ANÁLISE PRÁTICA E TEÓRICA DE DESEMPENHO ENTRE MICROINVERSOR E INVERSOR STRING PARA GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTÁICA

Centro de Profissionalização e Educação Técnica

ANÁLISE PRÁTICA E TEÓRICA DE DESEMPENHO ENTRE MICROINVERSOR E INVERSOR STRING PARA GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTÁICA

DAVI HERMSDORFF VELLOZO GAICHI

Orientador: Adriana Moraes

Resumo

O crescimento e a popularização da energia fotovoltaica vêm aumentando ano a ano em nosso país visto que o valor do kWh cobrado pelas concessionárias sobe anualmente e tende a aumentar mais, pois as reservas aquáticas das usinas hidrelétricas estão cada vez menores. Em vista desse crescimento, o investimento pela energia fotovoltaica vem se tornando cada vez mais interessante e viável.

Dado esse cenário, esse trabalho se propõe a realizar o projeto de um sistema fotovoltaico conectado à rede de distribuição a ser instalado na cidade de Assis, interior de São Paulo comparando na prática o rendimento do micro inversor x inversor string x simulação em software . Este trabalho tem como principal objetivo apresentar os resultados obtidos nos testes realizado em uma unidade de microgeração distribuída com energia solar fotovoltaica composta por 3 módulos fotovoltaicos de 405Wp (Watt-pico) do fabricante TRINA SOLAR, instalados nas mesmas condições de orientação e inclinação e, dessa maneira, o desempenho de ambos foi monitorado e avaliado com o uso de 1 inversor do tipo string da ABB/FIMER , 1 microinversor do fabricante HOYMILES e software da PVSOL.

Palavras-chave: Energia fotovoltaica, Micro inversor, Inversor String

Abstract


The development and popularization of photovoltaic energy increases year on year in our country as the value of kWh realized by eletric company rises annually and tends to increase, as the water reserves of hydroelectric plants are getting smaller. In view of this growth, investment in photovoltaic energy has become increasingly interesting and viable.

Given this scenario, this work intends to carry out the design of a photovoltaic system connected to the distribution network to be installed in the city of Assis, in São Paulo, comparing in practice the performance of the micro inverter x string inverter x software simulation. This work has as main objective to present the results obtained in the tests carried out in a microgeneration unit distributed with photovoltaic solar energy composed of 3 photovoltaic modules of 405Wp (Watt-peak) from the manufacturer TRINA SOLAR, in this way , the performance of both was monitored and evaluated using 1 string inverter from ABB/FIMER, 1 microinverter HOYMILES and software from PVSOL.

Keywords: Photovoltaic energy, Microinverter, String inverter

Introdução

A energia fotovoltaica é considerada uma das fontes energéticas mais promissora, além de inesgotável, provoca menor impacto ambiental em relação a outras fontes de geração de energia. A radiação solar pode ser utilizada tanto como energia térmica, aplicada em aquecimento, quanto para geração de potência elétrica.

O Brasil ainda tem sua matriz energética composta por uma geração de cerca de 175.443MW (Absolar) onde a maior concentração, cerca de 59,5% , é de fontes hídricas e o mais agravante é que 17,1% (Gás natural , carvão , petróleo e nuclear) são de fontes poluentes.

Figura 1 — Matriz Elétrica Brasileira
Matriz Elétrica BrasileiraAbsolar

O incentivo por energia sustentável vem se tornando popular em nosso pais por uma questão ambiental e também financeira visto que os sistemas autônomos de energia fotovoltaica tem seu preço reduzindo cerca 9,3% anualmente (Estudo..., 2020).

Desde Abril de 2012, quando entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, o consumidor pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade. Os estímulos à geração distribuída se justificam pelos potenciais benefícios que tal modalidade pode proporcionar ao sistema elétrico. Entre eles, estão o adiamento de investimentos em expansão dos sistemas de transmissão e distribuição, o baixo impacto ambiental, a redução no carregamento das redes, a minimização das perdas e a diversificação da matriz energética. Com o objetivo de reduzir os custos e tempo para a conexão da microgeração e minigeração; compatibilizar o Sistema de Compensação de Energia Elétrica com as Condições Gerais de Fornecimento; aumentar o público alvo; e melhorar as informações na fatura, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 687/2015 (Brasil) onde teve algumas inovações como quando a quantidade de energia gerada em determinado mês for superior à energia consumida naquele período, o consumidor fica com créditos que podem ser utilizados para diminuir a fatura dos meses seguintes sendo que eles podem também ser usados para abater o consumo de unidades consumidoras do mesmo titular situadas em outro local, desde que na área de atendimento de uma mesma distribuidora. Esse tipo de utilização dos créditos foi denominado “autoconsumo remoto”.

A Rede Elétrica Brasileira tem como padrão ser em 220V/127V ou 380/220V , 60Hz e o fornecimento em corrente alternada (CA) e os módulos fotovoltaicos terem uma corrente de saída na forma continua (CC), existe a necessidade de se utilizar um conversor CC/CA, denominado inversor, para que seja possível realizar a conexão dos painéis FV à rede elétrica. O inversor tem como principal papel modificar a forma de onda da corrente continua proveniente dos módulos fotovoltaicos em corrente alternada, assim adequando a característica de saída do gerador FV aos padrões da rede elétrica Brasileira.

Então é de suma importância adotar os critérios de Confiabilidade e Eficiência na escolha do inversor. Quanto maior a eficiência do inversor solar mais energia gerada pelos painéis fotovoltaicos, e, quanto mais confiável, menor é o seu risco de ter algum problema com o inversor solar.

Hoje no mercado atual temos uma grande gama de fabricantes de inversores e micro inversores , abaixo uma lista com alguns dos principais fabricantes que estão em atuação no mercado nacional.

Figura 2 — Lista dos inversores mais utilizados no mercado nacional
Lista dos inversores mais utilizados no mercado nacionalEstudo... (2020)

Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento de dois modelos de inversores, sendo um inversor tipo string da ABB/FIMER e um microinversor da Hoymiles. Através do estudo de caso foi possível analisar o comportamento dos inversores em condições normais de operação.

 Assim foi realizado um comparativo de qual sistema irá performar melhor em situações iguais (mesmo telhado, mesma quantidade de módulos e mesmo período de geração).

 OBJETIVOS

OBJETIVO GERAL

Promover uma análise comparativa entre dois sistema fotovoltaicos, instalados em uma unidade consumidora com a mesma quantidade de módulos fotovoltaicos, demostrando o comportamento de geração de um inversor string e microinversor. Em nosso estudo analisaremos o monitoramento do fabricante, extraindo os gráficos de geração comparando com os dados obtidos pelo software de simulação da PVSOL.

OBJETIVO GERAL

  • Análise dos dados de geração energia e produtividade energética através do aplicativo do equipamento e do software;
  • Coleta dos dados de potência, energia e tensão de operação em campo;
  • Comparação dos dados obtidos;

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

MÓDULO FOTOVOLTAICO

O Físico Francês Alexandre Edmond Becquerel em 1839, observou o efeito fotovoltaico que foi o ponto de partida para o desenvolvimento das células fotovoltaicas como conhecemos atualmente (Cresesb, 2018)  Ele ocorre em material com características denominados de semicondutores, ou seja, material com condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes.

De maneira simples, o efeito fotovoltaico consiste no surgimento de uma tensão elétrica em um material semicondutor, quando este é exposto à luz visível. Para entender perfeitamente o efeito fotovoltaico temos que ter noção básica de teoria de banda de energia, admitindo que um material possui três bandas de energia denominadas banda de valência, banda de condução e banda proibida ou “gap”.

Diferente dos metais, semicondutores têm a “banda de valência” completamente cheia e a “banda de condução” vazia, com um “gap” de 1 eV (um elétron-volt).O surgimento da tensão elétrica ocorre quando o elétron da banda de valência recebe energia suficiente do fóton para saltar a banda proibida e passar para a banda de condução.

Para isso, a energia recebida do fóton de luz deve ser maior ou igual a energia do gap, que é a diferença entre a energia mínima da banda de condução e máxima da banda de valência. Ou seja, o elétron precisa de energia para vencer a banda proibida, caso o fóton incidente tenha energia maior que o “gap”, o excedente se transforma em calor, aquecendo o material (efeito chamado de termalização).

