Oversizing e Clipping: Você está dimensionando da maneira correta seu sistema fotovoltaico?

O objetivo deste artigo é desmistificar e explicar o real objetivo e potencial do oversizing, ou seja, suas vantagens, desvantagens e limitações. Ao invés de estabelecer de forma empírica uma potência adicional de módulos sobre a potência nominal do inversor, você verá porque é necessário avaliar a melhor relação CC-CA de acordo com cada projeto.

Ao otimizar, e geralmente, aumentando a relação CC-CA (potência de pico do arranjo fotovoltaico em STC sobre a potência nominal dos inversores), os locais de produção de energia solar podem aumentar sua eficácia técnica/econômica e obter um melhor Custo Nivelado de Energia (LCOE) ou a Taxa Interna de Retorno (IRR) [1].

Uma das principais dificuldades dos projetistas é encontrar a relação CC-CA economicamente ideal, considerando todos os parâmetros técnicos e econômicos de um projeto fotovoltaico, bem como as características técnicas ou restrições dos inversores. De fato, para cada local, devido às especificidades do site, as configurações ideais são diferentes [1].

O que é Oversizing?

A palavra oversizing vem do inglês e significa sobredimensionamento. Também é possível encontrar na literatura outros termos para designar o oversizing, como: overpaneling, overloading ou overbuild. No contexto de inversores para sistemas fotovoltaicos trata-se do sobredimensionamento da relação CC-CA da potência de pico do arranjo fotovoltaico sobre a potência nominal do inversor. 

Enquanto a maioria dos inversores pode lidar com o oversizing, para os inversores tradicionais existem limites importantes para que isso possa ser feito. Por exemplo, a tensão CC do arranjo fotovoltaico não deve exceder a tensão máxima de entrada do inversor. Além disso, a corrente máxima de curto-circuito do arranjo FV não deve exceder a corrente máxima de entrada do inversor.

O dimensionamento da relação CC-CA é um dos parâmetros mais importantes a serem definidos e tem que ser feito em um estágio inicial do projeto considerando todos os parâmetros do site, respeitando todas as limitações técnicas dos componentes elétricos para otimizar o balanço entre custos e receitas [1].

O que é Clipping?

O aumento da relação CC-CA expõe os inversores a uma maior potência de entrada CC e corrente de curto-circuito do arranjo FV, consequentemente, ao aumento das horas em carga total. No entanto, quando a potência de entrada CC se torna maior que a potência CA de saída possível do inversor, isso leva a uma limitação de potência de saída. Esse efeito limitador de potência (clipping) nos inversores ocorre com maior probabilidade e durante períodos mais longos quanto maior for a relação CC-CA, conforme Figura 1 [1]. 

Além disso, é importante verificar que o clipping pode ocorrer apenas em alguns dias do mês e em alguns meses do ano. Por exemplo, pode haver clipping apenas em alguns dias de alguns meses do verão. Isto pode ser verificado através de simulações, como a da Figura 2, a seguir:

Figura 2 – Simulação de um sistema FV em Fortaleza-CE com 125% de oversizing e clipping em apenas 4 meses do ano.

O inversor tem que dissipar energia e esquenta quando ocorre o clipping?

Em resposta a essa condição de clipping, um inversor normalmente ajusta a tensão CC para reduzir a energia CC. Portanto, quando ocorre o clipping não existe dissipação de energia. Isto ocorre porque durante a limitação de energia, o inversor controla a energia de entrada proveniente do arranjo FV deslocando o ponto de operação do arranjo para um ponto de operação de maior tensão e menor corrente ao longo da curva I-V do arranjo, divergindo do ponto de máxima potência do arranjo [2], conforme Figura 3.

Figura 3 – Curvas I-V de arranjos fotovoltaicos e pontos de operação de arranjos típicos e sobredimensionados.

A Figura 4 a seguir apresenta um exemplo prático de um sistema fotovoltaico onde a curva de potência foi cortada em aproximadamente 3,4 kW. Esse corte é um indicativo de que está ocorrendo o clipping.

Figura 4 – Exemplo de saturação (clipping) de um inversor tradicional de string.

Como os inversores funcionam com oversizing?

Desta forma, para um inversor com potência máxima de saída () conectado à um arranjo fotovoltaico com potência STC (), este inversor está sobredimensionado se:

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Como o sobredimensionamento CC/CA é definido como a relação entre a potência STC do arranjo e a potência CA do inversor, temos:

Portanto, é por isso que a máxima potência de saída CA do inversor () é a sua potência nominal, conforme especificações no datasheet do inversor. 

Os inversores fotovoltaicos são projetados de forma que a potência de saída não exceda os valores de potência CA máxima. Em muitos casos, sobredimensionar o inversor, ou seja, ter mais potência CC do que a potência CA do inversor, pode aumentar a geração de energia em condições de pouca luz, permitindo a instalação de um inversor menor para um determinado arranjo ou, alternativamente, a instalação de mais potência CC para um determinado inversor. No entanto, o sobredimensionamento excessivo do inversor, fora dos requisitos técnicos estabelecidos pelo fabricante, pode ter um impacto negativo na energia total produzida e na vida útil do inversor.

