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Tauro: versatilidade e alta potência para topologias centralizadas ou descentralizadas de usinas

O projetista pode decidir se uma topologia de sistema descentralizada ou centralizada é mais vantajosa para o projeto

Autor: 31 de agosto de 2021setembro 17th, 2021Inversores
Tauro: versatilidade e alta potência para topologias centralizadas ou descentralizadas de usinas

A nova linha de inversores Tauro da Fronius possui uma concepção de modularidade e de adaptação de acordo com as diferentes necessidades de cada instalação, sendo aplicável em diferentes concepções e topologias de projeto.

Neste primeiro momento, os inversores lançados no Brasil são os Inversores Tauro Eco, nas versões D (direta) e P (pré-combinada), nas classes de potência de 50 kW e 100 kW. 

As versões D e P do inversor Tauro estão relacionadas às topologias de instalação que podem ser realizadas, diferenciando principalmente os tipos de conexão em corrente contínua do inversor.

Sabemos que cada tipo de topologia empregada em uma instalação fotovoltaica pode gerar uma economia direta no chamado custo de BOS (Balance of Systems), que será explorado mais adiante, portanto a escolha do modelo de inversor é crucial para garantir um projeto economicamente atrativo.

Toda a linha Tauro Eco (versão D ou P) possui 1 entrada de MPPT. A palavra Eco vem de econômico, ou seja, é um inversor dedicado a projetos comerciais e industriais (conhecidos como C & I), onde encontramos situações de pouca variação na orientação dos módulos, seja para um projeto de solo ou mesmo de telhado. Portanto, com 1 MPPT conseguimos obter maior economia de custo no produto.

Como já é de praxe, o inversor Fronius Tauro também conta com todas as tecnologias empregadas nas outras linhas de inversores do Fronius, que garantem maior capacidade de geração de energia elétrica, e maiores rendimentos, como por exemplo: 

  • Oversizing de 50% sobre a potência nominal do inversor; 
  • Dynamic Peak Manager, que garante maior geração mesmo em situações onde há o sombreamento parcial dos módulos
  • Ventilação ativa, permitindo que o inversor seja instalado em locais com situações extremas de calor, mantendo-o sempre resfriado.

Leia mais: Dynamic peak manager: solução para sistemas FV com sombreamento

A respeito da ventilação ativa, este é tratado como um sistema de refrigeração maintenance-free, ou seja, que não tem a necessidade obrigatória de manutenções periódicas. Além do resfriamento ativo, o Fronius Tauro possui a tecnologia de isolação de parede dupla. 

Essa combinação permite que a temperatura interna dos componentes eletrônicos seja mantida em níveis bem abaixo da temperatura ambiente. Devido a este inovador sistema de refrigeração, o Fronius Tauro pode oferecer desempenho máximo em uma temperatura ambiente de até 50 °C. Isso, por sua vez, tem um efeito positivo no desempenho total do sistema fotovoltaico, bem como na vida útil da eletrônica de potência do equipamento.

Graças a este exclusivo sistema de refrigeração, o Fronius Tauro também pode ser instalado em ambientes externos sem a necessidade de um abrigo especial. Isso também significa que não há necessidade de investimentos em obras civis.

Sistema ativo de refrigeração do inversor Tauro Eco. Fonte: reprodução/Fronius

Sistema ativo de refrigeração do inversor Tauro Eco. Fonte: reprodução/Fronius

Este sistema de resfriamento ativo oferece uma vantagem particular em relação aos custos de OPEX (operação da usina solar), pois, ao contrário de outros sistemas de resfriamento, não há intervalos de manutenção prescritos que exijam a atenção de especialistas específicos. 

Leia mais: Ventilação ativa dos inversores fotovoltaicos

Versões

Como dito, o inversor Fronius Tauro possui duas versões: D (direta) e P (Pré-combinada). Na versão D, a conexão CC do inversor é direta, ou seja, as strings se conectam ao inversor diretamente através do uso de conectores MC4. 

Como ilustra a imagem abaixo, neste caso os inversores ficam próximos aos módulos, em uma concepção de projeto denominada descentralizada. Vale lembrar que cada entrada individual possui proteção por fusíveis já incorporados, tanto nas classes de 50 kW, quanto de 100 kW.

