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O que é um inversor solar híbrido?

Quais características definem um inversor híbrido? Quais entradas, saídas e modos de operação esses equipamentos possuem?

Autor: 1 de março de 2022março 30th, 2022Artigos técnicos
O que é um inversor solar híbrido?

Nem todo inversor híbrido é híbrido. Foto: Tesla

Antigamente destinados principalmente aos sistemas fotovoltaicos off-grid, os bancos de baterias estão tornando-se atraentes também em instalações alimentadas pela rede elétrica, principalmente para a finalidade de backup (alimentação de emergência, quando há falta da rede) ou para a otimização do uso da energia elétrica.

A otimização do uso da energia elétrica com o auxílio de baterias nos sistemas fotovoltaicos conectados à rede pode ter diferentes objetivos: 

  • Autoconsumo totalmente local, com o armazenamento de toda a energia excedente do sistema fotovoltaico (é o que chamamos de operação com “exportação zero” ou “grid zero”), evitando a injeção na rede elétrica.
  • Time shift ou deslocamento no tempo. Esse modo de operação consiste em armazenar energia nas baterias quando ela é mais barata, para depois usá-la em horários de tarifas mais elevadas.
  • Peak shaving (corte do pico). Esse modo de operação é muito parecido com o anterior, com a exceção do fato de que a energia das baterias será usada para suprir picos de consumo. Isso pode ser útil, por exemplo, para evitar aumento da demanda contratada em instalações que apresentam curvas diárias com picos de consumo em determinados horários. 

Muitos fabricantes estão atualmente disponibilizando modelos de inversores fotovoltaicos híbridos, que possuem entradas para a conexão de módulos fotovoltaicos e baterias, além de incorporar funções de gerenciamento de energia e backup. 

O que significa dizer que um inversor fotovoltaico é híbrido? A primeira resposta que vem à mente é a presença de uma porta para a conexão de bancos de baterias. O termo híbrido, neste caso, refere-se à capacidade do inversor de operar simultaneamente com uma fonte de energia (os painéis solares) e um banco de baterias. 

A segunda interpretação que podemos usar para o termo “híbrido” é a capacidade do equipamento de operar em dois modos: on-grid (ou grid-tie) e off-grid. 

No modo on-grid (ou grid-tie) o inversor opera como uma fonte de corrente, injetando na rede elétrica a energia proveniente dos painéis solares ou das baterias. 

No modo off-grid o inversor comporta-se como uma fonte de tensão, fornecendo alimentação para as cargas conectadas à sua saída. 

Nesse segundo modo de operação o inversor faz o papel de um nobreak, que é capaz de fornecer alimentação com energia proveniente das baterias quando nenhuma outra fonte de energia está disponível. No caso do inversor off-grid, diferentemente de um simples nobreak, as cargas podem ser alimentadas simultaneamente com energia das baterias e dos painéis solares.

A Figura 1 ilustra os dois modos de operação possíveis (on-grid e off-grid) dos inversores. 

Antes de continuarmos, façamos o seguinte parêntese: os termos on-grid e grid-tie são dois termos sinônimos encontrados na literatura para referir-se ao mesmo equipamento: o inversor que opera como fonte corrente, conectando-se a um barramento de tensão alternada – que pode ser originado, por exemplo, pela rede elétrica de distribuição.

Figura 1 - Modos de operação on-grid (grid-tie) e off-grid de um inversor

Figura 1 – Modos de operação on-grid (grid-tie) e off-grid de um inversor

Normalmente os inversores chamados “híbridos” que encontramos no mercado apresentam as seguintes características: (1) possuem entradas para módulos fotovoltaicos e baterias e (2) operam nos modos on-grid (grid-tie) e off-grid. Portanto, qualquer que seja a interpretação dada ao termo “híbrido”, esses equipamentos satisfazem todos os critérios para receber este nome.

Entretanto, nem todo inversor híbrido é híbrido. Eu explico: podemos encontrar inversores comercializados como híbridos que possuem entradas para módulos fotovoltaicos e baterias, mas não possuem o modo de operação grid-tie, ou seja, são apenas inversores off-grid. 

Alguns desses inversores possuem uma porta CA de entrada, que permite carregar as baterias com energia da rede. Por causa dessa porta CA adicional, algumas vezes esses inversores recebem a denominação on-grid. Muito cuidado aqui: esta não é uma porta grid-tie. Sua função é apenas alimentar um carregador de baterias interno. 

Então esses inversores erroneamente chamados de híbridos são apenas inversores off-grid com uma porta CA de entrada. Esses inversores podem ser melhor definidos como inversores-carregadores. Vamos falar em mais detalhes desse tipo de inversor em outro artigo.

