Oversizing e clipping: até que valor pode sobredimensionar um sistema?

Muito provavelmente o termo oversizing ou sobrecarregamento já está presente no seu dia a  dia, caso trabalhe no setor fotovoltaico. 

Uma das principais, se não a principal pergunta, que nós, distribuidores, recebemos de nossos parceiros e clientes quando apresentamos um  inversor fotovoltaico é: “Quanto de oversizing este equipamento suporta? 20%? 30%? 50%? A  resposta é “depende”.

Não é a que ele gostaria de ouvir em um primeiro momento. Mas por que não é possível apresentar um valor de sobrecarregamento CC como absoluto? E, partindo de que essa premissa é verdadeira, mesmo que o inversor suporte 50%, 60%, será  que essa é sempre a melhor opção?  Aliás, o que significa oversizing e de que forma ele deve ser analisado?

Demonstraremos isso no decorrer deste artigo, apresentando  números e simulações em PVsyst para embasar nossos argumentos e ajudar o leitor a otimizar seu  sistema fotovoltaico, escolhendo a melhor opção de inversor.

DEFINIÇÃO DE OVERSIZING E CLIPPING

Oversizing, sobrecarregamento, FDI (fator de dimensionamento do inversor) ou até sobrecarga (overload) são algumas das nomenclaturas utilizadas comumente no dia a dia do  nosso setor. 

Simplificando, oversizing significa realizar uma instalação com uma potência de módulos fotovoltaicos (Wp) maior do que a potência nominal do inversor. Mas qual é a razão de se fazer  isso? Não estaremos desperdiçando energia?  

Vamos analisar abaixo as curvas de geração de um sistema fotovoltaico comparando as duas situações: com e sem oversizing. Conceitos oversizing e clipping até que valor se pode sobredimensionar um sistema 1

Figura 1 – Curvas de potência de um inversor fotovoltaico com e sem oversizing. Fonte: [1]

Como podemos perceber, a curva de potência de um sistema fotovoltaico apresenta no eixo X o tempo (horas) enquanto no eixo Y temos a potência do sistema. No caso sem oversizing (curva em laranja), nos horários com maior irradiância solar o inversor entrega a potência máxima dos módulos fotovoltaicos. 

Na mesma figura vemos a situação com oversizing (curva azul), quando a potência de pico dos módulos fotovoltaicos é superior à potência de entrada do inversor.

Observa-se que na maior parte do tempo o sistema com oversizing entrega mais potência em comparação com o primeiro caso. Isso representa uma maior geração de energia ao longo do dia, incluindo manhãs e finais de tarde. Mas, o que ocorre no horário de pico, quando a potência dos módulos fotovoltaicos ultrapassa a potência do inversor? 

O inversor não irá fornecer em sua saída mais do que sua potência nominal. Por isso, o que acontece é o denominado clipping, quando o inversor limita a potência de saída dos módulos fotovoltaicos para que a potência entregue à rede elétrica fique limitada à nominal do equipamento, conforme ilustra também a Figura 1. 

Mas de que forma isso é feito pelo equipamento? Como o inversor faz este ajuste? Veremos a seguir. 

O QUE OCORRE QUANDO SOBREDIMENSIONAMOS UM SISTEMA FOTOVOLTAICO?

Quando o inversor atinge o ponto limite de sua potência nominal e há mais potência disponível nos módulos (área em vermelho na Figura 1), o que acontece? Esse valor excedente é transformado e dissipado na forma de calor, aquecendo o equipamento? Não, isto não ocorre, como muitas pessoas pensam.  

Sabemos que o inversor está o tempo todo analisando os parâmetros de tensão e corrente recebidos dos módulos, ajustando e buscando o ponto de máxima potência. 

Nestes casos, o inversor ajusta seu valor de tensão CC de forma a não ultrapassar a potência máxima do equipamento. Como podemos verificar abaixo, temos as curvas IxV dos módulos fotovoltaicos, onde o ponto A seria o ponto ótimo de operação do inversor, quando ele entregaria o máximo de energia possível na instalação. 

Por outro lado, o ponto B representa uma situação de limitação da potência dos módulos fotovoltaicos, quando o inversor ajusta a tensão de entrada CC para não ultrapassar a potência máxima permitida.Conceitos oversizing e clipping até que valor se pode sobredimensionar um sistema 2

Figura 2 – Curvas IxV e PxV de uma string fotovoltaica com e sem oversizing. Fonte: Do autor

O que o inversor faz é elevar o valor de tensão da string do ponto A para o ponto B, reduzindo  a corrente injetada pelos módulos, de forma que a potência instantânea da curva cinza (Figura  2 – com oversizing) seja o valor de potência nominal do inversor. 

