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Avaliação experimental do comportamento térmico de inversores fotovoltaicos

O mecanismo de derating térmico é importante para a proteção do inversor em condições agressivas de operação

Autor: 5 de novembro de 2021Artigos técnicos
Avaliação experimental do comportamento térmico de inversores fotovoltaicos

Inversores fotovoltaicos são projetados para converter toda a potência que pode ser disponibilizada pelos módulos fotovoltaicos, buscando a máxima potência do arranjo fotovoltaico por meio de um algoritmo de rastreamento da máxima potência (MPPT – maximum power point tracking).

Entretanto, quando a temperatura interna do inversor excede sua especificação nominal é acionado um controle de proteção que desloca o ponto de operação para uma região abaixo do ponto de máxima potência [1]. 

Em outras palavras, o inversor reduz sua potência de saída ao atingir determinadas temperaturas. Este processo é conhecido como ‘derating’ térmico da potência. A potência do inversor fotovoltaico é retomada quando o equipamento apresenta temperaturas seguras de funcionamento. 

Neste artigo, serão mostradas curvas de temperatura de inversores comerciais obtidas experimentalmente, por meio de testes realizados no LESF (Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos) da UNICAMP.

Você pode estar se perguntando: por que é importante o inversor reduzir a potência por temperatura?  Para respondermos o questionamento, primeiro vamos falar sobre como a temperatura pode influenciar no funcionamento do inversor.  

A literatura tem apresentado diversos artigos nos quais o inversor tem sido apontado como o equipamento do sistema fotovoltaico que apresenta o maior número de falhas. Além dessas falhas gerarem custo de manutenção, há ainda o agravante do tempo de inatividade que o sistema fica sem gerar energia. 

Essas falhas são explicadas pelo grande número de componentes internos do inversor, incluindo semicondutores de potência e capacitores, que têm sua vida útil reduzida quando trabalham em temperaturas elevadas por períodos prolongados, o que aumenta a probabilidade de falha do equipamento. 

Essas falhas geralmente acontecem em capacitores e transistores dos tipos IGBT e MOSFET, que são os componentes mais sensíveis e propensos a falhas do inversor fotovoltaico [2]. Transistores de alta potência geram calor enquanto estão em condição de operação, mas esses componentes possuem baixa capacidade de dissipação de calor [3]. 

Portanto, para solucionar este problema alguns equipamentos do mercado optam por dissipadores ativos com ventiladores, também conhecidos por dissipação forçada. É importante mencionar o outro tipo de dissipação existente: dissipação natural, ou seja, sem ventilador ou ventoinha. 

Inversores com dissipação forçada tendem a não alcançar altas temperaturas (na sua carcaça ou nas suas aletas térmicas) tão facilmente. Por outro lado, nos inversores com dissipação natural espera-se uma dinâmica térmica mais lenta, com temperatura final mais elevada.

A seguir são mostrados resultados práticos de dois inversores fotovoltaicos com estratégias de dissipação diferentes e da mesma categoria, ou seja, monofásicos e com potência nominal na faixa de poucos quilowatts. As características dos inversores são resumidas na Tabela 1.

Tabela 1: Características dos inversores fotovoltaicos avaliados

Equipamento

Dissipação 

Potência (kW)

Inversor A

Dissipação Forçada 

Inversor B

Dissipação Natural

5

A temperatura foi medida em um ponto externo do dissipador térmico de cada equipamento e a temperatura ambiente foi mantida próximo de 25 °C durante a condução dos experimentos. Na Figura 1, o inversor A teve sua temperatura limitada a 45°C, pois o ventilador foi acionado em torno de 38°C.

Figura 1: Temperatura do inversor fotovoltaico A, com dissipação forçada, operando em potência nominal.

Figura 1: Temperatura do inversor fotovoltaico A, com dissipação forçada, operando em potência nominal

A Figura 2 apresenta o comportamento térmico do inversor B durante o experimento. Neste caso, a temperatura no dissipador passou de 70°C, pois este equipamento possui dissipação natural e não emprega ventiladores.

Figura 2: Temperatura do inversor fotovoltaico B, com dissipação natural, operando com potência nominal.

