Novembro 13, 2019

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Oversizing e clipping nos sistemas fotovoltaicos

Autoria original de João Paulo Souza, ECORI Energia Solar
Revisado pela redação do Canal Solar

Introdução

O objetivo deste artigo é desmistificar e explicar o objetivo e o potencial do oversizing. Oversizing é o termo que usamos para designar a situação na qual os módulos solares são superdimensionados em relação à potência do inversor, ou seja, há muito mais módulos no sistema fotovoltaico do que o inversor seria capaz de receber de acordo com sua potência nominal. Uma consequência do oversizing é o clipping, que é o recorte ou o grampeamento da curva de potência do inversor, como veremos a seguir.

Vamos a seguir discutir as vantagens, as desvantagens e as limitações da técnica de oversizing. Em vez de estabelecer de forma empírica uma potência adicional de módulos sobre a potência nominal do inversor, veremos por que é necessário avaliar a melhor relação entre a potência de módulos e a potência do inversor. 

Buscando a otimização dos projetos, geralmente se eleva a relação entre a potência de pico nominal (em STC - standard test condition) dos módulos fotovoltaicos e a potência de entrada do inversor. O aumento dessa relação equivale à redução do FDI (fator de dimensionamento do inversor), definido como:

FDI = Potência de entrada do inversor / Potência de pico dos módulos fotovoltaicos

Em outras palavras, quanto maior a potência dos módulos fotovoltaicos em relação à potência do inversor, menor é o FDI. Normalmente nos projetos fotovoltaicos o FDI é menor do que 1, indicando que a potência do inversor é geralmente menor do que a potência dos módulos fotovoltaicos. Isso é natural, já que a potência de pico nominal dos módulos em STC (1000 W/m2 e 25 oC de temperatura nas células) raramente é atingida. 

Em alguns casos, entretanto, busca-se um FDI ainda menor, com um maior acréscimo de potência de módulos sobre a potência do inversor. Isso pode elevar a relação técnico-econômica, permitindo aumentar os valores do custo nivelado da energia (LCOE - levelized cost of energy) e a taxa interna de retorno (TIR), que são indicadores econômicos muito empregados na avaliação de sistemas fotovoltaicos e usinas. [1]

Uma das principais dificuldades dos projetistas de sistemas fotovoltaicos é encontrar o FDI ideal, ou a relação ideal entre a potência de módulos e a potência do inversor, considerando todos os parâmetros técnicos e econômicos de um projeto fotovoltaico, bem como as características técnicas ou as restrições dos inversores. De fato, para cada local, devido às especificidades do site, as configurações ideais são diferentes [1].

O que é oversizing?

A palavra oversizing significa literalmente sobredimensionamento. Também é possível encontrar na literatura outros termos para designar o oversizing como: overpaneling, overloading ou overbuilding. No contexto de inversores para sistemas fotovoltaicos trata-se do sobredimensionamento da potência de pico do arranjo fotovoltaico (conjunto de módulos do sistema) sobre a potência nominal do inversor. 

Enquanto a maioria dos inversores pode lidar com o oversizing, em alguns casos existem limites importantes para que isso possa ser feito. Por exemplo, a tensão de saída das strings do arranjo fotovoltaico não deve exceder a tensão máxima permitida na entrada do inversor. Além disso, a corrente máxima de curto-circuito do arranjo fotovoltaico não deveria exceder, em princípio, a corrente máxima de entrada do inversor.

A correta definição do FDI (ou da quantidade de oversizing) é um dos aspectos mais importantes a serem definidos no estágio inicial do projeto, considerando todos os parâmetros do site e respeitando todas as limitações técnicas dos componentes elétricos para otimizar o balanço entre custos e receitas [1].

O que é clipping?