Por outro lado, o sistema de resfriamento de um inversor FV deve ser corretamente projetado, porque os inversores estarão operando com maior frequência acima da tensão do ponto de máxima potência e seu sistema segurança interno pode forçar o sistema a desligar se forem atingidas temperaturas críticas. Tal comportamento protege os componentes internos contra danos. Temperaturas elevadas podem surgir quando a ventilação forçada falha, por exemplo, mau funcionamento do ventilador, obstrução do filtro ou como resultado de temperaturas ambiente altas.

O oversizing e os módulos fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos não trabalham constantemente na sua potência nominal de saída. A potência de saída do módulo é afetada pelo clima, a posição do sol durante o dia e/ou estações diferentes, as condições do local e a orientação do arranjo FV, etc. Além disso, a potência de saída do módulo diminuirá devido à sujeira e sombreamento.

Em áreas de altas perdas por sujeira (mineração, pedreira, etc.) com perdas anuais médias maiores que 4% a 6%, recomenda-se também ter um cuidado com o oversizing. O risco é obter um oversizing e clipping no inversor maior do que o esperado, principalmente após a limpeza dos módulos fotovoltaicos ou após chuvas intensas.

Adicionalmente, a potência de saída dos módulos fotovoltaicos diminui com o tempo devido à degradação natural dos mesmos, enquanto a classificação de potência do inversor permanecerá constante. Isso reduzirá progressivamente a relação CC/CA. Como resultado, as perdas médias por clipping ao longo dos 25 anos de garantia dos módulos serão menores do que as perdas do primeiro ano. Lembrando que normalmente a garantia de produção de energia dos módulos FV cobrem uma perda de produção de até 20% do valor nominal do módulo ao longo de 25 anos.

Por que usar o oversizing?

A principal razão para sobredimensionar um inversor é levá-lo à sua capacidade total com mais frequência. Isso maximizará a saída de energia em condições de baixa luminosidade, permitindo a instalação de um inversor menor para um determinado arranjo fotovoltaico (ou, alternativamente, instalação de mais energia CC para um determinado inversor). Sobredimensionar o inversor normalmente não é um requisito, no entanto, um projetista FV experiente pode optar por sobredimensionar o inversor para maximizar a produção de energia, considerando:

1. Potência real do módulo fotovoltaico vs. potência nominal do módulo;
2. Questões financeiras.

Aumentar a relação CC-CA faz sentido economicamente em termos de equilíbrio de economia de componentes do sistema.

Restringir o tamanho do sistema CA ou aumentar o lado CC ajuda a melhorar os custos por kWh gerado associado a inversores, cabines, infraestruturas internas e equipamentos especializados. Isto permite projetar uma planta otimizada, a fim de alcançar a melhor IRR e LCOE maximizando os resultados financeiros.

Oversizing de alguns inversores

Os fabricantes de inversores, em suas especificações, permitem uma taxa CC-CA bastante alta, às vezes até 175%. A SolarEdge, por exemplo, permite um oversizing de até 135% (Figura 5). Já para os seus inversores monofásicos da linha HD-Wave, é permitido o oversizing de até 155%. O oversizing dos inversores SolarEdge não irá prejudicar os otimizadores de potência ou os inversores. A manutenção deste limite garantirá a vida útil do inversor e é necessária para manter o inversor coberto pela sua garantia [3].

Figura 5 – Datasheet de um inversor SolarEdge. Destaque para as potências de entrada e saída evidenciando seu oversizing limitado à 135%.

No entanto, isto não significa que utilizar estes percentuais de oversizing sejam uma recomendação de oversizing ótimo. Em muitos casos, você pode projetar com um oversizing menor para garantir que o inversor não apresente clipping, ou limitar o clipping em um valor ótimo, considerando a degradação dos módulos e outros fatores.

O oversizing máximo permitido é um parâmetro que varia de inversor para inversor, portanto, antes de instalar mais potência CC do que a potência CA do inversor é necessário consultar o datasheet do equipamento. Por exemplo, a Figura 6 a seguir apresenta um trecho de uma folha de dados de um inversor fotovoltaico cuja potência nominal de saída é de 28.600W. Este inversor possui dois MPPT’s, ou seja, duas entradas. Cada entrada suporta uma potência máxima de 16.000W, então, é possível instalar no máximo 32.000W de potência nominal de módulos.

Figura 6 – Trecho de um datasheet de um inversor fotovoltaico. Destaque para os parâmetros de entrada.

Isto quer dizer que, para o inversor da Figura 6, o percentual de oversizing máximo permitido é de 111,88%. Se neste inversor de 28.600 W fosse instalado, por exemplo, 120% de potência nominal de módulos (34.320 W), este oversizing seria prejudicial ao inversor. Consequentemente, a vida útil do inversor seria reduzida ou o inversor sofreria algum dano e o mesmo não estaria coberto pela sua garantia.

