Agosto 19, 2019

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Entenda os otimizadores para sistemas fotovoltaicos

Introdução

Você já se deparou com a ocorrência de perdas em um sistema fotovoltaico por sombreamento? Ou casos em que os módulos fotovoltaicos teriam que ficar em diferentes inclinações ou orientações? Esses são típicos casos em que o projetista do sistema fotovoltaico tem a difícil missão de propor alternativas para reduzir as perdas durante o processo de geração de energia.

É nessas ocasiões que se destacam as arquiteturas fotovoltaicas modulares com os dispositivos MLPE (module-level power electronics). Nesse tipo de arquitetura incluem-se os microinversores (já bastante difundidos no mercado) e os otimizadores de potência (produto que chegou no ano passado ao Brasil com a Solar Edge).

Neste artigo vamos falar sobre as vantagens dos otimizadores de potência nos sistemas fotovoltaicos. Em resumo, os otimizadores oferecem as seguintes possibilidades em uma instalação fotovoltaica:

  • Painéis solares com ângulos e orientações diferentes no mesmo string
  • Painéis de diferentes potências no mesmo string
  • Strings com diferentes números de painéis no mesmo inversor
  • Redução do efeito de sombras sobre os módulos fotovoltaicos
  • MPPT por módulo (Maximum Power Point Tracking - rastreamento da máxima potência individualizado)
  • Maior segurança com a redução da tensão de circuito aberto quando o sistema está desligado
  • Eliminação total do risco de arcos elétricos e incêndios

O que é um otimizador de potência?

O otimizador de potência para sistemas fotovoltaicos é um dispositivo cuja principal função é reduzir perdas em um sistema fotovoltaico [2], elevando a eficiência do sistema [3]. A arquitetura genérica de um sistema fotovoltaico com otimizadores de potência é apresentada na figura a seguir.

A ideia central do sistema com otimizador é que os painéis solares não sejam ligados diretamente ao inversor CC-CA. Em vez disso, os painéis são ligados a conversores CC-CC que fazem um pré-processamento da energia antes de entrega-la ao inversor.

Os conversores de corrente contínua (CC-CC) podem ser interligados em série ou paralelo, fornecendo energia a um inversor convencional ou a um inversor específico para uso com otimizadores de potência.

A escolha quanto à forma de ligação ou tipo de inversor muda de acordo com o fabricante e o modelo de otimizador de potência, já que existem diversas formas de realizar o processo de otimização. Tem sido mais comum no mercado a arquitetura que emprega otimizadores em série, como veremos a seguir. 

Figura: Arquitetura fotovoltaica genérica com otimizador de potência.

No geral, os otimizadores de potência realizam a otimização através da localização do ponto de máxima potência (vide referência [4]) para cada módulo fotovoltaico. Dessa forma, diferentemente do inversor de string ou central, que busca o ponto de máxima potência considerando a saída do conjunto de módulos fotovoltaicos, o otimizador opera individualmente sobre cada módulo fotovoltaico, aumentando a precisão na localização do ponto de máxima potência.

Assim, em situações em que um módulo fotovoltaico limita outros por estar sombreado (alterando a curva IV global do sistema), a existência do otimizador fará com que essa limitação não aconteça em um nível considerável (veja neste artigo o que é a curva IV).

Embora a ideia do otimizador seja atuar individualmente sobre cada módulo solar, existem no mercado opções de otimizadores que trabalham com até dois módulos.

Vantagens dos otimizadores

Sistemas fotovoltaicos com otimizadores de potência têm como vantagens, incluindo algumas que já citamos no início deste artigo:

  • Aumento de eficiência (maior geração de energia) proporcionado pela localização do ponto de máxima potência por módulo.
  • Facilidade de manutenção devido à possibilidade de isolar o módulo fotovoltaico defeituoso do sistema
  • Redução das perdas de energia por mismatch (perdas ocasionadas pelas diferenças de potência entre os módulos de um string).
  • Possibilidade de utilizar módulos de marcas e características diferentes
  • Possibilidade de instalar módulos em ângulos, orientações e condições de sombra diferentes
  • Maior segurança na instalação elétrica, reduzindo a tensão de circuito aberto dos strings
  • Opção de monitorar individualmente a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos

Com relação às vantagens mencionadas no parágrafo anterior, vale destacar uma importante característica dos sistemas fotovoltaicos com otimizadores: a eliminação do risco de arco elétrico, que tem sido um problema muito frequente nos sistemas fotovoltaicos convencionais.

Os otimizadores possuem um sistema de desligamento automático quando um arco elétrico é detectado, tornando os sistemas fotovoltaicos completamente imunes à ocorrência de incêndios.

Otimizadores tornam os sistemas FV mais seguros, eliminando o risco de arco elétrico e incêndio.

Arquitetura com otimizadores Solar Edge

Na figura abaixo é apresentado o modo de funcionamento dos otimizadores de potência considerando a arquitetura da Solar Edge. A figura (A) apresenta o sistema funcionando sem sombreamento e a figura (B) com sombreamento.

No sistema sem sombreamento, a tensão de saída dos otimizadores é dividida igualmente, aproximando o valor em relação ao link CC do inversor. Quando ocorre o sombreamento de um módulo fotovoltaico, a tensão de saída do otimizador referente ao módulo sombreado é reduzida e as outras tensões são elevadas de modo a manter a mesma corrente na saída de cada otimizador e a tensão no link CC.