Mais importante do que definir o nome de cada inversor, é entender como funcionam os equipamentos e quais recursos eles podem nos oferecer.

Os inversores podem possuir várias portas de entrada e de saída. Cada porta tem uma função específica e opera com um fluxo de energia que pode ser unidirecional ou bidirecional. 

Os inversores que podemos chamar de híbridos possuem ao menos duas portas de entrada, sendo uma delas bidirecional (para a operação com baterias). Em seguida, o inversor híbrido deve possuir uma ou mais portas CA, com a capacidade de operar nos modos on-grid e off-grid – sendo que o modo de operação off-grid é essencialmente utilizado como recurso de backup).

A seguir, vamos conhecer alguns tipos de inversores e analisar seu funcionamento de acordo com a quantidade e os tipos de portas que cada um possui. 

Inversor grid-tie padrão

Esse inversor possui apenas uma porta CC de entrada e uma porta CA de saída, como vemos na Figura 2 abaixo.

Figura 2 - Organização do inversor grid-tie padrão, com uma porta de entrada e outra de saída

Figura 2 – Organização do inversor grid-tie padrão, com uma porta de entrada e outra de saída

Neste equipamento as duas portas, de entrada e saída, são unidirecionais. A função da porta de entrada é receber energia dos painéis solares, enquanto a porta de saída tem a função de injetar energia na rede elétrica.

Inversor off-grid padrão

O inversor off-grid padrão possui uma entrada CC que recebe energia de um banco de baterias (ou outra fonte de alimentação CC) e fornece energia na forma de tensão alternada em sua saída. Também neste caso as duas portas são unidirecionais, como mostra a Figura 3.

Figura 3 - Organização do inversor off-grid padrão, com uma porta de entrada e outra de saída

Figura 3 – Organização do inversor off-grid padrão, com uma porta de entrada e outra de saída

Inversor híbrido

Este inversor possui pelo menos duas portas de entrada: unidirecional (para a conexão dos painéis solares) e bidirecional (para a conexão das baterias). Na saída encontramos uma porta CA bidirecional (para o modo grid-tie) e uma porta CA unidirecional (para o modo off-grid), conforme ilustra a Figura 4 abaixo:

Figura 4 - Organização do inversor híbrido padrão (com duas portas de saída)

Figura 4 – Organização do inversor híbrido padrão (com duas portas de saída)

Exemplos de inversores grid-tie híbridos

Exemplo 1: Growatt SHP 3000-6000

A seguir analisamos um exemplo de inversor híbrido on/off-grid encontrado no mercado. A Figura 5 mostra a parte inferior do equipamento, onde são feitas as conexões elétricas. Notamos a presença de uma entrada para os painéis solares, uma entrada para baterias e duas saídas CA: uma para operação grid-tie e outra para operação off-grid. 

O equipamento aqui ilustrado possui exatamente a estrutura de portas mostrada na Figura 4. Trata-se de um exemplo clássico de inversor fotovoltaico híbrido, que opera conectado à rede elétrica na maior parte do tempo (funcionando como um inversor grid-tie convencional, além da habilidade de gerenciar o uso da energia com baterias), mas tem a possibilidade de operar no modo off-grid quando há falha da rede, alimentando cargas locais com sua saída CA, de forma totalmente isolada da rede elétrica.

Figura 5 - Vista inferior do inversor SHP 3000-6000, onde se observa a presença de duas portas CA (uma grid-tie e outra off-grid) além das portas CC de conexão das baterias e dos painéis solares

Figura 5 – Vista inferior do inversor SHP 3000-6000, onde se observa a presença de duas portas CA (uma grid-tie e outra off-grid) além das portas CC de conexão das baterias e dos painéis solares

Figura 6 - Esquema de conexões do inversor híbrido da família SPH3000-6000 da Growatt

Figura 6 – Esquema de conexões do inversor híbrido da família SPH3000-6000 da Growatt

Modos de operação

Modo on-grid (quando a rede está conectada)

O equipamento funciona como um inversor grid-tie híbrido, fazendo tudo o que se espera de um inversor como este: injeta energia na rede elétrica e carrega as baterias com energia solar ou com energia da rede. Descarrega as baterias conforme a programação feita pelo usuário.

De acordo com o manual do fabricante, são possíveis diferentes programações dentro do modo de operação on-line:

Prioridade para consumo local: Esta é a programação padrão do equipamento. Neste modo de operação a energia dos painéis solares atende prioritariamente o consumo local. Quando a energia solar é insuficiente, as baterias são descarregadas. Se houver excesso de energia solar, as baterias serão recarregadas. Em último lugar, se houver excesso de energia solar e se as baterias estiverem carregadas, haverá injeção de energia na rede elétrica (exceto se a função “grid zero”) estiver ativa.