Com isso, o equipamento continuará trabalhando dentro dos seus valores limite e nenhuma energia excedente será produzida ou dissipada na forma de calor ou outra forma que possa prejudicar o equipamento. 

Mas talvez  você esteja se perguntando: “Não seria mais interessante colocar um inversor de maior potência,  para que no momento com pico de potência disponível nos módulos fotovoltaicos eu pudesse aproveitar todo esse  potencial de geração de energia? Ou seja, não seria melhor instalar um sistema com relação 1:1 entre a potência dos módulos e a potência nominal do inversor?”

POR QUE SOBREDIMENSIONAR OS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS É UMA BOA OPÇÃO?

Há diversos fatores que corroboram a utilização do sobredimensionamento dos módulos em relação ao inversor em sistemas fotovoltaicos:  

  • Condições STC: As informações de potência contidas nas fichas técnicas dos módulos fotovoltaicos são fornecidas com objetivo de parametrização, de forma que possamos comparar  diferentes fabricantes sob um mesmo referencial. Mas estes valores são atingidos raríssimas vezes durante o ano. Devido às perdas por temperatura e às baixas irradiâncias, a potência fornecida  pelos módulos na maior parte do tempo é menor do que o seu valor de pico em STC;
  • Degradação dos módulos: Como pode ser observado nas fichas técnicas, todos os módulos  possuem uma degradação da sua potência ao longo dos anos (algo em torno de 2%-2,5% no  primeiro ano, e 0,4-0,5% nos demais anos, chegando ao final de 25 anos da garantia de rendimento com algo em torno de 80-85% da sua potência nominal informada na ficha  técnica. Ou seja, ao longo do tempo de funcionamento, este sobredimensionamento será  cada vez menor;
  • Maximização da produção energética: Em muitos casos, o oversizing permite maximizar a produção energética do sistema fotovoltaico e reduzir o LCOE (custo nivelado da energia). Ainda, em muitos casos há uma limitação da capacidade instalada no local, ou um desejo de não se ultrapassar um determinado valor de demanda ( 75 kW em microgeração ou 5 MW em usinas de GD) com objetivos econômicos. Com isso, sobredimensionar se torna uma opção válida também por este quesito.

É SEGURO SOBREDIMENSIONAR?

Desde que respeitados os limites do inversor informados na ficha técnica, não há riscos em  sobredimensionar o inversor. Em muitos casos, como veremos a seguir, o oversizing é até benéfico, se bem projetado. 

Além disso, nenhum inversor perderá a garantia por um oversizing correto. Há de se considerar, entretanto, que nestes casos o inversor operará mais próximo de sua potência nominal durante a maior parte do tempo, o que requer ainda mais atenção às condições de instalação e operação (local  adequado, boa ventilação, manutenções preventivas etc) para um ótimo funcionamento.

Conceitos oversizing e clipping até que valor se pode sobredimensionar um sistema 3

Figura 3 – As instruções de instalação do fabricante devem ser seguidas, respeitando a distância mínima entre inversores e paredes, para garantir condições adequadas de funcionamento. Fonte: Manual de instalação Sungrow SG60KU-M

ALGUNS ESTUDOS DE CASO

Depois de termos entendido os conceitos do oversizing, vamos analisar alguns casos de aplicação para entendermos por que a pergunta: “Qual sobredimensionamento esse inversor suporta?” não tem uma resposta única e definitiva para todos os casos.  Todas as simulações a  seguir foram realizadas utilizando-se o software PVSyst juntamente com os arquivos .OND e  .PAN fornecidos pelos fabricantes. 

Ainda, como o objetivo do artigo é apresentar as diferenças com diversos carregamentos, não foram consideradas perdas por sombreamento nessas simulações. A localidade escolhida para a simulação foi Salvador/BA. Os resultados poderiam ser diferentes em outras localidades.  

A primeira análise que faremos será utilizando o inversor Sungrow SG8K3-D, com potência nominal de 8,3 kW, com 2 MPPT’s (até 3 strings ao todo), em conjunto com módulos Canadian Solar CS3U-360P. 

