Sistema de inversor solar: Um guia para os seus componentes principais

O "cérebro" do seu sistema de energia solar

O mundo da energia solar. Embora os painéis solares sejam o componente mais visível de um sistema, que absorve a energia solar pura, é o sistema de inversor solar que é o cérebro. Este é um componente essencial da tecnologia, que é o verdadeiro centro de controlo e comando, e as decisões inteligentes tomadas a cada milissegundo através do seu controlo, conversão e utilização óptima da energia que impulsiona a sua casa, a sua empresa ou mesmo uma central eléctrica de grande escala.

Um sistema inversor de alta qualidade não só transforma a eletricidade em eletricidade, mas também aproveita ao máximo a sua colheita de energia, torna a rede segura e estável e fornece-lhe as informações essenciais de que necessita para monitorizar o seu sistema de energia solar e o desempenho do sistema. Na sua ausência, esta energia gerada pelas suas células solares não pode ser utilizada.

Abriremos a caixa neste guia completo para analisar mais de perto este sistema. Agora veremos o que é, os quatro tipos mais comuns que encontrará, os principais elementos de hardware encontrados nele e como comunica com as baterias e a rede eléctrica. Mais importante ainda, vamos descobrir um dos elementos fundamentais que são normalmente ignorados, mas que são fundamentalmente essenciais para o desempenho e a longevidade: o sistema de arrefecimento.

O que é um sistema de inversor solar e como funciona?

Na sua forma mais simples, um sistema de inversores solares tem apenas uma tarefa importante, mágica e atraente a fazer: converte a eletricidade de corrente contínua (CC) em eletricidade de corrente alternada (CA).

Os painéis solares produzem energia DC - um fluxo de eletricidade. Mas a corrente alternada é a que é utilizada na rede eléctrica e na maioria dos aparelhos do seu edifício (luzes, frigorífico, máquina industrial, etc.), é como a corrente que muda rapidamente de direção.

Considere o inversor como um tradutor sofisticado e de alta velocidade. Ele recebe a linguagem da energia CC utilizada pelo sistema de painéis solares e converte-a na linguagem da energia CA que o seu edifício pode compreender e utilizar.

O processo é o seguinte:

1. Os painéis solares captam a luz solar e geram eletricidade de corrente contínua.
2. Esta eletricidade DC é introduzida no sistema de inversor solar.
3. O inversor, utilizando interruptores electrónicos complexos, "corta" o sinal DC e volta a montá-lo num sinal AC de onda sinusoidal pura.
4. Esta alimentação AC é então:
   • Enviado diretamente para a sua casa ou empresa para alimentar aparelhos.
   • Alimentado num sistema de baterias para armazenamento.
   • Exportado para a rede de serviços públicos, frequentemente a crédito.

4 Principais Tipos de Sistemas de Inversores Solares

O inversor não é um produto de tamanho único. Os tipos de inversores de que necessita são altamente determinados pela dimensão do seu projeto, pelo seu orçamento e pelo objetivo do seu projeto (como a bateria de reserva ou o controlo da sombra do seu telhado).

Sistemas de inversores de cordas

Um inversor string é o tipo clássico e mais comum de inversor para projectos residenciais e pequenos projectos comerciais. O sistema funciona ligando vários painéis solares em série, o que é conhecido como "string". A energia CC combinada gerada por todo este string é então alimentada num único painel, numa caixa inversora centralizada para conversão.

• Melhor para: Telhados simples, sem sombra, onde todos os painéis estão virados na mesma direção. São económicos, fiáveis e de fácil manutenção.
• Considerações fundamentais: O desempenho da cadeia é vendido pelo painel de desempenho mais elevado. Quando um painel está manchado ou sujo, o rendimento de todos os outros painéis dessa cadeia diminui.

Sistemas de microinversores

Um microinversor é um desenvolvimento mais recente, que descentraliza a inversão. Não existe um inversor central, mas um pequeno microinversor é instalado diretamente na parte de trás de cada painel. O design implica que cada painel é um único gerador de energia CA.

• Melhor para: Telhados complexos com vários ângulos, mansardas ou sombreamento intermitente (por exemplo, de árvores ou chaminés).
• Considerações fundamentais: Uma vez que todos os painéis actuam separadamente, a sombra projectada por um painel não tem qualquer efeito sobre a sombra de qualquer outro painel, maximizando assim a sua potência global. Também podem ser monitorizados ao nível do painel, mas são geralmente os mais caros inicialmente.

