Desvendando Mitos – Parte 1: mais componentes eletrônicos reduzem a confiabilidade de um sistema FV?

Inevitavelmente, em cada segmento de mercado existem mitos que podem prejudicar quem trabalha honestamente e muitas vezes nos surpreender. Esses mitos podem surgir de várias formas, como por exemplo: ignorância acerca do assunto, por má fé, mau uso do produto, má prestação do serviço, conclusões baseadas em fontes de informações não confiáveis ou duvidosas, generalização de casos, dentre outros. Então, separar a verdade dos mitos é um dos desafios que todo profissional deve esperar enfrentar.

Este artigo será o primeiro de uma série na qual iremos separar alguns mitos sobre eletrônica de potencia à nível de módulo (do inglês: Module-Level Power Electronics - MLPE) para desvenda-los de uma vez por todas e quem sabe até identificar a origem deles.

Afinal, uma maior quantidade de componentes eletrônicos reduz a confiabilidade de um sistema FV?

Primeiramente é preciso saber usar as medidas (ou palavras) corretamente para explicar adequadamente um tema. Caso contrário, a escolha errada de uma medida pode até levar a resultados corretos, porém a conclusões equivocadas. Há 3 formas de medir falhas [1]:

1)    Taxas de falhas: com que frequência uma falha ocorre;
2)    Confiabilidade: a probabilidade de uma falha ocorrer, e;
3)    Disponibilidade: o período de tempo útil disponível para a operação.

Taxas de falhas e confiabilidade são diferentes formas de medir a mesma coisa, ou seja, a tendência do sistema ou subsistema falhar. Disponibilidade é uma medida das consequências da falha.

Para falar com propriedade sobre taxas de falhas é necessário conhecer exatamente o número de falhas, o número total de componentes testados ou o tempo de operação dos componentes que falharam ao longo do tempo total de teste. Ao final desse processo é obtida uma curva chamada “curva da banheira” (taxa de falhas x tempo), na qual os fabricantes podem, inclusive, definir o tempo de garantia que irão conceder ao seu componente ou sistema.

A confiabilidade mede a habilidade de um sistema, produto ou serviço trabalhar como esperado durante certo intervalo de tempo [1]. A confiabilidade de um sistema diminui à medida que o número de componentes aumenta se, e somente se, os componentes de um sistema forem todos interdependentes. Em outras palavras, isto quer dizer que se um dos componentes do sistema falhar, todo o sistema parará de funcionar.

Acontece que quando falamos de sistemas fotovoltaicos, especificamente dos sistemas da categoria MLPE, estes não podem ser considerados completamente interdependentes. Afinal, se um microinversor, um otimizador ou um módulo falhar, os outros estarão funcionando normalmente. Portanto, o conceito matemático de confiabilidade neste caso não é adequado. Seria adequado se tivéssemos componentes em série, onde a falha de um componente individual implicaria na falha de todo o sistema. Desta forma, o uso dessa medida em componentes que não são interdependentes trará resultados equivocados, pois não condizem com a dinâmica do sistema.

Uma alternativa comum para medir falhas é o tempo médio entre falhas (do inglês: Mean Time Between Failures - MTBF) de um componente ou sistema [1]. O MTBF é o recíproco da taxa de falhas ao longo do tempo. Esta medida também pode ser usada pelos fabricantes para definir o tempo de garantia que irão conceder ao seu componente ou sistema [2-5].

Já a disponibilidade é o grau em que a operação está pronta para funcionar [1]. No caso de um sistema FV ou um de seus componentes não está disponível se ele acabou de falhar ou está em manutenção.

Agora vamos aplicar a teoria na prática!

Agora que já sabemos utilizar as medidas (ou palavras) corretas, vamos para as aplicações práticas! Não precisamos ir muito longe para buscar exemplos fáceis de que uma maior quantidade de componentes em sistemas ou subsistemas não necessariamente resulta em uma maior taxa de falhas. Basta pegar exemplos dos carros e aviões, de antigamente e os mais modernos. A Figura 1 apresenta modelos de aviões da Embraer: o primeiro a ser produzido foi o Bandeirante (Fig.1a) e mais recentemente temos o Legacy 650E (Fig.1b).

Figura 1 – Exemplo de sistemas aeronáuticos. (a) Embraer Bandeirante; (b) Embraer Legacy 650E.

O Legacy 650E possui muito mais componentes que o seu predecessor, ainda assim o Legacy possui a mais longa garantia disponível na indústria de jatos executivos e possui alta disponibilidade [6]. Pra se ter uma noção quantitativa, um Boeing 737 possui 367.000 peças e igual número de parafusos e porcas, além de 58 quilômetros de cabos elétricos. Até onde sei os sistemas aeronáuticos estão cada vez mais confiáveis, assim como os automotivos (Fig. 2).

Figura 2 – Exemplo de sistemas automotivos. (a) Tuc Tuc; (b) Tesla Model 3.

