1. O Inversor Fotovoltaico

Inversores são usados em várias áreas da engenharia elétrica com características distintas, conforme demanda de cada aplicação. Aqui estamos tratando de inversores para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, uma categoria de produtos com funções específicas.

A figura 1 apresenta o diagrama elétrico do sistema inteiro, que será detalhado no capítulo 7.

1.1.        Funções obrigatórias

As seguintes funções devem estar presentes em todos os inversores:

• A principal função do inversor é converter a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos, em corrente contínua, para corrente alternada na tensão da rede à qual o inversor é conectado;
• No capítulo anterior vimos que as características elétricas dos módulos variam com as condições climáticas (irradiância e temperatura). Por isso, o inversor contém na entrada um elemento chamado Seguidor do Ponto de Potência Máxima SPMP (em inglês MPPT = maximum power point tracker) que acompanha essas variações, procurando o melhor rendimento a cada instante;
• O inversor injeta energia em uma rede conectada à concessionária. Ele usa tensão e frequência da rede como referência e se ajusta continuamente às oscilações percebidas (relê de sincronismo);
• Quando a rede sai da faixa permitida de tensão e frequência, ou quando há falha de fase, então o inversor se desliga automaticamente, o que é chamado de “anti-ilhamento”;
• Internamente, o inversor se protege contra superaquecimento e contra uma potência de entrada excessiva. Nestes casos, o inversor reduz sua potência de saída;
• Ele ainda supervisiona o circuito da entrada em relação à resistência de isolamento entre os polos e a terra. Em casos de falhas, ele se desliga e dispara um alarme;
• O mesmo ocorre em casos de passagem de corrente contínua para a rede de corrente alternada (para inversores sem transformador interno, o tipo comum);
• A partir de 2024 passa a ser obrigatória uma proteção contra arcos voltaicos (AFCI). Ela detecta de forma eletrônica arcos e abre o circuito em c.c..

1.2.        Funções opcionais

Algumas funções são opcionais e incluídas conforme decisão do fabricante do inversor:

• O monitoramento envia os dados de produção via internet para o servidor do fabricante.
• Alguns inversores permitem conexão de sensores de irradiância, de temperatura ou medidores de energia com fins de enriquecer o monitoramento;
• O inversor pode conter componentes elétricos como seccionadores, fusíveis ou dispositivos de proteção contra surtos. Estes componentes, alternativamente, seriam colocados em caixas separadas.

1.3.        Tipologias de Inversores

Há diferentes tipologias de inversores a respeito do melhor aproveitamento de cada módulo: inversores com várias entradas (multi-MPPT), micro inversores e inversores com otimizadores de potência. Estes conceitos serão abordados no capítulo 6, após discutir a conexão entre módulos e inversores e questões de sombreamento.

1.4.        Normas para Inversores

As características da conexão com a rede elétrica de distribuição foram definidas na norma ABNT NBR 16149:2013, e foram incluídas também nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST Módulo 3 e nas normas da maioria das concessionárias. A respectiva norma internacional é a IEC62109:2011.

2.   As Características Elétricas

2.1.        As Características da Entrada em c.c.

A entrada do inversor recebe a energia gerada pelo arranjo fotovoltaico, em c.c., que é especificada pelas seguintes características:

• Potência nominal P_nom e potência máxima P_max
• Corrente máxima I_max
• Tensão máxima V_max
• Faixa de tensão permitida em operação: V_{PMP min} e V_{PMP max}
• Tensão mínimapara início do trabalho V_start

O arranjo fotovoltaico, que consiste numa conexão série-paralela de módulos, deve ser configurado da forma que não passe das características acima. Como isso é calculado aprenderemos no próximo capítulo.

2.2.        As Características da Saída em c.a.

A saída em corrente alternada é caracterizada pelas seguintes grandezas:

• Potência nominal P_nom (igual à potência nominal de entrada) e potência máxima P_max
• Corrente máxima I_max
• Tensão nominal e faixa de tensão
• Quantidade de fases
• Frequência nominal e faixa permitida

A maioria dos inversores de baixa potência (até cerca de 5 kW) é oferecida com saída em 220 V monofásica. Estes inversores são conectados entre fase e neutro ou entre fase e fase, dependendo da tensão da rede local. Há poucos produtos com saída em 127 V.

Verifique com os fabricantes quais inversores se adaptam a redes menos comuns no Brasil, com tensão em 115 V, 120 V, 208 V, 230 V e 254 V.

Os inversores maiores apresentam saída trifásica com tensões variadas. Detalharemos este assunto no capítulo sobre a conexão elétrica.

2.3.       A Proteção de Anti-Ilhamento

Inversores conectados à rede não devem trabalhar de forma ilhada, por duas razões:

1. Eles fornecem a cada instante a potência recebida, que oscila em decorrência das condições climáticas (ex. passagem de nuvens), sem poder garantir a potência suficiente para o funcionamento de qualquer carga;
2. A injeção de energia na rede desligada poderia expor ao risco de choque algum técnico que esteja fazendo manutenção da rede.

O inversor deve operar normalmente na faixa de 80% … 110% da tensão nominal da rede e desligar quando a tensão sair disso. A faixa permitida da frequência vai de 57,5 Hz até 62 Hz, sendo que o inversor deve reduzir a potência gradativamente acima de 60,5 Hz conforme gráfico da fig. 3.

Após um desligamento por falhas na rede, o inversor volta a operar automaticamente sem intervenção manual, da mesma forma que ele “acorda” toda manhã com a primeira claridade. O tempo de religamento é definido pela concessionária local e publicada na norma dela e varia de 30 a 300 segundos.