O aumento da relação entre potência de módulos e a potência do inversor (ou a consequente redução do FDI) expõe os inversores solares a um conjunto de módulos fotovoltaicos cuja potência e cuja corrente de curto-circuito são maiores do que aquelas que o inversor teoricamente suportaria. Dependendo da intensidade do oversizing ocorrerá o clipping, que nada mais é do que a limitação de potência imposta pelo inversor aos módulos fotovoltaicos. A potência de geração fica limitada à potência máxima do inversor e a cuva de potência x tempo (na saída do inversor) fica grampeada ou achatada. Esse efeito limitador de potência (clipping) nos inversores ocorre com maior probabilidade e durante períodos mais longos quanto maior o oversing, conforme Figura 1 [1]. 

 

Figura 1: Comparação entre o oversizing em dois dias diferentes, um sem limitação de potência (linha cor de laranja) outro com clipping (linha azul). A parte tracejada da linha azul corresponde à potência que não foi alcançada (e consequentemente uma quantidade de energia que não foi produzida) devido à limitação imposta pelo inversor.

Desde que a energia adicional obtida através do oversizing (área do gráfico azul com a linha cheia) seja maior que a energia perdida como consequência do clipping (área do gráfico sob a linha azul tracejada), teremos uma relação de oversizing (ou um FDI) favorável.

Além disso, é importante observar que o clipping pode ocorrer apenas em alguns dias do mês e em alguns meses do ano. Por exemplo, pode haver clipping em alguns dias do verão. Isto pode ser verificado através de simulações, como a da Figura 2 a seguir.  

Figura 2: Resultado da simulação de um sistema FV em Fortaleza-CE com 125% de oversizing e clipping em apenas 4 meses do ano.

O inversor tem que dissipar energia e vai esquentar quando ocorre o clipping?

Em resposta a essa condição de clipping, um inversor simplesmente ajusta o ponto de operação dos módulos fotovoltaicos de modo a limitar a potência gerada. Em outras palavras, o inversor não deixa os módulos produzirem mais potência do que o inversor suportaria. Portanto, quando ocorre o clipping não existe dissipação de energia excedente no inversor, como algumas pessoas poderiam pensar. Isto ocorre porque durante a limitação da geração o inversor limita a corrente de entrada proveniente do arranjo FV, deslocando o ponto de operação do arranjo para um ponto de operação de maior tensão e menor corrente ao longo da curva I-V do arranjo, distanciando-se do ponto de máxima potência do arranjo [2], conforme a Figura 3. O sobreaquecimento do inversor (dentro de condições normais) pode ocorrer durante o clipping somente pelo fato de o inversor trabalhar por mais tempo em sua potência máxima, mas não por processamento excessivo de energia.

Figura 3: Curvas I-V de arranjos fotovoltaicos e pontos de operação de arranjos típicos e sobredimensionados.

A Figura 4 a seguir apresenta um exemplo prático de um sistema fotovoltaico no qual a curva de potência foi limitada na potência de aproximadamente 3,4 kW. Esse corte é um indicativo de que está ocorrendo o clipping.

 

Figura 4: Exemplo de saturação (clipping) de um inversor tradicional de string.

Como os inversores funcionam com oversizing?

O oversizing ocorre, como já discutimos anteriormente, quando a potência de pico em STC do conjunto de módulos fotovoltaicos (PFV,STC) é superior à máxima potência do inversor (PINV,CA). A potência do inversor considerada pode ser a de saída (CA) ou de entrada (CC), conforme a definição desejada ou conforme a literatura consultada. A máxima potência de saída do inversor corresponde a sua potência nominal especificada em catálogo ou em seu sua folha de dados (datasheet).