É comum representar o efeito fotovoltaico através de uma imagem que simbolize uma célula fotovoltaica, como esta abaixo:

Figura 3 — Representação do funcionamento de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado
Representação do funcionamento de uma célula fotovoltaica de silício cristalizadoBlue Sol

Na descoberta do efeito fotoelétrico (efeito Hertz), Albert Einstein aprimorou os conceitos dos experimentos de Heinrich Hertz (1887). O efeito fotoelétrico é um fenômeno consiste na emissão de elétrons por materiais (geralmente metálicos), quando iluminados por ondas eletromagnéticas de frequências específicas (como a ultravioleta, proveniente do Sol). Com isso, Einstein ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1922.

Figura 4 — Efeito Fotoelétrico
Efeito FotoelétricoAminoapps

Em 1953, Calvin Fuller e Gerald Pearson, criaram a primeira célula solar de silício. Fuller foi responsável pelo processo de dopagem do silício, caracterizado pela introdução de impurezas no silício de forma a modificar as características elétricas no mesmo. Ele utilizou uma barra de silício dopando-a com gálio e gerou um silício tipo p, com excesso de cargas positivas. Em seguida, Pearson mergulhou tal barra em um banho de lítio, constituindo então uma camada de silício tipo n, com excesso de elétrons livres. Após esses processos, na região onde o silício tipo p e o silício tipo n se tocam é criada uma região de junção pn na amostra, a qual eles perceberam que ao ser exposta a luz solar gerava corrente elétrica, sendo essa então a primeira célula solar de silício.

Após superar parte das dificuldades construtivas observadas até então e obter um aumento da eficiência de conversão de 4% para 6%, foi registrada a primeira patente de célula solar, apresentada na Figura 5.

Figura 5 — Primeira Célula Solar Patenteada
Primeira Célula Solar PatenteadaGazeta... (1945)

O resultado observado por eles foi chamado de efeito fotovoltaico, que de forma simplificada, é causado pela incidência de luz sobre um conjunto de dois materiais diferentes, causando excitação dos elétrons, similarmente ao efeito fotoelétrico, no qual os elétrons escapam de uma placa metálica, e consequentemente, geram corrente elétrica.

Tipo de células

Atualmente, os módulos fotovoltaicos são de silício e apresentam uma vida útil de cerca de 35 anos. Um dos desafios é o de encontrar novos acessórios/equipamentos e componentes minerais que melhorem grau de eficiência do módulo, sem aumentar a sua área (1,96m x 0,98m).

O processo de fabricação das células e módulos fotovoltaicos está representado abaixo:

Figura 6 — Fabricação das células e módulos fotovoltaicos
Fabricação das células e módulos fotovoltaicos ulisboa

Atualmente, existem no mercado três tipos de células, conforme o método de fabricação:

Células de silício mono cristalino

Estas células são obtidas a partir de barras cilíndricas de silício mono cristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas pelo corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4 a 0,5mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar está na ordem dos 15 aos 18%. Devido ao formato das células é fácil identificar o módulo mono cristalino, possuindo uma cor uniforme que indica que o silício é de alta qualidade, como pode ser visto na Figura 7

Figura 7 — Células de silício mono cristalino
Células de silício mono cristalinoPortal Solar

Vantagens do Módulo Fotovoltaico Mono Cristalinos

Atualmente, os módulos fotovoltaicos mono cristalinos possuem a eficiência mais alta dentre as tecnologias comercialmente viáveis. A eficiência dos módulos fotovoltaicos mono cristalinos está hoje de 12% a 24%.

Uma vez que estes painéis solares possuem uma eficiência maior eles necessitam de menos espaço para gerar a mesma quantidade de energia elétrica. A vida útil dos painéis mono cristalinos é maior que 30 anos e eles vêm com garantia de 25 anos (de eficiência em 80%) e tendem a funcionar melhor do que módulos fotovoltaicos poli cristalinos em condições de pouca luz.

Desvantagens do Módulo Fotovoltaico Mono Cristalinos

Os módulos fotovoltaicos mono cristalinos são mais caros. Do ponto de vista financeiro, um painel solar que é feito de silício poli cristalino podem ser uma escolha melhor para os proprietários que se importam somente com o custo.

Células de silício poli cristalino 

Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro combinado com outros cristais. Uma vez no colocados no molde walfer, o silício derrete lentamente e se solidifica. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura poli cristalina com superfícies de separação entre os cristais. 

Figura 8 — Células de silício poli cristalino
Células de silício poli cristalino Portal Solar

Vantagens do Módulo fotovoltaico Poli Cristalinos

A quantidade de silício residual gerado durante o processo de corte das células fotovoltaicas é menor em comparação com mono cristalino, módulos fotovoltaicos poli cristalinos tendem a ser um pouco mais baratos que os módulos fotovoltaicos mono cristalinos.

Desvantagens do Módulo fotovoltaico Poli Cristalinos

A eficiência dos módulos fotovoltaicos poli cristalinos é tipicamente entre 15% e 18%, devido principalmente, à menor pureza do silício. Módulos fotovoltaicos mono cristalinos são, normalmente, mais eficientes (menos watts por hora por m²). Normalmente precisa de uma área maior de módulos fotovoltaicos poli cristalinos para gerar a mesma quantidade de watts/m² do que o módulos fotovoltaicos mono cristalino. Isto não necessariamente significa que o mono é melhor que o poli.

Células de silício amorfo 

Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. A sua eficiência na conversão da luz solar em eletricidade varia de 5 a 7 %.

Comparativo de tecnologias

Existem outras tecnologias para construção de células fotovoltaicas, porem  apresentamos somente os três tipos de células principais mais utilizadas para geração de energia. O Quadro 1 apresenta um resumo das células fotovoltaicas, mostrando os valores de eficiência obtido para cada células.

Quadro 1 — Comparativo de técnologias
Tipo de célulaRendimentoCaracterísticas
Mono Cristalino12 - 24%Cristal Único - Bom rendimento - Cor Azul Homogênea
Poli Cristalino15 - 18%Diferentes Cristais - Preço mais em conta -  Diferentes tons de Azul
Amorfo<10%Camada Fina -  Cor Castanha -Células mais finas 
O autor (2021)

Numero de Células

Com o crescimento exponencial deste tipo de tecnologia, hoje em dia é mais comum encontrar no mercado módulos com 72 células, devido ao seu custo benefício e também a evolução dos inversores no quesito da faixa de tensão de entrada, suportando faixas maiores até 1000V, isso fez com que se tornasse mais viável tecnicamente e economicamente a utilização de módulos com potência maior (72 células/144 células).

O tempo utilizado para se colocar um módulo de 275W (60 células) é o mesmo de se colocar um módulo de 400W (72 Células). Porém, em um sistema de 5600W, você terá que colocar em torno de 20/21 módulos de 275W (21x275=5775W), caso esteja utilizando módulos de 400W você terá o trabalho de colocar somente 14 Módulos (14x400=5600W).

É possível encontrar módulos com número de células abaixo de 60, esses módulos geralmente são utilizados para sistemas off-grid, cujo os controladores/inversores necessitam de tensões menores em torno de 12, 24, 48V. Também é possível encontrar módulos com mais de 72 células, com um aumento de tamanho pequeno, chegando a 144 células (se chega a essa quantidade devido à redução no tamanho das células em comparação aos tamanhos convencionais, porém mais eficientes).

Geralmente, os módulos de 72 células têm dimensões próximas a 1000mm de largura e 1960mm de comprimento e podem alcançar potências próximas a 450W. Por outro lado, os módulos de 60 células geralmente têm 960mm de largura e 1650mm de comprimento e podem alcançar potências próximas a 320W. Isso equivale a 300mm extra de comprimento. Se compararmos isso com os painéis solares de 36 células originais, a diferença é ainda maior.

Abaixo iremos ver um Data Sheet de um módulo da Canadian para estudarmos alguns pontos importantes

Figura 9 — Data Sheet - Canadian
Data Sheet - CanadianCanadian

Parâmetros característicos de uma célula fotovoltaica

– Corrente de curto-circuito (Isc): É o valor da corrente máxima que uma célula pode gerar sob determinadas condições de radiação e temperatura.

– Tensão de circuito aberto (Voc): É o máximo valor de tensão que uma célula pode entregar a uma carga sob determinadas condições de radiação e de temperatura, correspondentes a uma circulação de corrente com valor nulo e, consequentemente, potência nula.

– Potência pico Nominal Máx (Pmáx): É o valor máximo de potência que se pode entregar a uma carga e corresponde ao ponto da curva no qual o produto V x I é máximo.