Somente inversores com bateria conseguem trabalhar de forma ilhada – veja capítulo 12.

2.4.        A Eficiência do inversor

A eficiência do inversor é a relação entre a energia injetada na saída e a energia recebida na entrada. Ela depende das condições elétricas a cada instante (veja fig. 4).

Além da eficiência máxima, a ficha técnica do inversor apresenta a “eficiência europeia”, um valor ponderado sobre a eficiência em diferentes faixas da potência do inversor que serve para comparar diferentes produtos.

A eficiência efetiva pode ser estipulada usando programas que simulam o sistema fotovoltaico ao longo de um ano típico, em passos de hora ou de minuto, como PV*SOL ou PVSyst.

3.   Onde Instalar o Inversor

Inversores aquecem internamente e dissipam o calor por convecção natural ou usando coolers internos. Por facilitar isso, deve-se escolher um local de instalação arejado, sem poeira e sem incidência do sol. O manual de instalação de cada fabricante informa sobre distâncias mínimas ao redor do inversor (fig. 5).

Muitos inversores permitem até instalação ao tempo, já que contam com um grau de proteção IP 65 ou superior, mas isso não é recomendado.

O inversor é acessado somente em casos de manutenção, e ele deve estar fora do alcance de crianças, especialmente quando há fios expostos. No entanto, a norma da Aneel exige um fácil acesso para o comissionamento pelo técnico da concessionária.

Facilitar o cabeamento c.c. e c.a. também é importante, já que o comprimento do fio determina a bitola dele. Para monitoramento é importante verificar o acesso à internet, por cabo ou Wifi.

Não deixe de conversar com o futuro proprietário sobre o local da instalação, para evitar queixas sobre a estética.

4.   Monitoramento

Os inversores atuais permitem acompanhar seu funcionamento pela internet. O proprietário deseja verificar a energia gerada ou mostrar a amigos sua nova aquisição. Além disso, ele precisa saber de defeitos muito antes de receber uma alta conta de energia.

Já para o instalador, o monitoramento serve para averiguar se o sistema realmente está funcionando de forma satisfatória. Ele ainda pode detectar defeitos, planejar uma manutenção ou antecipar problemas remotamente e sem depender de uma irradiação forte durante uma eventual visita à instalação.

O instalador usa os dados acumulados durante o mês junto com a conta de energia para explicar ao cliente os fluxos da energia: este precisa aprender que a energia que é consumida na hora da geração não aparece na conta de energia, porque não passa pelo medidor (autoconsumo).

Geralmente, os inversores enviam informações sobre a potência atual e sobre a energia acumulada ao longo do dia, mês e ano ao site do fabricante do equipamento. O acesso se dá via aplicativo, resumido e mais bonito, ou via site, com mais detalhes. Muitos sites ainda enviam avisos por e-mail quando o sistema está fora do ar ou apresenta defeitos.

No entanto, não é simples verificar se um sistema está realmente funcionando bem. Afinal de contas, ele depende das condições climáticas que oscilam. Estratégias compreendem a comparação entre inversores da mesma instalação, entre diferentes sistemas na mesma região (cuidado com microclima!), ou com sensores de irradiância.

5.   Inversores Híbridos com Baterias

Inversores com baterias (figura acima) carregam e descarregam baterias em paralelo à injeção na rede ou à alimentação de cargas. Eles podem servir a três propósitos:

1. Backup solar: as baterias servem para alimentar cargas no caso de falhas na rede. Adicionalmente, o inversor pode acionar um gerador para recarregar as baterias;

2. Remuneração da energia gerada: a energia é armazenada na energia em horários de tarifa baixa e descarregada em horários com tarifa alta.
3. Gerenciar energia: as baterias podem amenizar picos de demanda (peak shaving), ou armazenar energia excedente num certo momento para limitar a energia injetada (redução da demanda de injeção; zero-grid);

A primeira opção atende a um nicho de mercado crescente, já que segurança energética apresenta um valor alto para empresas e um conforto importante para residências. Os projetos combinam cálculos de sistemas autônomos (off-grid) e sistemas conectados à rede e requerem uma intervenção na instalação elétrica do cliente para criar uma rede emergencial. Em caso de ilhamento, o sistema precisa garantir a desconexão do gerador da rede.

As outras opções são viáveis quando o custo da energia armazenada fica abaixo da economia alcançada com ela. No capítulo 12 analisaremos essa tendência de mercado que se tornou realidade em vários países.

O primeiro capítulo do curso, Curso básico para instaladores: Fundamentos da energia fotovoltaica, está disponível neste link. O segundo, Curso básico para instaladores: o projeto do sistema fotovoltaico conectado à rede, está disponível aqui. O terceiro, Curso básico para instaladores: Tecnologia fotovoltaica e módulos, está disponível neste link.

Hans Rauschmayer é um reconhecido especialista e pioneiro em energia solar no Brasil. Ele criou a grade educacional da Solarize Treinamentos Profissionais Ltda., da qual é sócio-gerente. Foi convidado a ministrar aulas em instituições como Sebrae e Senai, como também em diversas universidades e é frequente palestrante em eventos nacionais e internacionais.

A Solarize fez história quando conectou o primeiro sistema ongrid do Rio de Janeiro, com ampla repercussão na mídia. Ela oferece capacitação profissional desde 2008, consultoria e serviços de instalação. Além disso, trouxe para o Brasil a software PV*SOL para planejamento de projetos fotovoltaicos, que virou líder entre os integradores. Também atua em projetos sociais levando capacitação e geração de energia a comunidades carentes.

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