   

Sistemas de inversores híbridos

Os sistemas de inversores híbridos são frequentemente designados por inversores preparados para baterias e constituem a solução única na era energética atual. Uma unidade de inversor híbrido será criada para funcionar como um típico inversor de string (transformando a saída DC numa saída AC) e como um inversor de bateria (controlando o fluxo de energia para dentro e para fora de uma bateria).

• Melhor para: Proprietários de casas e empresas que pretendam armazenamento de energia (uma bateria solar) agora ou planear acrescentar um no futuro.
• Considerações fundamentais: É o cérebro para alcançar a independência energética. É capaz de controlar de forma inteligente o sistema solar, a bateria e a energia da rede ao mesmo tempo. Pode enviar o excedente de energia solar para a bateria e, em seguida, libertar a bateria para servir a casa durante os períodos sem sol (à noite ou quando a eletricidade se desliga).

Inversores centrais

Este é o monstro da indústria de inversores, que tem como alvo os parques solares de grande escala, comerciais e de serviços públicos (os grandes campos de painéis solares que vê). Centenas de painéis podem ser ligados a um inversor central, onde podem ser geridos megawatts (MW) de potência.

• Melhor para: Centrais de energia solar, grandes instalações industriais e projectos solares comunitários.
• Considerações fundamentais: Estas caixas não são pequenas e têm normalmente o tamanho de um contentor de transporte. A sua densidade de potência é gigantesca e o seu desempenho não pode ser comprometido. A sua falha pode colocar uma grande fração de uma central eléctrica fora de serviço e, por isso, a fiabilidade dos seus componentes internos, em particular a gestão térmica, é uma questão multimilionária.

Segue-se uma tabela simples para o ajudar a comparar estes diferentes tipos:

Por dentro da "caixa": Os componentes de hardware que alimentam o seu sistema

Agora, vamos olhar por baixo do capô. Embora o design exato possa mudar, quase todos os inversores actuais utilizam três grupos principais de componentes de hardware para funcionar.

O módulo de conversão (IGBTs/MOSFETs): O "motor"

Isto constitui o motor do inversor. É um conjunto de interruptores de estado sólido de alta resistência e resposta rápida, conhecidos como IGBTs (Transístores bipolares de porta isolada) ou MOSFETs (transístores de efeito de campo de semicondutores de óxido metálico).

Estes interruptores fazem o trabalho necessário de mudar a corrente contínua variável para uma onda sinusoidal constante utilizável de corrente contínua. Respondem a variações contínuas para garantir que têm a quantidade certa de energia e podem disparar milhares de vezes por segundo. É um processo muito eficaz, mas produz um subproduto importante, nomeadamente uma grande quantidade de calor residual.

Seguidores do ponto de potência máxima (MPPT): O "Optimizador

A tecnologia crítica é o Optimizador que maximiza a sua produção de energia. A produção num painel solar está sempre num estado de fluxo, dependendo dos raios solares, da temperatura e de outras condições. O MPPT tem a tarefa de analisar constantemente a energia CC de entrada para localizar o ponto ótimo de energia, o chamado Ponto de potência máxima, uma combinação de tensão e corrente, para extrair o máximo absoluto de watts dos painéis em qualquer momento.

O controlador do sistema (MCU): A "CPU"

Este é o cérebro ou a verdadeira CPU da operação. A unidade de microcontrolador (MCU) é um processador complexo que controla todas as outras partes. Faz com que os IGBTs comutem e quando e como devem comutar, lê os dados dos MPPTs, verifica a estabilidade das redes eléctricas, controla os sistemas de armazenamento da bateria (em sistemas híbridos) e comunica todos os dados operacionais a monitorizar. Também comunica com o controlador de carga ou o controlador de carga solar para controlar as cargas da bateria e proporcionar a máxima segurança e funcionalidade possíveis ao sistema.

Compreender a integração do sistema: Rede, baterias e cargas

Um sistema de inversor solar não é simplesmente um inversor. Caracteriza-se pela sua combinação com os três intervenientes mais importantes do seu ecossistema energético:

1. A grelha: A rede eléctrica, que realiza a troca de eletricidade solar.
2. As pilhas: Os seus sistemas locais de armazenamento de baterias que garantem energia constante na ausência do sol.
3. As cargas: Os bens do seu edifício que necessitam de energia - os aparelhos e a maquinaria, e mesmo as tecnologias do futuro alimentadas a eletricidade, como os veículos eléctricos.

Um inversor híbrido moderno toma uma decisão inteligente, em tempo real, que depende da programação e das condições. A título de exemplo, num dia de sol, às 14 horas, pode gerar 4 kW de energia solar para servir a casa (a carga), 3 kW para carregar a bateria e exportar os restantes 2 kW para a rede. Será então desligado pela bateria às 20 horas e utilizado para o funcionamento da casa sem prestar atenção à rede, a fim de poupar dinheiro.