Desta forma, para um inversor com potência máxima CA de saída PINV,CA conectado a um arranjo fotovoltaico com potência PFV,STC, este inversor está sobredimensionado se:

 PFV,STC > PINV,CA

O fator de oversizing (Foversizing), que é o inverso do FDI, pode ser definido conforme a expressão a seguir, onde PFV,STC é a potência de pico do arranjo fovotovoltaico em STC e PINV,CA é a potência máxima de saída CA do inversor:

Foversizing = PFV,STC / PINV,CA

Os inversores fotovoltaicos são projetados de forma que a potência de saída não exceda os valores de potência CA máxima (PINV,CA). Em muitos casos o oversizing dos módulos fotovoltaicos (ou o subdimensionamento do inversor) pode aumentar a geração de energia em locais com pouca luz, onde a potência real dos módulos fotovoltaicos estará sempre abaixo da potência de pico em STC. A instalação de um inversor menor para um determinado arranjo ou, igualmente, a instalação de mais potência de módulos para um determinado inversor, pode ter benefícios e é perfeitamente aceitável. No entanto, o sobredimensionamento excessivo do inversor, fora dos requisitos técnicos estabelecidos pelo fabricante, pode ter um impacto negativo na energia total produzida e na vida útil do equipamento.

O sistema de resfriamento de um inversor FV deve ser corretamente projetado, permitindo que ele possa operar durante muito tempo em sua potência máxima nominal. Em equipamentos de baixa qualidade os sistemas fotovoltaicos com oversizing podem causar o desligamento do inversor se forem atingidas temperaturas críticas. Esse comportamento, proporcionado por um sistema de segurança, protege os componentes internos do inversor contra o derretimento por dissipação excessiva de calor. Temperaturas elevadas nos inversores podem surgir quando a ventilação forçada falha ou é insuficiente, por mau funcionamento do ventilador, por obstrução das áreas de ventilação ou como resultado de temperaturas ambiente elevadas.

O oversizing e os módulos fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos não trabalham constantemente na sua potência de pico nominal de saída. A potência de saída dos módulos é afetada pelo clima, pela posição do Sol durante o dia,  pelas condições do local de instalação e pelos ângulos de orientação e inclinação, entre outras coisas. Além disso, a potência de saída do módulo diminuirá devido à existência de sujeira e ao sombreamento.

Em locais com elevada presença e poeira (mineradoras, pedreiras etc) com perdas anuais médias maiores que 4% a 6%, recomenda-se também ter um cuidado com o oversizing. O risco é obter um oversizing e clipping no inversor maior do que o esperado, principalmente após a limpeza dos módulos fotovoltaicos ou após chuvas intensas.

Adicionalmente, a potência de saída dos módulos fotovoltaicos diminui com o tempo devido à degradação natural dos mesmos, enquanto a classificação de potência do inversor permanecerá constante. Isso reduzirá progressivamente a relação CC/CA. Como resultado, as perdas médias por clipping ao longo dos 25 anos de garantia dos módulos serão menores do que as perdas do primeiro ano. Lembrando que normalmente a garantia de produção de energia dos módulos FV cobrem uma perda de produção de até 20% do valor nominal do módulo ao longo de 25 anos.

Por que fazer oversizing?

A principal razão para sobrecarregar um inversor (ou sobredimensionar os módulos fotovoltaicos para um dado inversor) é levá-lo à sua capacidade total com mais frequência. Isso maximizará a saída de energia em condições de baixa luminosidade, permitindo a instalação de um inversor menor para um determinado arranjo fotovoltaico. O oversizing do arranjo fotovoltaico não é um requisito, mas um projetista experiente de sistemas fotovoltaicos pode optar por utilizar um inversor com potência menor do que a dos painéis solares para empregar um inversor de menor potência (reduzindo o custo do sistema) ou, no caso extremo de um oversizing muito acentuado, proporcionar um sistema fotovoltaico que opere no limite da potência durante a maior parte do tempo, produzindo mais energia ao longo do dia.

Realizar o oversizing dos módulos fotovoltaicos faz sentido economicamente em termos de equilíbrio de economia de componentes do sistema. Usar uma potência de módulos maior do que a potência do inversor ajuda a melhorar os custos por kWh gerado associados a inversores, cabines, infraestruturas internas e equipamentos especializados. Isto permite projetar uma planta otimizada, a fim de alcançar a melhor IRR e o melhor LCOE, maximizando os resultados financeiros do projeto.