Qualquer avanço tecnológico tem mais componentes eletrônicos, cada chip de celular é composto por vários milhões de transistores e o fato de haver muitos componentes não é um problema se a qualidade é alta. Os aviões, barcos, trens e carros que as pessoas usam hoje têm muito mais componentes do que há 50 anos atrás e ainda assim são muito mais seguros.

Além disso, muitos dos "componentes extras" têm a finalidade de aumentar a segurança, a vida útil, a disponibilidade e assegurar a operação adequada de todo um sistema. Não devemos esquecer que normalmente a maior parte dos custos de um sistema FV estão nos módulos e com a categoria MLPE você tem total visibilidade dos problemas do sistema à nível de módulo. É diferente de sistemas que ignoram completamente falhas que podem ocorrer no sistema (módulos, instalação incorreta, etc).

Ainda não ficou muito claro? Vamos simplificar ainda mais!

Observe o Dispositivo de Proteção contra Surto – DPS da Figura 3 a seguir:

Figura 3 – DPS unipolar reforçado de corrente alternada e seu esquema elétrico.

Um DPS, como o próprio nome diz, é um dispositivo de proteção. É um componente bastante simples e comum, composto normalmente por um varistor e um seccionador térmico. Só que este modelo de DPS é baseado na associação de dois varistores de alta energia equipados com seus respectivos seccionadores térmicos e indicadores de falha. Por isso que temos uma sinalização dupla na parte frontal do DPS, a qual foi circulada (Fig. 3). A capacidade de descarga de alto impulso desse DPS o classifica como reforçado, útil no caso de áreas com alta densidade de raios, como no Brasil.

Redundância é a palavra mágica em tolerância a falhas. Redundância para aumentar a confiabilidade é quase tão antiga como a história dos computadores [7], [8]. Todas as técnicas de tolerância a falhas envolvem alguma forma de redundância [9]. Um requisito para obter as condições em que a redundância seja útil é que as causas de uma falha de componentes sejam independentes [3]. No caso deste DPS, as implicações práticas da redundância trará:

Maior vida útil – quando ocorre um surto elétrico provocado por uma descarga atmosférica o DPS terá a função de encaminhar esse surto para o condutor de proteção. Quando esse surto é dividido em 2 varistores, cada um receberá apenas metade do surto ao invés de sua totalidade, aumentando assim a vida útil do DPS.

Maior disponibilidade – quando um varistor chega ao final da sua vida útil ele perde a sua funcionalidade. Contudo, neste DPS temos um segundo varistor para manter a função de proteção enquanto é providenciada a troca do DPS, mesmo existindo uma versão com sinalização remota para indicação de desconexão.

Maior segurança – mesmo que um dos varistores venha a falhar, teremos outro varistor para manter a função de proteção do DPS.

Portanto, temos um exemplo bem simples de um subsistema que pode inclusive ser usado em um sistema fotovoltaico, onde uma maior quantidade de componentes não implica em uma menor confiabilidade. Pelo contrário, essa maior quantidade de componentes trouxe como resultado uma maior vida útil, maior disponibilidade e maior segurança. Os sistemas da categoria MLPE se utilizam dessa mesma filosofia.

Figura 4 – Instalação de um sistema fotovoltaico com centenas de microinversores APsystems.

Os sistemas da categoria MLPE não se utilizam somente do conceito de redundância para aumentar a confiabilidade, segurança e disponibilidade, mas também do conceito de modularidade para, dentre outras funções, aumentar o grau de independência mútua dos componentes individuais no sistema.

Pode um sistema com menor garantia de fábrica ser mais confiável?

Na área comercial tudo pode acontecer, portanto, vamos entrar somente no mérito técnico da questão. Como informado anteriormente, a taxa de falhas e/ou o MTBF são usados para definir a garantia de um componente, subsistema ou sistema [2-5].

Por exemplo, quando você compra um microinversor da APsystems o fabricante não lhe concede 15 anos de garantia? Resumidamente ele está dizendo que o MTBF do produto que você está adquirindo é, em média, maior do que 15 anos, senão ele não te daria esse período de garantia, afinal ele teria prejuízo consertando ou trocando esse produto dentro do prazo de garantia, ou seja, sem custo para você. Portanto, ao adquirir um produto com garantias maiores, você certamente está adquirindo um produto mais confiável, ou seja, com menor taxa de falhas.

Portanto, quando falarem para você que um determinado produto ou sistema possui maior confiabilidade ou menor taxa de falhas, peça-lhe para conceder uma garantia maior.

E onde entra a disponibilidade?

Qualquer consumidor compreende que não existe equipamento que nunca quebre ou apresente um defeito, até mesmo dentro da garantia. O que ele irá exigir de você é que, quando isso acontecer, você consiga resolver o problema o mais rápido e com o menor prejuízo de geração possível.

