Inversor solar

Um inversor solar ou um inversor fotovoltaico, é um tipo de conversor elétrico que converte a saída de corrente contínua contínua (DC) de um painel solar fotovoltaico (PV) em uma corrente alternada de frequência (CA) que pode ser alimentada em uma rede elétrica comercial ou usado por uma rede elétrica local fora da rede. É um equilíbrio crítico do sistema (BOS) – componente de um sistema fotovoltaico, permitindo o uso de equipamentos comuns alimentados por CA. Inversores de energia solar têm funções especiais adaptadas para uso com painéis fotovoltaicos, incluindo rastreamento de ponto de potência máxima e proteção anti-ilhamento.

Classificação
Inversores solares podem ser classificados em três tipos amplos:

Inversores autônomos, usados ​​em sistemas isolados onde o inversor extrai sua energia CC de baterias carregadas por matrizes fotovoltaicas. Muitos inversores independentes também incorporam carregadores de bateria integrais para reabastecer a bateria de uma fonte CA, quando disponível. Normalmente, eles não interagem de forma alguma com a rede elétrica e, como tal, não precisam ter proteção anti-ilhamento.
Inversores grid-tie, que combinam fase com uma onda senoidal fornecida pela concessionária. Os inversores grid-tie são projetados para desligar automaticamente após a perda de fornecimento da concessionária, por razões de segurança. Eles não fornecem energia de backup durante interrupções de energia.
Inversores de reserva de bateria, são inversores especiais que são projetados para extrair energia de uma bateria, gerenciar a carga da bateria através de um carregador integrado e exportar o excesso de energia para a rede elétrica. Esses inversores são capazes de fornecer energia CA para cargas selecionadas durante uma interrupção da rede elétrica e precisam ter proteção anti-ilha.

Tipos de dispositivos
Inversor modular (micro-inversor)
Cada módulo solar possui seu próprio inversor monofásico, que pode ser integrado na caixa de junção.
Este é um conversor DC-DC cuja finalidade é ajustar a tensão para que o módulo conectado seja operado em seu ponto de potência máxima (MPP).
Isto pode ser útil em sistemas fotovoltaicos, que consistem em subcampos de orientação diferente ou sombreados de forma diferente, por exemplo, revestidos com carros ou aviões com módulos solares.

Inversores de cadeia (Inglês String Inverter)
Um inversor monofásico em sua maioria que alimenta a energia de um fio ou de poucos fios de módulos solares em uma rede elétrica.

Inversores de cadeia múltipla
Inversor monofásico ou trifásico equipado com mais de um rastreador MPP para múltiplas seqüências (mesmo diferentes) de painéis solares.

Inversores Centrais
Um grande sistema elétrico, muitas vezes no formato de um gabinete de controle, mas também como uma estação no design de contêineres, que geralmente é usado a partir de energia de pico acima de 100 kW. O design modular simplifica os reparos necessários.

Inversor Híbrido
Combinação de inversor e baterias internas ou externas. Isso resulta nas possibilidades de fornecimento ininterrupto de energia, bem como na otimização do autoconsumo no modo de alimentação.

Circuitos e eficiência
Basicamente, você pode distinguir dois tipos de inversores solares:

Dispositivos com transformador
Aqui, um transformador assume o isolamento galvânico entre o lado CC e o lado CA. Devido ao isolamento galvânico, o gerador fotovoltaico pode ser aterrado em um polo – não há potenciais de corrente alternada no sistema. Também é obrigatório em alguns países.

Dispositivos sem transformador
Aqui, o lado de entrada e o lado de saída estão eletricamente conectados uns aos outros. Neste projeto de circuito, nenhum transformador é usado, portanto, esses dispositivos geralmente têm uma maior eficiência. A falta de isolamento elétrico, no entanto, requer um conceito de segurança elétrica diferente. Em parte, alternando tensões dos módulos solares para o solo, o que pode levar a perdas e com módulos de película fina para degradação. Para aumentar ainda mais a eficiência e evitar as correntes de fuga, foi desenvolvida a designação de tecnologias de circuito H5 ou topologia Heric.
Na entrada DC do inversor solar é geralmente um conversor de entrada. Este conversor é muitas vezes um conversor de alta eficiência. O circuito de saída também deve ter alta eficiência em uma ampla faixa de carga.

Para otimizar os inversores com transformadores, o inversor freqüentemente assume a função do transformador de entrada, de modo que o circuito intermediário é eliminado. Isso é chamado de alimentação direta ou conversor direto. A eficiência melhora, já que apenas um conversor é necessário. Tais dispositivos, no entanto, têm um alcance menor com eficiência ideal, de modo que relativizado especialmente em sistemas com sombreamento parcial se beneficiam rapidamente.

