Mai 27, 2020

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Topologias centralizadas e descentralizadas de inversores fotovoltaicos

A decisão de seleção de um inversor fotovoltaico para instalações comerciais não deve ser baseada pura e unicamente nos preços destes equipamentos. Esta decisão deve ser feita baseada, além dos aspectos técnicos, em um detalhamento de todos os custos que são decorrentes da seleção deste equipamento.

A princípio, os custos iniciais do projeto fotovoltaico (CAPEX – capital expenditures), que são influenciados parcialmente pelos inversores, devem ser analisados. Posteriormente, a análise dos custos de operação (OPEX – operation expenditures), bem como os retornos de geração da usina, seriam os passos lógicos para se ter a total base de comparação entre os diferentes tipos de configuração do projeto.

Neste estudo que será apresentado, teremos uma comparação de umas das parcelas que influenciam o CAPEX, a parcela de conexões/cabeamento, em dois cenários de instalação distintos. Serão avaliados os custos de cabeamento para topologia centralizada, onde os inversores são instalados todos em um skid próximo do ponto de entrega da distribuidora, e para topologia descentralizada, onde os inversores são posicionados próximos dos módulos.

Quando analisadas as parcelas do CAPEX de projetos fotovoltaicos, vemos que os custos atrelados aos inversores não são os mais elevados, conforme mostrado na Figura 1, no entanto, a seleção deste equipamento influencia diretamente nos custos de BoS (Balance of System) que incorporam todos os custos relativos a cabeamento, conexões, estruturas, etc.

Figura 1

Associado a uma topologia apropriada para a instalação, a seleção do inversor pode trazer grandes economias para o projeto fotovoltaico como um todo. Para este estudo, foram utilizados os dados referentes ao inversor Fronius Eco 27kW (Figura 2).

Figura 2

Como base para os cálculos que foram realizados, foi considerada uma instalação de 407kWp, composta por módulos de 330W. Estes dispostos em 5 strings de 19 módulos por inversor, com um total de 13 inversores Fronius ECO 27kW.

Como já é sabido por todos, o dimensionamento de todo o sistema fotovoltaico deve ser realizado conforme a norma ABNT NBR 16690 (Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos - Requisitos de projeto), e a mesma ainda faz referências a norma ABNT NBR 5410 (Instalações elétricas de baixa tensão) a fim de complementar o dimensionamento dos sistemas de proteção e cabeamento de corrente alternada. Vale ressaltar que a capacidade de corrente para cabos de corrente continua para aplicações fotovoltaicas são listadas na norma ABNT NBR 16612 (Cabos de potência para sistemas fotovoltaicos, não halogenados, isolados, com cobertura para tensão de até 1,8 kV c.c. entre condutores -Requisitos de Desempenho.)

Premissas também foram adotadas para a realização deste dimensionamento, a fim de obter uma base comparativa mais simplificada. Neste caso, não foram considerados componentes de conexão que são comuns a todas as topologias, como o cabeamento entre os módulos fotovoltaicos, por exemplo.

Por fim, abaixo, as Figura 3 e Figura 4 ilustram ambas as topologias estudadas.

Figura 4Figura 4

Para estas duas topologias, há de se notar inicialmente a configuração distinta, onde a topologia centralizada apresenta a string box, e a descentralizada não a lista em seu diagrama de blocos. Vale ressaltar que tal configuração é permitida quando utilizado o inversor ECO 27, onde o mesmo já incorpora a string box internamente.

Com as considerações apresentadas anteriormente, foi possível determinar a seção de cabo para cada uma das topologias, considerando os critérios de dimensionamento das normas apresentadas.

Assim foi possível obter a seção de 25mm² e 16mm² para as topologias centralizada e descentralizada, respectivamente. Estas seções de cabos são referentes aos trechos indicados pelas distâncias médias apresentadas no diagrama de blocos.

Nestas condições, a topologia descentralizada utilizará, neste trecho descrito, cabos de corrente alterna (CA). Já a topologia centralizada utilizará cabos de corrente contínua (CC) adequados para instalações fotovoltaicas conforme norma ABNT NBR 16612.

Com os dados dos cabos em mãos, é possível verificar os resultados para este cenário original com a distância média de 45 metros, e, adicionalmente, compará-los a um inversor não-Fronius que não possui a tecnologia de String Box integrada, e instalado na topologia descentralizada. Este resultado é mostrado a seguir na Figura 5.

Figura5_1.jpg

Na Fig.5 a topologia descentralizada com inversor Fronius ECO 27kW foi estipulado como referência, assim apresentando valor de 100% para custo. Para este cenário original, com distância média de 45 metros, foi possível notar que a topologia centralizada para o inversor ECO apresenta uma diferença de 8% a mais em custos quando comparado a topologia descentralizada. Estas diferenças tendem a se inverter com o aumento das distancias médias de instalação, como vamos analisar a seguir.

Quando são analisadas as topologias para uma distância maior, agora para 80 metros de distância média, vemos que a situação se inverte entre as topologias quando comparados a situação anteriormente apresentadas.

Com este novo cenário, a topologia centralizada com inversores Fronius ECO 27kW, geraram uma economia de 8,5% quando comparado a topologia descentralizada com o mesmo inversor. Esta diferença está muita atrelada a quantidade de cabos utilizados, visto que o lado de corrente alternada necessita de 3 fases, neutro e terra, enquanto o lado de corrente contínua utiliza um polo positivo, um negativo e um terra.

Vale lembrar que estas distâncias devem sempre ser avaliadas pois deve-se respeitar também o critério de queda de tensão para o dimensionamento de cabos, sendo necessário aumentar as seções dos cabeamentos para distâncias maiores.

Nota-se também que os inversores não-Fronius apresentaram estes custos de cabeamento/string box maiores que as outras duas alternativas. Isso se deve pela necessidade de ter este componente a mais (string box) nas instalações descentralizadas.

Por estes motivos, é possível notar o ponto de break-even entre as topologias com inversores Fronius ECO, onde ambas apresentam valores igual para esta fração do custo de cabos, que ocorre para 52 metros de distância média, conforme ilustra a Figura 6.

As diferenças apresentadas foram baseadas somente em uma parcela dos custos de BoS, e preços referenciados a um fabricante de cabos e string box, bem como analisadas para uma situação em específico para o estudo. Estas diferenças não refletem as diferenças totais quando se é analisado o projeto englobando todos os custos (CAPEX). No entanto, este estudo traz a realidade da importância na seleção dos inversores fotovoltaicos, bem como sua topologia de instalação.

As influências decorrentes da seleção de inversores fotovoltaicos são grandes e de causam grandes impactos nos custos dos componentes para o balanço do sistema de geração fotovoltaico, por isso esta análise deve ser feita detalhadamente a fim de buscar as maiores rentabilidades para seu projeto.


 

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Last modified on Segunda, 18 Mai 2020 14:45
Thiago Chinen

Formado em engenharia de energia pela Universidade Federal do ABC, tem experiência em tecnologias de cabos de baixa, média e alta tensão, por ter trabalhado em multinacional do setor. Atua como especialista técnico de inversores fotovoltaicos pela Fronius do Brasil, voltando a sua área de formação, direcionada para energias renováveis

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