O que qualquer proprietário de um sistema fotovoltaico quer, no mínimo, é disponibilidade, pois quanto maior a disponibilidade do sistema, maior será a sua geração de energia e maior será a sua economia na conta de energia elétrica.

No caso da categoria MLPE, se eventualmente um microinversor falhar, perde-se apenas a geração daquele componente, enquanto os demais continuam a gerar de maneira independente, consequentemente, mantendo a disponibilidade alta.

Além disso, um sistema de monitoramento à nível de módulos, que é capaz de enviar alertas quando algum componente do sistema falha (módulos, microinversores, otimizadores) é indispensável para aumentar a disponibilidade do sistema ou diminuir o tempo de uma eventual manutenção. E isto só é possível com sistemas da categoria MLPE. Quando se ignoram falhas que podem ocorrer no sistema, corre-se o risco de nunca descobrir a existência de uma falha ou descobri-las somente depois que o seu cliente reclamar do recebimento de algumas faturas de energia elétrica mais caras do que deveriam.

Conclusão

Não é sempre verdade a afirmação de que quanto mais componentes um sistema possuir, menor será a sua confiabilidade. A confiabilidade é uma medida usada apenas em sistemas onde todos os seus componentes são interdependentes. Portanto, no caso dos sistemas da categoria MLPE é um mito a afirmação de que mais componentes eletrônicos reduzem a confiabilidade de um sistema FV.

Uma das possíveis razões para o surgimento desse mito talvez seja pela aplicação equivocada do conceito matemático de confiabilidade em sistemas que não são interdependentes.

Os sistemas da categoria MLPE possuem sim mais componentes, porém, essa maior quantidade de componentes visam aumentar a tolerância a falhas, oferecer maiores garantias, elevar o nível de modularidade, aumentar a visibilidade e a disponibilidade do sistema, diminuindo assim os custos de operação e manutenção, aumentar a segurança e, por fim, diminuir perdas durante a geração de energia.

Os sistemas da categoria MLPE são sistemas pensados não somente nos instaladores, pela maior segurança e menores custos de operação e manutenção, mas principalmente nos usuários finais destes sistemas. O cliente final poderá usufruir de todos os valores agregados da categoria MLPE citados anteriormente e agregar valor é dar um salto de qualidade em uma ou mais características de um produto ou serviço. Se estes valores agregados forem percebidos pelo consumidor e se serão de fato relevantes na decisão de compra, essa deverá ser uma escolha do consumidor.

Referências

[1]     Nigel SLACK, Stuart CHAMBERS e Robert JOHNSTON – “Administração da Produção”. 3ª Edição, Editora Atlas, 2009.
[2]    Fahy J. P., "Estimating warranty and service costs from MTBF estimates", Proceedings of Electro/International 1995, Boston, MA, USA, 1995, pp. 35-47, doi: 10.1109/ELECTR.1995.471050.
[3]    M. Krasich, "How to Estimate and Use MTTF/MTBF Would the Real MTBF Please Stand Up?". 2009 Annual Reliability and Maintainability Symposium, Fort Worth, TX, 2009, pp. 353-359, doi: 10.1109/RAMS.2009.4914702.
[4]    G. Lanza, P. Werner, B. Behmann and D. Appel, "Warranty Cost Improvement of Machine Tools During the Bidding Process and Operation". 2011 Proceedings - Annual Reliability and Maintainability Symposium, Lake Buena Vista, FL, 2011, pp. 1-5, doi: 10.1109/RAMS.2011.5754512.
[5]    P. M. Ambad and M. S. Kulkarni, ‘‘A Methodology for Design for Warranty with Focus on Reliability and Warranty Policies’’. J. Adv. Manage. Res., vol. 10, no. 1, pp. 139–155, 2013.
[6]    PORTAL EMBRAER, Disponível em: https://embraer.com/br/pt/noticias?slug=146-embraer-apresenta-o-legacy-650e-e-a-mais-longa-garantia-da-industria. Acesso em: 22 mai. 2020.
[7]    CREVELING, C. J. – “Increasing the Reliability of Electronic Equipment by the Use of Redundant Circuits”. Proceedings of the IRE. New York, 44(4):509-515, abr. 1956.
[8]    VON NEWMANN, J. – “Probabilistic Logics and the Synthesis of Reliable Organisms from Unreliable Components”. In: Automata Studies, Shannon & McCarthy eds. Princeton Univ. Press, 1956. p. 43-98.
[9]    Weber, T. S. – “Tolerância a Falhas: Conceitos e Exemplos”. Programa de Pós-Graduação em Computação - Instituto de Informática – UFRGS.

  Por: João Paulo de Souza

Responsável técnico da Ecori Energia Solar, especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE. Possui certificação para responsável de empresa de projeto e instalação de módulos fotovoltaicos pelo Instituto Totum. Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico-profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA. Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Foi engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.