Prioridade para o carregamento das baterias: Com esta programação o inversor vai sempre carregar primeiramente as baterias. Depois que as baterias estiverem carregadas, a energia solar será destinada ao consumo local. As baterias podem ser carregadas exclusivamente com energia solar ou pode-se habilitar o carregamento pela rede elétrica (função “AC grid charging)”.

Prioridade para a rede elétrica: Neste terceiro modo de operação toda a energia dos painéis solares é injetada na rede elétrica em primeiro lugar. As baterias serão alimentadas em último lugar, com a energia excedente ou também a partir da rede elétrica.

Modo de operação de backup (off-grid)

Quando a rede elétrica falha, o equipamento entra no modo off-grid e a porta off-grid passa a alimentar uma parte das cargas locais. Somente as cargas chamadas prioritárias (que são escolhidas pelo usuário) serão ligadas a essa porta, respeitando-se a máxima potência de saída do equipamento.

Exemplo 2: Fronius GEN24

Um inversor híbrido muito interessante é o GEN24 da Fronius, ilustrado na Figura 7. O fabricante o define como um inversor híbrido multifuncional, que basicamente possui os modos de operação grid-tie e off-grid, além de um recurso adicional chamado “PV point”. 

No modo grid-tie o equipamento retira energia dos painéis solares e/ou das baterias para alimentar o consumo local, podendo priorizar o consumo ou o carregamento das baterias, conforme a programação feita pelo usuário. 

No modo off-grid o inversor funciona como fonte de tensão, criando uma rede para acionar cargas prioritárias que estejam ligadas à saída AC do equipamento.

O recurso “PV point”, que entra em ação no modo off-grid, oferece a possibilidade de alimentar cargas locais (com potência limitada) somente a partir dos painéis solares, sem a necessidade de baterias.

Podemos encontrar isto no manual do fabricante (com adaptações):

“O inversor é destinado ao uso em sistemas fotovoltaicos acoplados à rede. O inversor monitora automaticamente a rede de energia pública. 

Após a instalação e o comissionamento, o inversor funciona de forma totalmente automática e obtém a potência máxima possível dos módulos solares. 

Dependendo do ponto de operação, essa potência é usada na rede elétrica doméstica, armazenada em uma bateria ou exportada na rede. 

Quando o fornecimento de energia do módulo solar não for suficiente, a potência da bateria é alimentada na rede elétrica doméstica. Dependendo da configuração, também é possível usar a potência da rede elétrica pública para carregar a bateria”.

Figura 7 - Inversor híbrido Fronius Primo GEN24

Figura 7 – Inversor híbrido Fronius Primo GEN24

A Figura 8 ilustra os fluxos de potência que podem ocorrer nos diversos modos de operação do equipamento:

  1. Fluxo dos painéis solares para a rede elétrica: ocorre quando o inversor está operando no modo grid-tie e a bateria está carregada. Toda a energia dos painéis solares é destinada ao consumo local (de cargas conectadas à rede) ou é exportada para o sistema elétrico – se houver excedente;
  2. Fluxo dos painéis solares para a bateria: ocorre quando a bateria está descarregada e há excedente de energia gerada pelos painéis solares ou o carregamento das baterias é prioritário;
  3. Fluxo das baterias para as cargas locais ou para a rede elétrica: ocorre quando o inversor está no modo grid-tie e foi programado para realizar alguma função de gerenciamento de energia (time shift, por exemplo) ou quando o inversor está no modo off-grid e a energia dos painéis solares é insuficiente para suprir as cargas;
  4. Fluxo da rede elétrica para as baterias: ocorre quando o inversor está no modo grid-tie e as baterias estão sendo carregadas com energia proveniente da rede elétrica.
Figura 8 - Fluxos de potência possíveis com o inversor Fronius GEN 24

Figura 8 – Fluxos de potência possíveis com o inversor Fronius GEN 24

As figuras a seguir ilustram o modo de utilização das portas de conexão do Fronius GEN 24. Como em todo inversor híbrido, temos uma porta unidirecional para a conexão dos painéis solares e uma porta bidirecional para a conexão das baterias.

Diferentemente de outros inversores híbridos, o Fronius GEN 24 introduz duas novidades. A primeira delas é uma porta off-grid para a função “PV point”, sobre a qual comentamos anteriormente. Esta porta fornece uma alimentação em tensão alternada com energia fornecida diretamente dos painéis solares, sem o uso de baterias. Isto é útil para a alimentação de pequenas cargas de emergência (iluminação, por exemplo) se você tiver o inversor instalado sem um banco de baterias (operando como se fosse um inversor grid-tie convencional, com a exceção da presença do “PV point”).

