Este artigo tem como objetivo explicar as diferenças entre inversores string e microinversores, para apresentar suas principais diferenças, modos de operação, vantagens e desvantagens para um sistema, vida útil, garantias e outros pontos pertinentes a esta análise.
Para estudos no campo de eletrônica de potência, os dispositivos conhecidos por realizar a conversão de corrente contínua para corrente alternada (CC-CA) são conhecidos como "inversores".
A entrada de um inversor consiste em uma fonte CC externa (módulos fotovoltaicos) e internamente o inversor modula a tensão CC de entrada em uma tensão contínua desejada através de um conversor CC-CC boost. A saída deste conversor boost serve como alimentação para os dispositivos de potência que realizam o chaveamento e realizar a conversão para corrente alternada.
Na maioria das aplicações de inversores, o objetivo é o fornecimento de uma forma de onda senoidal pois a maioria dos motores e componentes elétricos do mercado mundial opera com tensão em forma de onda senoidal. Nas aplicações, o que normalmente veria de país a país é a tensão nominal do sistema 220 V monofásico ou trifásico ou 380 V trifásico e frequência de 50 ou 60 Hz.
Tendo como base as aplicações de inversores, pode-se definir que inversores que trabalham em paralelo a rede elétrica podem ser chamados de grid-tie ou on-grid. Por outro lado, inversores que trabalham desconectados a rede da concessionária ou que não tem a função de injetar potência na rede elétrica da concessionária são denominados off-grid.
Para facilitar o entendimento de alguns conceitos aos inversores e sistemas fotovoltaicos, abaixo estão apresentadas algumas definições popularmente utilizadas em sistemas fotovoltaicos.
MPP
Para compreender o que é o ponto de máxima potência Na Figura 1 está um exemplo de Curva I-V de um módulo fotovoltaico. Por definição, a potência de um circuito, componente ou gerador, pode ser calculada de uma forma simplificada como o produto da tensão e corrente.
Em uma curva I-V, pode-se obter a potência como a área do gráfico abaixo do ponto e da acima da origem nos eixos. Para exemplificar estão destacados três pontos A, B e MPP (Maximum Power Point) na Figura 1. Os pontos A e B são pontos genéricos de operação e o ponto MPP refere-se ao ponto de máxima potência do painel e, comparando a área do gráficos, nota-se que a área do ponto MPP é maior quando comparada aos pontos A e B.
Tendo como base o que é o MPP de um módulo, a função de um inversor utilizado em aplicações fotovoltaicas é encontrar este ponto de máxima potência e, para isso é implementado no firmware uma função para efetuar o rastreamento deste ponto. O algoritmo implementado é chamado de rastreador de máxima potência ou Maximum Power Point Tracker (MPPT).
A MLPE ou Module Level Power Eletronics possui a mesma função da MPPT, que é o rastreamento de máxima potência dos módulos, a diferença entre as duas é que a MPPT processa o ponto de máxima potência contendo vários módulos fotovoltaicos em série, enquanto a MLPE processa a potência dos módulos de forma individual, podendo ser um ou até dois módulos em série.
A partir das definições mencionadas anteriormente, um inversor grid-tie pode ser descrito como um conversor de corrente contínua em corrente alternada que está conectado em paralelo a rede elétrica da concessionária de energia e pode injetar tanto potência ativa (kWh) quando potência reativa (kVARh). Sua nomenclatura string está relacionada a utilização de arranjos fotovoltaico que são conectados em sua entrada.
Um arranjo fotovoltaico ou string é definido como uma série de painéis que são conectados a entrada de um inversor. A quantidade de módulos em série normalmente varia entre três (120~-~160V) a até trinta módulos (1500~V) e depende da tensão de start-up e da tensão máxima suportada pelos componentes do inversor.
Para processar a potência elétrica fornecida pelo arranjo fotovoltaico conectado a entrada do inversor, o arranjo é conectado a entrada do inversor que contém o algoritmo MPPT e irá identificar qual o melhor ponto de operação de tensão e corrente de forma a obter o melhor desempenho dos módulos.
Para entender melhor as características construtivas e de instalação dos microinversores e inversores string, serão apresentadas as principais vantagens de cada um dos componentes, desde a característica construtiva até as características de instalação.
Para este estudo está sendo considerada a utilização do modelo R1-3k3-SS do fabricante Renac Power e está apresentado na Figura 2.
Este inversor string possui uma MPPT com uma entrada para conectores MC4 provenientes dos módulos fotovoltaicos. Este inversor possui uma tensão de entrada de até 550 V e trabalha com módulos de até 16 A e garantia fornecida pelo fabricante de até 10 anos.
Para atingir um rendimento elevado normalmente os fabricantes de inversores string como a Renac Power possuem uma informação importante no \textit{datasheet} de seus inversores denominada "Rated Input Voltage" ou tensão nominal de entrada. Ou seja, para que o inversor converta de forma mais eficiente a potência dos módulos fotovoltaicos, é necessário que o ponto de máxima potência dos módulos (soma do parâmetro Vmp) esteja o mais próximo possível dos 360 V da tensão nominal da MPPT.
