos strings), facilidade de instalação de módulos com diferentes características de instalação ou operacionais – casos mais comuns: formação de strings com módulos localizados em diferentes águas de telhado ou sujeitos a diferentes condições de sombreamento.

Se pudermos citar alguma desvantagem dos otimizadores, talvez possamos falar do custo que esses equipamentos adicionam aos sistemas fotovoltaicos. Em larga escala (sistemas de grande potência) os otimizadores tendem a se tornar inviáveis. Seria impensável (embora tecnicamente possível) construir uma usina solar de vários megawatts com otimizadores. Nos sistemas de micro e minigeração, entretanto, os otimizadores podem ser técnica e economicamente atraentes diante do benefício do aumento da eficiência de operação do sistema fotovoltaico.

Os otimizadores estão disponíveis no mercado brasileiro e seu uso vem crescendo bastante. A conveniência de utilizá-los deve ser avaliada pelo projetista em conjunto com o consumidor que vai fazer o investimento na aquisição do sistema fotovoltaico, tendo em vista as vantagens apresentadas e o custo adicional que a tecnologia apresenta em comparação com os sistemas tradicionais.

Material técnico

Você pode encontrar catálogos, datasheets e outras informações sobre otimizadores Solar Edge na área do fabricante no Canal Solar: Solar Edge no Canal Solar – Área do fabricante


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Última modificação em Domingo, 29 Março 2020 10:55
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.

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