Mai 27, 2020

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Desempenho de um inversor com MPPT inteligente em situações de sombreamento parcial

Introdução

Este artigo mostra que sistemas fotovoltaicos baseados em inversores com MPPT inteligente podem apresentar bom desempenho mesmo em situações de sombreamento parcial moderado, uma vantagem que normalmente no mercado é atribuída exclusivamente aos sistemas baseados em otimizadores de potência. 

De fato, otimizadores de potência são uma excelente estratégia para sistemas fotovoltaicos com módulos operando sob diferentes condições, incluindo as ocorrências de sombras parciais. Entretanto, em sistemas com módulos instalados na mesma orientação pode haver vantagens na utilização de inversores convencionais, desde que dotados de algoritmos de MPPT inteligentes, que são capazes de mitigar a influência das sombras sobre os módulos fotovoltaicos.

O MPPT inteligente é um recurso que equipa alguns inversores fotovoltaicos disponíveis no mercado. Esses algoritmos de MPPT, mais sofisticados do que os algoritmos tradicionais, são capazes de identificar situações de sombreamento e buscar o pico global de potência quando as curvas I-V e P-V apresentam múltiplos pontos de máxima potência.

Este artigo foi inspirado em um whitepaper produzido pela SMA, fabricante de inversores, no qual se destaca a função ShadeFix de MPPT inteligente, que alegadamente é capaz de reduzir o impacto das sombras nos sistemas fotovoltaicos. Embora o whitepaper seja produzido pelo próprio fabricante e seja mais parecido com uma peça publicitária do que com um artigo técnico, o documento apresenta algumas comparações interessantes entre inversores convencionais com MPPT inteligente (como é o caso do recurso ShadeFix) e os otimizadores de potência. 

Entre outras coisas, o whitepaper da SMA apresenta resultados de um estudo realizado na Universidade do Sul da Dinamarca, que compara sistemas fotovoltaicos baseados em duas diferentes tecnologias: (1) inversor de string com MPPT inteligente e (2) otimizadores de potência. O principal foco do estudo de caso apresentado nesse artigo é a avaliação do desempenho do inversor com ShadeFix em comparação ao desempenho dos sistemas baseados em otimizadores de potência. Foram realizadas comparações em uma variedade de condições sem sombra e com sombreamento parcial. O documento consultado não revela quais otimizadores de potência, nem de quais fabricantes, foram usados na comparação. Os principais resultados obtidos nas comparações experimentais fornecem conclusões sobre a produção de energia, a confiabilidade do sistema, a facilidade de manutenção e a segurança contra incêndios e para a preservação da vida do instalador.

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Otimização da geração de energia

Para a maioria dos proprietários de sistemas fotovoltaicos a energia solar representa um investimento significativo e com expectativa de retorno financeiro. Esses retornos dependem de fatores-chave, incluindo a produção de energia instantânea (desempenho) e a produção ao longo do tempo de vida útil do sistema. Fabricantes em todo o mundo vêm buscando soluções para fornecer soluções que possam maximizar a geração de energia e melhorar o retorno do investimento nos sistemas fotovoltaicos.

Enquanto a maioria dos sistemas fotovoltaicos é projetada naturalmente para receber luz sem obstruções e sem sombra, o sombreamento pode ocorrer em algumas situações. Diversas soluções inovadoras disponíveis no mercado podem ​​reduzir os efeitos indesejáveis ​​do sombreamento nos sistemas fotovoltaicos.

As estratégias de mitigação de sombra variam em todo o mundo e podem depender de vários fatores. A abordagem mais usada no mercado fotovoltaico residencial envolve a tentativa de otimizar a produção de energia em cada módulo fotovoltaico usando um conjunto maior de componentes – é o caso dos otimizadores ou microinversores.

Embora esse modelo tenha mostrado vantagens em relação à antiga tecnologia de inversores de strings, pode-se mostrar que a sofisticação dos algoritmos de MPPT nos inversores de strings pode proporcionar resultados semelhantes, com um número drasticamente reduzido de componentes e menor complexidade do sistema.

Premissas atuais do mercado

Uma percepção existente atualmente no mercado é que a colocação de pequenos dispositivos eletrônicos sob cada módulo fotovoltaico é a única forma de obter o máximo desempenho dos sistemas fotovoltaicos em situações de sobreamento parcial dos módulos. Esses componentes são comumente conhecidos como otimizadores de potência. Eles também estão incluídos no grupo de dispositivos MLPE (module level power electronics – eletrônica de potência ao nível do módulo).

Os sistemas com otimizadores convertem individualmente a energia de cada módulo fotovoltaico, cuidando para que cada módulo possa operar sempre no seu ponto de máxima potência. Os módulos são tratados individualmente, o que torna naturalmente o sistema imune a sombras de qualquer tipo, já que um módulo não afeta o outro. Isso melhora sem dúvidas a produção de energia, principalmente sob certas condições, como quando os módulos fotovoltaicos estão parcialmente sombreados.

