Tecnologia MLPE – Como os otimizadores de potência estão revolucionando o mercado fotovoltaico

A sigla MLPE – do inglês: Module-Level Power Electronics – significa eletrônica de potência à nível de módulo. Microinversores e otimizadores compreendem um dos setores mais novos e de crescimento mais rápido na indústria fotovoltaica. O segmento de produtos superou 1 GW de volume anual e mais de 2 GW de capacidade instalada acumulada em 2013, apenas quatro anos após a entrada dos primeiros produtos contemporâneos no mercado. Os fornecedores de componentes eletrônicos de nível de módulo fizeram isso desenvolvendo sua proposta de valor e simultaneamente reduzindo os custos do produto [1]. Os microinversores e otimizadores de potência serão o segmento de inversores com maior crescimento nos próximos cinco anos, como resultado da queda de custos e aumento dos requisitos de segurança de um sistema fotovoltaico [2].

Durante a última década, a eletrônica de potência de nível do módulo fotovoltaico (MPLE) atraiu a atenção crescente de projetistas e instaladores de sistemas fotovoltaicos [3]. A razão disso é que eles podem fornecer uma série de benefícios importantes, incluindo o aumento do rendimento de energia devido à tolerância ao sombreamento e eliminação do mismatch (também conhecido como incompatibilidade ou descasamento) de módulos fotovoltaicos, bem como maior confiabilidade e flexibilidade de projeto da instalação fotovoltaica [4] - [6]. Os otimizadores de potência normalmente apresentam eficiências de mais de 98% e alta confiabilidade devido ao pequeno número de componentes e à relativa simplicidade do circuito de alimentação [7].

Histórico

A ideia [dos otimizadores de potência] foi originalmente proposta na Conferência Anual de 2004 da IEEE Industrial Electronics Society e posteriormente publicada no IEEE Transactions on Industrial Electronics. No entanto, a eficiência relatada não foi alta o suficiente para ser usada na prática [8].

Em 2006, a SolarEdge inventou uma solução de inversor inteligente com otimizador CC que mudou a forma como a energia é coletada e gerenciada em sistemas fotovoltaicos [9]. Nesse contexto, é impossível falar de otimizadores de potência sem tomar como referência quem inventou a tecnologia.

Figura 1 – Otimizadores de potência da SolarEdge.

O que a SolarEdge fez foi combinar as melhores características dos sistemas tradicionais de string com as melhores características dos sistemas com microinversores. A funcionalidade do inversor tradicional de string foi dividida em dois produtos: o otimizador de potência e o inversor simplificado. O vídeo a seguir mostra como isso é feito na prática.

A Figura 2 a seguir mostra como é feita a ligação elétrica dos modelos de otimizadores para dois módulos.

Figura 2 – Topologia de um sistema fotovoltaico com otimizadores para 2 módulos.

Temos dois módulos ligados em série conectados à entrada de cada otimizador. Em seguida, a saída de cada otimizador é ligada em série com o otimizador seguinte até finalizar um segmento de otimizadores. A quantidade de segmentos possíveis depende do modelo de inversor utilizado e o tamanho do segmento depende do modelo dos módulos e otimizadores utilizados.

Quais são as características de um sistema da categoria MLPE com otimizadores de potência?

São quatro as principais características para justificar o uso de otimizadores de potência:

1.    Maior Segurança;

2.    Maior Geração de Energia;

3.    Menores Custos de Operação e Manutenção;

4.    Design Flexível.

Segurança em primeiro lugar! Então, quais são os diferenciais de segurança?

Já falamos em artigos anteriores que funções de desligamento em inversores tradicionais apenas interrompem o fluxo de corrente, enquanto a tensão permanece perigosamente alta. Isto porque as chaves seccionadoras ou interruptores automáticos CC localizados no gabinete do inversor tradicional não pode desconectar a alta tensão dos módulos, adicionando custo sem reduzir os riscos. Portanto, os módulos sobre o telhado, seus cabos e o cabeamento que é encaminhado até o inversor permanece energizado e perigoso durante o dia.

O gráfico da Figura 3 apresenta um desligamento automático de uma string em um sistema com otimizadores de potência.

Figura 3 – Desligamento automático de uma string em um sistema fotovoltaico com otimizadores.

É possível observar que o fluxo de corrente é interrompido quando a energia em CA ou o inversor é desligado. Em seguida, a tensão da string é reduzida à uma tensão segura em 180 segundos. Isso ocorre porque a tensão de saída dos otimizadores de potência diminui até o valor de 1 Volt. Então, por exemplo, em uma string com 26 módulos, ao desligar o inversor, ao invés de termos aproximadamente 1.000 Volts no circuito CC, teremos apenas 13 Volts, que é uma tensão segura. Portanto, temos o desligamento do sistema à nível de módulos.

Além disso, os otimizadores da SolarEdge possuem proteção e interrupção de circuito de falta à terra (GFCI), proteção e interrupção de arco elétrico e redução de energia de arco.

Figura 4 – Instalação de otimizador de potência em trilho.

