A busca por fontes alternativas de geração de energia elétrica é uma realidade em todo o mundo. Ainda é comum o uso de geradores movidos a combustível em hospitais e indústrias, sendo que nas propriedades rurais, o gerador portátil é recorrente. Mais recentemente, fala-se muito em energia eólica, biomassa, energia térmica, energia geotérmica e energia solar (sistema fotovoltaico).
O sistema fotovoltaico tem se tornado popular no Brasil, o que já é um fato consolidado em países mais desenvolvidos. Trata-se de uma das principais soluções sustentáveis da atualidade — obter energia elétrica a partir da energia solar, com placas fotovoltaicas instaladas no teto do imóvel.
Essas placas são chamadas, também, de “placas solares”, “módulos fotovoltaicos”, “módulos solares”, “painéis solares” ou “painéis fotovoltaicos”. Para definir a quantidade de placas que serão instaladas, é necessário dimensionar o sistema.
Neste post, falaremos sobre oversizing, uma prática usada na instalação de sistemas fotovoltaicos. Explicaremos como funciona e sua importância, desmistificando alguns pontos sobre ela!
O que é oversizing em energia solar?
Oversizing é uma palavra que significa “sobredimensionamento”. Outros termos sinônimos são overpaneling, overloading e overbuilding.
Trata-se de superdimensionar as placas solares em relação à potência do inversor. Isso significa que há mais placas no telhado do que a quantidade que o inversor suportaria, conforme sua potência nominal.
Inversor
O inversor é o aparelho que transforma a corrente contínua em corrente alternada. É fundamental nos sistemas de geração de energia fotovoltaica.
Relação entre potências
Na busca pela melhoria dos projetos, é costume aumentar a relação entre a potência de pico nominal (em STC, standard test condition) das placas solares e a potência de entrada do aparelho de inversão. Quando essa relação aumenta, o FDI diminui.
FDI
FDI é a sigla para Fator de Dimensionamento do Inversor, cuja fórmula de cálculo é a seguinte:
- FDI = potência de entrada do inversor / potência de pico dos módulos solares
Existe, portanto, uma relação inversamente proporcional entre a potência das placas fotovoltaicas e a potência do inversor. Quanto maior a potência das primeiras em relação ao segundo, menor o FDI.
Geralmente, esse FDI é inferior a 1 nos projetos de instalação de energia fotovoltaica, o que revela que a potência do inversor tende a ser inferior à potência das placas solares. Isso é natural porque a potência de pico nominal dessas placas em STC dificilmente é alcançada. Essa potência é de 1000 W/m2 e 25º C de temperatura nas células.
Em certas situações, procura-se um FDI ainda mais baixo, ampliando a potência das placas sobre a potência do inversor. Desse modo, pode-se aumentar a relação técnico-econômica, o que contribui para elevar os valores de:
- gastos nivelados de energia (LCOE, levelized cost of energy);
- taxa interna de retorno (TIR).
LCOE e TIR são indicadores de economia recorrentes nas análises de sistemas de energia solar em usinas.
Uma das principais dificuldades dos projetistas é, justamente, identificar o FDI mais apropriado, levando em consideração os padrões técnicos e econômicos, além de especificações técnicas ou as limitações dos aparelhos de inversão. Para cada lugar, conforme as características locais, as configurações podem variar.
Strings
Em sua tensão de saída, as strings do conjunto fotovoltaico não podem superar a tensão máxima da entrada do inversor. As strings também são produtos de energia solar.
Elas são caixas que conferem segurança ao sistema fotovoltaico, pois ajudam a proteger contra acidentes elétricos (descargas atmosféricas, curtos-circuitos e surtos). A string box é instalada perto do inversor, sendo que, em alguns casos, é preciso implantar mais de uma (nessa situação, uma delas fica próxima ao aparelho e a outra, perto das placas solares).
Como o oversizing funciona?