Legenda: Versão D do inversor Fronius Eco, ideal para projetos descentralizados, em que o inversor é instalado próximo aos módulos fotovoltaicos.

Versão D do inversor Fronius Eco, ideal para projetos descentralizados, em que o inversor é instalado próximo aos módulos fotovoltaicos

Quanto ao número de entradas conectáveis, o inversor de 50 kW possui 14 entradas, enquanto a versão de 100 kW possui 22. Estas entradas são também separadas em conjuntos com suas respectivas chaves seccionadoras, encontradas na parte frontal do inversor. 

Para o Tauro 50 kW, o inversor dispõe de 2 chaves seccionadoras, cada uma responsável pela desconexão de 7 strings. Já para o modelo de 100kW, o inversor dispõe de uma chave adicional, totalizando 3 chaves seccionadoras, sendo esta responsável pelas 8 strings restantes, totalizando as 22 entradas.

Na versão P, a conexão CC do inversor não é realizada diretamente. Nesta versão, o uso de string box é necessário, pois há somente 2 entradas CC no inversor. 

Como ilustra a imagem abaixo, os inversores, neste caso, ficam distantes dos módulos e próximos ao transformador e aos quadros de proteção, em uma concepção de projeto denominada centralizada. Com relação à proteção do arranjo, esta ficará a cargo da própria string box, dimensionada pelo projetista.

Versão P do inversor Fronius Eco, ideal para projetos centralizados, em que o inversor é instalado distante dos módulos fotovoltaicos e próximo à conexão CA.

Versão P do inversor Fronius Eco, ideal para projetos centralizados, em que o inversor é instalado distante dos módulos fotovoltaicos e próximo à conexão CA

Na parte inferior do inversor é possível observar 6 furações para entradas de cabos (como na figura acima), porém somente 4 delas (2 entradas) serão utilizadas (dois pares à direita, identificados como PV1 e PV2).

Como, para esta versão, temos duas entradas, isso se replica também na quantidade de chaves seccionadoras, que também são duas, tanto para a versão de 50 kW como para 100 kW

Topologias

Em termos de topologia de usina fotovoltaica, o modelo na versão D (direta) se aplica ao que chamamos de topologia descentralizada, onde temos os inversores próximos aos módulos fotovoltaicos e os cabos em CA com maiores distâncias na instalação, conforme ilustrado abaixo.

Já o modelo na versão P (pré-combinada), se aplica ao que chamamos de topologia centralizada, onde temos os inversores reunidos em um skid, ou uma sala de inversores próximos ao padrão de entrada da usina, onde encontra-se o transformador.

Usina solar com topologia descentralizada (inversores próximos aos módulos).

Usina solar com topologia descentralizada (inversores próximos aos módulos)

 

Usina solar com topologia centralizada (inversores próximos à conexão CA).

Usina solar com topologia centralizada (inversores próximos à conexão CA)

Economias

Dependendo dos requisitos individuais do sistema, o projetista pode decidir se uma topologia de sistema descentralizada ou centralizada é mais vantajosa para o projeto como um todo. Como o Fronius Tauro permite essa flexibilidade, há um grande potencial para reduzir custos de BOS.

Dependendo das condições fornecidas, existem diferentes economias potenciais, cada uma delas representando uma das duas versões de inversor.

Um fator decisivo que influencia a escolha da topologia do sistema é a distância entre os módulos fotovoltaicos e o quadro de distribuição principal, influenciando diretamente na parcela de custo referente aos cabos e string boxes, inseridos na fatia de BOS.

Quando analisadas as parcelas do CAPEX de projetos fotovoltaicos, podemos ver que os custos atrelados aos inversores não são os mais elevados, conforme mostrado na Fig.1. No entanto, a seleção deste equipamento influencia diretamente nos custos de BOS (Balance of System) que incorporam todos os custos relativos ao cabeamento, conexões, estruturas, etc. 

Composição dos custos de CAPEX e BOS de uma usina fotovoltaica.

Composição dos custos de CAPEX e BOS de uma usina fotovoltaica.

Além das distâncias entre módulos e quadros, que influenciam diretamente nos custos BOS, no momento atual temos outra variável que é o preço dos cabos, que estão diretamente ligados ao metal utilizado. 