As questões de segurança em sistemas fotovoltaicos têm sido tema recorrente no setor. Em novembro de 2016 a Revista Fotovolt publicou um artigo falando sobre “desligamento seguro de geradores FV do lado de corrente contínua” [10], considerando que a maioria das instalações não dispõe de meios para desligamento de emergência de corrente contínua diretamente nos módulos FV. Em maio e em setembro de 2017 o tema novamente veio à tona na revista, onde foram abordados os temas de “sistema de desligamento inteligente de módulos fotovoltaicos” [11] e “desligamento de emergência de geradores FV” [12], respectivamente.

Desta forma, sistemas FV com otimizadores se apresentam como soluções para todos os problemas abordados oferecem uma maior segurança durante a instalação, manutenção, combate a incêndios e outras emergências.

Maior Geração de Energia

Os sistemas fotovoltaicos podem incluir, à nível de módulo, microinversores ou otimizadores, para aumentar a granularidade do MPPT, o que melhora o desempenho sob condições de incompatibilidade [13]. Então é esperado que sistemas FV da categoria MLPE resultem em uma maior geração de energia em comparação com sistemas que utilizam inversores tradicionais (centrais e de string).

Utilizando sistemas da categoria MLPE, energia extra pode ser obtida em praticamente qualquer sistema fotovoltaico. A quantidade de energia extra obtida depende de cenários específicos, ou seja, depende de cada projeto. Este tema foi objeto de teste pela respeitada Revista PHOTON em outubro de 2011 [14]. O artigo destaca o desempenho convincente da SolarEdge nos testes conduzidos pelo laboratório Photon. O sistema SolarEdge apresentou produção adicional de energia em todos os cenários, inclusive quando nenhuma sombra foi projetada sobre o sistema.

Figura 5 – A produção de energia adicional com os otimizadores de potência SolarEdge.

Os resultados de testes de laboratório da PHOTON sobre produção de energia adicional dos otimizadores de potência SolarEdge mostraram que “mesmo sob condições completamente controladas durante um teste realizado nos laboratórios da PHOTON, a produção de energia adicional com os otimizadores de potência SolarEdge variaram entre 1.5% a 34,6%” (Figura 5).

Esses resultados ainda precisariam levar em conta outras fontes de mismatch, como variações de temperatura, alterações dinâmicas de irradiância e mismatch por degradação. A taxa de degradação dos módulos continua a aumentar o mismatch e reduz o retorno de investimento de um sistema fotovoltaico ano após ano.

Os otimizadores DC adicionam alguns recursos de otimização e monitoramento de desempenho oferecidos por microinversores, mas eles não convertem CC para AC no módulo [15].

Menores Custos de Operação e Manutenção

Os inversores de strings podem dizer o que está acontecendo apenas com cada string no arranjo, enquanto os microinversores e otimizadores informam sobre a condição de cada módulo. Se um módulo apresentar um desempenho significativamente insatisfatório, sem nenhum motivo aparente, você saberá que algo está errado com ele. A mesma coisa com um microinversor ou otimizador que ficou off-line [15].

Em sistemas com inversores de string, para garantir uma produção contínua e “otimizada” de energia solar, inspeções termográficas devem ser realizadas em intervalos   regulares   para avaliar as necessidades de manutenções preventivas.

Termografia em sistemas fotovoltaicos é o uso de uma câmera de radiação infravermelha para inspeção e busca de falhas que possam causar: danos às células, perda de eficiência e/ou riscos de incêndio.

Figura 6 – Sistemas FV tradicionais: detecção de strings desligadas e com polaridade invertida através de inspeção termográfica.

Uma inspeção termográfica requer equipamentos como drone, câmera térmica de infravermelho e também um profissional certificado em termografia com experiência em análise termográfica de sistemas fotovoltaicos.

Figura 7 – Sistemas com otimizadores: monitoramento à nível de módulos.

Nos sistemas FV com otimizadores, módulos com baixo desempenho podem ser facilmente identificados e monitorados, conforme Figura 7. É possível fazer análises das curvas de saída dos módulos, que podem revelar padrões e/ou influências climáticas. Também é possível selecionar módulos e rever detalhadamente as medições feitas em tempo real e os dados medidos podem ser exportados para o Excel para análise posterior.

Uma visibilidade total do desempenho do sistema e resolução de problemas remotamente resultam em custos de operação e manutenção mais baixos.

Como parte de um projeto de um sistema fotovoltaico, é importante contabilizar os custos futuros que podem afetar o retorno sobre o investimento do sistema FV de um proprietário. A solução de inversor simplificado com otimizadores que a SolarEdge propôs minimiza efetivamente esses custos potenciais.

Em casos de substituição, por exemplo, é possível instalar módulos fotovoltaicos de diferentes potências e marcas na mesma string. Então qualquer módulo disponível no mercado se encaixaria na instalação.

