Dimensionamento de módulos por string no inversor fotovoltaico

O princípio de funcionamento de um sistema solar fotovoltaico é a conversão da irradiação solar (radiação solar por unidade de área) em eletricidade, ou seja, é a conversão de luz em energia elétrica. Porém, apesar de possuir um princípio de funcionamento “simples”, dimensionar corretamente um sistema fotovoltaico não é algo tão fácil.

Durante o projeto existem inúmeros fatores que devem ser considerados para garantir que o sistema gerador atenda não só às necessidades do consumidor, como também respeite a capacidade de operação de equipamentos e as normas vigentes. O objetivo deste artigo é apresentar um exemplo prático de uma importante fase do seu projeto: o dimensionamento apropriado da quantidade ideal de módulos por string que um inversor solar aceita.

 

O MÓDULO FOTOVOLTAICO

O módulo fotovoltaico, comumente chamado de placa solar, é o equipamento que fica visível no ambiente instalado, como por exemplo, telhados ou mesas de solo. Justamente por isso, é o equipamento que mais chama atenção. Tal equipamento é formado por células de material semicondutor que trabalham na condução da corrente elétrica quando expostas à luz solar incidente.

É importante sempre consultar os dados técnicos do módulo adquirido e entender como eles se encaixam no projeto do seu sistema. Vamos destrinchar os parâmetros mais importantes nesse artigo.

Atualmente, os datasheets dos módulos fotovoltaicos apresentam valores obtidos em testes sob duas condições distintas, a NMOT (Nominal Module Operating Temperature) e STC (Standard Test Condition). Os dados obtidos sob NMOT são executados com condições de irradiância de 800 w/m², temperatura de 20°C, velocidade do vento de 1m/s e AM 1,5. O teste sob STC tem como premissas uma irradiância de 1000 w/m², temperatura de 25°C e AM 1,5.

Por possuir condições de testes mais próximas a realidade do Brasil, utilizaremos em nosso dimensionamento os dados obtidos sob STC. Como exemplo, utilizaremos um módulo monocristalino da ZNShine Solar de 400W, o datasheet se encontra aqui.

Os parâmetros mais importantes que analisaremos para o dimensionamento do sistema são: a potência nominal (Nominal Power Watt Pmax), tensão do ponto de máxima potência (Vmp), corrente do ponto de máxima potência (Imp), tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto-circuito (Isc), destacados na figura 1.

Figura 1: Dados sob STC do módulo monocristalino de 400W ZXM6-HLD144 da Znshine.

 

A corrente Isc é a corrente de curto-circuito do módulo e a tensão Voc é a tensão máxima no modulo quando em condição de circuito aberto, ou seja, sem carga. Na prática, esses valores são a tensão e a corrente máximas que o modulo pode fornecer.

A tensão Vmp é a tensão nos terminais do módulo quando ele opera no ponto de máxima potência, já o parâmetro Imp é a corrente fornecida pelo módulo quando em operação no mesmo ponto. Um gráfico muito comum para facilitar o entendimento dos parâmetros é a curva I x V que pode ser visualizada na figura 2.

Figura 2: curva I x V em módulos fotovoltaicos (fonte: canalsolar.com.br)

 

Apesar de os valores obtidos em STC serem mais próximos da realidade brasileira que os obtidos sob NMOT, esta ainda difere das condições do teste. Primeiramente, a irradiação média, em regiões como o Nordeste, tende a superar os 1000W/m². Ao mesmo tempo, a temperatura média local também é maior que os 25°C.

O Brasil por suas dimensões continentais possui diversas condições diferentes e simultâneas, e, portanto, cada dimensionamento é singular e deve considerar à realidade de cada local. Eventuais adaptações, portanto, devem ser feitas, principalmente, com base na influência da temperatura sobre os parâmetros obtidos na ficha técnica dos módulos.

 

A INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA

A temperatura é um dos fatores que mais influenciam na operação de equipamentos eletrônicos. Os módulos fotovoltaicos sofrem, portanto, essa influência também.  Por essa razão, as fabricantes disponibilizam informações de como considerar o efeito da temperatura na operação dos módulos.

Conforme pode ser visto na figura 3, o datasheet que estamos analisando possui uma tabela “Temperature Ratings”, apresentando quatro importantes dados que utilizaremos no dimensionamento do nosso sistema: NMOT, coeficiente de Pmáx, coeficiente de Voc e coeficiente de Isc.

 

Figura 3: coeficientes de temperatura do módulo de 400W ZXM6-HLD144 da Znshine

 

O NMOT representa a temperatura da célula quando ela está submetida as condições de teste NMOT. Perceba que quando a temperatura local é de 20°C, a temperatura da célula está mais elevada, isso indica que normalmente a temperatura da célula está 25°C mais alta que a temperatura ambiente.

Todos os coeficientes de temperatura dos módulos são representados em %/°C, ou seja, representam a variação em porcentagem do parâmetro a cada grau Celsius. Para ajudar a entender melhor como funciona na prática a influência da temperatura nos parâmetros do módulo, vamos a um exemplo.

Para um projeto, utilizando módulos Znshine 400W, na mesma região da Fotus, que está localizada em Vila Velha, no estado do Espírito Santo, utilizaremos como temperaturas mínima e máxima aqui na região. Considerando dados do Incaper de 2019, utilizaremos as temperaturas de 17°C e 34°C.