O oversizing acontece sempre que a potência de pico (STC) dos módulos ultrapassa a potência máxima do inversor. A potência do aparelho considerada tanto pode ser a de entrada como a de saída. A potência máxima de saída do inversor equivale à potência nominal registrada em datasheet (folha de dados) ou em catálogo.
Representação das variáveis
Vamos, agora, entrar em algumas representações matemáticas. Não é nada que vá “queimar os neurônios”, mas ajudará a entender melhor o funcionamento do oversizing:
- potência de saída do inversor: CA (corrente alternada), que é usada nas casas e empresas em geral;
- potência de entrada do inversor: CC (corrente contínua), que é gerada durante a transformação de energia solar em energia elétrica;
- máxima potência do inversor: PINV,CA;
- potência de pico em STC dos módulos solares: PFV,STC.
Assim, se um inversor com potência máxima CA de saída PINV,CA estiver integrado a um arranjo de módulos solares com potência PFV,STC, ele será sobredimensionado:
- PFV,STC > PINV,CA
O fator de oversizing (FOVERSIZING) é o inverso do FDI, que mostramos mais acima. A fórmula para seu cálculo pode ser essa:
- FOVERSING = PFV,STC / PINV,CA
Todo inversor fotovoltaico é desenvolvido de modo que a potência de saída não seja maior que a potência CA máxima.
Melhoria na produção de energia
Em muitas situações, o oversizing das placas solares (ou o subdimensionamento do aparelho de inversão) pode melhorar a produção de energia em lugares com pouca luz. A efetiva potência das placas fica sempre inferior à potência de pico em STC.
Instalar um aparelho menor para um arranjo específico de placas fotovoltaicas ou instalar uma potência maior de placas para um aparelho de inversão pode proporcionar benefícios. Mas é preciso ter alguns cuidados, pois o sobredimensionamento exagerado, sem o respeito às condições técnicas definidas pelo fabricante, pode interferir negativamente tanto na vida útil do aparelho quanto no total de energia gerada.
Cuidados com a temperatura
O sistema de resfriamento do inversor fotovoltaico precisa de um cuidadoso planejamento. Assim, ele poderá trabalhar por um período em sua potência máxima nominal, sem nenhum problema.
Em inversores de baixa qualidade, os sistemas com oversizing podem desligar o aparelho, caso sejam atingidas temperaturas muito altas. Um sistema de segurança confere proteção aos elementos internos do inversor, evitando que se derretam por calor excessivo. Temperaturas internas muito altas podem acontecer quando:
- a ventilação forçada não é suficiente ou falha;
- o ventilador apresenta um desempenho ruim ou abaixo da média;
- as zonas de ventilação são obstruídas;
- a temperatura externa está muito alta.
Qual é a diferença entre oversizing e clipping?
Outro termo comum em instalação de sistema fotovoltaico é clipping. Vamos conferir em que ele difere do oversizing.
Limitação de potência
A depender da intensidade do sobredimensionamento, acontecerá o clipping, que é a limitação de potência que o aparelho inversor impõe às placas. Desse modo, a potência de geração se restringe à máxima potência do inversor, ficando a curva de potência x tempo (na saída do aparelho) achatada ou grampeada.
Essa limitação de potência em inversores é mais comum em períodos mais longos, quanto maior o oversizing.
Energia não gerada, mas não desperdiçada
Sempre que se impõe um limite de potência, certa quantidade de energia deixa de ser gerada. Porém, desde que a energia perdida como resultado do clipping seja menor que a energia gerada por oversizing, o FDI é vantajoso.
Um inversor, como resposta ao clipping, não permite que as placas gerem mais energia que a suportada por ele. Assim, não existe dissipação de energia — o que acontece é que a geração de energia é contida e, portanto, alguma quantidade não é gerada.
O sobreaquecimento do aparelho, em condições normais, pode ocorrer durante o clipping apenas porque o inversor trabalha por um período maior em sua máxima potência, mas não há processamento exagerado de energia, para gerar desperdício.