Figura: Funcionamento dos otimizadores de potência. Adaptado de [5].

Otimizador x Microinversor

Agora que você já sabe o que é um otimizador de potência, deve estar se perguntando “Qual a diferença do otimizador de potência em relação ao microinversor?”. Bem, a principal diferença está nas perdas durante o processo de conversão CC-CA (de corrente contínua para alternada).

Nos sistemas com otimizadores a conversão CC-CA é feita no inversor, enquanto nos microinversores a conversão é feita em cada um deles. Nesse último caso, tem-se o aumento das perdas na conversão. Vale destacar que, ainda assim, as eficiências dos sistemas fotovoltaicos com otimizadores de potência e microinversores são realmente próximas [6].

A fronteira entre os microinversores e os otimizadores é muito tênue, mas os otimizadores conseguem ser mais vantajosos. A viabilidade econômica do uso de otimizadores, em comparação com o uso de microinversores, cresce na medida em que a potência do sistema fotovoltaico aumenta. Em resumo: em sistemas muito grandes o otimizador acaba sendo mais barato do que o microinversor.

Considerações finais

Os otimizadores são muito interessantes e apresentam muitas vantagens, como mencionamos anteriormente. Se o sistema solar está sujeito a sombras, os otimizadores sem dúvidas são uma excelente opção.

Entretanto, em qualquer tipo de sistema (mesmo sem sombras), os otimizadores elevam a geração de energia, pois mesmo em condições homogêneas de irradiação solar sempre há módulos com características diferentes nos strings.

A presença de sistemas de MPPT individualizados para cada módulo fotovoltaico é um fator que eleva a eficiência dos sistemas fotovoltaicos em qualquer caso. Isso é mais verdade quando existem módulos instalados em diferentes ângulos e inclinações, condições nas quais os sistemas tradicionais com inversores de strings não apresentam bom desempenho. 

Se a segurança das instalações fotovoltaicas é um aspecto importante para o projetista ou para o proprietário do sistema fotovoltaico, o uso de otimizadores é muito atraente.

Em qualquer tipo de sistema (mesmo sem sombras), os otimizadores elevam a geração de energia. 

Se a segurança das instalações fotovoltaicas é um aspecto importante, o uso de otimizadores também se torna muito atraente.

É válido ressaltar que a melhor solução para a redução de perdas é um sistema fotovoltaico bem projetado mesmo diante de cenários problemáticos. Logo, antes de optar por sistemas com MLPE (otimizadores e microinversores), o projetista tem que verificar o posicionamento dos módulos fotovoltaicos da melhor forma possível.  Por isso é muito importante o uso de softwares de simulação de sistemas fotovoltaicos como PVsyst, Helioscope ou Designer da Solar Edge. 

Há vantagens e desvantagens em todas as arquiteturas de sistemas fotovoltaicos. O objetivo deste artigo foi apresentar as vantagens dos otimizadores, não somente com relação à otimização da geração de energia em sistemas com sombras e com módulos em diferentes condições de operação, mas também no quesito segurança.

Se analisarmos principalmente o aspecto da segurança das instalações elétricas fotovoltaicas, os otimizadores tornam-se uma boa escolha para qualquer tipo de sistema fotovoltaico, pois eliminam os riscos de arcos elétricos e incêndios.

Se analisarmos principalmente o aspecto da segurança das instalações elétricas fotovoltaicas, os otimizadores tornam-se uma boa escolha para qualquer tipo de sistema fotovoltaico, pois eliminam os riscos de arcos elétricos e incêndios.

Referências

[1] P. Trapp. What is a Power Optimizer?. Disponível em: < https://blog.pickmysolar.com/power-optimizer-solar-panel-equipment>. Acesso em 17/04/2019.

[2] R. Orduz, J. Solorzano del Moral, M. A. Egido, and E. Roman, “Analytical study and evaluation results of power optimizers for distributed power conditioning in PV arrays,” Prog. Photovoltaics, 2011.

[3] João Lucas de Souza Silva, H. S. Moreira, D. B. Mesquita, Marcelo Gradella Villalva, "Analysis of Power Optimizers in Photovoltaic Power Plant," 13th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications, 2018.

[4] Marcelo Gradella Villalva. Entendendo as curvas IV e PV dos módulos fotovoltaicos. Disponível em: < http://www.canalsolar.com.br/index.php/artigos/item/59-entendendo-as-curvas-iv-e-pv-dos-modulos-fotovoltaicos>. Acesso em 17/04/2019.

[5] T. Solaredge, “Technical Note SolarEdge Fixed String Voltage, Concept of Operation,” pp. 7–9, 2012.

[6] EnergySage. Comparing microinverters vs. power optimizers. Disponível em: < https://www.energysage.com/solar/101/microinverters-vs-power-optimizers/>. Acesso em 17/04/2019. 


Palavras-chave: otimizadores de potência, sistemas fotovoltaicos, Solar Edge, MLPE


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Last modified on Terça, 02 Julho 2019 00:28
João Lucas de Souza Silva

Mestrando em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Especialista em Docência no Ensino Superior (Uniasselvi), Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrotécnica no Instituto Federal da Bahia (IFBA). Atualmente dedica-se ao estudo de Otimizadores de Potência para Sistemas de Geração Fotovoltaica. É pesquisador científico do LESF, Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos e do LEPO, Laboratório de Eletrônica de Potência da UNICAMP.

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