 

CORREÇÃO DAS CORRENTES Isc e Imp

Primeiro faremos a correção dos parâmetros de corrente do módulo. Para a corrente Isc utilizaremos a fórmula abaixo. Onde Tmáx representa a temperatura máxima na célula, e Isc(%/°C) é o coeficiente de temperatura para de Isc.

Agora, voltaremos a figura 1. Perceba que a variação das correntes Isc e Imp é proporcional quando a potência dos módulos do modelo em análise varia, conforme é observado na figura 5 abaixo:

Figura 4: variação das correntes Isc e Imp em relação a variação de potência.

 

Portanto, podemos utilizar a mesma fórmula e mesmo coeficiente para corrigir os valores de Imp. Conforme segue abaixo:

 

*Fique ligado! As correntes de Isc e Imp variam discretamente com a mudança de temperatura. Por essa razão, em sistemas pequeno, muitos projetistas optam por negligenciar essa variação no momento de dimensionar um sistema.

 

CORREÇÃO DAS TENSÕES Voc e Vmp

Agora é necessário realizar a correção dos parâmetros de tensão dos módulos. Para a correção de Voc utilizaremos seu coeficiente (Voc(%⁄℃)) e a temperatura mais baixa do local (Tmin):

 

Para a correção de Vmp podemos notar que não existe um coeficiente de temperatura específico. Como prosseguir então?

Quando fizemos a correção de Imp no tópico passado, foi possível notar que a corrente Imp muda discretamente em função da variação da temperatura. Utilizando o princípio básico da lei de Ohm, quando uma corrente se mantém “constante”, podemos concluir que a variação da potência é proporcional a variação de tensão.

Então para a correção do parâmetro de Vmp podemos utilizar o coeficiente de potência de máximo pico (Pmp), conforme é descrito abaixo:

Agora que já temos todos parâmetros do módulo, podemos prosseguir ao dimensionamento do arranjo.

 

COMBINANDO MÓDULOS COM O INVERSOR

O inversor solar é o equipamento responsável por converter a energia. Nos módulos a corrente gerada é contínua, assim, o inversor fará o trabalho de convertê-la para energia alternada. O modelo mais utilizado no Brasil é o inversor conectado à rede, ou grid-tie. Neste exemplo utilizaremos um inversor que a Goodwe lançou recentemente no Brasil. Trata-se da linha MS, de inversores monofásicos que podem ser utilizados em locais em que a rede da concessionária disponibilize 220V, tanto tensão fase-fase como fase-neutro.

Utilizaremos, para exemplo prático, o inversor GW10k-MS. Você pode encontrar o datasheet aqui.

Para o dimensionamento do sistema, é necessário considerar alguns importantes os parâmetros. São eles: (1) de potência máxima de entrada; (2) tensão máxima de entrada; (3) tensão de inicialização; (4) corrente máxima de entrada; e, (5) corrente máxima de curto-circuito. Esses dados podem ser vistos na figura 5.

Figura 5: tabela de dados referente ao lado de corrente contínua do inversor.

 

• Potência máxima de entrada: é potência máxima de módulos que o inversor suporta. Extrapolar esse valor faz com que a garantia do inversor, em caso de sinistro, seja perdida. A quantidade de módulos de 400W máxima que o inversor suporta é:

• Tensão máxima de entrada: é a tensão máxima que se pode induzir nos terminais de entrada do inversor. Na prática representa a quantidade máxima de módulos que podemos colocar em série (linha).

• Tensão de inicialização: é a tensão mínima que faz com que o inversor entre em funcionamento. Existe, portanto, uma quantidade mínima de módulos que são necessários para que o inversor entre em funcionamento. Podemos calcular da seguinte forma:

*Fique ligado! Quanto menor o valor da tensão de inicialização, mais cedo o inversor vai começar a gerar quando.

 

• Corrente máxima de entrada: é a corrente máxima que o equipamento opera. Na prática, os inversores começam a ceifar a corrente quando ela ultrapassa esse valor, e ele faz isso elevando a tensão de entrada. O ideal é sempre dimensionar o sistema para respeitar essa corrente de operação para que o inversor trabalhe sem perder eficiência, ou seja, no ponto de máxima potência de operação. No caso do exemplo, a corrente nominal corrigida do módulo é 9,85A, respeitando assim a corrente máxima de entrada de cada entrada dos MPPTs.

 

• Corrente máxima de curto-circuito: é a corrente máxima que o equipamento suporta. No caso dos inversores Goodwe, se a corrente ultrapassar esse valor, eles desligam e acusam falha, protegendo assim o equipamento. A corrente de curto-circuito máxima corrigida do módulo que calculamos é 10,2A, respeitando assim a corrente máxima de entrada do inversor.

 

Portanto, o sistema que dimensionamos em nosso exemplo suporta no máximo uma string (linha) por MPPT e cada string pode ter no máximo 11 módulos em série. É importante observar que todas as condições devem ser respeitadas para assegurar a garantia e o correto funcionamento do inversor.

 

 

E aí, gostou deste artigo? Compartilhe!

Ainda restam dúvidas, sugestões ou correções? Mande para gente no e-mail suporte@fotusenergia.com.br

Autor: Breno Taliule

Revisão de Artur Kretli.