Oversizing de alguns inversores

Os fabricantes de inversores, em suas especificações, permitem um oversizing bastante elevado, às vezes até 175%. A SolarEdge, por exemplo, permite um oversizing de até 135% (Figura 5). Já para os seus inversores monofásicos da linha HD-Wave, é permitido o oversizing de até 155%. O oversizing nos inversores SolarEdge não irá prejudicar os inversores. A manutenção deste limite garantirá a vida útil do inversor e é necessária para manter o inversor coberto pela sua garantia [3].

 Figura 5: Datasheet de um inversor SolarEdge. Destaque para as potências de entrada e saída evidenciando seu oversizing limitado a 135%.

No entanto, isto não significa que utilizar estes percentuais de oversizing sejam uma recomendação de oversizing ótimo. Em muitos casos, pode-se projetar o sistema com um oversizing menor para garantir que o inversor não apresente clipping, ou se pode limitar o clipping aum valor ótimo, considerando a degradação dos módulos e outros fatores.

O oversizing máximo permitido é um parâmetro que varia de inversor para inversor. Portanto, antes de instalar uma potência de painéis solares maior do que a potência do inversor é necessário consultar o datasheet do equipamento. Por exemplo, a Figura 6 a seguir apresenta um trecho de uma folha de dados de um inversor fotovoltaico cuja potência nominal de saída é de 28,6 kW. Esse inversor possui dois MPPTs, ou seja, duas entradas com rastreamento individual de máxima potência. Cada entrada suporta uma potência máxima de 16 kW, então é possível instalar no máximo 32 kW de potência nominal de módulos, respeitando-se o limite nominal do inversor (sem oversizing). 

Figura 6: Trecho de um datasheet de um inversor fotovoltaico. Destaque para os parâmetros de entrada.

De acordo com a Figura 6 o percentual de oversizing máximo permitido é de 111,88%. Se neste inversor de 28,6 kW for instalado um arranjo fotovoltaico com oversizing de 120%, esta condição pode ser prejudicial ao inversor. Consequentemente, a vida útil do inversor seria reduzida ou o inversor sofreria algum dano e o mesmo não estaria coberto por sua garantia.

Colocando os conceitos em prática

No exemplo da Figura 7 temos o resultado de uma simulação para um sistema orientado para o Norte, com inclinação de 15 graus e com dados meteorológicos de Fortaleza/CE. Podemos ver que, ao aumentar o tamanho do arranjo FV de 26,4 kWp para 35,64 kWp (com uma capacidade de inversor de 26,4 kWp), a produção de energia cresce de 45,62 MWh/ano para 60,69 MWh/ano (33,03%). Na mesma faixa, as perdas por clipping aumentam de 0% para 1,35%.

Neste caso observamos que, apesar de haver uma perda por clipping de 1,35%, é possível estimar um ganho de produção de 33,03%.


Figura 7: Produção de energia e perdas por clipping. Sistema com módulos solares orientados para o Norte.

Já no exemplo da Figura 8 temos o resultado de uma simulação para o mesmo sistema, agora instalado sobre um telhado de duas águas, com metade dos módulos instalados em cada água -- ou seja, com orientação leste-oeste. A inclinação de cada água permanece em 15 graus e continuamos com os dados meteorológicos de Fortaleza/CE. Podemos ver que, ao aumentar o tamanho do arranjo fotovoltaico de 26,4 kWp para 35,64 kWp (com uma capacidade de inversor de 26,4 kWp), a produção de energia cresce de 43,36 MWh/ano para 58,68 MWh/ano (35,33%). Na mesma faixa, as perdas por clipping aumentam de 0% para 0,34%.

 

Figura 8: Produção de energia e perdas por clipping. Sistema com orientação Leste/Oeste.

