Ventilação ativa dos inversores fotovoltaicos

Temperaturas elevadas causam problemas na operação e reduzem a vida útil de equipamentos e sistemas eletrônicos.

Em sistemas fotovoltaicos essa situação não é diferente, com o agravante de que os equipamentos podem muitas vezes ficar expostos diretamente ao Sol.

A exposição a altas temperaturas é, em geral, umas das principais causas de problemas de eficiência e vida útil dos componentes do sistema.

Nos módulos fotovoltaicos, por exemplo, o efeito se dá pelo comportamento térmico da célula, reduzindo a capacidade de geração de energia do sistema.

O problema se acentua quando o assunto é o inversor, que além do impacto em sua eficiência, terá também sua vida útil reduzida.

Nos inversores o calor é mais difícil de se controlar, pois tende a se concentrar ao redor dos transistores eletrônicos, que fazem parte direta na conversão de energia, além dos capacitores de entrada (do lado de corrente contínua), que são uma das principais causas de falha nos inversores eletrônicos.

Para que o inversor se mantenha dentro da sua temperatura operacional ideal, técnicas de resfriamento devem ser utilizadas. Usualmente, duas técnicas de resfriamento são utilizadas: a passiva e a ativa.

Entendendo o problema

Dentre os efeitos da alta temperatura nos inversores, a redução de potência por temperatura (temperature derating) é o que mais impacta a geração do sistema.

A redução de potência por temperatura ocorre quando o inversor diminui a sua potência de saída a fim de diminuir a geração de calor nos transistores e demais componentes internos. Isso é feito para garantir que os limites de operação desses componentes sejam respeitados.

Quanto maior a temperatura ambiente, maior é a probabilidade de perdas energéticas por redução de potência. A figura abaixo mostra o comportamento da potência de saída de um inversor para diversas temperaturas.

Figura 1: Redução de potência por temperatura (derating) de um inversor fotovoltaico

Do ponto de vista da vida útil do inversor, os mais vulneráveis são os transistores eletrônicos de potência e os capacitores de entrada do barramento CC, geralmente eletrolíticos. Como todo componente eletrônico, a vida útil deles está diretamente ligada à temperatura em que operam.

O capacitor, quando exposto ao calor extremo por tempos prolongados, pode se danificar por completo, causando vazamento do material eletrolítico

Figura 2. Capacitores eletrolíticos danificados por excesso de calor (à esquerda). Os capacitores à direita, estão prestes a sofrerem o mesmo dano permanente, pois já apresentam seu invólucro metálico estufado na parte superior

A vida útil de um capacitor eletrolítico é dependente da temperatura de acordo com a equação abaixo.

vida util capacitor

Onde:

L – Tempo de vida útil corrigido pela temperatura;
L0 – Tempo de vida útil planejado dentro do limite de temperatura nominal;
T0 – Temperatura nominal de operação;
Tx – Temperatura de operação analisada.

Pela equação podemos perceber que o aumento da temperatura causa uma diminuição exponencial da vida útil. O contrário também é verdadeiro: se o capacitor trabalha em uma temperatura menor do que a sua temperatura nominal de operação, sua vida útil é prolongada. O capacitor da família EPCOS B32774, típico em inversores fotovoltaicos apresenta a curva de vida útil abaixo.

Figura 3: Curva de vida útil do capacitor para várias temperaturas de operação. O capacitor em temperatura nominal de operação de 75ºC terá cerca de 11,5 anos de operação

Os transistores eletrônicos de potência usados nos inversores tipicamente são do tipo IGBT (insulated gate bipolar transistor), muito adequado para esse tipo de aplicação devido a sua capacidade de suportar tensões e correntes elevadas, além de poder operar em frequências de chaveamento de algumas dezenas de quilohertz (kHz).

Os transistores, fabricados com silício, participam diretamente do chaveamento e são responsáveis diretos pelo processo de conversão de corrente contínua para alternada

Como os transistores IGBT recebem toda a corrente gerada pelo inversor e operam em regime de chaveamento, estando sujeitos a perdas de chaveamento e de condução (os dois tipos de perdas que ocorrem nos transistores em conversores chaveados) a potência dissipada neles é alta.

Para diminuir os efeitos do aumento da temperatura durante sua operação os IGBTs são dotados de uma parte metálica (na parte traseira do seu encapsulamento de plástico) que é conectada ao sistema de dissipação de calor do inversor

Figura 4. IGBTs do circuito de potência de um inversor. Nota-se o encapsulamento de plástico e a ligação com o sistema de arrefecimento através de uma interface térmica (fita amarela)

Figura 5. Os transistores sãao conectados mecanicamente aos dissipadores do inversor para a máxima dispersão de calor. Nesta figura, no local mostrado pela seta, observamos as aletas de dissipação passiva de calor (dissipação natural) encontradas genericamente nos inversores.

Figura 6: Sistema de dissipação de calor com resfriamento ativo (forçado), baseado em dutos de ar com design otimizado e ventoinhas de alta capacidade e alta durabilidade

Figura 7: Inversor eletrônico para sistemas fotovoltaicos com dissipação térmica ativa

Na figura abaixo vemos um inversor de 10 kW do fabricante Fronius, que emprega solução ativa de resfriamento, que contribui para reduzir o derating e proporciona inversores mais eficientes e com menor volume físico, além de maior vida útil.

