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Entendendo a eficiência dos inversores fotovoltaicos

Para facilitar a qualificação e a comparação de inversores criou-se a figura da eficiência média ou eficiência ponderada.

Autor: 27 de fevereiro de 2021março 2nd, 2021Artigos técnicos
Entendendo a eficiência dos inversores fotovoltaicos

Introdução

Eficiência ou rendimento é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada de um sistema físico. Podemos calcular eficiências de máquinas, motores e equipamentos que processam ou convertem uma ou mais formas de energia. Por exemplo: a eficiência de um motor elétrico, a eficiência de um motor a combustão ou a eficiência de um aparelho de ar condicionado.

Quando falamos de inversores para sistemas fotovoltaicos, a eficiência refere-se à razão entre a potência elétrica de saída e a potência elétrica de entrada. Idealmente, gostaríamos de ter inversores com eficiência de 100%, ou seja, nenhuma energia seria perdida dentro do equipamento – toda a energia fornecida à entrada do equipamento poderia ser recuperada em sua saída. Uma eficiência ideal não é possível, mas os inversores comercialmente disponíveis já alcançam eficiências perto de 99%, o que não é pouca coisa.

Figura 1: Eficiência é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada de um equipamento.

Figura 1: Eficiência é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada de um equipamento.

O conceito de eficiência, ilustrado na Figura 1, é relativamente fácil de entender. A coisa se complica quando surgem diferentes definições em torno do mesmo conceito, como se vê com frequência nos catálogos dos inversores fotovoltaicos. E se complica mais ainda quando descobrimos que a eficiência dos equipamentos não é constante, mas pode variar de acordo com suas condições de operação.

Curva de eficiência do inversor fotovoltaico

A curva ou o perfil de eficiência de um inversor fotovoltaico é mostrada na Figura 2. Podemos imediatamente observar duas coisas:

  • A curva de eficiência muda de acordo com a tensão de entrada do inversor. Na Figura 2 observamos curvas para três valores diferentes de tensão. Quanto maior a tensão de entrada, menor deve ser a intensidade da corrente elétrica que circula pelo inversor, o que reduz suas perdas e faz sua eficiência aumentar. Ao dimensionar um sistema fotovoltaico é importante dimensionar corretamente as strings fotovoltaicas para evitar que o inversor trabalhe com tensão reduzida. Embora o equipamento possa operar normalmente com qualquer valor de tensão dentro da faixa operacional especificada na sua folha de dados, as curvas de eficiência mostram que a escolha da tensão de trabalho tem um impacto sobre o rendimento do equipamento – e consequentemente sobre o rendimento global do sistema fotovoltaico.
  • A curva de eficiência não é uma reta. Isso significa que a eficiência do inversor não é constante e depende do seu ponto de operação. No gráfico da Figura 2 observamos a eficiência (%) no eixo vertical e a potência de operação no eixo horizontal. A potência de operação é expressa como a razão entre a potência de saída e a potência nominal. Ou seja, o número 1 no eixo horizontal representa o ponto de operação na potência máxima (nominal) do equipamento.
Figura 2: Curvas de eficiência do inversor SB1300TL-10. Fonte: SMA / Reprodução

Figura 2: Curvas de eficiência do inversor SB1300TL-10. Fonte: SMA / Reprodução

Ainda podemos fazer as seguintes observações a respeito das curvas de eficiência mostradas na figura acima: em cada curva existe uma porção que é aproximadamente reta. Nos exemplos acima essa porção reta ou plana da curva encontra-se entre 0,6 e 1,0. A melhor situação seria uma curva plana (reta) na faixa de 0 a 100%, o que é impossível. Quanto mais distante (ou abaixo) da potência nominal estiver o ponto de operação, menor tende a ser a eficiência.

O comportamento descrito no parágrafo anterior pode variar de um equipamento para outro, como ilustram as Figuras 3 e 4. Na Figura 3 observamos o caso de um inversor que apresenta curvas de eficiência bastante planas, com valores aproximadamente constantes (e próximos de 97%) na faixa de 40% a 100% da potência nominal – desde que opere com tensão de entrada acima de 350 V.

Por outro lado, a Figura 4 mostra o caso de um inversor que possui máxima eficiência próximo de 40% da potência nominal e eficiência reduzida quando o ponto de operação se aproxima de 100% da potência.

Inversores com o comportamento ilustrado na Figura 3 são mais desejáveis, pois conseguem trabalhar com eficiência elevada (ou seja, têm menos perdas de energia) em uma ampla faixa de operação. Ao longo do dia, dos meses ou de qualquer intervalo de tempo que se possa considerar, a potência dos painéis fotovoltaicos muda em função da irradiância solar e da temperatura. Portanto os inversores solares raramente operam em uma potência fixa.

O comportamento ilustrado na Figura 4 é mais observado em equipamentos antigos, do tipo que usa transformador interno, praticamente extinto no mercado. Entretanto, é importante conhecer os diversos perfis de eficiência que se podem encontrar. Os inversores fotovoltaicos não são todos iguais e se a eficiência de operação for um critério de escolha, o projetista não pode deixar de analisar as curvas de eficiência informadas nos catálogos dos fabricantes.

Se pudermos estabelecer uma regra para a escolha do inversor ideal para um projeto, deixando de lado outros aspectos como o custo, o número de entradas e outros recursos avançados que podem influenciar a escolha, certamente uma curva de eficiência plana como a da Figura 3 é uma boa pedida.