– Corrente a máxima potência (Imp): É o valor da corrente que é entregue a uma carga a máxima potência, sob determinadas condições de radiação e de temperatura. É utilizada como corrente nominal do mesmo.

– Tensão a máxima potência (Vmp): É o valor da tensão que é entregue a carga a máxima potência, sob determinadas condições de radiação e temperatura. É utilizada como tensão nominal da mesma.

Eficiência do módulo - A eficiência de uma célula fotovoltaica é o quociente entre a energia fornecida pela célula e a radiação solar incidente na célula. O símbolo desta grandeza é e a unidade vem expressa em porcentagem (%).

Associação de módulos fotovoltaicos em série

Com a associação de módulos em série, podemos ter valores de tensão mais elevados, pois ​somamos​ as tensões, mas a corrente mantém o seu valor.

Quando ligamos vários módulos em série, devemos ter o cuidado de analisar a Data Sheet do fabricante do inversor, de forma a verificar qual o valor de tensão máximo permitido para este tipo de associação

Associação de módulos fotovoltaicos em paralelo

Com este tipo de associação de módulos, o valor da tensão mantém-se e se ​somam ​as correntes. Liga-se os polos positivos com positivos e negativos com negativos. Para efetuar essa ligação é necessários adaptadores especiais desenvolvidos para esse fim.

Associação de módulos fotovoltaicos em série e paralelo (mista)

Com este tipo de associação de módulos, se consegue maiores valores de corrente e também de tensão. Na ligação mista, as strings têm de ter o mesmo número de módulos FV e estes têm de ter obrigatoriamente as mesmas características (tensão, corrente e potência). Isto implica em células iguais.

Diagrama 1 — Diagrama Unifilar com associação de módulos mista
Diagrama Unifilar com associação de módulos mistaO autor (2021)

Sombreamento

A curva característica do módulo FV é modificada em função do sombreamento a que está sujeito. Isto significa que o MPPT será desviado, havendo assim uma redução de potência relativamente a um módulo FV que não se encontra sombreado.

Esse sombreamento pode ter consequências graves, tanto na eficiência como na segurança do módulo FV. Se cair um objeto no módulo solar, de tal modo que uma célula solar fique na sua totalidade obscurecida, esta passará a estar inversamente polarizada, atuando como uma carga eléctrica e convertendo a energia elétrica em calor.

Se a corrente que a atravessa for altamente elevada, poderá resultar o ponto quente já mencionado. O maior valor de intensidade de corrente que pode fluir através da célula é a corrente do curto-circuito. Esse ponto é chamado de Hot-spot.

Para evitar a formação de Hot-spot nos módulos fotovoltaicos, devido à tendência das células fotovoltaicas sombreadas ou com defeito, ficarem sujeitas a funcionarem como carga para as demais células, são utilizados os diodos de desvio (by-pass). Os diodos de by-pass são conectados em antiparalelo com um conjunto de células ligadas em série, normalmente entre 15 e 30 células para cada diodo (CEPEL; CRESESB, 2014). Assim o diodo ficará diretamente polarizado, quando o conjunto de células sofrer com sombreamento, e a corrente elétrica gerada pelas demais células irá fluir por ele.

Porém, esse conjunto de células não contribuíram para a conversão de energia, todavia, também não se comportaram como carga para as demais células. Assim sendo, quando as células não estiverem mais sobre efeito de sombreamento, o diodo de desvio ficará reversamente polarizado, e não permitirá mais a passagem de corrente sobre ele. A Figura 10 demostra como é feita a conexão dos diodos de desvio, em um conjunto de 36 células em série e um diodo de by-pass para cada 18 células

Figura 10 — Conexão dos diodos de desvio
Conexão dos diodos de desvioCEPEL; CRESESB, 2014

Nota-se na Figura 11  três situações representadas sem sombreamento, com sombreamento e sombreamento sem diodo de desvio. Pode se observar que o pior caso é a situação 1, sem o uso dos diodos de desvio, tem-se uma queda na corrente gerada devido a dissipação de potência nas células e a formação de pontos quentes. Na situação 2 pode-se notar que há uma queda na potência gerada, isso ocorre devido à queda na corrente do módulo afetado pelo sombreamento, que com consequência limita a corrente da string para um valor menor que o nominal.

Figura 11 — Curva I-V de um conjunto de módulos ligado em série; curva I-V para 1-String de módulos sem diodo de by-pass, 2-String de módulo com sombreamento, 3-String de módulos sem sombreamento.
Curva I-V de um conjunto de módulos ligado em série; curva I-V para 1-String de módulos sem diodo de by-pass, 2-String de módulo com sombreamento, 3-String de módulos sem sombreamento.CEPEL; CRESESB, 2014

As sombras que se projetam sobre os painéis fotovoltaicos podem ser classificadas em duas categorias:

– Sombras temporárias: São causadas por objetos tais como folhas ou frutas que caem (ter atenção em especial em zonas com muitas árvores), excrementos de aves, poeira e partículas de contaminação. Em certas situações, basta colocar os módulos com uma inclinação adequada para que a chuva os limpe.

– Sombras causadas pela localização da instalação: Neste ponto consideram-se as sombras produzidas pelos edifícios circundantes e outros elementos que os rodeiam.

INVERSORES E MICROINVERSORES

Um inversor solar é um equipamento eletrônico que converte a corrente elétrica contínua (CC) em alternada (CA) no sistema fotovoltaico. É praticamente um adaptador de energia para o sistema fotovoltaico.

O inversor solar também garante a segurança de todo o sistema, realiza monitoramento e é responsável pela otimização de energia produzida. O inversor pode possuir ou não um transformador em seu interior. Alguns não possuem pois isso otimiza a energia produzida, uma vez que os transformadores geram calor. Em outras palavras: quanto menor energia térmica produzida, menor será a perda de energia elétrica e o aparelho se torna mais eficiente.

O aparelho tem o formato de uma caixa metálica com alguns botões, mas tem muitos componentes em seu interior. O processo de inversão energética consiste em prover, logo na saída do inversor, uma tensão ou corrente alternada. Para isso, utiliza-se uma corrente ou tensão contínua para alimentar essa saída.

Trata-se de um instrumento muito importante e diversas pessoas e corporações não conhecem as informações cruciais que definem a compra de um inversor solar.

Podem ser fixados em locais diferentes, de acordo com as finalidades dos aparelhos. Em uma residência, eles podem ser colocados perto do quadro de luz, próximo aos módulos fotovoltaicos ou em outro local indicado. Contudo, o local de instalação depende das necessidades do cliente, podendo ser fixado próximo a ele para o acompanhamento constante da produção ou colocado mais longe devido ao baixo ruído emitido pelo inversor solar

Inversor String

Uma das vantagens do inversor tipo string são que realizam um leitura através do MPPT separadamente para cada fileira (ou conjunto de módulos), otimizando o processo de extração de energia, permitindo uma maior flexibilidade com diferentes orientações de cada string, além de possibilitar uma maior confiabilidade para o sistema. 

A Figura 12, representa a configuração de um sistema fotovoltaico com o uso de inversor string, na qual são apresentadas duas strings conectadas ao inversor, sendo que cada conjunto de módulos pode ser instalado em uma parte do telhado do cliente.

Figura 12 — Inversor tipo String
Inversor tipo Stringmicrogeracaofv

Microinversor

O microinversor solar é um equipamento que foi desenvolvido para melhorar o desempenho dos módulos fotovoltaicos. A tecnologia empregada em sua fabricação é uma espécie de atualização da tecnologia dos chamados inversores.

Na prática, os dois aparelhos transformam a energia proveniente de corrente contínua em corrente alternada. A diferença está na forma de instalação e desempenho dos dois aparelhos.

Enquanto os inversores string ficam localizados em uma parede, a certa distância dos módulos fotovoltaicos, sendo conectados por um cabo CC, os microinversores foram projetados para serem ligados individualmente a cada painel. 

De maneira geral, os módulos fotovoltaico geram quantidades diferentes de energia entre si devido a uma série de fatores, como sombreamento, sujeira e incompatibilidade de ângulo de instalação e com o microinversor, o desempenho de uma placa não interfere na outra, como já detalhado a performance de todo o módulo não é comprometida por uma “unidade” com problemas. Em outras palavras, o microinversor permite que cada módulo opere em sua potência máxima.

Outra grande vantagem também relacionada ao desempenho é que com a utilização do microinversor, é possível utilizar marcas de módulos com potência e parâmetros elétricos diferentes. Tudo sem que aqueles modelos de menor potência comprometam o desempenho daqueles de maior potência.

