Uso de otimizadores com inversores de string em projetos fotovoltaicos

Os otimizadores estão cada vez mais presentes nos projetos fotovoltaicos. Alguns fatores podem ser determinantes para isso, principalmente a evolução do conhecimento do mercado a respeito dessa tecnologia.

É comum muitos projetistas fotovoltaicos, quando conhecem a solução MLPE (Module-Level Power Electronics) , e como funciona o otimizador, já lembrarem de vários projetos feitos nos quais o otimizador resolveria inúmeros problemas e aumentaria o rendimento.

Caso você ainda queira saber mais sobre a solução MLPE e sobre projetos com otimizadores, é recomendado a leitura dos artigos MLPE e otimizadores de potência para módulos fotovoltaicos, Entenda os otimizadores para sistemas fotovoltaicos e Minimização de perdas por mismatch com otimizadores de potência.

Os otimizadores são conectados individualmente nos módulos, fazendo com que cada módulo tenha o seu próprio MPPT (Maximum Power Point Tracker – rastreamento do ponto de máxima potência).

Algumas vantagens que podem ser ressaltadas com o uso de otimizadores:

• Monitoramento individual com dados de cada módulo em vez de dados de toda a string ou array;
• Tecnologia de segurança, reduzindo a tensão de saída dos módulos caso aconteça um arco elétrico ou acidente no local da instalação;
• Otimização dos módulos, fazendo com que eles gerem o seu máximo, mesmo quando sombreados, e sem impactar outros módulos conectados na string.

Alguns otimizadores requerem o uso de inversores próprios, enquanto outros fabricantes disponibilizam otimizadores que podem ser usados com qualquer inversor de string, independente do fabricante, e apresentam a possibilidade de operar mesmo em strings nas quais nem todos os módulos recebem otimizadores.

Otimizadores com inversores de string

Como já é sabido, inversores de string são feitos para receber vários módulos conectados em série, formando uma ou mais strings.

A figura abaixo mostra um exemplo de um sistema fotovoltaico com inversor de string. Nesse caso, 20 módulos são divididos em duas strings, sendo 10 módulos em cada string, e cada string é controlada por um MPPT individual.

 

Essa arquitetura fotovoltaica é muito tradicional e o investimento se paga em um prazo (tempo de payback) aceitável para o cliente final. Entretanto, o sistema de strings apresenta desvantagens em algumas situações. Algumas delas:

• Os dados monitorados são de vários módulos em série, dificultando a percepção de um módulo com defeito ou um módulo que se degrade mais rápido do que o normal;
• Caso ocorra um arco, um incêndio ou um acidente, a única proteção que pode ser acionada é a de anti-ilhamento, mas o sistema ainda apresentará uma alta tensão contínua na string, com valores geralmente acima de 400 V, podendo chegar até 1500 V;
• Os módulos conectados em série sempre serão limitados pelo módulo mais fraco, então caso ocorra um sombreamento em apenas um módulo, toda a string terá sua geração reduzida.

Essas três desvantagens são resolvidas justamente pelas três vantagens no uso de otimizadores citadas no início do artigo.

Entretanto, dependendo do projeto, adicionar otimizadores em todos os módulos podem inviabilizá-lo financeiramente. Pensando nisso, alguns fabricantes de otimizadores fazem uma solução modular, onde não há a necessidade de otimizar todos os módulos, e sem necessidade de marca específica de inversor, podendo ser aplicado com qualquer inversor string.

Se no sistema anterior de 20 módulos houvesse uma sombra diária em sete módulos (4 na string 1 e 3 na string 2, por exemplo), colocar otimizadores em todos os módulos poderiam solucionar o problema, entretanto, seria importante analisar a viabilidade do investimento.

 

Por outro lado, se o projetista colocar otimizadores apenas nos módulos onde deve ocorrer sombra, como mostra a Figura 2, ele soluciona o problema dessa sombra diária sem a necessidade de comprar 20 otimizadores e sem a necessidade de usar uma marca de inversor específica.

Essa solução pode inclusive ser aplicada em sistemas que já estejam instalados, onde o problema de sombreamento é detectado após o início da operação do sistema, sem a necessidade da troca do inversor.

Para melhor compreensão da solução, é importante entender como funciona esse tipo de otimizador para inversores de string.

Funcionamento dos otimizadores para inversores de string

Para entender como funcionam os otimizadores para inversores de string, é interessante entendermos como se comporta uma curva I-V de uma string parcialmente sombreada.

No nosso caso, vamos analisar apenas a string 1 do nosso exemplo. Temos dez módulos, sete deles recebendo irradiância sem obstáculos e três deles recebendo só uma parcela da irradiância. Apesar de a string apresentar quatro otimizadores, vamos dizer nesse exemplo que apenas três módulos estão sombreados.

