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Como funciona a seleção de cargas nos sistemas FV híbridos?

Os sistemas fotovoltaicos híbridos são uma evolução dos sistemas grid-tie convencionais

Autor: 7 de março de 2022maio 16th, 2022Artigos técnicos
Como funciona a seleção de cargas nos sistemas FV híbridos?

A principal aplicação dos sistemas híbridos são as instalações conectadas à rede elétrica

O que são sistemas fotovoltaicos híbridos?

Sistemas fotovoltaicos híbridos são aqueles que podem operar nos modos on-grid (grid-tie) e off-grid. 

A principal aplicação dos sistemas híbridos são as instalações conectadas à rede elétrica (grid-tie) nas quais um recurso de backup é necessário. Esse recurso permite que uma parte das cargas continue sendo alimentada por baterias e pelos módulos fotovoltaicos mesmo na falta da rede elétrica.

Nos sistemas híbridos, quando ocorre uma falha da rede elétrica, o modo grid-tie é desligado e o modo off-grid é ativado. 

Os sistemas híbridos podem ser constituídos de duas formas: com uma combinação de inversores on-grid e off-grid ou com um inversor híbrido (que possui os modos de operação on e off/grid), como mostrado na Figura 1.

Figura 1 - Sistema com um inversor híbrido on/off-grid

Figura 1 – Sistema com um inversor híbrido on/off-grid

Cargas prioritárias

Durante a operação do sistema híbrido no modo off-grid (backup) é possível que apenas uma parte das cargas seja atendida enquanto a rede elétrica não estiver disponível. 

Normalmente é difícil dimensionar um sistema híbrido para alimentar todas as cargas de uma instalação no modo de backup. Por exemplo, em um prédio de escritórios podemos usar o modo off-grid para alimentar emergencialmente os computadores e os circuitos de iluminação, enquanto os aparelhos de ar condicionado ficarão fora de operação. 

O mesmo raciocínio vale para residências, onde vamos deixar desligados os aparelhos de maior consumo ou não essenciais (condicionadores de ar, chuveiros, máquina de lavar) e vamos alimentar no modo de backup somente os circuitos de iluminação, interfone e portão eletrônico, por exemplo. 

A definição das cargas prioritárias depende da necessidade do cliente. Se o consumidor desejar manter o seu condicionador de ar ligado no modo de backup, ele pode. Vai custar um pouco mais caro, pois um inversor de maior potência precisará ser empregado, mas tecnicamente isso é possível.

Seleção de cargas para o modo de operação off-grid

Na prática, como os sistemas híbridos vão fazer a distinção entre as cargas prioritárias e as não essenciais? Para começar, vamos exemplificar um sistema baseado em um inversor híbrido que possui duas portas CA: uma off-grid e uma grid-tie – Figura 2.

Para entender o que são as portas CA do inversor híbrido, você pode ler os artigos “O que é um inversor solar híbrido?” e “Inversor híbrido x inversor-carregador”, publicados anteriormente aqui no Canal Solar.

Figura 2 - Sistema híbrido baseado em inversor que possui duas portas CA (on-grid e off-grid)

Figura 2 – Sistema híbrido baseado em inversor que possui duas portas CA (on-grid e off-grid)

Durante a operação grid-tie, quando o sistema está conectado à rede elétrica, a porta on-grid é utilizada para a conexão do inversor à rede elétrica, como mostra a Figura 3, com a chave na posição A.

Neste caso, todas as cargas presentes na instalação são alimentadas pela rede elétrica. A energia proveniente dos painéis solares é injetada na instalação, podendo suprir total ou parcialmente o consumo local. A energia excedente, se houver, será injetada na rede elétrica ou armazenada nas baterias (ou as duas coisas, priorizando-se a carga das baterias). 

Considerando que as baterias estejam carregadas, o que temos aqui é um sistema grid-tie puro: painéis gerando energia, consumo local sendo atendido e excedente sendo injetado na rede.