Figura 3: Curvas de eficiência do inversor SB3.0-1AV-40. Fonte: SMA / Reprodução

Figura 3: Curvas de eficiência do inversor SB3.0-1AV-40. Fonte: SMA / Reprodução

 

Figura 4: Curvas de eficiência do inversor SB1200. Fonte: SMA / Reprodução

Figura 4: Curvas de eficiência do inversor SB1200. Fonte: SMA / Reprodução

Eficiência máxima e eficiência ponderada

Saber interpretar e analisar as curvas de eficiência ainda não é tudo. Você deve ter observado que abaixo de cada um dos gráficos da Figuras 2 a 4 são mostrados dois valores: eficiência máxima e eficiência europeia.

A eficiência máxima do inversor é um número importante, mas não é suficiente para qualificarmos equipamentos ou fazermos comparações entre eles. Um equipamento pode, por exemplo, possuir uma eficiência máxima em um único ponto de operação, mas pode apresentar baixa eficiência em todos os outros pontos. Este é o caso de inversores com perfis de eficiência como o da Figura 4.

Para facilitar a qualificação e a comparação de inversores criou-se a figura da eficiência média ou eficiência ponderada. Como os inversores não operam sempre no seu ponto de máxima eficiência, o valor da eficiência ponderada considera vários pontos de operação no cálculo. Essa ideia surgiu no mercado europeu, razão pela qual conhecemos isso como “eficiência europeia”.

A eficiência europeia de inversores solares é uma média ponderada de eficiências calculada a partir de uma distribuição anual de potência encontrada no clima europeu. Considerando que a irradiância e a temperatura variam ao longo das horas, dos dias e dos meses do ano, os inversores operam durante uma parte do tempo em diferentes valores de potência, teoricamente em uma faixa que vai de 0 a 100% da sua potência máxima.

A eficiência europeia foi criada pelo Joint Research Center (JRC), um organismo europeu que realiza pesquisas na área de recursos renováveis, com base no clima da Itália.

A eficiência europeia, calculada conforme a equação abaixo, é apresentada em virtualmente todos os catálogos de inversores fotovoltaicos, como exemplifica a Figura 5. A equação realiza a média ponderada de diversos valores de eficiência (5% a 100%) considerando a fração do tempo em que o inversor opera em cada um desses valores.

Eficiência europeia =  0,03 x Ef5%  +  0,06 x Ef10%  +  0,13 x Ef20%  +  0,1 x Ef30%  +  0,48 x Ef50%  +  0,2 x Ef100%

Figura 5: Parte do catálogo de um inversor fotovoltaico disponível no mercado brasileiro (Sunny Highpower, de 75 kW), onde se encontram informações sobre a eficiência máxima (99,8%) e a eficiência europeia (98,2%). Fonte: SMA / Reprodução

Figura 5: Parte do catálogo de um inversor fotovoltaico disponível no mercado brasileiro (Sunny Highpower, de 75 kW), onde se encontram informações sobre a eficiência máxima (99,8%) e a eficiência europeia (98,2%). Fonte: SMA / Reprodução

É de se esperar que o cálculo da eficiência, tal como realizado na equação anterior, pode não refletir as condições de operação fora da Europa. Para climas mais quentes, com níveis de insolação mais elevados, a California Energy Comission (CEC) propôs uma média ponderada com pesos diferentes, como vemos abaixo.

Eficiência CEC = 0,04 x Ef10% + 0,05 x Ef20% + 0,12 x Ef30% + 0,21 x Ef50% + 0,53 x Ef75% + 0,05 x Ef100%

Grupos de pesquisas em outros países estão propondo médias ponderadas diferentes, adaptadas para seus climas locais. Na Índia e no Brasil, por exemplo, foram propostas as médias ponderadas de acordo com as equações mostradas a seguir.

Eficiência indiana = 0,248 × Ef10% + 0,121 × Ef20% + 0,092 × Ef30% + 0,159 x Ef50% + 0,215 × Ef75% + 0,162 × Ef100% + 0,003 × Ef120%

Eficiência brasileira = 0,02 x Ef10% + 0,02 x Ef%20 + 0,04 x Ef%30 + 0,12 x Ef%50 + 0,32 x Ef75% + 0,48 x Ef100%

Diante das diferentes condições climáticas encontradas em cada parte do mundo, seria ótimo se os catálogos de inversores nos apresentassem valores de eficiência calculados de acordo com o mercado em que são comercializados. Isso, entretanto, não é uma realidade e a eficiência europeia é adotada mundialmente como referência pelos fabricantes.

Figura 6: Eficiência ponderada (europeia) em função da tensão na entrada do inversor SB3.0-1AV-40. Fonte: SMA / Reprodução

Figura 6: Eficiência ponderada (europeia) em função da tensão na entrada do inversor SB3.0-1AV-40. Fonte: SMA / Reprodução

Finalmente, podemos observar na Figura 6 o comportamento da eficiência ponderada europeia em função da tensão de operação do inversor. Assim como a eficiência máxima do equipamento depende da tensão de entrada, observamos comportamento análogo para a eficiência ponderada.

O gráfico da Figura 6 pode oferecer uma boa orientação para o projeto das strings fotovoltaicas (cuja tensão de máxima potência – VMPP) depende do número de módulos ligados em série. Uma escolha ruim pode acarretar perda de eficiência de até 2% no inversor, como mostra o exemplo acima.

Referências

Eficiência brasileira de inversores para sistemas fotovoltaicos conectados à rede. A. Pinto, R. Zilles, M. Almeida, Avances em Energias Renovables y Medio Ambiente, Vol. 15, 2011

Weighted efficiency of SPV power converters/inverters in Indian composite climate. 32nd European Photovoltaico Solar Energy Conference and Exhibition, Vol. 32, 2016

Efficiency and derating, Technical information (white paper), SMA, https://files.sma.de/downloads/WirkungDerat-TI-en-48.pdf

Marcelo Villalva

Marcelo 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. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações".

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