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O problema do mismatch nas instalações fotovoltaicas

By João Lucas de Souza Silva Junho 04, 2020

João Lucas de Souza Silva
Engenheiro Eletricista e Doutorando no LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fovovoltaicos da UNICAMP


Este artigo aborda um assunto bastante sério e pouco conhecido pelos projetistas e integradores fotovoltaicos. O mismatch é um fator que, em casos mais graves, pode arruinar um projeto fotovoltaico.

Se você já se debateu com a dúvida sobre por que seu sistema fotovoltaico não está produzindo como deveria, um desses problemas pode ser devido ao mismatch. Mas afinal o que é o mismatch?

A minha definição para mismatch dentro de um sistema fotovoltaico é: “o descompasso existente entre módulos conectados em série ou paralelo em virtude de fatores extrínsecos ou intrínsecos ao sistema fotovoltaico” [1]. Esse descompasso é quando um módulo fotovoltaico tem maior ou menor capacidade de geração de energia em relação a outro. Sendo assim, em meus trabalhos, costumo dividir o mismatch em dois tipos: mismatch de fabricação e mismatch de operação.

  • Mismatch de fabricação: É a diferença de potência entre módulos fotovoltaicos de um mesmo modelo ou lote devido ao processo de fabricação [1]. Essa diferença pode causar perdas de até 5% individualmente (considerando a potência que era para se ter disponível) e até 7% quando o módulo é colocado em um arranjo fotovoltaico [2].
  • Mismatch de operação: É a intensificação do mismatch de fabricação por fatores do ambiente ao qual um sistema fotovoltaico está exposto [1]. Por exemplo: sombreamento, diferentes inclinações e orientações para módulos fotovoltaicos interligados, sujeira, alta temperatura, trincas ou outros defeitos na superfície dos módulos fotovoltaicos, entre outros.

Para entender melhor o fenômeno vamos exemplificar com um sistema fotovoltaico ideal com três módulos fotovoltaicos de 190 Wp em série. Sabendo-se que em uma situação em STC (condições padrões de teste) os módulos fotovoltaicos trabalham em 190 W sem mismatch (ideal), suas curvas podem ser vistas na Figura 1. Todos trabalham na máxima potência.

Figura 1. Sistema fotovoltaico ideal com inversor stringFigura 1: Sistema fotovoltaico ideal com módulos ligados em série (formando um string)

Uma nuvem, em um determinado momento, fez uma sombra em toda a superfície de um dos módulos fotovoltaicos. Assim, o sistema fotovoltaico tem agora novos valores para a máxima potência. A Figura 2 mostra as novas curvas fotovoltaicas nessa situação. Nesse caso, o módulo fotovoltaico com menor capacidade de geração, devido à presença da nuvem, limita a potência dos outros módulos fotovoltaicos (observar a linha vermelha sobre as curvas).

Essa limitação é relativa ao valor de corrente do módulo fotovoltaico de menor capacidade (ligação em série). Em um sistema fotovoltaico em série a corrente deve ser a mesma para todos os módulos fotovoltaicos. Entretanto, o módulo fotovoltaico de menor capacidade não consegue ter a corrente do módulo fotovoltaico de maior capacidade. Se compararmos esse segundo cenário com a situação anterior, a diferença é uma redução na potência de 20%.

Figura 2. Sistema fotovoltaico com inversor string com um módulo sombreado e mismatchFigura 2. String de módulos fotovoltaicos com mismatch causado pelo sombreamento de um módulo

O problema do mismatch é um grande causador de perdas nas instalações fotovoltaicas. Na situação anterior o exemplo foi uma sombra total causada por uma nuvem que reduziu um pouco a irradiância sobre um dos módulos. Essa situação pode ser muito pior caso a sombra seja uma construção cuja sombra não seja possível evitar. Um projeto mal planejado pode resultar um mismatch altíssimo, que inviabiliza o sistema fotovoltaico, e ainda pode levar a problemas mais graves como incêndios. Um exemplo do problema grave é a conexão em paralelo de strings com diferentes quantidades de módulos ou a conexão em paralelo de strings em diferentes níveis de sombreamento. Nesses casos o problema é o mismatch ocasionado por um projeto ruim.

A melhor solução para a redução desse problema é a realização de um bom projeto fotovoltaico, em que se evitem as perdas causadas pelo mismatch entre módulos e pelo sombreamento do sistema. Parece difícil, mas, isso pode se tornar mais simples se você utilizar softwares de projetos fotovoltaicos como PVsyst, PV*SOL e Helioscope, entre outros.

Uma solução muito efetiva para esse problema é evitar a conexão direta entre módulos fotovoltaicos. Isso é possível com o uso das tecnologias MLPE (Module-Level Power Electronics) ou DMPPT (rastreamento do ponto de máxima potência distribuído) que são as arquiteturas fotovoltaicas com microinversores ou arquiteturas com otimizadores de potência. Entretanto, apesar de vários benefícios que tais arquiteturas trazem), se o sistema for projetado equivocadamente, outros problemas irão surgir. Um sistema fotovoltaico bem planejado e com inversor fotovoltaico convencional pode conviver com o mismatch de fabricação e também com situações de sombras. Toda escolha de arquitetura fotovoltaica deve ser estudada para atender as necessidades do cliente.

Figura 3 Sistema fotovoltaico com um módulo sombreado empregando DMPPT microinversor ou otimizador de potênciaFigura 3: Sistema fotovoltaico com um módulo sombreado empregando DMPPT (microinversor ou otimizador de potência)

O mismatch de fabricação sempre vai existir e será intensificado pelo mismatch operacional quando os módulos fotovoltaicos forem conectados entre si. Dessa forma, cabe ao projetista realizar um bom projeto para evitar ou mitigar o mismatch.


Referências

[1] SAKÔ, E. Y.; SILVA, J. L. S.; MESQUITA, D. B.; CAMPOS R. E.; MOREIRA, H. S.; VILLALVA, M. G. Concepts and Case Study of Mismatch Losses in Photovoltaic Modules. In: 15th Brazilian Power Electronics Conference IEEE/COBEP 2019, Santos-SP, 2019.

[2] MANSUR, A. A.; Ruhul Amin, M.; ISLAM, K. K. Performance comparison of mismatch power loss minimization techniques in series-parallel PV array configurations. Energies, v. 12, n. 5, 2019.

[3] J. L. S. SILVA, Entendendo o mismatch: o terror da conversão fotovoltaica. Disponível em: www.jlssilva.com/post/entendendo-o-mismatch-o-terror-da-convers%C3%A3o-fotovoltaica.


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Última modificação em Terça, 30 Junho 2020 10:16
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