Uma grande funcionalidade do microinversor é a central de monitoramento dos sistemas fotovoltaicos. Com essa ferramenta, é possível acompanhar de forma remota o desempenho de cada módulo fotovoltaico, com possibilidade de verificação de variáveis elétricas e identificação de problemas técnicos.

Diagrama 2 — Diagrama de instalação do Micro Inversor MI-1200 / Micro Inversor MI-1000
Diagrama de instalação do Micro Inversor MI-1200 / Micro Inversor MI-1000Hoymiles

EQUIPAMENTOS ESCOLHIDOS PARA ANÁLISE

Este capitulo refere-se à composição do sistema fotovoltaico utilizado para a realização dos testes e análise experimental dos inversores. Serão abordados os temas de instalação dos módulos fotovoltaicos e dos inversores e suas especificações técnicas.

Módulos Fotovoltaicos escolhidos para análise

Os módulos utilizados para os testes de análise experimental, foram os da TRINA SOLAR modelo TELL MAX - TSM-405DE15M(II) que possuem uma potência de pico e 405 Wp e são constituídos de 144 células de mono cristalino, com tecnologia PERC , Buss Bar e Half Cell. Segue abaixo um resumo retirado do site da Trina contando um pouco de sua trajetória:

Fundada em 1997, Trina Solar é líder mundial provedor de soluções abrangentes para energia solar. Trina Solar agora distribui seus Produtos fotovoltaicos para mais de 60 países em todo o mundo. Trina Solar é capaz de fornecer um serviço excepcional para cada cliente em cada mercado e suplemento nossos produtos inovadores e confiáveis com o apoio da Trina Solar como um parceiro forte e lucrativo. Estamos comprometidos com a construção estratégica, mutuamente colaboração benéfica com instaladores, desenvolvedores, distribuidores e outros parceiros

A Trina Solar é líder global em fornecimento de módulos fotovoltaicos integrados e soluções completas de energia inteligentes. Seus negócios abrangem pesquisa e desenvolvimento de produtos fotovoltaicos, manufatura e vendas de produtos fotovoltaicos; desenvolvimento de projetos FV, EPC (Engenharia, Construção e Montagem), Operações & Manutenção; desenvolvimento e vendas de microrredes inteligentes e sistemas complementares multienergia, bem como, a operação e administração de plataformas de energia em nuvem (Trina Solar, p. 1).

A tabela 1 mostra a especificação dos módulos utilizados, possuindo uma corrente de operação de 10A, tensão de operação de 40.5V,  sua eficiência é de 19.9%, com uma queda de performance informada pelo manual de 20% em 25 anos. A curva I-V, com um Isc (corrente de curto circuito) de 10.52A e uma Voc (Tensão de circuito aberto) de 49.2V.

Tabela 1 — Data Sheet - Trina Solar
Data Sheet - Trina SolarTrina Solar

Gráfico 1 — Gráfico de Performance durante 25 anos da Placa Trina
Gráfico de Performance durante 25 anos da Placa TrinaTrina Solar

Quanto às avaliações das condições do painel solar, deve ser considerado o STC (Standard Testing Conditions) que significa condições normais de ensaio e são os padrões da indústria solar para as condições em que um painel solar é testado. As condições padrão de teste são a temperatura da célula, irradiação e massa de ar. A temperatura da célula deve estar a 25°C, independente da temperatura do ambiente A irradiação solar que deve ser de 1000 W/m² que se refere à quantidade de energia que incide sobre uma determinada área em um determinado momento. A estimativa da temperatura de um módulo fotovoltaico leva em consideração a velocidade média do vento, assim como a temperatura ambiente e irradiância. 

NOCT significa (Nominal Operating Cell Temperature), e se refere a condições de teste que estão muito mais próximas das condições do mundo real que seus painéis solares enfrentarão todos os dias: A irradiação solar que deve ser de 800 W/m².

No Brasil temos sol forte e esta irradiância de 1000W / m² é extremante comum e, em alguns lugares, inclusive pode ser maior ainda. O questão é que a potência nominal do painel solar nas Condições Padrão de Teste baseiam-se em um painel com uma temperatura de 25 ° C. Usaremos o sistema STC para coletar os dados técnicos dos módulos fotovoltaicos.

 

Gráfico 2 — Gráfico de Curva P-V e I-V do Módulo de 405W da Trina Solar
Gráfico de Curva P-V e I-V do Módulo de 405W da Trina SolarTrina Solar

Tecnologia PERC

A palavra PERC é a sigla para Passivated Emitter Rear Cell (Emissor Passivado e Contato Traseiro). Essa tecnologia consiste na aplicação de uma camada refletiva em material dielétrico localizada entre a camada inferior de alumínio e a camada base de silício para maximizar a radiação e ter menor de perda de energia.

Em suma, esse material dielétrico bloqueia a passagem da luz através da camada inferior do painel, impedindo a penetração de elétrons na camada de alumínio, proporcionando melhor circulação entre a base e as camadas emissoras de silício.

Dessa forma, podemos concluir que a tecnologia PERC tem um impacto positivo no coeficiente de temperatura, pois as ondas de radiação mais longas que não penetram diretamente na camada inferior de alumínio são refletidas para fora do painel e, portanto, gerando menos superaquecimento se comparado aos painéis comuns sem essa tecnologia.

Figura 13 — Demonstração da tecnologia silício PERC
Demonstração da tecnologia silício PERCTrina Solar

Tecnologia Bus Bar

São as linhas que conectam as células fotovoltaicas do módulo fotovoltaico, permitindo o fluxo de elétrons de um ponto ao outro. Sua principal função é otimizar o transporte da corrente por meio do módulo. Essas bus bar são compostas por materiais com boa condutibilidade, como o cobre e a prata.

Em resumo, a superfície de uma célula solar convencional é composta por uma série de linhas finas (fingers), que coletam e distribuem a carga, e pelas bus bar, que são as estruturas que conduzem a energia de um ponto a outro, unindo as diferentes células em conjunto unificado.

Dessa forma, quanto mais bus bar um painel fotovoltaico tiver, maior será a captação de eletricidade e consequentemente maior será a eficiência na circulação e transporte da energia. Esse avanço traz ótimos resultados, pois é possível obter mais potência com menos módulos na instalação solar fotovoltaica.

Figura 14 — Demonstração de Celulas Bus Bar
Demonstração de Celulas Bus Bar Trina Solar

Tecnologia Half Cell

A tecnologia Half Cell consiste na construção de módulos fotovoltaicos com células cortadas ao meio. No lugar das tradicionais células quadradas, utilizam-se células retangulares. O que se consegue com isso são módulos mais eficientes e com aproximadamente as mesmas dimensões e o mesmo custo de um módulo comum.

No que diz respeito à maior tolerância ao sombreamento, isso se deve ao fato de que nos painéis convencionais com diodos de by-pass quando um conjunto de células sofre um sombreamento o diodo responsável por aquela fileira atua permitindo que 2/3 ou 66,66% do módulo ainda produza energia; e na tecnologia Half Cell, como as células do módulo são dobradas, se um conjunto de células sofre um sombreamento 5/6 ou 83,33% do módulo ainda produz energia.

Um outro diferencial é que atrás dos módulos a caixa de junção onde ficam as conexões e o diodo de by-pass é dividida em três partes, usando menos metalização que um painel normal, economizando espaço e diminuindo a resistência e a temperatura. A economia de espaço significa maior distância entre as células, o que acaba aumentando o reflexo da luz nas costas da superfície da célula.

Figura 15 — Demonstração de Células Bus Bar
Demonstração de Células Bus Bar Engenharia de projetos

Células cortadas ao meio produzem metade da corrente elétrica de uma célula convencional, já que a potência elétrica depende do quadrado da corrente. O aumento da eficiência do módulo Half Cell também é mais elevado devido ao espaçamento existente entre as células, que eleva a eficiência óptica ao permitir maior espalhamento da luz que incide sobre as células

Figura 16 — A corrente elétrica é reduzida à metade nas células half-cell, possibilitando menores perdas ôhmicas
A corrente elétrica é reduzida à metade nas células half-cell, possibilitando menores perdas ôhmicasPortal Solar

Módulos Half Cell têm maior tolerância a sombras do que os módulos tradicionais. A figura 17 mostra o que pode acontecer em dois módulos diferentes (Half Cell e padrão) quando sujeitos a uma mesma sombra.