Figura 3 - Operação do sistema híbrido no modo grid-tie (chave na posição A)

Figura 3 – Operação do sistema híbrido no modo grid-tie (chave na posição A)

A novidade do sistema híbrido (em relação ao sistema grid-tie tradicional) é o modo de operação off-grid. Quando a rede elétrica falha, imediatamente a porta on-grid do inversor é desligada, cessando qualquer injeção de energia na rede elétrica. 

Em seguida, a porta off-grid entra em operação, alimentando as cargas que estiverem conectadas a ela. É neste momento que ocorre a seleção de cargas. Através de uma chave comutadora, uma parte dos circuitos de cargas será desconectada do ponto A e conectada ao ponto B. As demais cargas, não essenciais, vão permanecer desligadas durante a operação off-grid, como ilustra a Figura 4.

Figura 4 - Operação sistema híbrido no modo off-grid (chave na posição B)

Figura 4 – Operação sistema híbrido no modo off-grid (chave na posição B)

A seleção de cargas nos sistemas híbridos e a transição do modo on-grid para o modo off-grid requer a presença de uma chave comutadora. Esta chave é necessária porque as portas on-grid e off-grid do inversor não podem operar simultaneamente. As cargas são alimentadas pela porta on-grid ou pela porta off-grid, dependendo do modo de operação em que se encontrar o sistema.

Além disso, o circuito off-grid precisa ser isolado do circuito grid-tie, pois a porta off-grid não pode ser ligada à rede elétrica. Quando esta última se restabelecer, a chave deverá voltar à posição original, mantendo as duas portas sempre isoladas. 

Uma outra situação é ilustrada na Figura 5, na qual um inversor com uma única porta CA multifuncional é empregado. Este é o caso, por exemplo, do inversor GEN 24 da Fronius. Mesmo assim, uma chave comutadora é necessária, pois a porta CA deve ser desconectada da rede elétrica quando o inversor estiver operando no modo off-grid.

Figura 5 - Operação do sistema híbrido no modo grid-tie com inversor multifuncional (que tem uma única porta CA) – chave fechada

Figura 5 – Operação do sistema híbrido no modo grid-tie com inversor multifuncional (que tem uma única porta CA) – chave fechada

Figura 6 - Operação off-grid do sistema híbrido com inversor multifuncional (que tem uma única porta CA) – chave aberta

Figura 6 – Operação off-grid do sistema híbrido com inversor multifuncional (que tem uma única porta CA) – chave aberta

Na Figura 6, vemos que a seleção de cargas ocorre quando a chave é comutada. Neste caso usa-se uma chave contatora simples, que tem somente a função de abrir ou fechar a conexão do inversor com a rede elétrica.

Quando a rede falha, a chave é aberta, desligando a conexão com a rede e ao mesmo tempo retirando uma parte das cargas do circuito. Somente as cargas essenciais (prioritárias) permanecem ligadas à porta CA, que passa a operar no modo off-grid (fonte de tensão).  Quando o sistema está no modo grid-tie a chave permanece fechada e todas as cargas do consumidor estão ligadas à rede elétrica. 

Conclusão

Os sistemas fotovoltaicos híbridos, que podem ser construídos com uma combinação de inversores ou baseados em um inversor híbrido on/off-grid, são uma evolução dos sistemas grid-tie convencionais.

O sistema híbrido permite que o consumidor disponha de um sistema de backup quando houver falha da rede elétrica, evitando que cargas essenciais deixem de ser alimentadas. Nesse tipo de sistema é necessário fazer a seleção de cargas prioritárias e utilizar uma chave comutadora, que isola os circuitos on-grid e off-grid.

Existem inversores que possuem portas CA on-grid e off-grid separadas, enquanto outros podem possuir uma única porta CA multifuncional (on/off-grid). Em qualquer dos casos, uma chave é necessária para segmentar as cargas não essenciais e as prioritárias. Além disso, a chave evita que a rede elétrica seja inadvertidamente conectada à porta CA durante a operação off-grid, situação que poderia levar à queima do inversor.

Marcelo Villalva

Marcelo Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP. Coordenador do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações".

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