Este inversor possui três entradas individuais, com tensão CC limite de  600 V. Seguem abaixo algumas informações da ficha técnica deste equipamento, que  devemos considerar ao dimensionar as strings de módulos fotovoltaicos: 

Tabela 1 – Dados de entrada CC do inversor Sungrow SG8K3-D. Fonte: Sungrow
Conceitos oversizing e clipping ate que valor se pode sobredimensionar um sistema 4

Pontos a considerar

  1. Tensão máxima de entrada: 600V – Valor que não deverá ser ultrapassado em  nenhum momento durante o funcionamento do inversor. Deve-se considerar a tensão de circuito aberto do módulo (Voc) corrigida para a menor temperatura no local;
  2. Faixa de tensão MPP para potência nominal e tensão nominal de entrada: valores de  tensão nos quais o inversor trabalhará em seu ponto ótimo de operação.   Realizamos os seguintes dimensionamentos:  
Tabela 2 – Dados dos dimensionamentos realizados

Primeiro, simulamos com a potência muito próxima à nominal do equipamento (23 módulos  = 8,28 kWp). Foram simulados ainda os casos para 27 módulos (117,11%), 30 módulos (130,12%) e por fim 33 módulos (143,13%), limite que é possível colocar com estes módulos sem ultrapassar os  600 V de tensão máxima, corrigida para 0 °C de temperatura mínima.  A simples mudança de região já poderia ser suficiente para impactar neste limite máximo, o que nos prova que há um resultado fixo. Abaixo temos alguns parâmetros de geração e eficiência fornecidos pelo PVSyst:  energia (kWh) gerada durante o primeiro ano de  funcionamento do sistema; 

  • kWh/kWp/yr: Quantidade de energia gerada no ano em relação à potência de pico instalada. Parâmetro utilizado para a comparação de sistemas com diferentes  potências;  
  • PR (performance ratio): Parâmetro que indica a eficiência de um sistema. Quanto  mais próximo de 1, mais eficiente o sistema será.  

De forma resumida, apresentamos na tabela a seguir as simulações obtidas neste caso:  

Tabela 3 – Resultados obtidos com as simulações

O primeiro ponto para o qual queremos chamar a atenção com esta simulação diz respeito ao índice  kWh/kWp/yr. Como podemos ver, quanto mais módulos inseridos, maior será a geração (kWh), mas a partir de um certo ponto, o sistema produzirá menos energia por kWp acrescido e com um PR menor. 

Além disso, podemos perceber que quanto mais nos aproximamos do valor de tensão ótimo (360 V neste caso), mais eficiente o sistema será.  “Então quer dizer que não há razão para eu sobredimensionar este inversor em 43,13%, sendo que  com 30,12% ele é mais eficiente?” Não necessariamente. 

É fundamental uma análise econômica individual de cada caso, pois pode ser que o ganho de energia compense o custo maior, mesmo com um rendimento um pouco inferior, devido a limitações no padrão de  entrada por exemplo.“Então posso considerar que o inversor SG8K3-D suporta no máximo 43% de oversizing”. Não, não é possível afirmar isso.  

Vamos fazer a mesma análise, com o mesmo equipamento, mas com os módulos da JA Solar de 440W.

Tabela 4 – Configurações das simulações com módulos da JA Solar

Neste caso, podemos observar que devido à limitação de tensão máxima, conseguimos  colocar apenas 30 módulos deste modelo. E mesmo assim atingimos uma potência pico de 13,2kWp, com quase 60% de oversizing: 

Tabela 5 – Resultados obtidos nas simulações com módulos da JA Solar

Conceitos oversizing e clipping até que valor se pode sobredimensionar um sistema 10

Figura 4 – Geração de energia e performance ratio para diferentes carregamentos. Fonte: Do autor

Mas como podemos ver pelo índice PR (curva em verde na Figura 4), ele cai consideravelmente neste  caso, mesmo com maior geração de energia (barras em laranja). A relação kWh/kWp diminuiu bastante, devido ao fato de o inversor operar fora da sua faixa ótima.

Novamente é importante frisar que é preciso uma análise financeira para determinar a melhor opção para um sistema fotovoltaico, e que seja analisado caso a caso individualmente. 

Não há verdade absoluta nas simulações acima que sirvam para todas as  instalações. Diversos parâmetros de projeto como modelo de módulo, do inversor, localidade de instalação etc devem ser criteriosamente analisados.  