A divisão das células em um maior número de grupos, como ocorre nos módulos Half Cell, permite desacoplar o efeito das sobras quando incidem em apenas determinadas partes dos módulos (sombras parciais).

Figura 17 — O efeito das sombras parciais é menos impactante nos módulos half-cell
O efeito das sombras parciais é menos impactante nos módulos half-cellPortal Solar

A redução da corrente que circula pelas resistências ôhmicas, também reduzidas à metade em cada meia célula, faz com que a dissipação de calor seja reduzida .Na ocorrência de hot spots, fenômeno que surge quando existe corrente reversa circulando pelos módulos, a elevação de temperatura será reduzida, reduzindo o risco de danos aos módulos ou incêndios.

De um modo geral, a circulação de correntes de intensidade reduzida melhora o desempenho térmico do módulo de forma global, não somente no que diz respeito à corrente reversa, mas também durante a operação normal.

Figura 18 — O uso de células half-cell possibilita a redução da temperatura global de operação do módulo, o que consequentemente aumenta a eficiência da conversão fotovoltaica
O uso de células half-cell possibilita a redução da temperatura global de operação do módulo, o que consequentemente aumenta a eficiência da conversão fotovoltaicaPortal Solar

Inversor escolhido para análise

O inversor string utilizado para os testes, foi o inversor do fabricante ABB/FIMER modelo UNO-DM-1.2-TL-PLUS, como pode ser visto na Figura 19. Esse inversor possui uma potência de entrada, para a faixa de trabalho CC de 1500 a 2000 Wp, a tensão máxima suportada é de 530V, a tensão nominal é 185V e a corrente máxima é 10A. Para o lado CA, a potência máxima injetada é de 1200W, a tensão nominal da rede 220V, com uma corrente nominal extraída de 5,5A. 

Figura 19 — Inversor ABB/FIMER
Inversor ABB/FIMER ABB

Os dados de operação podem ser consultados na figura 20. Segue abaixo um resumo retirado do site da ABB/FIMER contando um pouco de sua trajetória:


Com uma história de inovação que abrange mais de 130 anos, a ABB é líder em tecnologias de eletrificação, automação industrial e robótica. Presente em mais de 100 países com cerca de 110.000 funcionários, a ABB está escrevendo o futuro da digitalização industrial com duas claras propostas de valores: trazer a eletricidade de qualquer usina para qualquer tomada e automatizar a indústrias de recursos naturais até a escala de produtos acabados de forma sustentável. No Brasil, a ABB iniciou as suas atividades em 1912, com o fornecimento dos equipamentos elétricos para o 1º Bondinho do Pão de Açúcar, no Rio de Janeiro. Desde a década de 50, está operando com fábricas próprias e participando ativamente dos principais projetos de infraestrutura e industrialização do país. Os negócios de Eletrificação da ABB oferecem um amplo portfólio de produtos, soluções e serviços digitais, que vão deste a subestações a tomadas elétricas, permitindo a eletrificação segura, inteligente e sustentável. Dentre as ofertas de produtos e tecnologias da ABB destacam-se as inovações digitais conectadas para baixa e média tensão, incluindo infraestrutura de carregamento para carros elétricos com os modernos carregadores EV, caixas de proteção (String Box) para sistemas de energia solar fotovoltaicos (Aldo Solar, p. 1).

Figura 20 — Data Sheed - Inversor ABB/FIMER UNO-DM-1.2-TL-PLUS
Data Sheed - Inversor ABB/FIMER UNO-DM-1.2-TL-PLUSABB


As vantagens que o fornecedor descreve são a facilidade de instalação, rápido de montar, a presença de conectores Plug and Play, tanto no lado CC como no lado CA, bem como a comunicação sem fio, permitem uma instalação simples, rápida e segura sem a necessidade de abrir a tampa frontal do inversor. 

A rotina de montagem fácil destacada elimina a necessidade de um longo processo de configuração, resultando em menor tempo e custos de instalação ,a experiência do usuário melhorada graças a uma interface de usuário (UI), que permite acesso a recursos como configurações avançadas de inversor, controle dinâmico de feeds e gerenciador de carga de qualquer dispositivo habilitado para WLAN (smartphone, tablet ou PC).

Microinversor escolhido para análise

O microinversor utilizado para os testes de análise, foi o inversor Hoymiles MI1200. Este possui uma potência de entrada com um faixa de operação 300 ~ 470 Wp, a faixa de tensão para operação do é de 36-48V e a corrente máxima de entrada é 11.5A. Para o lado CA a potência máxima injetada é de 1200 W. No caso do microinversor Hoymiles, a tensão de saída influencia na corrente AC, ou seja, para tensões de rede igual 220V, a corrente na saída é de 5,45A, para 230V a corrente de saída será de 5,21A, considerando que o inversor esteja trabalhando na sua máxima potência. Os dados de operação podem ser consultados na figura 21 retirado do datasheet do fabricante.

Figura 21 — Data Sheed - Microinversor Hoymiles - MI-1500
Data Sheed - Microinversor Hoymiles - MI-1500Genyx


As vantagens que o fornecedor descreve é primeiramente, o controle. A tecnologia MLPE permite realizar controlar cada painel solar de forma individual, permitindo monitoramento a nível modular. Esse fator por si só, já traz muito mais controle ao gerenciamento de seu arranjo fotovoltaico. Isso permite que, por exemplo, seja possível saber em questão de segundos qual painel está com problema. Caso contrário, existiria a necessidade de análise manual de cada um dos módulos solares individualmente.

Em segundo lugar, a modularidade. Devido ao fato de cada painel solar estar conectado ao micro inversor através de seu canal individual, não existem restrições na hora de instalar. Pode se ampliar o sistema a qualquer momento, por um custo proporcional.

Figura 22 — Microinversor Hoymiles MI-1500 e suas caracteristicas
Microinversor Hoymiles MI-1500 e suas caracteristicasGenyx

Por último, e mais importante a segurança, claro. Sistemas que utilizam micro inversores não trabalham com tensões acima de 55Vcc. Além disso, todo o equipamento é instalado no telhado, fora de seu imóvel.

Localização de instalação do sistema fotovoltaico para análise 

Para a instalação de geradores fotovoltaicos há de ser observado alguns requisitos de implementação, devem ser instalados em local com boa circulação de ar, para reduzir o aquecimento dos módulos e com bons níveis de irradiância solar, ou seja, os módulos devem ser distribuídos a uma distância razoável de objetos que possam provocar sombras, principalmente em horários que ocorra melhor incidência de irradiância, usualmente entre 9 e 6 horas e também devem ser instalados o mais próximo do inversor, para evitar ao máximo as perdas devido à queda de tensão, além de reduzir os custos com cabeamento.

A energia solar captada que é recolhida durante uma determinada hora do dia é indicada em horas e é denominada de “Hora de Sol Pico”, cuja sigla é representada por HSP. O valor de HSP pode variar de 3 a 6 horas diárias, dependendo do mês e local da instalação fotovoltaica. Do mesmo modo, pode variar de 4 horas (Região Sul) até 6 horas (Nordeste), dependendo da zona geográfica da instalação. A consulta do HSP de cada região pode ser feita pelo site: www.cresesb.cepel.br.

Um ponto importante é que, durante as horas restantes em que há radiação, existe um aproveitamento energético, porém em menor quantidade, conforme indica a o gráfico 3.

Gráfico 3 — Gráfico Demonstrativo de HSP (Horas Sol Pico) por dia
Gráfico Demonstrativo de HSP (Horas Sol Pico) por diaWikipedia

A produção de energia solar em dias chuvosos ocorre de modo inferior aos dias ensolarados. Isto acontece porque os módulos fotovoltaicos necessitam da incidência solar direta, logo, com a sua diminuição em dias de chuva, reduz-se a geração de energia solar.

Entretanto, é muito importante destacar que a diminuição não significa que o sistema fotovoltaico parará de funcionar. Além disso, a chuva também contribui para a manutenção dos seus painéis solares, retirando toda a sujeira e outros elementos que possam prejudicar a operação. Sendo assim, mesmo com a baixa luminosidade causada por períodos chuvosos, o sistema continuará funcionando de modo mais lento, mas ainda favorável. Abaixo uma simulação de HSP em dias nublados e chuvosos.

Figura 23 — Simulação de HSP durante dias Ensolarados , Nublados e Chuvosos
Simulação de HSP durante dias Ensolarados , Nublados e ChuvososEletrobras Embrapa (2017)

Após analise pelo site do Cresesb, confirmamos que a média de HSP da localidade onde iremos instalar nosso sistema, Assis-SP, indicou o valor de 5,19 HSP no plano inclinado de 20° , conforme figura abaixo.

