Derating de Temperatura dos Inversores Fotovoltaicos

Os inversores fotovoltaicos, sejam inversores centrais, de string ou microinversores, assim como os otimizadores de potência operam com potência e corrente total até uma determinada temperatura. Acima de uma determinada temperatura estes equipamentos podem se desligar momentaneamente ou operar com redução controlada de potência e/ou corrente para evitar eventuais danos aos componentes eletrônicos e diminuição da vida útil. Esse processo de desligamento ou redução de potência em função da temperatura é comumente chamado de “temperature derating” ou “power derating”. A diferença é que para microinversores e otimizadores esse desligamento temporário ou redução de potência, devido a suas características construtivas, ocorrerá em temperaturas muito mais altas do que em um inversor tradicional de string [1].

O derating de temperatura não é uma exclusividade dos sistemas fotovoltaicos. Aparelhos de ar-condicionado, celulares, computadores e muitos outros dispositivos também possuem funções de gerenciamento térmico.

Quando pode ocorrer o derating?

Inversores, microinversores e otimizadores de potência podem atingir temperaturas críticas por vários motivos. Dentre os possíveis motivos podemos citar:

• Exposição à luz solar direta;

• Períodos extremamente prolongados de funcionamento em plena carga;

• Exposição à altas temperaturas em suas proximidades;

• Não atendimento dos requisitos de espaçamento prescritos pelo fabricante;

• Não atendimento dos requisitos de tensão CC de entrada, corrente ou potência máxima de entrada prescritos pelo fabricante;

• Se o local de instalação do inversor estiver em uma altitude desfavorável;

• Falta de circulação de ar no espaço em que foram instalados, dentre outros.

Alguns dos motivos citados devem ser evitados, porém, existem situações onde o derating poderá ocorrer sem que necessariamente exista uma falha de projeto ou de instalação. Isto porque o derating em si não é um problema e sim uma função de gerenciamento térmico dos inversores fotovoltaicos. Em um artigo anterior falamos que os inversores têm arquiteturas de gerenciamento térmico para controlar as temperaturas internas e proteger o inversor.

Agora se considerarmos que o acionamento da função de derating está ocorrendo em função de um problema na instalação, por exemplo, o não atendimento dos requisitos de espaçamento prescritos pelo fabricante, então podemos considerar que o problema está na instalação e não na função derating. O resultado deste problema de instalação é que à medida que a potência de saída do inversor diminui, a geração de energia diminui e consequentemente o retorno financeiro diminuirá de forma proporcional.

Como funciona o derating nos inversores de string?

Para descobrir se a função derating está sendo acionada de forma eventual ou como consequência de um problema pode ser necessária uma inspeção do local. Por isso precisamos entender primeiro como funciona o processo de derating para fazer um diagnóstico correto. A Figura 1 apresenta um exemplo de curvas de derating de potência para um inversor central.

 Figura 1 – Curva de derating de potência com temperatura ambiente e fator de potência unitário. Fonte: Manual de instalação e operação M125HV Delta [2].

Neste exemplo é possível observar que o derating de potência ocorre não somente em função da temperatura ambiente, mas também varia em função da tensão CC na entrada do inversor. O fator de potência com que opera o equipamento também influencia na curva de derating de potência. A Figura 1 mostra as curvas para o fator de potência igual a 1,0 e as curvas para o fator de potência igual a 0,9 também podem ser consultadas em [2].

As curvas de derating variam de inversor para inversor. Por exemplo, existem inversores de string que iniciam o derating a partir de uma temperatura ambiente de 40 ºC e se desligam quando esta temperatura atinge 50 ºC.

Existem duas formas de atuação da função de gerenciamento térmico em um inversor fotovoltaico quando ele atinge temperaturas críticas. A primeira é desligar o inversor caso ele atinja a temperatura crítica, até que a temperatura diminua para, em seguida, voltar a operar novamente. A segunda forma é reduzir gradualmente sua potência de saída através da redução da corrente de saída e, consequentemente, diminuir a sua temperatura. Quando a temperatura cai, o inversor aumenta a potência de saída automaticamente. Se ainda assim a temperatura atingir o limite máximo o inversor se desligará.