O excesso de temperatura instantânea pode derreter o transistor IGBT. O silício, material com que o transistor é fabricado, possui um limite de temperatura.

Além disso, ao trabalhar em temperaturas elevadas, assim como o capacitor e outros componentes, o transistor adquire um tempo de vida mais curto.

O MTBF (mean time between failure), tempo média entre falhas, é uma figura de mérito muito empregada na indústria eletrônica para quantificar o tempo de vida dos componentes e dos equipamentos. O MTBF dos transistores tende a diminuir (menor tempo de vida) conforme a temperatura aumenta.

Os bons fabricantes de equipamentos normalmente empregam transistores com folga nas especificações, ou seja, maiores do que aqueles que seriam realmente necessários em função das especificações de corrente e tensão que a aplicação requer.

Essa folga, associada a um bom sistema de dissipação térmica, garante um longo MTBF, o que em consequência proporciona a operação segura e prolongada do equipamento.

O gráfico abaixo mostra a vida útil em horas para múltiplas tensões de operação e temperatura para um transistor IGBT do fabricante Infineon, próprio para inversores fotovoltaicos. O excesso de temperatura a longo prazo causa uma redução exponencial da vida útil do componente (assim como no capacitor eletrolítico).

Figura 8: Curva de vida útil por temperatura do componente para diversas tensões de operação. Fonte: Infineon

Resfriamento do inversor

Uma das maneiras mais utilizadas para diminuir a temperatura dos componentes do inversor é a utilização de ventiladores. Eles aumentam o fluxo de ar que passa pelas aletas térmicas, o que eleva a eficiência da troca de calor com os componentes.

A solução de resfriamento ativo traz alguns benefícios sobre a ventilação passiva. Como a transferência de calor é maior quando há ventilação forçada, os dissipadores de calor nos inversores com resfriamento ativo podem ser menores, deixando o inversor mais leve, portanto mais fácil de instalar.

Figura 9: Fluxo de ar redirecionado por ventilação ativa (ou forçada) em um inversor fotovoltaico

A velocidade do ventilador de resfriamento ativo é controlada com base na temperatura medida internamente ao inversor. Quando o inversor não está operando em potências mais elevadas o dissipador de calor passivo pode ser suficiente para resfriá-lo em níveis satisfatórios.

Assim, nesses momentos os ventiladores podem diminuir a velocidade de rotação ou até mesmo se desligar por completo. Este controle de rotação dos ventiladores tem também o benefício de aumentar a sua vida útil.

Um valor típico de vida útil desses ventiladores é de 80 mil horas de operação em velocidade máxima, o que equivale a nove anos operando continuamente. Levando em consideração o regime de trabalho em inversores fotovoltaicos, a vida útil do ventilador será maior que 20 anos.

O resfriamento passivo necessita da convecção do ar nos dissipadores, isto é, o dissipador transfere calor para o ar que, por estar agora mais quente, se torna menos denso que o ar frio, logo abaixo do inversor, causando então um fluxo de ventilação.

Como este efeito depende da gravidade e da densidade do ar, os inversores com solução passiva têm menos flexibilidade de instalação. Com o resfriamento ativo o inversor pode ser instalado com maior liberdade de orientação e inclinação.

Além de poderem ser instalados em inclinações diferentes, os inversores com ventilação forçada não têm as restrições encontradas nos inversores comuns sem ventilação, como mostra a figura abaixo.

Nos inversores tradicionais o calor que sai do inversor inferior contribui para o aquecimento do inversor superior. Com a ventilação forçada o fluxo de ar é redirecionado, permitindo a redução das restrições de instalação (posição e distância entre inversores).

Figura 10: A instalação de inversores convencionais possui restrições relacionadas à posição e à distância dos equipamentos. O ar quente que sai dos equipamentos inferiores contribui com o aquecimento dos superiores.

Figura 11: Inversores com resfriamento ativo possuem maior flexibilidade em sua instalação, pois o fluxo do ar não depende da convecção natural

Figura 12: Com a ventilação ativa o fluxo do ar é redirecionado, permitindo que inversores possam ser instalados uns embaixo dos outros e com distâncias muitas vezes reduzidas.

Como no inversor com resfriamento ativo circula muito ar, é sempre necessário verificar se há poeira acumulada nos filtros de ar, exigindo assim uma manutenção periódica

Não há nada que desabone as soluções passivas de resfriamento, inclusive em algumas aplicações existe uma certa versatilidade em relação à manutenção e aos níveis de ruído.

Porém, devido à limitada eficiência de troca de calor, as soluções passivas estão mais restritas às aplicações em inversores de menor potência, enquanto os inversores de maior potência, tipicamente acima de 10 kW, são majoritariamente dotados de resfriamento ativo.

Em resumo, os inversores com ventilação ativa apresentam diversas vantagens: menor derating de potência por temperatura, aumento da eficiência do sistema fotovoltaico, prolongada vida útil, maior facilidade de instalação e dimensões físicas reduzidas (os equipamentos são mais compactos).