No entanto, segundo afirmam os fabricantes de inversores de strings (e com razão), isso não é de graça: há custo econômico e custo de complexidade adicionais nessa solução. As soluções MLPE empregam um grande número de componentes, já que é necessário empregar um conversor de energia (otimizador de potência ou microinversor) para cada módulo fotovoltaico. É possível que em locais inóspitos, com condições climáticas agressivas, essa não seja a melhor solução – enquanto os inversores de strings podem ser acondicionados em locais apropriados, livres de poeira, calor e umidade. Não é o objetivo deste artigo fazer uma comparação entre inversores convencionais e MLPE, sendo que deixaremos esse assunto (muito polêmico) para outro artigo. 

Mais energia com menos componentes

A SMA incorporou aos seus inversores de strings o sistema ShadeFix. Como dissemos anteriormente, trata-se de uma solução de rastreamento de máxima potência dos módulos fotovoltaicos conhecida genericamente como MPPT inteligente ou MPPT dinâmico. Outros fabricantes usam outros nomes comerciais para esse tipo solução. O ShadeFix (ou MPPT inteligente, de um modo geral) mitiga os efeitos do sombreamento parcial e aumenta a produção de energia. O fabricante alega que o seu inversor com o recurso ShadeFix é capaz de proporcionar resultados semelhantes aos obtidos com otimizadores de potência, com a vantagem de um menor número de componentes – o que supostamente pode reduzir a chance de falhas e aumentar a vida útil do sistema fotovoltaico, entre outras vantagens. 

Estudo de caso

Foi realizado um experimento na Universidade do Sul da Dinamarca. Os pesquisadores testaram três sistemas diferentes. Dois consistiam nas principais soluções de otimização em nível de módulo e o terceiro usava um inversor de string com a tecnologia de MPPT ShadeFix.

shade fix sma canal solar 01Figura 1: Situações analisadas no estudo e resultados comparativos entre o uso de inversor convencional (com ShadeFix) e otimizadores de potência acoplados aos módulos.

 As conclusões do estudo foram as seguintes:

  • Em condições sem sombras a tecnologia de otimizadores acoplados aos módulos proporcionou um rendimento inferior ao do inversor com ShadeFix.
  • Em condições sem sombras, mas com céu nublado, o desempenho dos sistemas com otimizadores também foi inferior ao do inversor com ShadeFix.
  • Em condições com sombras moderadas (galhos de árvores, chaminés etc) o desempenho dos sistemas com otimizadores também foi inferior ao do inversor com ShadeFix.
  • Apenas em condições de sombreamento severo a solução de otimizadores superou o inversor de string com ShadeFix.

Os resultados desse tipo de estudo realizado podem variar de acordo com o local. Em locais mais ensolarados é possível que os sistemas com otimizadores apresentem desempenho superior. De fato, alguns estudos realizados em nosso grupo de pesquisa na UNICAMP mostram que isso pode ocorrer, uma vez que os otimizadores podem reduzir a incompatibilidade de potência dos módulos de um string.

A principal informação resultante desse estudo é que podemos afirmar que os sistemas baseados em otimizadores de potência e com inversor dotado de sistema de MPPT inteligente (como o ShadeFix) podem produzir resultados muito próximos. Conclui-se, afinal, que a maximização da geração nos sistemas fotovoltaicos sombreados não é uma exclusividade dos sistemas com otimizadores de potência e pode também ser alcançada com inversores de string tradicionais, desde que dotados de estratégias de MPPT mais sofisticadas ou inteligentes.

A maximização da geração nos sistemas fotovoltaicos sombreados não é uma exclusividade dos sistemas com otimizadores de potência e pode também ser alcançada com inversores de string tradicionais.

Algumas considerações sobre confiabilidade e vida útil dos sistemas

Embora não seja o objetivo deste artigo fazer uma comparação exaustiva entre inversores convencionais e otimizadores, o whitepaper da SMA apresenta algumas considerações interessantes sobre as vantagens dos inversores de strings sobre os otimizadores – lembrando que vantagens e desvantagens de um ou outro tipo de sistema dependem do tipo de aplicação e de uma infinidade de variáveis que devem ser avaliadas pelo projetista do sistema fotovoltaico. Não é uma tarefa simples apontar vantagens ou defeitos dos inversores convencionais e dos sistemas MLPE.

Já vimos, de acordo com os resultados do estudo de caso apresentados anteriormente, que a produção de energia em situações de sombreamento moderadas, tipicamente encontrada na maior parte dos sistemas fotovoltaicos em telhados, pode ser muito boa com inversores de string dotados de sistemas de MPPT inteligente. Os resultados podem ser tão bons (ou melhores, como esse estudo específico apontou) do que aqueles obtidos com otimizadores de potência instalados diretamente nos módulos.

