Quando analisamos as folhas de dados de alguns inversores solares vemos em destaque nas suas descrições o número de entradas de MPPT (do inglês Maximum Power Point Tracking, ou Rastreamento do Ponto de Máxima Potência em português) que o equipamento possui.
Além disso, é possível encontrar inversores com potências e características próximas se diferenciando somente pelo número de MPPTs. Este artigo visa expor as características e as vantagens de um inversor com múltiplos MPPTs.
Em linhas gerais, um inversor com múltiplos MPPTs diferencia-se dos inversores convencionais pela maneira como os módulos solares são controlados. Nos inversores convencionais (que possuem apenas 1 MPPT), o conjunto de strings fotovoltaicos é tratado como um bloco único.
Todos os strings têm o seu ponto de máxima potência rastreado simultaneamente pelo único sistema de MPPT disponível. Mesmo que o inversor possua várias entradas para a conexão de diversos strings, dentro do inversor todos os strings são controlados como um bloco único.
Nos inversores com várias entradas de MPPT a situação é diferente, como podemos ver na figura abaixo. Os strings são divididos em blocos menores e cada bloco fica sob o controle de uma entrada de MPPT distinta. Os inversores mais recentes do mercado possuem de 2 até 4 entradas de MPPT tipicamente.
Figura 1: Inversor com apenas 1 entrada de MPPT (à esquerda), no qual todos os strings são reunidos em apenas um bloco. À direita, inversor com 4 entradas de MPPT, no qual os strings são divididos em blocos menores. Nesse último tipo de inversor, cada conjunto de 2 strings (de acordo com o exemplo) possui um rastreamento de máxima potência (MPPT) independente
Potência de arranjos fotovoltaicos
A potência de um arranjo de módulos fotovoltaicos é definida pelo produto da corrente pela tensão do arranjo em determinado ponto de operação. A relação entre a corrente e a tensão dos módulos é determinada pela curva I-V mostrada abaixo. Entenda o que é a curva I-V no artigo Entendendo as curvas IV e PV dos módulos fotovoltaicos.
Figura 2: Curva I-V de um módulo ou conjunto de módulos fotovoltaicos
No gráfico da Figura 2 temos:
- Isc - Corrente de curto-circuito (short circuit): é a máxima corrente elétrica que o módulo pode fornecer;
- Voc - Tensão de circuito aberto (open circuit): é a máxima tensão que o módulo pode fornecer;
- Imp - Corrente de máxima potência (maximum power): é a corrente que o módulo fornece quando opera no seu ponto de máxima potência;
- Vmp - Tensão de máxima potência: é a tensão que o módulo apresenta nos seus terminais quando opera no seu ponto de máxima potência;
- Pmp - Potência de máxima potência: esta é a potência de pico do módulo fotovoltaico;
- MPP - É o ponto de máxima potência do módulo fotovoltaico (maximum power point). Encontra-se no joelho da curva IV e no pico da curva PV.
A associação de módulos em strings ou arranjos também apresenta as mesmas características elétricas citadas acima. O que mudam são os valores.
A tensão e a corrente podem variar por diversos fatores como temperatura, iluminação, sujeira ou sombras nos módulos e degradação dos equipamentos, causando uma perda de potência e deslocamento dos pontos de Imp e Vmp.
Como demonstrado na Figura 2, nota se que existe um ponto em que o aproveitamento do arranjo é máximo. Para obter a maior potência do arranjo devemos procurar operá-lo próximo de seu ponto de potência máxima - MPP.
A eletrônica embutida nos inversores é capaz de deslocar o ponto de operação do equipamento (Imp, Vmp) para operar próximo do MPP, fazendo com que os efeitos adversos sejam diminuídos e a potência seja máxima para aquela situação.
Esta capacidade do inversor em operar no ponto de Imp e Vmp e poder variar e buscar esses pontos, conforme as condições externas, denomina-se MPPT - Maximum Power Point Tracking.
Múltiplas entradas de MPPT
É comum em projetos fotovoltaicos a instalação no mesmo inversor mais de um arranjo, utilizando-se string boxes ou conexões diretas ao equipamento.
Nos inversores tradicionais (com apenas 1 entrada de MPPT) os strings fotovoltaicos (módulos ligados em série) devem ter características idênticas para serem ligados simultaneamente ao inversor.
Por outro lado, os inversores com múltiplas entradas de MPPT permitem a ligação de strings e arranjos com características distintas. Cada arranjo pode ter uma característica que depende da sua localização, do ângulo de instalação, do sombreamento, do número de módulos ligados em série, entre outras coisas.