A eficiência dos inversores solares é comparável pela eficiência do euro, que avalia casos de carga particularmente parciais.

Na indústria solar, o termo kWp passou a ser usado para indicar potência de pico em vez de kW. No entanto, isso não está em conformidade com as regras do Sistema Internacional de Unidades, de acordo com o qual as designações de unidade não são suplementadas. Veja também: Ortografia dos caracteres da unidade.

Rastreamento de ponto de potência máxima
Inversores solares usam rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) para obter a máxima potência possível do painel fotovoltaico. As células solares têm uma relação complexa entre irradiação solar, temperatura e resistência total que produz uma eficiência de saída não linear conhecida como curva IV. É a finalidade do sistema MPPT amostrar a saída das células e determinar uma resistência (carga) para obter potência máxima para quaisquer condições ambientais.

O fator de preenchimento, mais comumente conhecido por sua abreviação FF, é um parâmetro que, em conjunto com a tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto-circuito (Isc) do painel, determina a potência máxima de uma célula solar. O fator de preenchimento é definido como a razão entre a potência máxima da célula solar e o produto de Voc e Isc.

Existem três tipos principais de algoritmos MPPT: perturbar e observar, condutância incremental e tensão constante. Os dois primeiros métodos são frequentemente referidos como métodos de escalada de montanha; eles confiam na curva de poder plotada contra a tensão subindo à esquerda do ponto de potência máxima e caindo à direita.

Operação
Em alguns países europeus, o chamado dispositivo de monitoramento de rede com dispositivos de comutação associados (ENS) é necessário no lado da rede, o que desliga o inversor em caso de ilhamento indesejado. Para sistemas com potência instalada acima de 30 kW, o ENS pode ser dispensado. Há frequência suficiente e monitoramento de voltagem com desligamento de todos os pólos para isolamento seguro da rede, se estiver desligado ou falhar.

É frequentemente anunciado com alta eficiência do inversor. Na faixa de carga parcial, é um pouco menor e é, portanto, uma média e, em seguida, referida como “eficiência europeia”. No entanto, a eficiência do inversor não decide sozinho sobre a eficiência global de um sistema fotovoltaico.

Desde janeiro de 2009, sistemas fotovoltaicos na Alemanha com uma capacidade instalada de mais de 100 kW devem ter a opção de serem reduzidos pelo operador da rede na potência ativa injetada (§ 6.1 EEG). Além disso, existe a possibilidade de que uma certa quantidade de energia reativa seja fornecida. Na prática, essas especificações são realizadas dinamicamente via receptor de controle de ondulação, que pode sinalizar uma redução de potência ativa de quatro estágios ou especificar um desvio de 1 fator efetivo de, por exemplo cos φ = 0,95 (indutivo). Ao fornecer energia reativa indutiva, as sobretensões capacitivas podem ser evitadas.

A partir de julho de 2011, sistemas menores na rede de baixa tensão terão que oferecer funções de controle comparáveis. Regulamentações adicionais específicas de cada país levam a gargalos na oferta e custos de produção mais altos. Os conceitos contrários, como a medição líquida, buscam uma abordagem mais direta e transferem o problema para a operadora de rede.

No caso de sistemas maiores, que, inter alia, estejam em conformidade com a Diretriz de Média Tensão, medidas adicionais são necessárias para a estabilização dinâmica da rede, como a capacidade do passeio de baixa voltagem. As medidas destinam-se a evitar o desligamento indesejado e simultâneo de muitos sistemas com subtensão local de curto prazo, uma vez que ocorrem no contexto de curto-circuitos ou outros erros nos sistemas trifásicos.

Os sistemas monofásicos só podem alimentar a rede elétrica na Alemanha até uma potência máxima de 5 kW (potência contínua de 4,6 kW). Esta restrição é a estabilidade da rede e evita cargas desequilibradas. Além da função básica de conversão de energia, um inversor solar possui ampla aquisição de dados e, em alguns casos, opções de manutenção remota.

Freqüência de rede
A energia elétrica na rede elétrica não pode ser armazenada em grandes quantidades a curto prazo.Portanto, é sempre necessário estabelecer um balanço energético entre produção e consumo. Para garantir que esta é a frequência da rede como uma variável de controle em grades de energia alimentadas por tensão CA. Na Europa, isso é definido como 50,0 Hz. O desvio do valor nominal indica um excedente de energia (aumento da frequência da rede) ou uma falta de energia (frequência reduzida da rede). Para evitar um excesso de potência na rede elétrica, os inversores devem monitorar constantemente a freqüência da rede e desconectar-se da rede quando exceder um limite específico do país (na Alemanha 50,2 Hz). Dado que, entretanto, uma parte predominante da energia eléctrica gerada provém de sistemas fotovoltaicos na Alemanha, um encerramento severo de todos os sistemas provocaria um efeito contrário com este valor limite e causaria, por sua vez, uma instabilidade na rede. Portanto, para instalações acima de 10 kW, esse limite foi subseqüentemente aumentado para um valor aleatório. Plantas mais novas devem ter gradientes de Potência entre 50,2 e 51,5 Hz, o que reduz ou aumenta a potência de alimentação dependendo da frequência da rede atual e, portanto, contribui ativamente para a estabilização da rede.