Os valores do cobre são negociados na LME (London Metal Exchange) e os preços têm constantemente aumentado, como podemos verificar na figura abaixo. Por este motivo, a utilização de cabos de alumínio tem se tornado muito mais atrativa e muito mais econômica. Portanto, a escolha de um equipamento que possibilite a utilização deste tipo de cabo é essencial.

Histórico de preços do cobre na London Metal Exchange.

Histórico de preços do cobre na London Metal Exchange.

O inversor Tauro, em ambas as conexões (CA e CC), tem a possibilidade de conexão com cabos de alumínio, graças aos conectores bimetálicos empregados em sua construção. Adicionalmente, os prensa-cabos do lado CA podem receber cabos até 240 mm². Já para o lado CC da versão P, podem receber cabos de até 95 mm², permitindo instalações em grandes distâncias.

Especificamente quanto ao dimensionamento econômico, podemos ver a influência da seção e do tipo de cabo utilizados nas economias referentes às perdas nos cabos. Assumindo um projeto de 2 MW, com distância média de 125 m (entre módulos e quadro), durante 20 anos de operação, tem-se os seguintes valores em perdas:

Comparativo de perdas monetárias devido à queda de tensão em uma usina de 2 MW.

Comparativo de perdas monetárias devido à queda de tensão em uma usina de 2 MW.

Inevitavelmente, as perdas nos cabos de alumínio serão maiores que nos cabos de cobre, por conta da maior resistência ôhmica neste tipo de condutor. Por este motivo, deve-se utilizar uma tabela de capacidade de corrente específica para condutores de alumínio, conforme a norma NBR 5410. 

Esta informação, na realidade, aponta para a possibilidade de economias em utilizar-se de seções maiores, para as economias em operação, independentemente do metal utilizado no condutor. No entanto, em caso de perdas durante a operação da usina, falamos especificamente do OPEX. Os maiores custos de cabos estão inseridos no CAPEX, como vimos anteriormente. 

Podemos ver as vantagens desse tipo de condutor e topologia a ser empregada quando plotamos o gráfico comparando estas variáveis, em relação às distâncias entre módulos e o quadro principal.

Custos de BOS de cabos e string box em uma usina solar empregando condutores de alumínio.

Custos de BOS de cabos e string box em uma usina solar empregando condutores de alumínio.

Analisando o gráfico apresentado acima, podemos identificar quais configurações são mais economicamente vantajosas, em termos de custo de cabos e string boxes. Genericamente, a topologia de instalação centralizada é a mais econômica para grandes distâncias, para cabos de cobre acima de 40 metros de distância, e para alumínio acima de 170 metros, entre módulos e painel principal. 

Além disso, evidenciamos a grande diferença que há entre os tipos de metais empregados nos cabos (dimensionados adequadamente conforme capacidade de corrente e queda de tensão). Os cabos de cobre, neste cenário, podem chegar a quatro vezes o preço do cabo de alumínio equivalente para o mesmo projeto.

Obviamente, existem restrições que podem impedir a utilização de um tipo de topologia ou outro, seja por restrições físicas ou até mesmo normativas dos próprios clientes, que não é incomum de se encontrar nos setores industriais. As diferenças apresentadas foram baseadas somente em uma parcela dos custos de BOS e preços referenciados a um fabricante de cabos e de string box, bem como analisadas para uma situação específica para o estudo. 

Estas diferenças não refletem as diferenças totais quando se é analisado o projeto englobando todos os custos (CAPEX). No entanto, este estudo traz à realidade a importância na seleção dos inversores fotovoltaicos, bem como sua topologia de instalação.

O intuito deste artigo é apresentar as diferentes possibilidades de utilização do inversor Fronius Tauro e permitir que a decisão de um tipo de instalação seja feita pelo projetista podem se adequar à expectativa do cliente e também ao orçamento do projeto.

Thiago Chinen

Thiago Chinen

Formado em engenharia de energia pela Universidade Federal do ABC, tem experiência em tecnologias de cabos de baixa, média e alta tensão, por ter trabalhado em multinacional do setor. Atua como especialista técnico de inversores fotovoltaicos pela Fronius do Brasil, voltando a sua área de formação, direcionada para energias renováveis

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