Clipping não é frequente
Também devemos salientar que o clipping não é frequente. Ele ocorre somente em alguns dias do mês e em alguns meses do ano. Por exemplo, em alguns dias de verão, pode haver clipping.
Quais benefícios ele pode trazer a você?
A ideia principal por trás de um sistema fotovoltaico, residencial ou empresarial, é a geração de energia limpa, e que ela ofereça algum retorno financeiro ao dono do sistema. O retorno pode ser somente com descontos no valor da tarifa, já que todo excedente de energia é injetado na rede pública e gera bônus.
Para que o retorno do investimento (payback) aconteça no período mais curto possível, o sistema deve ser planejado de forma a suprir, com precisão, a demanda do usuário, considerando os fatores externos que podem afetar esse valor.
Os principais componentes do sistema fotovoltaico
Já sabemos que os principais componentes do sistema fotovoltaico são as placas solares e o inversor. As placas, por meio do efeito fotovoltaico, transformam a luz solar em energia elétrica. Mas essa energia é gerada em corrente contínua (CC).
Por isso, o inversor é necessário, pois transforma a corrente contínua em corrente alternada (CA), que poderá ser usada no imóvel (casa, apartamento, empresa, indústria, hospital). O inversor é composto por muitos transistores de potência, microprocessadores e placa de controle para a devida conversão de CC em CA.
O equilíbrio entre CC e CA
O equilíbrio entre a corrente contínua e a corrente alternada é de muita relevância para o projeto — tanto por questões de eficiência energética quanto pelo retorno de investimento. Ela determina a margem de potência que será passada à rede de corrente alternada.
A prática do oversizing tende a oferecer mais vantagens do que prejuízos ao sistema, desde que sejam considerados os limites definidos pela empresa fabricante.
A potência de pico
Pelo dia, as placas recebem luz do sol e convertem essa energia luminosa em corrente elétrica CC, relacionada a uma potência CC (que tem relação direta com a corrente e a tensão). A característica mais relevante de um módulo fotovoltaico é a potência de pico, que se refere à potência máxima que ele pode alcançar nas melhores condições de irradiância.
A potência faz uma associação com a energia produzida por unidade de tempo. Dessa forma, é preciso fazer o cálculo da energia que a placa produz sob irradiância solar.
A curva de oversizing
Com um gráfico, fica mais fácil compreender como se dá esse cálculo. Podemos adiantar que existe uma curva que representa muito nesse contexto. Quando usamos módulos de maior potência, a curva se movimenta para cima. Isso permite que a área sobre ela aumente cada vez mais, e o sistema gere mais energia.
Os principais benefícios do oversizing
O inversor sobredimensionado permite ganhos de energia relevantes. Além disso, devido ao overzising, o inversor consegue trabalhar por mais tempo perto de sua máxima eficiência.
Ele atua com menos eficiência quando a associação CC/CA na entrada é menor. Esse é um fato que ocorre, especialmente, no começo e no final do dia. Quando há uma potência de corrente contínua maior, o período que o inversor trabalha nessa situação se reduz e, como resultado, a eficiência aumenta.
Outra vantagem que podemos mencionar é o custo-benefício da instalação, pois é possível conseguir uma geração média de energia bem próxima para uma mesma potência de CC de um sistema com e sem oversizing. Desse modo, fica justificado o uso de um inversor menos potente, diminuindo os gastos com o projeto.
Podemos, então, resumir assim os benefícios do sobredimensionamento:
- aumenta as possibilidades de mais ganhos de energia;
- permite que o inversor trabalhe em sua potência máxima;
- em geral, o aparelho começa a trabalhar mais cedo e desliga mais tarde;
- reduz o período de menos eficiência do trabalho do inversor (otimização da eficiência);
- oferece um custo-benefício vantajoso;
- não desperdiça energia (mesmo diante do clipping).
Qual é a importância do oversizing em um sistema solar fotovoltaico?