Por fim, os otimizadores e os inversores da SolarEdge são construídos para desempenho de longo prazo, com uma das maiores garantias de mercado: 25 anos para otimizadores de potência, 12 anos para inversores e monitoramento gratuito. Também estão disponíveis, pelo fabricante, garantias estendidas acessíveis de até 25 anos. Mesmo em casos de substituição de inversor fora da garantia, por se tratar de um inversor simplificado, o custo destes inversores é aproximadamente 40% menor que os inversores tradicionais de string.

Flexibilidade nos Projetos

O uso de otimizadores de potência permite o uso mais eficiente do espaço disponível no telhado através da flexibilidade do projeto do sistema fotovoltaico. Por exemplo, é possível instalar um sistema fotovoltaico com strings de tamanhos diferentes. Também é possível executar strings mais longas que em sistemas tradicionais. Com strings mais longas, os custos com insumos e cabeamento são reduzidos.

O tamanho e o layout de um arranjo fotovoltaico não são mais definidos por restrições elétricas. Os módulos sombreados não reduzem todo o desempenho de uma string. Podem ser mesclados módulos com potência STC e tipos diferentes. Também podem ser instalados módulos em várias orientações ou inclinações, na mesma string. As restrições de projeto impostas pelos sistemas tradicionais já não existem, como pode ser comprovado pela instalação da Figura 8, a qual foi executada com um inversor e otimizadores de potência da SolarEdge. Esta instalação seria inexequível com um inversor tradicional de string.

Figura 8 – Instalação de sistema fotovoltaico com sistema SolarEdge. Créditos: Insol Energia.

Em geral, a tendência agora está se movendo de grandes inversores centrais para inversores menores, já que estes são modulares, são mais tolerantes à uma única falha e agora coincidem com inversores centrais em termos de rendimento geral do sistema [16].

Conclusão

Desta forma, conclui-se que, com a utilização de otimizadores é possível:

·         Gerar mais energia por módulo, pois a baixa performance de um módulo não impacta nos demais módulos;

·         Ter maior flexibilidade no projeto fotovoltaico;

·          Instalar strings com tamanhos maiores, consequentemente, menos strings serão necessárias, reduzindo custos com cabeamento e demais insumos;

·          Executar instalações com múltiplas orientações e em diferentes faces do telhado;

·         Instalar strings com tamanhos diferentes entre si sem ter que se preocupar com correntes reversas;

·         Analisar o desempenho de cada módulo individualmente;

·         Detectar problemas remotamente como a detecção de um diodo de Bypass com defeito;

·         Redução dos custos com operação e manutenção;

·        Rápido desligamento de corrente continua e redução da tensão nas strings para extra baixa tensão;

·        Proteção integrada contra falhas como arco elétrico e falta à terra;

Bibliografia

[1]    GTM Research, “The Microinverter and DC Optimizer Landscape 2014: The Evolution from Market Niche to Market Success”, Disponível em: , Acesso em: 14 out 2018.

[2]    GTM Research, “Smart and AC PV Modules 2015 – 2020”, https://www.greentechmedia.com/research/report/smart-and-ac-pv-modules-2015-2020#gs._accbuo, nov 2015.

[3]    M. Kasper, D. Bortis, J. W. Kolar, "Classification and Comparative Evaluation of PV Panel-Integrated DC-DC Converter Concepts", IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 5, pp. 2511-2526, May 2014.

[4]    Q. Li, P. Wolfs, "A Review of the Single Phase Photovoltaic Module Integrated Converter Topologies With Three Different DC Link Configurations", IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 3, pp. 1320-1333, May 2008.

[5]    S. M. MacAlpine, R. W. Erickson, M. J. Brandemuehl, "Characterization of Power Optimizer Potential to Increase Energy Capture in Photovoltaic Systems Operating Under Nonuniform Conditions", IEEE Trans. Power Electron.,

        vol. 28, no. 6, pp. 2936-2945, June 2013.

[6]    O. Khan, W. Xiao, "Review and qualitative analysis of submodule-level distributed power electronic solutions in PV power systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 76, pp. 516-528, Sept. 2017.

[7]    J. Galtieri, P. T. Krein, "Energy improvements from subpanel DC-DC converters in PV arrays with distributed mismatch", 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), pp. 3213-3218, 2016.

[8]    Weidong Xiao, “Photovoltaic Power System: Modeling, Design, and Control”, Wiley, 2017.

[9]    SolarEdge, “Corporate Fact Sheet”, Disponível em: . Acesso em: 14 out 2018.

[10]  Revista Fotovolt, “Desligamento Seguro de Geradores FV do lado de Corrente Contínua”, Novembro 2016 – Ano 2 – nº 7.

[11]  Revista Fotovolt, “Sistema de Desligamento Inteligente de Módulos Fotovoltaicos”, Março 2017 – Ano 3 – nº 9.

[12]  Revista Fotovolt, “Desligamento de Emergência de Geradores Fotovoltaicos”, Setembro 2017 – Ano 3 – nº 12.

   Por: João Paulo de Souza

Responsável técnico da Ecori Energia Solar, especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE. Possui mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico-profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA. Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.