Outra novidade deste equipamento é que ele possui uma porta CA que além de ser bidirecional é multifuncional. Em outras palavras, esta é uma porta CA que pode ser usada tanto na operação grid-tie como na operação off-grid, conforme ilustra a Figura 9 logo abaixo.

Figura 9 - Organização do inversor híbrido com uma porta CA multifuncional

Figura 9 – Organização do inversor híbrido com uma porta CA multifuncional

No modo grid-tie a porta CA é conectada à rede elétrica e pode injetar energia (proveniente dos painéis solares ou das baterias) ou pode receber energia (para carregar as baterias com energia da rede elétrica.

No modo off-grid, quando o inversor deve operar desconectado da rede elétrica, a porta CA fornece tensão alternada para a alimentação das cargas locais. Para que a porta possa mudar de função (de grid-tie para off-grid) é necessário que o equipamento seja desconectado da rede elétrica. Isso é possível com o uso de uma chave contatora externa ao equipamento, conforme mostram as Figuras 10 e 11 a seguir.

Figura 10 - A saída CA multifuncional (que opera no modo grid-tie ou off-grid) requer uma chave contatora para interromper a conexão com a rede elétrica durante o modo off-grid

Figura 10 – A saída CA multifuncional (que opera no modo grid-tie ou off-grid) requer uma chave contatora para interromper a conexão com a rede elétrica durante o modo off-grid

Figura 11 - Fluxos de potência durante a operação do Fronius GEN24 no modo off-grid.

Figura 11 – Fluxos de potência durante a operação do Fronius GEN24 no modo off-grid

Nas Figuras 12 e 13 observamos as portas de entrada para baterias e para os painéis solares, a porta de saída CA “PV point” (puramente off-grid) e a porta de saída CA multifuncional.

Figura 12 - Portas CC do inversor Fronius GEN24

Figura 12 – Portas CC do inversor Fronius GEN24

Figura 13 - Portas CA do inversor Fronius GEN24

Figura 13 – Portas CA do inversor Fronius GEN24

Conclusões

A ideia de produzir este artigo começou com o objetivo de responder de forma definitiva a seguinte dúvida: o que é, de fato, um inversor solar híbrido? 

Percebe-se que no mercado a denominação “híbrido” é mais frequentemente associada aos inversores para uso com baterias e que podem operar em dois modos: on-grid (grid-tie) e off-grid. Esta é a situação que parece mais aceita (e correta, na opinião deste autor) para o uso da denominação.

Como dito em algum lugar deste texto, mais importante do que saber os nomes dos inversores, é saber como eles funcionam e o que eles fazem. Para deixar claras as diferenças entre cada tipo de inversor (on-grid, off-grid, híbrido) foram apresentados diagramas que ilustram e descrevem as portas de entrada e de saída de cada tipo de equipamento.

Em resumo, para finalmente concluir este artigo, o inversor solar híbrido é aquele que possui entrada para a conexão com módulos fotovoltaicos, uma porta para a conexão de um banco de baterias e duas saídas CA, uma para operação grid-tie e outra para a operação off-grid. Em algumas situações (como é o caso do inversor Fronius GEN24) pode existir uma única porta CA multifuncional, que é capaz de operar nos modos grid-tie e off-grid.

Referências 

  • Single Phase Energy Storage System Installation (SPH6000&GBLI6531) – vídeo tutorial
  • SPH 3000-6000 Installation and operation manual (GR-UM-139-A-02)
  • Fronius Primo GEN24 PLUS – folha de dados
  • Fronius Primo GEN24 – manual de instruções
  • Advanced Webinar: Full Backup of the GEN24 Plus with BYD (AFR) – vídeo tutorial
  • Inversor Solar Híbrido Fronius GEN24 Primo | Autosolar – vídeo tutorial
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".

3 comentários

  • Silvanio Melo disse:

    Sou leigo no assunto, porem minha na casa possuo sistema fotovoltaica, mas a empresa pouco me explicou como funciona o sistema e após a instalação nunca mais veio aqui nem para saber se estou satisfeito. Este seu artigo foi muito útil e satisfatório, isso foi um grande incentivo para eu entender e colocar mais um sistema em outro imóvel. Vou tentar estudar mais como funciona e colocar um Fronius Gen24 Híbrido. Pois na minha residência já é um fronius on-grid. Parabéns pela publicação, aguardo outras que me ajude e oriente-me.

  • Janio Umberto MEDAGLIA disse:

    Tenho o sistema padrão e gostaria muito de obter esse novo modelo pra não ficar sem energia toda vez que a Energisa corta pra manuttencao ou dá um trovão é lá se vai a energia então pra mim esse inversor híbrido seria a maior realização

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