Figura 2: Temperatura do inversor fotovoltaico B, com dissipação natural, operando com potência nominal

Nos gráficos anteriores apresentamos a evolução da temperatura do dissipador térmico ao longo do tempo, com os inversores operando com seu carregamento máximo, ou seja, com suas entradas recebendo um arranjo fotovoltaico com potência de pico compatível com a potência nominal do inversor – enquanto a temperatura ambiente foi controlada próximo de 25°C.

Curvas de derating térmico

Em um novo experimento, variamos a temperatura ambiente durante a operação de um inversor, colocando-o dentro de uma estufa térmica com temperatura controlada. 

A Figura 3 apresenta gráficos de potência por temperatura (ambiente) obtidos a partir de um novo experimento cujo objetivo foi traçar a curva de derating por temperatura do inversor e comparar com o comportamento informado na folha de dados do equipamento.

Este teste foi realizado com um inversor SAJ R5 de 3 kW com dissipação natural. As especificações do equipamento mencionam que ele poderá reduzir a potência de saída (potência CA) a partir de 45°C e a máxima temperatura ambiente suportada é de 60°C. 

O experimento foi realizado com uma câmara térmica, com temperatura controlada, e foi dividido em estágios com o objetivo de se realizar a busca do valor de temperatura experimental em que a redução de potência começa a ocorrer.

  • Estágio 1 (E1): câmara térmica programada até 45°C. Caso não houvesse redução de potência nesta temperatura, a câmara térmica iria para o Estágio 2;
  • Estágio 2 (E2): câmara térmica programada para variar a temperatura ambiente de 46°C a 60°C. Da mesma maneira como ocorreu no Estágio 1, se não houvesse derating, o experimento iria para o Estágio 3. 
  • Estágio 3 (E3): câmara térmica programada de 61°C ≤ 70°C. Caso não houvesse redução, avançar para o Estágio 4;

Estágio 4 (E4): câmara térmica programada de 71°C ≤ 80°C. Caso não houvesse redução, o experimento avançaria para estágios seguintes.

Figura 3: Curva de potência por temperatura do inversor SAJ R5-3K, mostrando a ocorrência de derating a partir de 74°C durante o processo de aumento acelerado da temperatura ambiente.

Figura 3: Curva de potência por temperatura do inversor SAJ R5-3K, mostrando a ocorrência de derating a partir de 74°C durante o processo de aumento acelerado da temperatura ambiente

Como mostrado na Figura 3, o inversor fotovoltaico testado apresentou redução de potência a partir de 74°C (ambiente) e a temperatura máxima testada foi de 77°C.

A Figura 4 mostra o comportamento do inversor durante o resfriamento da temperatura ambiente. É possível verificar a potência CA aumentando a partir de 65°C e estabilizando-se na potência nominal ao chegar próximo de 40°C, valor ligeiramente abaixo da temperatura inicial de derating especificada na folha de dados.

Figura 4: Demonstração do mecanismo de derating térmico do inversor SAJ R5-3K durante o processo de redução da temperatura ambiente.

Figura 4: Demonstração do mecanismo de derating térmico do inversor SAJ R5-3K durante o processo de redução da temperatura ambiente

Figura 5: Bancada experimental usada nos testes térmicos dos inversores. Abaixo: estufa térmica com temperatura controlada. Acima: instrumentos de medição. Foto: Geyciane Pinheiro/LESF/UNICAMP

Figura 5: Bancada experimental usada nos testes térmicos dos inversores. Abaixo: estufa térmica com temperatura controlada. Acima: instrumentos de medição. Foto: Geyciane Pinheiro/LESF/UNICAMP

Figura 6: Inversor SAJ R5-3K de 3 kW com ventilação natural. A imagem à direita permite ver as aletas de dissipação térmica existentes na parte traseira do equipamento. Fonte: SAJ/Reprodução

Figura 6: Inversor SAJ R5-3K de 3 kW com ventilação natural. A imagem à direita permite ver as aletas de dissipação térmica existentes na parte traseira do equipamento. Fonte: SAJ/Reprodução

Conclusão

Neste artigo foram apresentados resultados experimentais sobre o comportamento térmico de inversores fotovoltaicos. No início do artigo mostramos gráficos de temperatura ao longo do tempo, que ilustram diferentes comportamentos de acordo com o método de arrefecimento empregado em cada equipamento. 