Operação da ilha
Em sistemas para operação isolada, os inversores de ilha especiais permitem o uso de consumidores convencionais para 230 V AC. O fator decisivo é a potência máxima fornecida. Para este propósito, os inversores individuais podem ser conectados em paralelo, mas dependendo do tamanho da rede, mas precisam de dispositivos de controle adicionais para coordenação com os outros geradores e armazenamento de energia. Às vezes, os sistemas pequenos são oferecidos com sistemas de bateria integrados, mas não têm sincronização de rede porque falta o padrão deles por outros geradores de energia.

Micro-inversores solares
O micro-inversor solar é um inversor projetado para operar com um único módulo fotovoltaico. O micro-inversor converte a saída de corrente contínua de cada painel em corrente alternada. Seu design permite a conexão paralela de múltiplas unidades independentes de maneira modular.

As vantagens do micro-inversor incluem otimização de energia de painel único, operação independente de cada painel, instalação plug-and-play, instalação aprimorada e segurança contra incêndio, custos minimizados com projeto de sistema e minimização de estoque.

Um estudo de 2011 da Appalachian State University relata que a configuração individual integrada do inversor produziu cerca de 20% a mais de energia em condições não sombreadas e 27% a mais em condições sombreadas, em comparação com a configuração conectada por string usando um inversor. Ambas as configurações usaram painéis solares idênticos.

Inversores solares ligados à rede
Os inversores solares são projetados para se desconectarem rapidamente da rede se a rede da concessionária cair. Este é um requisito da NEC que garante que, no caso de um blecaute, o inversor do grid tie será desligado para evitar que a energia que ele produz danifique quaisquer trabalhadores da linha que sejam enviados para consertar a rede elétrica.

Inversores grid-tie que estão disponíveis no mercado hoje usam uma série de tecnologias diferentes. Os inversores podem usar os novos transformadores de alta frequência, transformadores convencionais de baixa frequência ou nenhum transformador. Em vez de converter corrente direta diretamente em CA de 120 ou 240 volts, os transformadores de alta frequência empregam um processo computadorizado de várias etapas que envolve a conversão da energia em CA de alta freqüência e depois em DC e depois na tensão de saída CA final.

Historicamente, tem havido preocupações quanto a sistemas elétricos sem transformador serem alimentados na rede de serviços públicos. As preocupações derivam do fato de que há uma falta de isolamento galvânico entre os circuitos CC e CA, o que poderia permitir a passagem de falhas DC perigosas para o lado CA. Desde 2005, o NEC da NFPA permite inversores sem transformador (ou não galvanicamente). O VDE 0126-1-1 e o IEC 6210 também foram alterados para permitir e definir os mecanismos de segurança necessários para tais sistemas. Primeiramente, a detecção de corrente residual ou de aterramento é usada para detectar possíveis condições de falha. Também são realizados testes de isolamento para garantir a separação de CC para CA.

Muitos inversores solares são projetados para serem conectados a uma rede elétrica e não funcionarão quando não detectarem a presença da rede. Eles contêm circuitos especiais para corresponder precisamente à tensão, frequência e fase da rede.

Inversores de bombeamento solares
Inversores de bombeamento solares avançados convertem a tensão CC do conjunto solar em tensão alternada para conduzir bombas submersas diretamente, sem a necessidade de baterias ou outros dispositivos de armazenamento de energia. Utilizando o MPPT (rastreamento do ponto de potência máxima), os inversores de bombeamento solares regulam a freqüência de saída para controlar a velocidade das bombas, a fim de evitar danos ao motor da bomba.

Os inversores de bombeamento solares geralmente têm várias portas para permitir a entrada de corrente CC gerada por arranjos fotovoltaicos, uma porta para permitir a saída de tensão CA e uma porta adicional para a entrada de um sensor de nível de água.

Mercado
A partir de 2014, a eficiência de conversão para conversores solares de última geração alcançou mais de 98%. Enquanto inversores string são usados ​​em sistemas fotovoltaicos comerciais residenciais e médios, os inversores centrais cobrem o grande mercado comercial e de serviços públicos. A participação de mercado dos inversores central e de string é de cerca de 50% e 48%, respectivamente, deixando menos de 2% para os microinversores.

Mercado de inversor / conversor em 2014