As duas estratégias de gerenciamento térmico têm como função principal a proteção dos componentes eletrônicos contra níveis de temperatura que possam danificar ou reduzir sua vida útil. No caso da segunda estratégia é possível obter uma geração maior de energia, visto que o inversor, ao reduzir sua potência e diminuir sua temperatura, evitará um desligamento e consequentemente um breve período sem geração.

Além da redução da potência para diminuir a temperatura interna dos componentes, a função de gerenciamento térmico pode acionar ventiladores, quando houver. São os chamados inversores com resfriamento por ventilação forçada. Quando os inversores não possuem uma ventilação forçada eles são chamados de inversores com resfriamento por convecção natural.

Alguns fabricantes podem se utilizar do argumento comercial de que os inversores com ventilação forçada são melhores do que os inversores com ventilação por convecção natural, porém, faltam artigos em periódicos indexados para embasar tal afirmação. Por outro lado, podemos encontrar na literatura classificações de estratégias de gerenciamento térmico para proteções de inversores. As estratégias internas, que estão relacionadas a características intrínsecas do inversor, algoritmos de controle do inversor, componentes, dispositivos internos; e estratégias externas, que estão relacionadas às condições físicas e ambientais de instalação de inversores [3]. O acionamento de ventiladores é apenas uma das opções existentes de estratégias internas.

Os inversores também incluem um ou mais interruptores de temperatura como mecanismos de segurança de backup no caso de um aumento descontrolado da temperatura devido a falhas nos sistemas de controle de gerenciamento térmico do inversor [4].

Como funciona o derating nos microinversores?

Como os microinversores foram concebidos para serem instalados embaixo dos módulos fotovoltaicos é esperado que você se pergunte como a temperatura e, consequentemente, o derating de temperatura pode afetar os microinversores. Em um artigo anterior falamos especificamente sobre como os microinversores se comportam em relação ao seu local de instalação e se os mesmos podem falhar por simplesmente estarem instalados em locais supostamente “muito quentes”.

Em primeiro lugar é esperado que o projeto dos microinversores leve em consideração o aspecto da temperatura no seu local de instalação. Podemos observar esse aspecto diretamente na folha de dados técnicos. Por exemplo, na folha de dados técnicos do microinversor APsystems QS1A é possível constatar que a faixa de temperatura ambiente de operação é de -40 °C a +65 ºC, que é uma faixa muito maior que aquelas que você poderá encontrar em inversores de string.

O recorde de maior temperatura ambiente já registrada oficialmente no Brasil foi de 44,8 °C nos dias 4 e 5 de novembro de 2020, em Nova Maringá - MT. Contudo, não devemos confundir a temperatura ambiente de operação com a temperatura interna do equipamento. É por isso que você verá no monitoramento da APsystems a função derating atuando quando o microinversor atinge temperaturas internas superiores a 65 ºC. Isto porque o monitoramento da temperatura dos microinversores é feito por sensores internos no equipamento.

É possível observar a função derating atuando através do monitoramento da APsystems. O exemplo apresentado na Figura 2 mostra a curva de potência de saída de um microinversor APsystems QS1A com a função derating atuando.

Figura 2 – Curva de potência de saída com a função derating atuando.

No caso da Figura 2 é possível observar que, ao atingir a temperatura de 85 ºC, a potência de saída que estava em 1513 watts começa a diminuir. Quando a temperatura reduz para 75 °C a potência de saída começa a aumentar novamente. Estes valores de temperatura podem ser diferentes em função de outras variáveis, como exemplificado anteriormente.

Com os microinversores APsystems é possível exportar os dados de desempenho do sistema, como tensão, temperatura, potência, dentre outros. A Figura 3 foi feita tendo como base os mesmos dados da Figura 2. A Figura 3 apresenta detalhes das curvas de potência e temperatura obtidas através dos dados exportados do monitoramento, de modo a permitir uma melhor visualização da função derating atuando.

Figura 3 – Curva de potência de saída e curva de temperatura do APsystems QS1A.