Foram analisados equipamentos com dois tipos de sistemas de dissipação térmica: totalmente natural e com ventilação forçada. 

Trabalhando nas mesmas condições (com potência nominal e temperatura ambiente controlada), o inversor com dissipação natural alcançou temperatura superior a 70°C (medida na área externa do dissipador) e apresentou dinâmica térmica mais lenta. O inversor com ventilação forçada, por outro lado, mostrou que é capaz de controlar a temperatura com maior rapidez e manteve o seu dissipador em temperatura inferior a 45°C. 

Um resultado interessante deste trabalho foi a verificação experimental do comportamento de derating térmico (redução da potência com a temperatura) de um inversor grid-tie de 3 kW com ventilação natural. 

O gráfico da Figura 3 mostra o resultado de um teste com aumento brusco da temperatura, uma situação atípica em condições normais de operação. Neste caso verificamos que o mecanismo de derating começou a atuar quando a temperatura ambiente chegou a 74°C, fazendo a potência de saída diminuir rapidamente de 3 kW (nominal) para próximo de 1,5 kW. 

Em seguida, conforme mostra a Figura 4, a temperatura ambiente foi reduzida gradualmente. A potência subiu a partir de 1,5 kW e o equipamento teve sua potência de saída nominal (3 kW) restaurada a partir de um valor de temperatura ligeiramente abaixo de 45°C, conforme se esperava a partir da folha de dados do fabricante. 

Comprovou-se então a capacidade deste equipamento de regular automaticamente sua potência de saída com o objetivo de preservar os seus componentes internos, evitando danos por superaquecimento, especialmente nos transistores eletrônicos de potência. 

É importante mencionar que os inversores não são equipamentos à prova de falhas e requerem manutenção, dada sua complexidade e seu elevado número de componentes eletrônicos, entre os quais se incluem transistores e capacitores – que são os componentes mais sensíveis. 

O mecanismo de derating térmico de potência é importante para a proteção do inversor e o aumento da sua vida útil quando submetido a condições agressivas de operação, principalmente com relação à temperatura ambiente.

Referências 

[1] A. L. Perin, “Análise da influência de diferentes estratégias de arrefecimento no desempenho e durabilidade de inversores de sistemas fotovoltaicos conectados à rede,” 2016.

[2] M. Shahzad, K. VS Bharath., MA Khan e A. Haque, “Review on Reliability of Power Electronic Components in Photovoltaic Inverters”, 2019 International Conference on Power Electronics, Control and Automation (ICPECA), 2019, pp. 1- 6, doi: 10.1109 / ICPECA47973.2019.8975585.

[3] P. Hacke, S. Lokanath, P. Williams, A. Vasan, P. Sochor, G. TamizhMani, H. Shinohara, and S. Kurtz, “A status review of photovoltaic power conversion equipment reliability, safety, and quality assurance protocols,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 82, pp. 1097–1112, 2018. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1364032117311103

Geyciane Pinheiro

Geyciane Pinheiro

Mestranda em Engenharia Elétrica pela UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas). Atua na certificação de inversores fotovoltaicos conectados à rede pelo INMETRO no LESF (Laboratório de Energia Solar Fotovoltaica.

Um comentário

  • Gerson disse:

    Ótimo artigo, parabéns Geyciane Pinheiro. Em clientes que possuem inversor central eu recomendo que instalem um sistema de ventilação forçada que utilizo no meu inversor.
    No meu inversor a temperatura interna (segundo o sistema de monitoramento) não ultrapassa 29 graus e nos dissipadores não chegam aos 35 graus. A minha intensão é aumentar a vida útil dos componentes internos. Sei que não vou escapar de uma manutenção no entanto, se eu puder postergar será uma economia. O sistema automático de ventilação é composto por um controlador eletrônico com termopar, ventilador e fonte de energia.

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