Para enfatizar ainda mais a particularidade de cada caso, vamos analisar um mesmo inversor trabalhando praticamente em sua potência nominal, com 100 módulos da Trina Solar de 405 W. A simples configuração diferente dos arranjos de módulos impacta em quase 1.300 kWh gerados a mais somente no primeiro ano. 

Tem-se 2% a mais de energia somente pelo fato de o  sistema trabalhar mais próximo a sua tensão ótima de operação, com um arranjo melhor distribuído.

Tabela 6 – Configurações das simulações com módulos da Trina Solar
Tabela 6 - Configurações das simulações com módulos da Trina Solar
Tabela 7 – Resultados obtidos nas simulações com módulos da Trina Solar
Tabela 7 - Resultados obtidos nas simulações com módulos da Trina Solar

CONCLUSÃO

Como se pode perceber, um sobredimensionamento bem realizado é fundamental para uma melhor performance do inversor fotovoltaico. Há diversos fatores relativos à construção dos  módulos e dos inversores que justificam isso. 

E a ideia do artigo é justamente trazer este tema para debate, para que seja feita uma análise criteriosa caso a caso, em lugar de simplesmente assumir que um determinado percentual de oversizing é o ideal para qualquer inversor, em qualquer lugar.  

E também mostrar que, às vezes, pode ser interessante sobredimensionar o equipamento além do ponto ótimo dele, pois financeiramente será compensatório. Imagine um caso em que a carga instalada na unidade consumidora seja 75 kVA ou 112,5 kVA (valores muito comuns), e uma  alteração nisso implicaria em custos de obras de reforço da rede e também mudar o grupo  tarifário do cliente, com necessidade de pagar a demanda contratada. 

Pode ser financeiramente mais interessante instalar 40%, 50% ou 60% de oversizing nos módulos fotovoltaicos, alcançando-se maior geração de energia sem precisar fazer adequações na rede da  concessionária, mesmo que o inversor opere com uma eficiência um pouco menor do que sua  eficiência máxima.  

Vamos analisar o gráfico abaixo, obtido com um inversor Sungrow SG40CX e com módulos da JA Solar de 440 W.Conceitos oversizing e clipping até que valor se pode sobredimensionar um sistema 13

Figura 5 – Resultados obtidos com o oversizing de módulos da JA Solar de 440 W com um inversor Sungrow SG40CX. Fonte: Do autor

De acordo com os limites de tensão e corrente do equipamento fornecidos em sua ficha  técnica, seria possível instalar até 63,36 kWp de módulos (8 strings de 18 módulos) nos limites do equipamento. 

Como se pode ver nas barras em laranja, estaríamos  continuamente gerando mais energia, mas a que preço? A performance do sistema a partir  de um certo ponto diminui com o aumento da potência instalada. É possível instalar? Sim, é. É financeiramente viável? Esta resposta precisa ser buscada para cada caso.

Após as mudanças regulatórias da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), essa análise se tornará imprescindível, visto que um sistema não dimensionado da melhor forma pode não ser economicamente viável. 

conceito de LCOE (Levelized Cost of Energy) torna-se muito importante nesta análise, para ajudar a definir o oversizing correto. Como sabemos, sistemas fotovoltaicos são primordialmente investimentos com retornos econômicos esperados.

REFERÊNCIAS

  • [1] R. Mounetou, I.B. Alcantara, A. Incalza, J. Justiniano, P. Loiseau, G. Piguet, et al.,  “Oversizing array-to-inverter (dc-ac) ratio: What are the criteria and how to define the  optimum?”, Proc. Eur. Photovolt. Sol. Energy Conf. Exhib., pp. 2813-2821, Sep. 2014
  • [2] SOUZA, J. P. Oversizing e clipping nos sistemas fotovoltaicos
  • [3] J. Good and J. X. Johnson, “Impact of inverter loading ratio on solar photovoltaic system  performance”, Appl. Energy, vol. 177, pp. 475-486, Sep. 2016  
  • [4] M. Hussin, A. Omar, S. Shaari and N. M. Sin, “Review of state-of-the-art: Inverter-to array power ratio for thin-film sizing technique”, Renewable Sustain. Energy Rev., vol. 74,  pp. 265-277, 2017
  • [5] Manuais de usuário e fichas técnicas dos inversores Sungrow. Disponível em https://sungrowpower.com/pt-br Acesso em Julho de 2020

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