Integração do sistema de inversor solar com a rede eléctrica

A relação da maioria dos sistemas fotovoltaicos é a mais significativa com a rede eléctrica. Esta integração define não só a eficiência energética, mas também a produção global de energia e é regulada por determinadas regras e incentivos financeiros.

Medição líquida e venda de energia excedentária

A contagem líquida é um método de faturação que constitui uma motivação financeira para a energia solar na rede, que é o principal motivador da energia solar ligada à rede. Quando o seu sistema gera eletricidade solar superior à que está a consumir, a eletricidade solar extra é exportada para a rede e o seu contador de serviços públicos volta atrás. Recebe um crédito por esta produção de energia, que pode ser utilizada à noite ou em dias nublados, quando está a comprar energia à rede.

A ilustração direta do trabalho do inversor solar é que ele garante que o fluxo de energia entre a sua casa e a rede eléctrica é eficiente.

Conformidade com os regulamentos dos serviços públicos nos EUA

Um sistema de inversor solar não pode ser inserido na rede eléctrica. Os inversores são também de natureza potente e, por conseguinte, têm de ser concebidos corretamente e com normas de segurança elevadas, necessárias para garantir a segurança do trabalhador do serviço público e também da rede. Isto, principalmente nos EUA, significa conformidade com:

• UL 1741: Esta norma de certificação e segurança dos inversores e equipamentos que interagem com a rede.
• IEEE 1547: Norma técnica que descreve o comportamento exigido aos recursos energéticos distribuídos (como o seu inversor) quando ligados à rede, incluindo o chamado anti-ilhamento, que significa desligar-se automaticamente quando a energia se desliga.

A conformidade correta é importante porque não só ajuda a manter a rede eléctrica segura, como também garante que o seu sistema fotovoltaico é estável e eficaz, apesar do número de painéis interligados e da carga final.

Porque é que o arrefecimento ativo é um componente de desempenho essencial

Já falámos sobre o grande motor (IGBTs) e o cérebro (MCU) dentro do inversor. Colocados numa disposição tão densa, todos estes componentes electrónicos de elevado desempenho produzem um enorme volume de calor residual.

Neste ponto, devemos falar de um dos elementos que é facilmente ignorado, o sistema de gestão térmica. A capacidade de um inversor para controlar o calor determina o seu desempenho, fiabilidade e vida útil global.

Uma regra geral da eletrónica de potência, que se baseia na lei de Arrhenius, é que a vida útil a longo prazo dos elementos eléctricos é reduzida para metade por cada 10 °C (18 °F) de aumento da temperatura de funcionamento. Neste caso, a otimização do trabalho do inversor solar gera uma potência estável e a estabilidade do sistema.

Arrefecimento passivo vs. ativo: Por que os sistemas de alta potência precisam de ventiladores

1. Arrefecimento passivo: Não há movimento utilizando qualquer peça móvel. Depende exclusivamente de enormes dissipadores de calor metálicos com alhetas para se arrefecer ao ar. Isto é típico dos microinversores mais pequenos e dos inversores de string residenciais de alguns outros modelos. É silencioso e tem um limite de corpo.
2. Arrefecimento ativo: Utiliza ventoinhas para empurrar uma grande quantidade de ar sobre os dissipadores de calor e remove ativamente o calor dos componentes.

A refrigeração passiva pode ser suficiente em pequenos sistemas residenciais. No entanto, o arrefecimento ativo não é uma opção; é obrigatório nos inversores híbridos de alta potência (especialmente quando carregam/descarregam baterias) e em todos os grandes inversores centrais. As densidades e os requisitos de gestão de energia dos sistemas fotovoltaicos modernos tornaram o arrefecimento eficiente do sistema fotovoltaico essencial para garantir um desempenho fiável e seguro na rede.

A vantagem do ACDCFAN: Arrefecimento fiável para um investimento mais inteligente

Um sistema inversor é um sistema solar de 10-15 anos. Mas o seu componente mais delicado tem uma vida tão curta. Mesmo num sistema de arrefecimento forçado, uma ventoinha barata e de baixa qualidade, com rolamentos de casquilho, que se agarra devido ao pó ou falha devido a rolamentos, é o ponto número 1 de falha mecânica.

É por isso que a especificação de um solução de gestão térmica de qualidade industrial não é um complemento; é uma abordagem fundamental para salvaguardar o seu investimento. Na ACDCFAN, especializamo-nos no fabrico de componentes de refrigeração que se destinam a ser utilizados em condições de extrema fiabilidade com sistemas de alta potência.