A curva I-V dessa string está representada na Figura 3 e, na maioria dos inversores, o sistema operaria no pico de menor potência, assim todos os módulos seriam limitados pelos módulos mais fracos (de menor corrente).

Figura 3: Curvas I-V e P-V da string 1 com três módulos sombreados, ressaltando os valores de potência dos picos

Alguns inversores mais modernos trazem uma solução de MPPT para sombreamento. Assim, o inversor tem a capacidade de escolher em qual pico trabalhar. Essa solução diminui as perdas por sombreamento, mas não resolve totalmente o problema, porque ou os módulos sombreados vão ser “bypassados” (ter seus diodos de bypass ativados), ou os módulos não-sombreados vão gerar menos de acordo com a corrente dos sombreados.

Apenas a solução com otimizadores faz com que cada módulo gere realmente o seu máximo. O objetivo dos otimizadores é fazer com que a corrente na string seja a mesma do módulo mais forte (de maior corrente).

Assim, atuando como um conversor CC-CC do tipo buck (abaixador de tensão), o otimizador aumenta a corrente que sai dos módulos sombreados, fazendo com que a corrente dos módulos sombreados não se limite às dos outros módulos.

Na string 1, os módulos sem sombras querem trabalhar no seu ponto de máxima potência (MPP), onde Impp = 9A e Vmpp = 45V. Os módulos sombreados, entretanto, querem trabalhar no seu MPP, Impp = 2A e Vmpp = 45V.

Então, os otimizadores operam aumentando a corrente que vem dos módulos sombreados, para ela ficar no mesmo nível dos módulos não sombreados. Pelo módulo sombreado, continuará saindo o mesmo nível de corrente (2A), mas pela saída do otimizador, sairá o mesmo nível de corrente do módulo não-sombreado.

Entretanto, o otimizador não “cria uma potência” – o módulo sombreado só poderá gerar o seu máximo de potência naquele momento. Então, se o otimizador aumentar a corrente, deverá diminuir a tensão, para manter a potência de entrada igual à potência de saída.

Considerando o otimizador sem perdas, temos que a potência de entrada deve ser igual à potência de saída. Lembrando que a potência é o produto da corrente e da tensão, conseguimos calcular quanto será a tensão de saída do otimizador.

P(entrada)=P(saída)

V(entrada).I(entrada)=V(saída).I(saída)

45.2=V(saída).9

V(saída)=10V

A seguir, mostramos um exemplo onde três módulos da string 1 são sombreados. É interessante notar que os otimizadores atuam fazendo com que esse sombreamento não atrapalhe os módulos não-sombreados.

Figura 4: String 1 com 3 módulos sombreados com otimizadores atuando para cada módulo gerar sua máxima potência

Outro detalhe interessante é notar que quando o módulo não está sombreado, o otimizador apenas deixa sua corrente passar sem correção.

Caso o inversor tradicional (sem otimizadores) tivesse um bom sistema de MPPT, capaz de detectar situações de sombreamento, ele poderia decidir em qual dos picos da curva P-V (figura 3) trabalhar, assim o sistema geraria 987 W ou 2848 W. Entretanto, com o sistema com otimizadores conectados ao inversor de string, todos os módulos geram seu máximo real e o sistema fotovoltaico pode chegar a 3105 W.

Assim, com essa solução é possível fazer o sistema gerar seu máximo sem a necessidade de instalar otimizadores em todos os módulos. Eles são necessários apenas nos módulos que o projetista considerar que sofrerão sombreamento.

Soluções em aplicação no Brasil

A empresa norte-americana Tigo, possui otimizadores que operam com qualquer inversor de string e podem ser aplicados apenas nos módulos que precisam de otimização. Além disso, algo interessante proposto pela empresa é ter diferentes otimizadores com diferentes funções, e poder usá-los na mesma string.

A família TS4 traz três modelos (TS4-A-M, TS4-A-S, TS4-A-O). O primeiro apresenta apenas funções de monitoramento; o segundo apresenta funções de monitoramento e segurança; e o último é o otimizador completo com monitoramento, segurança e otimização.

De acordo com a Tigo, o projetista pode projetar strings com o TS4-A-O onde possa ocorrer sombreamento, e:

• instalar os TS4-A-M nos outros módulos para continuar tendo a função de monitoramento individual em todos os módulos, ou
• instalar os TS4-A-S nos outros módulos para ter monitoramento individual e segurança em toda a string.

Figura 5: A Tigo apresenta três soluções possíveis em sistemas que não precisam de otimização completa: (a) otimização só onde ocorrem sombras; (b) otimização onde ocorrem sombras e monitoramento individual de todos os módulos; (c) otimização onde ocorrem sombras e todas as funções de monitoramento individual e segurança.