A partir dos benefícios citados, podemos avaliar a importância do oversizing em um sistema fotovoltaico. Quando pensamos em sobredimensionamento, há dois objetivos, em especial, que devem ser analisados:
- garantia de uma melhor eficiência do sistema, aumentando a capacidade total do aparelho de inversão com uma frequência maior;
- certeza de uma melhor opção econômica, levando em conta os gastos com equipamentos x estimativa de produção de energia.
Em geral, é muito difícil as placas solares alcançarem seu máximo potencial de produção de energia. Entretanto, com o sobredimensionamento, já vimos que elas conseguem atingir o máximo de eficiência.
Outro ponto importante, que também mencionamos rapidamente, é que o inversor perde eficiência quando atua com uma faixa de potência aproximadamente 25% abaixo de sua capacidade. O sobredimensionamento reduz o período em que o aparelho atua com menos eficiência.
Quando usar o oversizing em energia solar?
O oversizing pode ser usado sempre que se quiser aproveitar a capacidade máxima do inversor mais frequentemente. Ele pode ser aplicado quando desejarmos obter maior eficiência geral do sistema fotovoltaico, inclusive, na tecnologia half cell, em que os módulos têm suas células cortadas pela metade.
Essa tecnologia já permite menos perdas energéticas e, se aplicado o sobredimensionamento, os resultados podem ser ainda melhores. Com o inversor trabalhando em sua capacidade máxima, é possível maximizar a energia em condições de baixa luminosidade.
Embora não seja um requisito, o autor do projeto pode usar um inversor com potência inferior à dos módulos fotovoltaicos e, assim, diminuir o custo do sistema. Operando no limite de sua potência pela maior parte do dia, o sistema produzirá mais energia durante esse período.
Faz todo o sentido aplicar o sobredimensionamento para obter economia em relação aos componentes do sistema fotovoltaico. Quando utilizamos uma potência de módulos superior à potência do inversor, isso otimiza os gastos por cada kWh produzido e relacionados a inversores, infraestruturas internas, cabines e equipamentos especializados.
O projeto poderá atingir, desse modo, uma melhor Taxa Interna de Retorno (TIR) e melhores Gastos Nivelados de Energia (LCOE), o que otimiza os seus resultados financeiros. Então, podemos dizer que vale a pena usar o oversizing sempre que desejarmos ou precisarmos:
- aproveitar a máxima capacidade do inversor;
- melhorar a eficiência do sistema em baixas condições de luminosidade (ideal para dias chuvosos e regiões onde há baixa irradiância solar);
- reduzir os custos com o projeto;
- melhorar a eficiência do sistema como um todo (mais produção de energia);
- conseguir uma melhor Taxa Interna de Retorno e melhores Gastos Nivelados de Energia.
Como aplicar o oversizing?
As fábricas de inversores, em suas especificações técnicas, apresentam um oversizing muito elevado (alguns chegam até a 175%). A manutenção do limite assegura a vida útil do aparelho e é importante para manter sua garantia.
Mas devemos entender que usar esses limites não significa que, obrigatoriamente, obteremos excelentes ganhos de energia. Em alguns projetos, podemos considerar um oversizing mais baixo para evitar o efeito clipping, ou podemos limitar esse efeito a um valor ótimo, considerando a degradação das placas e outros aspectos.
O oversizing máximo permitido varia conforme o aparelho. Logo, antes da instalação de módulos fotovoltaicos com uma potência que ultrapasse a potência do inversor, precisamos fazer uma consulta ao datasheet do equipamento.
O datasheet é uma folha de dados que registra o desempenho e outras especificações técnicas de determinado produto, material, máquina, componente, subsistema ou software. Vamos analisar alguns exemplos, a seguir.
Consultando o datasheet para utilizar o inversor
No datasheet de um inversor, vemos que sua potência nominal de saída é de 28,6 kW. Esse aparelho conta com duas entradas para rastreamento individual de máxima potência (dois MPPTs): cada entrada aguenta potência máxima de 16 kW, sendo possível instalar 32 kW de potência nominal de módulos, com respeito ao limite nominal do inversor (sem sobredimensionamento).