No quesito de instalação, normalmente é utilizada uma string box CC e uma CA para realizar a proteção contra surtos na entrada em corrente contínua e na saída em corrente alternada. Esta proteção é importante para seccionar os módulos quando há necessidade de realizar a manutenção no sistema.
Para este estudo está sendo considerado o modelo MP3000 do fabricante TSUN cujo equipamento está demonstrado na Figura 3.
Segundo o datasheet, este microinversor possui 6 MPPT's e trabalha com a tecnologia MPLE. Este equipamento processa cada um dos 6 módulos conectados as suas entradas de forma independente. Desta forma, diferente da aplicação da MPPT citada para o modelo string R1-3k3-SS, a tensão nominal de entrada não possui um impacto significativo no rendimento do sistema, basta que o módulo conectado esteja dentro dos parâmetros estipulados de tensão e corrente. Neste caso, o microinversor MP3000 trabalha com até 18,5 A e módulos de até 60 V e garantia fornecida pelo fabricante pode chegar a 20 anos.
Diferente do inversor string, o microinversor não necessita de string box CC, pois o equipamento pode ser desligado a partir do disjuntor CA para realização da manutenção e a tensão proveniente de cada módulo fotovoltaico é baixa, sendo assim o risco de arco elétrico é baixo quando comparado ao inversor string.
No quesito de instalações elétricas, o microinversor se torna mais simples pelo fato de ser instalado abaixo dos módulos fotovoltaicos, pode-se instalar um eletroduto para levar o cabeamento CA diretamente ao quadro de energia da residência do cliente e dentro do quadro de energia pode-se instalar um disjuntor de 20 A para seccionamento do microinversor quando necessitar alguma manutenção no sistema.
Para comparar os modos de operação e rendimento dos inversores \textit{string} e dos microinversores. Para exemplificar maneira qual é o melhor equipamento para cada aplicação, considere estes três sistemas fotovoltaicos com 6 módulos:
Para o primeiro sistema, considerando que o cliente possui espaço para 8 módulos mas pretende instalar apenas 6 módulos. A melhor opção é instalar um inversor string R1-3k3-SS, pois não é necessário mais do que uma MPPT. Caso deseje ampliar o sistema ao longo dos anos, pode-se adicionar mais dois módulos pois o inversor irá suportar até 8 módulos. Desta forma, pode-se aumentar o sistema com um baixo investimento.
Para o segundo sistema, deve-se avaliar quanto tempo o módulo fotovoltaico está sombreado. Caso este período esteja próximo aos momentos de maior irradiação do dia, o microinversor se torna a melhor opção, pois irá operar com os outros 5 módulos normalmente e o módulo sombreado irá afetar menos a produção do sistema. No inversor string, o sistema todo terá sua produção reduzida até que os painéis sejam totalmente expostos ao sol.
Para o terceiro sistema, como o cliente possui mais de uma orientação, se for utilizado um inversor string deverá ser considerada a utilização de pelo menos 8 módulos sendo quatro para cada lado para atingir a tensão mínima de operação da MPPT e um inversor de pelo menos duas MPPT's sendo uma para cada orientação. No caso do microinversor, o sistema opera normalmente sem a necessidade de adição de mais módulos pois cada painel é processado individualmente pelo equipamento.
Para um sistema com apenas uma orientação, o inversor string pode ser utilizado quando houver uma previsão de aumento do sistema com baixo investimento. Em plantas que possuem mais de 6 módulos, a instalação tende a ter um menor custo pois com apenas um inversor é possível converter a potência de vários módulos. Para aumentar um sistema com microinversores, deve-se adquirir um novo equipamento com novos módulos, desta forma a ampliação do sistema tem um maior custo.
Para um sistema com múltiplas orientações, torna-se necessária a utilização de inversores com mais de uma MPPT e assim o microinversor torna-se uma opção viável pois consegue processar a potência dos módulos individualmente, não há redução devido ao efeito de limitação de corrente e por consequência aumenta a energia fornecida pelo sistema ao longo do dia. Além disso, em sistemas que possuem sombreamento parcial, a produção de energia é aumentada por processar os módulos individualmente.
Devido ao fato de os microinversores trabalharem sob menos estresse ao longo dos anos, a garantia dos produtos é maior quando comparada ao inversor string. Normalmente, para a vida útil dos módulos de 25 anos, deve-se considerar a substituição do inversor na metade do tempo, enquanto no microinversor, a tendência é que a sua vida útil seja a mesma do módulos fotovoltaicos.
Com base nas vantagens e desvantagens citadas acima, cabe a cada projetista verificar a viabilidade financeira de seu projeto, sempre buscando a melhor solução para seu cliente.
Autor: Thiago Roberto Machado - 09/05/2023 - Artigos Técnicos