Sempre que converso sobre oversizing e clipping para a categoria MLPE indico assistir o vídeo abaixo. Nele são apresentados os conceitos e o que ocorre em cada tecnologia (inversor tradicional de string, microinversores e otimizadores de potência).

Além de mostrar como os microinversores começam a produzir energia mais cedo, pois eles começam a operar a uma tensão mais baixa do que os inversores de string (cerca de 22V em vez de 250V), iniciando sua operação no início da manhã e trabalhando até mais tarde, consequentemente, aumentando a produção de energia ao longo do dia. Também é mostrado como aumenta-se o ganho de energia através do oversizing, mesmo quando existe o clipping.

Colocando os conceitos em prática

No exemplo da Figura 7 a seguir, temos o resultado de uma simulação para um sistema orientado para o Norte, inclinação de 15 graus e com dados meteorológicos de Fortaleza/CE. Podemos ver que, ao aumentar o tamanho do arranjo FV de 26,4 kWp para 35,64 kWp (com uma capacidade de inversor de 26,4 kWp), a produção de energia cresce de 45,62 MWh/ano para 60,69 MWh/ano (33,03%). Na mesma faixa, as perdas por clipping aumentam de 0% para 1,35%.

Neste caso, observamos que, apesar de haver uma perda por clipping de 1,35% da energia gerada no lado CC, é possível estimar um ganho de produção de 33,03%.

Figura 8 – Produção de energia e perdas por clipping. Sistema com orientação Leste/Oeste.

Neste caso, observamos que, para o mesmo sistema instalado agora com orientação leste/oeste o percentual de ganho de energia é maior que no caso anterior. Com o adicional de que a perda de energia por clipping agora é de apenas 0,34%. 

Ainda assim, devemos levar em consideração que, se for possível escolher a orientação da instalação, mesmo com maiores perdas por clipping, o maior potencial de geração está no caso da Figura 6 (telhado norte). Contudo, se não for possível escolher a orientação e cairmos no caso da Figura 7 (telhado leste/oeste), podemos observar que existe a possibilidade de usar um oversizing ainda maior, caso o inversor assim permitisse. Isto nos levaria a elevar o potencial de geração do sistema fotovoltaico sem custos adicionais com inversores, insumos, dentre outros.

Conclusões

Estas duas simulações mostram que o oversizing é uma ferramenta de projeto poderosa, desde que usada de acordo com os requisitos técnicos do projeto.

No caso de uma relação CC-CA otimizada, mesmo que perdas maiores devido ao clipping de energia tenham que ser aceitas, especialmente durante os primeiros anos de operação do sistema FV, elas são amplamente compensadas durante toda a vida útil. De fato, uma alta relação CC-CA permite manter uma produção de energia mais alta, enquanto a potência dos módulos fotovoltaicos se degrada com o tempo. Além disso, o sistema produz mais energia no início da manhã, final da tarde e durante outros períodos de baixos ou médios níveis de irradiação solar (vide Figura 1).

Em contrapartida, o sobredimensionamento excessivo pode afetar negativamente a produção de energia do inversor. Um clipping excessivo resulta em perda de energia. Sobredimensionar excessivamente o inversor também faz com que o inversor opere em alta potência por períodos mais longos, afetando sua vida útil. Operar em alta potência também aumenta o aquecimento do inversor e pode aquecer o ambiente. Os inversores reduzirão sua geração de energia máxima em caso de superaquecimento. Essa redução de geração tem um termo específico, chamado “power de-rating”, o qual será tratado em artigos futuros.

A boa notícia é que os inversores têm arquiteturas de gerenciamento térmico para controlar as temperaturas internas e proteger o inversor durante períodos prolongados de funcionamento a plena carga. Essas medidas também atuam para ajudar a preservar a vida útil dos componentes sensíveis à temperatura. Os inversores detectam temperaturas de componentes críticos e possuem pontos de ajuste programados que controlam a velocidade do ventilador e a limitação de energia como meio de regular a temperatura interna do equipamento [2].

Este artigo, embora longo, está longe de esgotar o assunto e muito ainda pode ser discutido em detalhes e com maior profundidade, principalmente os aspectos financeiros e restrições técnicas. Contudo, esperamos que seja uma fonte de consulta para desmistificar alguns conceitos sobre oversizing e clipping em sistemas fotovoltaicos.

Referências

[1] R. Mounetou, I. Bejar Alcantara, A. Incalza, J.P. Justiniano, P. Loiseau, G. Piguet, A. Sabene, “Oversizing            Array-To-Inverter (DC-AC) Ratio: What Are the Criteria and How to Define the Optimum?”, 29th EU                  PVSEC 2014, 22 - 26 September 2014, Amsterdam.

[2]    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.

[3] SolarEdge, “Technical Note - Oversizing of SolarEdge Inverters”, July, 2016.