• Concebida para durar muito tempo: As ventoinhas standard são uma das principais áreas de fraqueza. As nossas soluções utilizam rolamentos de esferas de alta tecnologia para que a solução tenha uma MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 70.000 horas. São quase 8 anos de utilização 24 horas por dia, 7 dias por semana, o que garante que a ventoinha durará tanto tempo como o próprio inversor.
• Desempenho inteligente e instantâneo: PWM (Modulação de largura de pulso) O controlo inteligente é suportado pelas nossas ventoinhas. Estão diretamente ligados ao MCU (o CPU que mencionámos) do inversor para proporcionar uma reação térmica inteligente e a pedido. O seu funcionamento é silencioso e consome pouca energia no ponto de inatividade, e aumentam para a potência máxima para proteger as peças quando a produção está no seu pico, ou quando carregam as baterias.
• Ambientes do mundo real: Resiliência Os inversores centrais de grande escala não funcionam em salas limpas e com ar condicionado. Estão localizados em desertos, campos de altitude ou regiões costeiras onde há muita humidade. Os nossos Classificação IP68 As ventoinhas estão completamente seladas para evitar a entrada de pó e água, oferecendo assim um desempenho de arrefecimento e uma longevidade óptimos, mesmo em condições extremas.

A gestão térmica é o mais importante para os engenheiros de sistemas e gestores de compras que desenvolvem a próxima geração de inversores. Os nossos produtos são completamente Certificação RoHS 2.0 e UL, CE e TUVo que torna muito fácil a conceção e a conformidade dos nossos produtos. Podemos mesmo ajudar as equipas de I&D com uma proposta inicial de esquema térmico em 12 horas.

Principais métricas de desempenho do inversor solar: O que significam a eficiência e as classificações?

Ao comparar sistemas de inversores, perde-se nas especificações técnicas. Estas são as duas mais importantes a que deve prestar atenção.

Como escolher o sistema de inversor solar correto

A escolha mais crucial que faz a diferença no desempenho a longo prazo do seu projeto é a escolha do sistema inversor solar. Tem de começar por determinar a escala de que dispõe, pois esta determina o que pode fazer.

• Em projectos residenciaisPara escolher, existem três tipos. Um inversor de cordas é a melhor escolha quando se trata de telhados simples e sem sombras. Quando tem ângulos mais complicados ou sombras no seu telhado, os Microinversores serão capazes de extrair a quantidade máxima de energia, com custos acrescidos. Um Inversor Híbrido é a solução completa no caso de querer ser independente em termos energéticos, incluindo ter uma bateria de reserva.
• No caso de Comercial (C&I) e de serviços públicosSe a escolha recair sobre grandes inversores de cadeia trifásicos ou grandes inversores centrais, a escolha passa a recair sobre grandes inversores de cadeia trifásicos ou grandes inversores centrais. Neste caso, a atenção não é dada ao primeiro custo, mas ao Custo Total de Propriedade (TCO). Nestes sistemas de alta potência, a fiabilidade é o fator mais importante. Examine a classificação de eficiência CEC do inversor, a sua classificação IP para proteger o ambiente e o seu sistema de tratamento térmico. Está a ser desenvolvido um poderoso mecanismo de arrefecimento ativo, que pode suportar anos de condições de carga elevada, para que o seu investimento a longo prazo não seja posto em causa.

Qual é a eficiência CEC (não de pico) do seu fornecedor? Duas perguntas a fazer-lhes antes de comprar são: "Qual é a garantia e, em carga de pico, qual é a vida útil prevista dos componentes?

Conclusão

O sistema inversor solar não é apenas uma mera caixa de conversão; é o cérebro vivo e respirável de todo o plano energético. Determina o nível de energia que extrai, a forma como utiliza essa energia e a longevidade dos seus inversores de energia solar nos próximos 20 anos.

É um proprietário que optou por um microinversor ou uma empresa que instalou um sistema híbrido com bancos de baterias, ou é um engenheiro que decidiu conceber um sistema fotovoltaico com megawatts. Agora sabe que o desempenho do sistema é tão forte como os seus principais componentes.

Todas as peças devem estar bem sincronizadas entre si, começando pelo complicado "motor" dos seus IGBTs até ao "cérebro" da sua MCU. E o chamado herói desconhecido é o sistema de gestão térmica que os protege a todos. O melhor investimento que pode fazer num futuro sólido e lucrativo de energia limpa é escolher um sistema com componentes de alta qualidade e duráveis, até aos rolamentos de esferas das ventoinhas de arrefecimento.