Neste caso observamos que, para o mesmo sistema instalado agora com orientação leste-oeste o percentual de ganho de energia é maior que no caso anterior. Com o adicional de que a perda de energia por clipping agora é de apenas 0,34%. 

Ainda assim, devemos levar em consideração que se for possível escolher a orientação da instalação, mesmo com maiores perdas por clipping, o maior potencial de geração está no caso da Figura 6 (telhado voltado para o Norte). Contudo, se não for possível escolher a orientação e cairmos no caso da Figura 7 (telhado leste-oeste), podemos observar que existe a possibilidade de se usar um oversizing ainda maior, caso o inversor assim permita. Isto nos levaria a elevar o potencial de geração do sistema fotovoltaico sem custos adicionais com inversores e insumos, dentre outros.

Conclusões

As duas simulações apresentadas mostram que o oversizing é uma ferramenta de projeto poderosa, desde que usada de acordo com os requisitos técnicos do projeto. No caso de uma potência de módulos maior do que a potência do inversor (ou um FDI menor do que 1),  mesmo que perdas maiores devido ao clipping de energia tenham que ser aceitas, especialmente durante os primeiros anos de operação do sistema FV, elas são amplamente compensadas durante toda a vida útil. De fato, uma elevado oversizing permite manter uma produção de energia mais elevada ao longo da vida útil do sistema, enquanto a potência dos módulos fotovoltaicos se degrada com o tempo. Além disso, o sistema produz mais energia no início da manhã, no final da tarde e durante outros períodos de baixos ou médios níveis de irradiação solar (vide Figura 1). 

Em contrapartida, o sobredimensionamento excessivo pode afetar negativamente a produção de energia do inversor. Um clipping excessivo resulta em perda geração de energia (aproveita-se pouco o potencial de geração do arranjo fotovoltaico). Sobrecarregar excessivamente o inversor também faz com que o inversor opere em alta potência por períodos mais longos, afetando sua vida útil. Operar em alta potência também aumenta o aquecimento do inversor e pode aquecer o ambiente. Os inversores reduzirão sua geração de energia máxima em caso de superaquecimento. Essa redução de geração tem um termo específico, chamado “power de-rating”, o qual será tratado em artigos futuros.

A boa notícia é que os inversores têm arquiteturas de gerenciamento térmico para controlar as temperaturas internas e proteger o equipamento durante períodos prolongados de funcionamento a plena carga. Essas medidas também atuam para ajudar a preservar a vida útil dos componentes sensíveis à temperatura. Os inversores detectam temperaturas de componentes críticos e possuem pontos de ajuste programados que controlam a velocidade do ventilador e a limitação de energia como meio de regular a temperatura interna do equipamento [2]. 

Este artigo está longe de esgotar o assunto. Há muito ainda para ser discutido em detalhes e com maior profundidade, principalmente considerando os aspectos financeiros e as restrições técnicas. Contudo, esperamos que o presente texto seja uma fonte de consulta para desmistificar alguns conceitos sobre oversizing e clipping em sistemas fotovoltaicos.

Referências

[1] R. Mounetou, I. Bejar Alcantara, A. Incalza, J.P. Justiniano, P. Loiseau, G. Piguet, A. Sabene, “Oversizing Array-To-Inverter (DC-AC) Ratio: What Are the Criteria and How to Define the Optimum?”, 29th EU PVSEC 2014, 22 - 26 September 2014, Amsterdam.

[2] J. Fiorelli, M. Zuercher-Martinson, “Supersize It - How oversizing your array-to-inverter ratio can improve solar-power system performance”, Solar Power World, pp. 42-46, 2013.

[3] SolarEdge, “Technical Note - Oversizing of SolarEdge Inverters”, July, 2016.


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Last modified on Terça, 02 Julho 2019 00:38
João Paulo de Souza

Tem Mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão (IFMA). É engenheiro responsável pela Ecori Energia Solar e especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE (module-level power electronics). Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Ex-sócio e fundador da LUNION Energia e Automação. Engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.

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