Na folha de dados, consta que o limite máximo de oversizing é 112%. Assim, caso seja instalado um conjunto de módulos com sobredimensionamento de 120%, nesse aparelho de 28,6 kW, isso poderá causar danos a ele. Sua vida útil seria reduzida ou ele seria danificado de alguma forma, e não teria direito à garantia.
Fazendo simulações
Vamos considerar algumas simulações de oversizing baseadas em dados reais e seus resultados.
Simulação 1 (sistema fotovoltaico orientado para o norte, inclinado a 15º, potência de 26,4 kWp e com dados meteorológicos de Fortaleza, CE)
Quando aumentamos o tamanho do arranjo fotovoltaico de 26,4 kWp para 35,64 kWp, com um inversor de capacidade de 26,4 kWp, a produção de energia aumenta de 45,62 MWh/por ano para 60,69 Mwh/por ano, o que corresponde a um acréscimo de 33,03%. O clipping, por sua vez, aumenta de 0% para 1,35%.
Conclusão: o sistema compensa porque os ganhos de energia são bem mais altos do que o clipping.
Simulação 2 (sistema fotovoltaicos orientado para leste-oeste, inclinado a 15º, potência de 26,4 kWp e com dados meteorológicos de Fortaleza, CE)
Nesse caso, o sistema está instalado em um telhado com duas águas, ou seja, com orientação leste-oeste. A inclinação em cada lado continua sendo 15º.
Quando ampliamos o tamanho do arranjo de 26,4 kWp para 35,64 kWp (com um inversor com capacidade de 26,4 kWp), a geração de energia aumenta de 43,36% MWh/por ano para 58,68 MWh/por ano, o que corresponde a um acréscimo de 35,33%. O clipping aumenta de 0% para 0,34%.
Conclusão: para o mesmo sistema, instalado com orientação diferente, notamos que os ganhos de energia são maiores que na simulação 1, e o clipping se reduz a somente 0,34%.
O que analisar antes de instalar um sistema com oversizing?
Antes de instalar um sistema com oversizing, é preciso ficar atento a alguns pontos. Primeiramente, é necessário analisar as limitações físicas do inversor porque, como já explicamos, como resultado da aplicação do sobredimensionamento no sistema fotovoltaico, aparece o chamado efeito clipping na geração final.
O clipping impõe limites à potência de saída devido à potência nominal do inversor (CA). Assim, não é possível para o inversor oferecer uma potência muito mais alta do que aquela para a qual foi desenvolvido apenas por causa do sobredimensionamento. O que acontece é que a energia gerada pelos módulos sofrerá limitações da potência nominal do inversor.
Considerando as restrições relacionadas ao efeito clipping, a aplicação do sobredimensionamento será viável apenas se ele for menor que os ganhos de energia proporcionados.
Naqueles dias com baixa irradiação, o clipping não ocorre. Ele pode acontecer em dias com alta irradiância solar — mas, como observado, ele não é frequente (pode ocorrer em alguns dias dos meses, e nem sempre acontece em todos os meses).
Enfim, o projetista deve analisar por meio de cálculos e de simulações se a energia não gerada é inferior à energia produzida com a utilização do oversizing e, dessa maneira, confirmar ou não sua viabilidade.
Para finalizar, podemos dizer que o tema é abrangente e, em muitos casos, ele pode ser complexo. De qualquer maneira, a aplicação do oversizing tende a gerar benefícios para o sistema fotovoltaico. Trata-se de uma ferramenta relevante e de muita utilidade, se for usada do modo certo. Deve ser levada em conta em, praticamente, todos os tipos de projetos fotovoltaicos.
Existe muito a ser estudado sobre a geração de energia solar, especialmente, por causa do crescimento célere dos últimos anos, e devido ao avanço tecnológico diário. Mas o oversizing, realmente, é uma prática que expande os horizontes em relação ao desenvolvimento e usufruto de maior eficiência do sistema solar de geração de energia.
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