Com a premissa de que os resultados de geração são semelhantes, qual seria a grande diferença presente em um ou outro tipo de sistema fotovoltaico? Em uma instalação comercial típica de 50 kW, um inversor de string comum pode ter em torno de 2.000 componentes eletrônicos. Todos eles estão alojados em um gabinete protegido contra intempéries e são de fácil manutenção e substituíveis. Em comparação, o mesmo sistema usando otimizadores pode ter mais de 60.000 componentes eletrônicos. E a maioria desses componentes eletrônicos é encontrada na forma de pequenas caixas alojadas embaixo dos módulos fotovoltaicos, expostos à umidade e intensos ciclos térmicos. 

 shade fix sma canal solar 02Figura 2: Comparação entre as tecnologias de inversor convencional e otimizadores de potência quanto ao número de componentes.

Dados o grande número de componentes e as condições de operação agressivas, é de se esperar um índice de falhas mais elevado, como ocorreria em qualquer tipo de sistema eletrônico. Este problema pode ser minimizado com engenharia de alto nível e um intenso ciclo de testes antes da inserção do produto no mercado, além de um prazo de garantia compatível com a vida útil esperada para o sistema fotovoltaico (tipicamente em torno de 25 anos). Existem bons fabricantes de otimizadores, que oferecem níveis de confiabilidade excelentes. Então o número maior de componentes e a operação em condições agressivas pode ser um problema contornável em função da qualidade dos produtos.

shade fix sma canal solar 03Figura 3: Os otimizadores de potência são instalados no telhado, sob os módulos, estando sujeitos a condições operacionais agressivas.

Por mais que possamos confiar nos otimizadores e equiparar seu nível de confiabilidade ao dos inversores de strings, há ainda uma questão muito complicada quando falamos de sistemas instalados em telhados. Em caso de falha de um único componente será necessário fazer uma intervenção no telhado, envolvendo a remoção de módulos para a substituição do equipamento defeituoso. Isso pode ter um custo elevado, além de ser uma dor de cabeça.

shade fix sma canal solar 04xFigura 4: A manutenção de sistemas com otimizadores é relativamente mais complicada do que nos sistemas com inversores de strings convencionais.

Com relação ao que foi mencionado no parágrafo anterior, o inversores de strings são realmente mais práticos do ponto de vista de instalação e manutenção. Se pudermos imaginar (hipoteticamente) que os componentes nunca vão falhar, pode-se dizer que inversores de string e otimizadores são equivalentes e usar um ou outro é uma simples escolha ou uma questão de gosto em alguns casos (mas não em todas as situações).Tendo em vista a dificuldade de se realizar manutenções em telhados, os inversores convencionais (preferencialmente com MPPT dinâmico) são indubitavelmente mais práticos – mas também vão existir situações em que os otimizadores apresentarão melhor desempenho, mesmo com as dificuldades de manutenção conhecidas.

Por fim, vamos falar da segurança de operação e manutenção do sistema. Em alguns países já é obrigatório o uso de sistemas de desligamento individuais nos módulos fotovoltaicos. Isso é exigido para que em nenhum momento, em nenhuma parte do circuito, possam exigir níveis de tensão perigosos. Em caso de interrupção do funcionamento do sistema fotovoltaico, por qualquer motivo, cada um dos módulos fotovoltaicos deve possuir uma chave ou um sistema de desligamento próprio. Isso ainda não foi discutido e não é exigido no Brasil, mas não tardará a acontecer, espera-se.

Os otimizadores de potência têm a vantagem de já possuir, de forma inerente, a facilidade de efetuar o desligamento por módulo. Mas também os inversores de string convencionais já dispõem desse recurso com o uso de dispositivos de desligamento rápido que podem ser acoplados aos módulos. Mesmo com o uso de dispositivos de desligamento por módulo, o número de componentes nos sistemas com inversores convencionais é extremamente mais baixo do que aquele encontrado nos sistemas com otimizadores. Os desligadores são dispositivos muito simples, com poucos componentes. Sua função é cortar a saída do módulo fotovoltaico quando o equipamento recebe um sinal de comando de desligamento, normalmente vindo do próprio inversor.

Conclusão

O objetivo principal deste artigo foi mostrar que os inversores de string dotados de sistema de MPPT inteligente (como o ShadeFix da SMA) podem ser tão bons quanto os sistemas com otimizadores em situações de sombreamento moderado. A capacidade de reduzir o impacto das sombras parciais (quando apenas uma parte dos módulos de um sistema tem sombras) era exclusiva dos sistemas fotovoltaicos com otimizadores de potência por módulo, antes do aparecimento dos algoritmos de MPPT dinâmico nos inversores convencionais. 

O tema central do artigo foi destacar a eficácia do sistema ShadeFix, mas também foram feitas algumas comparações entre o uso de inversor convencional de string e o uso de otimizadores de potência, destacando o menor número de componentes e o menor risco de defeitos proporcionado pelos inversores de strings, o que supostamente os coloca em vantagem sobre os otimizadores de potência acoplados aos módulos.

Referência

ShadeFix: a superior model for power optimization, whitepaper produzido pela SMA


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Last modified on Domingo, 19 Abril 2020 23:48
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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