Figura 24 — HSP da cidade de Assis/SP
HSP da cidade de Assis/SPCresesb (2018)

Para o projeto desenvolvido nesse trabalho, foi utilizado o conjunto de 3 módulos instalados no telhado da empresa Leveros. Este local apresenta todos os requisitos necessários para instalação dos módulos fotovoltaicos. 

Figura 25 — Frente da Loja Leveros
Frente da Loja LeverosO autor (2021)

Tendo em vista, que os módulos utilizados se encontram no telhado do empresa, tem-se uma área sem influência de objetos que possam proporcionar sombras, como prédios ou árvores, apresenta uma boa circulação de ar e o inversor string se encontra próximo aos módulos instalados, dentro da loja, desprezando a queda de tensão por estar a poucos metros do local de instalação dos módulos. Segue abaixo o local exato de instalação dos 3 módulos no telhado metálico da empresa.

Figura 26 — Local de Instalação dos módulos solares - Foto 1
Local de Instalação dos módulos solares - Foto 1 O autor (2021)

Figura 27 — Local de Instalação dos módulos solares - Foto 2
Local de Instalação dos módulos solares - Foto 2O autor (2021)

Orientação e inclinação dos módulos fotovoltaicos

Durante as diferentes estações do ano, temos diferentes quantidade de horas de radiação solar incidindo sobre a Terra durante um dia. Além disso, é preciso levar em consideração a latitude do local em que o painel fotovoltaico será instalado, uma vez que a posição do sol em relação ao horizonte varia em cada hemisfério. Existe uma fórmula para calcular a inclinação ideal das placas solares, levando em conta a latitude do local de instalação:


inclinaça~o=latitude+(latitude/3)(1)\displaystyle inclinação = latitude + (latitude / 3) \tag{1}

A Figura 28 mostra a orientação (-22.667007, -50.430646) do prédio do Leveros Assis-SP, o local de escolha possui uma declinação magnética positiva de 20°, ou seja, o norte verdadeiro possui uma diferença entre o norte magnético de 22°.

Figura 28 — Caminho do Sol acima da empresa Leveros
 Caminho do Sol acima da empresa Leveros Sun Earth Tools (2021)

A tabela 2 demonstra com precisão a posição do sol na localidade da instalação, demonstrando que o Crepúsculo Vespertino, que é o inicio da produção,  começa às 7:23 e se encerra às 19:12.

Tabela 2 — Tabela Daylight
Tabela DaylightSun Earth Tools (2021)

  • Sunrise e sunset: são definidos como o instante em que a parte superior do disco do Sol è apenas tocando o horizonte, o que corresponde a uma altitude de -0.833 ° graus para o dom Twilight è o tempo após o pôr do sol caracterizada por uma luz difusa (por extensão, o crepúsculo da manhã, use aurora prazo, madrugada ou nascer do sol).
  • Crepúsculo Civil: lapso de tempo entre o pôr do sol e quando chega a altura de elevação de -6 °, no céu só são visíveis algumas estrelas e planetas particularmente brilhante.
  • Crepúsculo náutico: representa o tempo que o Sol leva um passe de -6 º a -12 ° abaixo do horizonte, neste período são distintos linha do horizonte e as estrelas principais.
  • Crepúsculo astronômico: è o intervalo de tempo entre o pôr do sol e quando chega a 18 ° abaixo do horizonte, o céu è escuro, è possível distinguir as estrelas até a sexta magnitude. Noon em tempo solar ocorre quando o sol está no seu ponto mais alto no céu para o dia, e que o mesmo seja sul ou norte do observador, dependendo da latitude.
  • Azimut: indica um ângulo entre um ponto e um plano de referência . Geralmente è a distância angular de um ponto a partir do Norte. A altura, ou elevacao, è a distância angular do horizonte um ponto na esfera celeste, medido como positivo se frente ao Zenith e negativo se dirigiu para o Nadir.

A inclinação também influencia na produção de energia, mas, geralmente, utilizamos a angulação do próprio telhado. Além da questão estética, isso é feito para baratear o sistema, reduzir os riscos e esforços causados pelo vento e também para evitar sombra de uma fileira sobre outra, aproveitando melhor a área disponível.

Figura 29 — Posicionamento do Sol em relação ao telhado
Posicionamento do Sol em relação ao telhadoA evolução...

Estrutura de Fixação dos módulos Fotovoltaicos

O suporte para fixação do painel solar de qualidade e instalado corretamente, irá promover segurança no processo de instalação e contra ações de ventos ou tempestades, garantindo assim que o  painel não sairá voando. Sistemas de suporte para fixação de placas solares podem ser desenhados para serem fixados com ganchos em telhados de barro, ou até mesmo inclinados sobre uma laje para garantir uma inclinação ideal para os painéis.

O suportes escolhidos para fixação são da empresa SOLAR GROUP a recomendação de instalação é com a distância mínima de recuo da borda do telhado e a instalação de 0,5m. Além disso evitar cantos e bordas e deixar uma distância de 1,5m dos cantos (região azul na Figura 30 a seguir).

Figura 30 — Distanciamento distância mínima de recuo da borda do telhado e a instalação
Distanciamento distância mínima de recuo da borda do telhado e a instalaçãoSolarGroup... (2021)

A Figura 31 mostra a estrutura de fixação dos módulos instalados no telhado metálico da Leveros, o material que constitui o suporte é de alumínio, para impedir a corrosão galvânica ou oxidação devido ao meio externo , o distanciamento é de 1m entre suportes e 1,6m entre fileiras

Figura 31 — Distanciamento de instalação entre suportes
Distanciamento de instalação entre suportesO autor (2021)

A fixação dos módulos na estrutura de suporte é feita através de grampos, que prende os módulos na estrutura de forma segura, como pode ser visto na Figura 32, os grampos intermediários fixam as placas entre elas , e o final fixa as pontas.

Figura 32 — Detalhe de fixação dos grampos intermediários e grampos finais
Detalhe de fixação dos grampos intermediários e grampos finaisEstruturas... (2021)

Instalação dos módulos Fotovoltaicos no Inversor String ABB/FIMER

Na primeira análise as placas foram ligadas no inversor tipo string da ABB/FIMER, e para isso ligamos as 3 placas em série na posição retrato, conectados uns aos outros através de conectores mc4, como pode ser visto na Figura 33.

Figura 33 — Ligação em série das placas fotovoltaicas no inversor string
Ligação em série das placas fotovoltaicas no inversor stringPortal Solar

Utiliza-se um conetor especial e específico em sistemas de energia solar fotovoltaica, denominados de conectores MC4. Esses conectores são responsáveis por isolar os cabos eletricamente até mesmo da água (afinal o módulo fotovoltaico ficará na chuva) e resistir ao tempo. O conector macho sempre vem fixo no terminal positivo e o conector fêmea sempre vem fixo no terminal negativo. Assim, para se fazer uma ligação série entre painéis, basta ligar o conector macho de um painel ao conector fêmea de outro painel.

Figura 34 — Detalhe do Conector MC4
Detalhe do Conector MC4 Neosolar

O Inversor ABB/FIMER se encontra instalado na loja da Leveros, como pode ser visto na Figura 35 .Na imagem pode ser observado os eletrodutos onde passam os cabos CC que ligam os 3 módulos fotovoltaicos a String Box, que é uma caixa de proteção com uma chave seccionadora de 32A – 1000VCC, e após essa proteção, os cabos são conectados ao inversor. E para proteção na parte de corrente alternada, temos uma caixa com um Disjuntor Bipolar de 20A e dois DPS de 20Ka, e posteriormente ligamos a rede do cliente. 

Figura 35 — Local de Instalação do Inversor , String Box CC e String Box CA
Local de Instalação do Inversor , String Box CC e String Box CAO autor (2021)

Figura 36 — Proteções da String Box CC
Proteções da String Box CC O autor (2021)

Um dos documentos que a concessionária solicita para homologação dos sistema de microgeração de energia solar é o diagrama. Seja o diagrama unifilar industrial, residencial, comercial ou outro, todos eles representam os pontos de conexão dos dispositivos e o trajeto dos condutores, além de outros fatores. Unifilar significa um fio, isso quer dizer que todos os cabos e fios são representados por símbolos sobre um só traço, normalmente este traço representa o eletroduto ou o caminho que os cabos estão submetido. Segue abaixo o diagrama da instalação realizada.