Observe como a temperatura do equipamento cai rapidamente dentro de alguns minutos para que o inversor volte a funcionar na sua potência máxima (1500W). Este é um diferencial importante da APsystems em relação a outros fabricantes de microinversores.

Além disso, já falamos anteriormente em dois artigos sobre o potting que, além de outras propriedades, confere ao equipamento propriedades térmicas importantes como dissipação de calor e resistência a altas temperaturas, as quais são necessárias considerando o local de instalação dos microinversores. O potting também é utilizado em diversas outras aplicações, assim como nos otimizadores de potência, sobre os quais falaremos a seguir.

Como funciona o derating nos otimizadores?

Assim como as curvas de derating variam de inversor para inversor, o derating também pode variar de otimizador para otimizador. Por exemplo, o modelo de otimizador de potência SolarEdge P370 opera com potência e corrente totais até a temperatura máxima de operação de 85 °C. Já os modelos P730 e P850 operam com potência total e correntes totais até uma temperatura de 70 °C. Como os otimizadores de potência foram concebidos para serem instalados sob os módulos fotovoltaicos (assim como os microinversores), é esperado que a temperatura de operação dos mesmos seja maior.

Aproveitando que estamos falando dos otimizadores de potência da SolarEdge, a Figura 4 apresenta a curva de derating de potência em função da temperatura ambiente para alguns modelos de inversores da SolarEdge.

Figura 4 – Curva de derating de potência com temperatura ambiente. Fonte: SolarEdge Technologies [5].

Observe que os modelos de inversores SE27.6K e SE33.3K operam com corrente total até a temperatura de 50 °C e com potência reduzida até a temperatura de 60 ºC.

Conclusão

O derating é uma função de gerenciamento térmico presente em inversores, microinversores e otimizadores de potência. Essa função de gerenciamento da temperatura tem como principal finalidade evitar eventuais danos aos componentes eletrônicos e diminuição da vida útil.

Para evitar a atuação frequente da função de gerenciamento térmico é muito importante seguir as orientações do fabricante presente no manual de instalação e seguir algumas dicas, como:

• Não expor o inversor à luz solar direta;

• Não instalar o inversor próximo de objetos que emitem calor, por exemplo, próximo à saída de exaustores;

• Atender a todos os requisitos de espaçamento prescritos pelo fabricante. No caso de microinversores ou otimizadores existe um espaçamento necessário entre o telhado e também entre o módulo FV;

• Atender aos requisitos de tensão CC de entrada, corrente e potência máxima de entrada prescritos pelo fabricante;

• Evitar instalar o inversor em locais fechados e sem circulação de ar, ou seja, instalar em locais com melhor circulação de ar possível;

• Evitar instalar inversores muito próximos um do outro.

Por fim, é importante deixar claro que o derating de temperatura não provocará qualquer tipo de dano aos inversores. Um exemplo de atuação do derating sem que necessariamente exista um problema é no caso de períodos prolongados de funcionamento em plena carga, o que é comum em sistemas que permitem um oversizing maior. Nestes casos é possível que o derating atue apenas para diminuir a temperatura interna dos inversores.

Referências

[1] D. Stellbogen, P. Lechner and M. Senger, "Field and laboratory performance characterisation of microinverter and power optimizer systems", Proceedings of the 32nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (EUPVSEC), pp. 1654-1659, 2016.

[2] Delta Electronics, “M125HV Operation and Installation Manual”, Version 03191206.

[3] A. L. Perin, C. W. M. Prieb, A. Krenzinger, “Modelagem térmica de um inversor fotovoltaico conectado à rede”, VI CBENS, 2016.

[4] J. Fiorelli, M. Zuercher-Martinson, “Supersize It - How oversizing your array-to-inverter ratio can improve solar-power system performance”, Solar Power World, pp. 42-46, 2013.

[5] SolarEdge, “Temperature De-rating - Technical Note (Europe & APAC)”, August, 2019. Disponível em: 

https://www.solaredge.com/sites/default/files/se-temperature-derating-note.pdf. Acesso em: 26 ago. 2021.