O inversor com mais de uma entrada de MPPT é capaz de operar simultaneamente dois ou mais arranjos com características diferentes em seus pontos de máxima potência.
Em resumo, um inversor com múltiplas entradas de MPPT permite a conexão de arranjos com potências e inclinações diferentes, além de ter capacidade de monitorar cada uma das entradas de MPPT separadamente.
Abaixo vemos dois diagramas mostrando a organização interna de um inversor convencional e de um inversor com múltiplas entradas. A saída, que corresponde ao estágio de conversão CC-CA é idêntica em ambos. A diferença ocorre na entrada, com um número maior de módulos CC-CC (com o recurso de MPPT) nos inversores com múltiplas entradas.
Figura 3: Item a) Inversor com um único MPPT. Item b) Inversor com 2 MPPTs
Exemplo de aplicação
Arranjos com características distintas
No projeto residencial da figura abaixo foi necessário instalar dois arranjos com orientações diferentes, um com 3 kWp na face norte do telhado e outro com 2,5 kWp na face leste. Logo, teremos diferentes condições de geração de energia e diferentes pontos de máxima potência.
Os painéis das duas faces do telhado não podem ser ligados à mesma entrada do inversor. A solução é empregar inversores diferentes ou um inversor que possua duas entradas de MPPT.
Figura 4: Sistema fotovoltaico com módulos distribuídos em águas diferentes do telhado
Caso os módulos desse sistema sejam ligados a um inversor com somente um MPPT, o equipamento vai operar buscando um ponto de máxima potência do conjunto todo, porém não será capaz de buscar a máxima potência que cada arranjo individualmente poderia gerar, por se tratarem de arranjos com características de geração distintas.
Para que o aproveitamento do sistema seja máximo, deve-se substituir o inversor por um modelo com 2 MPPTs, com cada arranjo conectado a um MPPT. Desta forma o ponto de máxima potência será atingido para cada um dos arranjos independentemente.
Antes da popularização dos inversores com múltiplos MPPTs, esse problema só poderia ser solucionado com o uso de dois inversores, adicionando complexidade e custo ao projeto. Inversores com múltiplos MPPTs proporcionam uma solução mais rápida e mais barata, podendo trabalhar com arranjos em diversas condições utilizando-se somente de um único inversor.
Além da ineficiência, a mistura de arranjos com características elétricas distintas no mesmo MPPT é perigosa, podendo causar fluxo de corrente reversa e eventualmente incêndios, como citado no artigo Estudo de caso - Incêndio em inversor solar fotovoltaico.
Arranjos com características idênticas
Os inversores com múltiplos MPTTs também são vantajosos em arranjos uniformes, ou seja, quando todos os módulos estão instalados do mesmo modo e os strings são idênticos, possuindo o mesmo número de módulos.
Por exemplo, uma usina de 100kWp com módulos organizados em arranjos idênticos de 16,6kWp, conectados em um inversor com 6 MPPTs, terá um rastreamento de máxima potência para cada conjunto, além de possibilitar o monitoramento individual dos conjuntos ligados a cada uma das entradas de MPPT.
Figura 5: Usina solar, onde tipicamente se encontram arranjos uniformes
Como o inversor consegue medir a potência de cada um dos MPPTs, a detecção de uma eventual falha é facilitada e o impacto da mesma é minimizado, pois os outros arranjos continuarão operando no seu ponto de máxima potência.
Exemplo de inversores com múltiplas entradas de MPPT
Abaixo encontramos o modelo Sunny Boy 5.0 da SMA. Este inversor de 5kW possui 2 entradas MPPT e permite conectar duas strings por MPPT, totalizando 4 strings.
Figura 6: Inversor SMA Sunny Boy com 2 MPPTs e 4 conexões para string
Figura 7: Entradas e conexões. Os itens A e B mostram os MPPTs existentes. Os itens C a F mostram os conectores AC e de comunicação
Tabela 1: Folheto técnico da família de inversores SMA Sunny Boy
As entradas para as strings 1 e 2 assim como 3 e 4 estão conectadas internamente no inversor em paralelo, cada par operando em um MPPT somente. Num sistema com duas strings o instalador deve estar atento para conectar cada string em um MPPT caso não se deseje a conexão em paralelo.
Deve-se estar atento também ao limite de corrente e a faixa de tensão por MPPT informado no manual. Para o inversor Sunny Boy exemplificado, o limite de corrente por MPPT é de 15A e a faixa de tensão de operação é de 175V a 500V. Respeitando esses limites se garantirá a melhor eficiência e segurança de operação do equipamento.