Diagrama 3 — Diagrama Unifilar do Sistema com inversor String ABB/FIMER
Diagrama Unifilar do Sistema com inversor String ABB/FIMERO autor (2021)

Instalação dos módulos Fotovoltaicos no microinversor

No Segundo teste as placas foram ligadas no micro inversor , e a ligação das 3 placas e diretamente no equipamento, como pode ser visto na Figura 37.

Figura 37 — Esquematico de Ligação dos módulos na microinversor Hoymiles
Esquematico de Ligação dos módulos na microinversor HoymilesHoymiles

A instalação dos microinversores são mais simples, devido ao fato que podem ser instalados na própria estrutura de fixação dos módulos e a conexão do lado CC, juntamente com a do lado CA, não necessitam de mecanismo de proteção (como por exemplo a string box que são exigidas para os inversores strings), já que os microinversores possuem sistema de proteção internos possibilitando a conversão da corrente CC em corrente CA de forma segura.

Figura 38 — Detalhe da String Box CA de proteção do Microinversor
Detalhe da String Box CA de proteção do MicroinversorO autor (2021)

No diagrama 4 é possível observar a representação do sistema fotovoltaico com uso do microinversor. Diferentemente do diagrama unifilar feito para representar a instalação do inversor string, pode se observar que não foi exigida o uso da string box para o lado CC, já para o lado CA foi conectado na caixa de Proteções CA a mesma utilizada para o inversor string, assim aproveitando (somente para nossa análise) os disjuntores de 20 A e o DPS , para a conexão entre o caixa de proteções CA e o microinversor foi utilizado um cabo CA de 2,5mm².

Diagrama 4 — Diagrama Unifilar do Sistema com Microinversor Hoymiles
Diagrama Unifilar do Sistema com Microinversor HoymilesO autor (2021)

COMPARAÇÃO DE RESULTADOS ENTRE MICROINVERSOR E INVERSOR STRING 

Em sistemas fotovoltaicos de pequeno e médio porte, o emprego de microinversores ao invés de inversores string pode promover um aumento na geração de energia elétrica ao reduzir os efeitos de sombreamento e a perda de eficiência, pelo fato do microinversor controlar individualmente a energia extraída de cada módulo. Esse capitulo tem como objetivo apresentar os resultados obtidos através de um estudo realizado em uma unidade de microgeração distribuída com energia solar fotovoltaica composta por inversores do tipo string e microinversor.

 Estes foram conectados aos módulos fotovoltaicos de 405Wp Watt-pico) da TRINA instalados nas mesmas condições de orientação e inclinação e, dessa maneira, o desempenho de ambos foi monitorado e avaliado durante 7 dias.

Coleta de dados

Foram utilizados dois tipos de equipamentos para o registro e monitoramento dos inversores empregados nos testes experimentais. Os dados da geração de energia do inversor ABB/FIMER  foram salvos no site AURORA VISON.

Aurora Vision Plant Management Platform é uma solução baseada em nuvem, disponível através de uma interface de usuário de navegador da web para seus dados de planta fotovoltaica, que fornece acesso altamente interativo e em tempo real às principais métricas de desempenho e operações para ajudar o gerenciamento da planta a otimizar decisões e acelerar o alinhamento com os objetivos de negócios . Iremos acompanhar o rendimento do Inversor ABB através do site https://www.auroravision.net/

Para os dados de geração do micro inversor a fabricante Hoymiles dispõe do site https://global.hoymiles.com/platform/login. A DTU é o componente chave no sistema de monitoramento Hoymiles. É a estação de retransmissão do sistema de monitoramento, que opera entre os microinversores Hoymiles e o Monitoramento de Servidores Hoymiles. A DTU comunica com os microinversores  no sistema via wireless 2.4G RF para coletar os dados e status dos Micro Inversores no sistema. Ao mesmo tempo, DTU se conecta à Internet através de Wi-Fi, que realiza a troca de informações com a plataforma de serviço de monitoramento em nuvem Hoymiles e envia todos os dados de execução de microinversores  e status do sistema para o servidor de monitoramento em nuvem Hoymiles. Ele recebe os comandos de controle do servidor de monitoramento em nuvem e envia os dados para os microinversores  no sistema para atingir o funcionamento e manutenção remota. 

Figura 39 — Funcionamento do monitoramento do Microinversor Hoymiles
Funcionamento do monitoramento do Microinversor HoymilesHoymiles (p. 5)

Para análise teórica simulamos o sistema em um software bem conhecido no mercado, o PVSOL. Nele desenhamos o sistema, e vamos verificar qual a geração que o software indica que iremos obter.

Mundialmente, o software PVSOL é um dos mais utilizados para simulação de sistemas de energia solar. Ele fez tanto sucesso porque oferece facilidade de uso e agilidade no processo da venda, mas também muitas ferramentas avançadas para projetistas. PVSOL é desenvolvido pela empresa alemã Valentin Software GmbH.

Análise dos Resultados

A análise experimental comparativa entre o inversor e o micro inversor foi dividida em 3 partes, para verificar a eficiência entre ambos.

Na primeira etapa iremos monitorar as 3 placas instaladas no inversor da ABB entre os dias 12 e 18 de maio de 2021. Na segunda etapa, iremos monitorar as mesmas placas porem com o uso do microinversor entre os dias 07 e 13 de maio de 2021. Na sequência foi realizada a terceira etapa, que constituiu o teste utilizando o software de simulação para verificar os resultados de forma teórica e confrontar com os dados obtidos.

Avaliação 1 -  Instalação com Inversor ABB/FIMER

A Tabela 3 apresenta os resultados práticos obtidos nos dias 12 e 18 de julho de 2021. A Figura 40 apresenta o gráfico de irradiância e a produtividade energética do sistema com inversor string ABB/FIMER

Tabela 3 — Resultados de geração obtidos do inversor tipo string da ABB
Resultados de geração obtidos do inversor tipo string da ABBO autor (2021)

Figura 40 — Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da ABB
Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da ABBO autor (2021)

Avaliação 2 – Instalação com Microinversor Hoymiles

A Tabela 4 apresenta os resultados práticos obtidos nos dias 07 e 13 de maio de 2021. A Figura 41 apresenta a produtividade energética por placa do sistema com microinversor Hoymiles .

Tabela 4 — Resultados de geração obtidos do Microinversor da Hoymiles
Resultados de geração obtidos do Microinversor  da HoymilesO autor (2021)

Figura 41 — Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da Hoymiles - Parte 1
Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da Hoymiles - Parte 1O autor (2021)

Figura 42 — Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da Hoymiles - Parte 2
Detalhes dos resultados retirados do monitoramento da Hoymiles - Parte 2O autor (2021)

Avaliação 3 – Estudo teórico com software

A fim de corroborar ao que foi exposto, os dois sistemas foram simulados utilizando o PVSOL. O software possui em no seu banco de dados os módulos e inversores que utilizamos em nosso estudo. De posse informações as mesmas foram reproduzidas no emulador de arranjo solar.

A Figura 43 representa o esquemático da montagem realizado para o teste com o software, todas as placas foram simuladas utilizando a localização de Assis/SP e posicionadas perfeitamente para o Norte.

Figura 43 — Desenho das placas no software PVSOL
Desenho das placas no software PVSOLO autor (2021)

Os dados obtidos pelo PVSOL para o inversor ABB/FIMER são mostrados na Figura 45, gerando uma média diária para o mês de Maio de 5,01kWh (150,03 / 30 dias) e para o microinversor na Figura 44 no qual o Hoymiles, gerando uma média diária para o mês de Maio de 5,1kWh (153/ 30 dias), apresentando uma eficiência superior ao ABB de 0,98%.

Figura 44 — Resultados de geração obtidos no PVSOL para o Microinversor Hoymiles MI-1500
Resultados de geração obtidos no PVSOL para o Microinversor Hoymiles MI-1500O autor (2021)

Figura 45 — Resultados de geração obtidos no PVSOL para o Inversor ABB
Resultados de geração obtidos no PVSOL para o Inversor ABBO autor (2021)

Confronto dos dados coletados

No Gráfico 4 é apresentado uma síntese dos resultados práticos alcançados . analogamente, como critério de avaliação de desempenho, adotou-se a quantidade de energia elétrica injetada na rede em relação à potência instalada (kWh), ou seja, a produtividade energética de cada sistema em 7 dias.

Gráfico 4 — Confronto de Resultados Microinversor x Inversor
Confronto de Resultados Microinversor x InversorO autor (2021)

Analisando os dados apresentados no gráfico conclui-se que o fator de produtividade do microinversor Hoymiles se mostra maior em torno de 12%. Na prática podemos verificar que a geração do microinversor é maior pois como lê as placas de forma individual, tem menos perdas por sujeiras, temperatura, sombreamento e etc...

Verificando os dados simulado no software com que encontramos na pratica,  temos a Tabela 5, demonstrado uma diferença de cerca de 16% para a simulação com o inversor, e de 8% do microinversor. O software simulou uma condição bem mais favorável a geração do que a pratica, e como o microinversor tem uma tecnologia melhor se aproximou mais dos dados simulados.

Tabela 5 — Confronto de Resultados dos dados simulados no software e obtidos na pratica
Confronto de Resultados dos dados simulados no software e obtidos na pratica O autor (2021)

Conclusão

Os microinversores aparecem no mercado com alternativa para SFCR no lugar dos tradicionais inversores strings. Nos Estados Unidos já atingem 40% das instalações residenciais, ganhando a confiança do público pelas suas vantagens e possibilitando a instalação de sistemas fotovoltaicos em locais nos quais os sistemas com uso dos inversores tradicionais teriam pouca eficiência.

Os microinversores são instalados diretamente nos módulos fotovoltaicos, assim possibilita uma instalação mais fácil e ágil, pois é necessário apenas conectar a entrada do microinversor no módulo fotovoltaico, que por sua vez irá converter a corrente CC proveniente do módulo em corrente CA na saída do microinversor, assim por consequência da conversão da tensão em 220V senoidal é possível conectar a saída do microinversor diretamente a rede elétrica, sem que haja a necessidade de colocar equipamento de proteção como por exemplos String Box. Por esse fato, tem-se uma redução com equipamentos de proteção e por cabeamento, pois é necessário apenas investimentos com cabeamento CA e disjuntor AC.

 Devido ao fato dos microinversores serem independentes, tem e uma série de vantagens sobre os sistemas com inversores string, as principais são: inexistência de mismatch de módulos, que ocorre quando se tem módulos com diferentes curvas características ligadas em série, o que pode reduzir a corrente gerada pela string. De acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável EUA  (Nrel, 2016), pode se ter uma produção de até 12% a mais na energia gerada anualmente com o uso dos micro inversores.

Ao término desse estudo, verificou-se que o sistema com microinversor Hoymiles MI-1200 apresentou o valor que os fabricantes prometem a mais de geração do que o inversor tipo string. Com a redução dos valores a cada ano para instalações de menor porte a recomendação é o uso de microinversores pois além de ser mais seguro temos uma rendimento maior do que o inversor string.

Referências

. In: VALLÊRAAntônio M; BRITOMiguel Centeno. Gazeta de física. 1945.

A evolução da Arquitectura Bioclimática Contributo para a Sustentabilidade Arquitectónica e Urbana. 50 p. Disponível em: http://repositorio.uportu.pt/jspui/bitstream/11328/603/18/TDH%2029%20%288%29.pdf. Acesso em: 21 mai. 2021.

ABB. Linha de Inversores Solares. Disponível em: https://loja.br.abb.com/. Acesso em: 14 mai. 2021.

Absolar. Matriz Energética Brasileira. Disponível em: https://www.absolar.org.br/mercado/infografico/. Acesso em: 8 jun. 2021.

Aldo Solar. Quem é a ABB?. Disponível em: https://www.aldo.com.br/marcas/abb. Acesso em: 8 jun. 2021.

Aminoapps. O Efeito Fotoelétrico. aminoapps. Disponível em: https://aminoapps.com/c/tudo-sobre-ciencia/page/blog/o-efeito-fotoeletrico/6PvL_dzxFzuKMb7ezR2wMoW8ZvJq1YeqQd2. Acesso em: 8 jun. 2021.

Blue Sol. Célula Fotovoltaica – O Guia Técnico Absolutamente Completo. Blue Sol. São Paulo. Disponível em: https://blog.bluesol.com.br/celula-fotovoltaica-guia-completo. Acesso em: 8 jun. 2021.

Brasil. Aneel. Normativa n. 687.

Canadian. Data Sheet : CS3W-400P. CANADIAN, CHINA.

Canal solar. inversores com multiplos mppt. Disponível em: https://canalsolar.com.br/inversores-com-multiplos-mppt/. Acesso em: 8 jun. 2021.

CEPEL; CRESESB, 2014. Disponível em: . Acesso em: 3 mai. 2021.

Cresesb. Sundata. 2018. Disponível em: http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&. Acesso em: 20 mai. 2021.

Embrapa. Energia Solar e Potencial da Região Sul: Roniere H. de Oliveira. 2017. Disponível em: https://www.embrapa.br/documents/1355242/0/Curso-Dia0510-2.pdf. Acesso em: 26 abr. 2021.

Engenharia de projetos. Tecnologia dos Módulos Solares. Disponível em: https://engenhariadeprojetos.com.br/blog/tecnologia-dos-modulos-solares/. Acesso em: 8 jun. 2021.

Estruturas fotovoltaicas. 2021. Disponível em: https://www.romagnole.com.br/pg/downloads. Acesso em: 8 jun. 2021.

Estudo Estratégico: Mercado Fotovoltaico de Geração Distribuída 2° Semestre de 2020. Greener. São Paulo, 2020. Disponível em: https://www.greener.com.br/estudo/estudo-estrategico-mercado-fotovoltaico-de-geracao-distribuida-2-semestre-de-2020/. Acesso em: 8 jun. 2021.

Genyx. MICRO INVERSOR HOYMILES MI-1500. Disponível em: https://genyx.com.br/produto/hoymiles-mi-1500/?gclid=Cj0KCQjw16KFBhCgARIsALB0g8K_YDaGupxQsRmHXfh5TBy9RMCFsw5uMT_qmv9sP-dPyuMc8GRXzJgaApIYEALw_wcB. Acesso em: 20 mai. 2021.

Hoymiles. Manual do Usuário Modelo Mi-1200 / Mi-1500. Casa do microinversor. 22 p. Disponível em: https://microinversor.com.br. Acesso em: 10 mai. 2021.

Mettzer. O melhor editor para trabalhos acadêmicos já feito no mundo. Mettzer. Florianópolis, 2016. Disponível em: http://www.mettzer.com/. Acesso em: 21 ago. 2016.

microgeracaofv. MICROGERAÇÃO FOTOVOLTAICANotícias, informações e curiosidades relacionadas com a Energia Solar Fotovoltaica!. microgeracaofv. Disponível em: https://microgeracaofv.wordpress.com/2018/08/21/voce-ja-escolheu-o-inversor-do-sistema-solar-da-sua-casa-inversor-string-ou-microinversores-qual-e-a-diferenca/. Acesso em: 28 abr. 2021.

Neosolar. CONECTOR MC4. Disponível em: https://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/conector-mc4. Acesso em: 21 mai. 2021.

Nrel. Photovoltaic Shading Testbed for ModuleLevel Power Electronics: 2016 Performance Data Update. 2016. Disponível em: https://www.nrel.gov/. Acesso em: 8 jun. 2021.

Portal Solar. Disponível em: www.portalsolar.com.br. Acesso em: 7 abr. 2021.

SolarGroup: Telhado-trapezoidal. 2021. Disponível em: https://solargroup.com.br/telhado-trapezoidal/. Acesso em: 8 jun. 2021.

Sun Earth Tools. Sun Position. 2021. Disponível em: https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=pt. Acesso em: 8 jun. 2021.

Trina Solar. Datasheet. trinasolar.com/. Disponível em: https://static.trinasolar.com/sites/default/files/EN_TSM_DE15M%28II%29_datasheet_A_2020_web.pdf. Acesso em: 8 jun. 2021.

ulisboa. Disponível em: https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Ffenix.ciencias.ulisboa.pt%2FdownloadFile%2F2251937252638994%2FPV%2520technologies%25202017.pdf&psig=AOvVaw2Xqk44RAfQzZIzd3K_9NJ9&ust=1621640293032000&source=images&cd=vfe&ved=0CAMQjB1qFwoTCOjehoO32fACFQAAAAAdAAAAABAZ. Acesso em: 8 jun. 2021.

Wikipedia. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Horas_solares_pico.png. Acesso em: 8 jun. 2021.

Use agora o Mettzer em todos
os seus trabalhos acadêmicos

Economize 40% do seu tempo de produção científica