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'Incompatibilidade' em sistemas de energia solar: maneiras de mitigar seus impactos

Um painel solar funciona normalmente apenas quando todas as suas células interconectadas trabalhar juntos perfeitamente. Da mesma forma, somente quando todos os painéis solares operar conforme o esperado toda a matriz pode funcionar perfeitamente.

No entanto, no mundo real, não é incomum que ocorra “incompatibilidade” entre células ou painéis dos sistemas de energia solar, causando impactos negativos no desempenho.

Este artigo irá lançar luz sobre a “incompatibilidade”, incluindo as suas causas, classificações, impactos, bem como estratégias de mitigação. As práticas da indústria relacionadas com questões de incompatibilidade também serão exploradas na discussão.

Instale o conjunto de painéis solares no telhado

O que é 'incompatibilidade'? Quais são as causas?

Nos sistemas de energia solar, 'incompatibilidade' refere-se ao fenômeno em que as características elétricas de células ou painéis individuais com um painel solar diferem umas das outras.

Essa discrepância pode resultar diretamente em perdas significativas de energia e redução da eficiência geral do sistema de energia solar.

Aqui estão algumas causas comuns de incompatibilidades:

  • Sombreamento: Árvores, edifícios ou outras obstruções próximas criarão sombra parcial nos painéis solares, o que subsequentemente causará uma incompatibilidade na corrente gerada pelas células sombreadas e não sombreadas.
  • Sujando: O efeito de sombreamento também pode ser formado pelo acúmulo de poeira, sujeira, excrementos e outros detritos na superfície dos painéis. Da mesma forma, este efeito causa discrepâncias elétricas entre células ou painéis.
  • Variações de instalação: Esta é outra causa externa de incompatibilidades. Diferenças na orientação, posicionamento e ângulos de inclinação dos painéis podem dar origem a níveis variados de absorção de luz solar e desempenho resultante entre os painéis do conjunto.
  • Variações de Fabricação: Variações nas características elétricas podem ser encontradas não apenas entre painéis de fabricantes diferentes, mas também entre painéis do mesmo fabricante e lote. Estas diferenças podem levar a perdas de descasamento quando os painéis estão interligados.
  • Envelhecimento e Degradação: Com o tempo, as células e painéis solares podem degradar-se devido a processos químicos e físicos (por exemplo, degradação induzida pela luz, tensão mecânica, sobreaquecimento, etc.) a taxas diferentes, levando a variações nas suas características elétricas.
  • Configuração elétrica: Fiação defeituosa, diferenças em comprimentos de strings, problemas no conector ou no inversor também podem contribuir para perdas de incompatibilidade.

Uma coisa a notar é que as variações de temperatura nas células ou painéis podem ser frequentemente simultâneas com o início das causas acima. Este tipo de variação exerce influência nas características elétricas conforme configurações de fiação e coeficientes de temperatura.

Quais são os diferentes tipos de incompatibilidades em sistemas de energia solar?

Embora as incompatibilidades possam ser categorizadas pelas suas causas, conforme explicado acima, uma abordagem mais prática é classificá-las pelas suas características elétricas. Isto irá fornecer uma compreensão mais tangível de como as incompatibilidades afetam o desempenho.

Incompatibilidade atual

Também conhecida como incompatibilidade de amperagem, a incompatibilidade de corrente ocorre quando as correntes de saída das células ou painéis dentro de uma string não são idênticas. Este impacto é particularmente pronunciado quando o string é configurado em série, onde a corrente de todo o string é limitada pela célula ou painel com a saída de corrente mais baixa.

Incompatibilidade de tensão

Uma incompatibilidade de tensão ocorre quando há diferenças na saída de tensão dos painéis solares conectados em série dentro de uma string.

Este tipo de incompatibilidade é geralmente menos grave do que a incompatibilidade de corrente em uma conexão em série, pois a corrente geral é determinada pela saída de corrente mais baixa, enquanto a tensão geral é a soma das tensões individuais das células ou painéis individuais.

Incompatibilidade de potência

A incompatibilidade de potência está diretamente correlacionada à incompatibilidade de tensão e/ou corrente.

Uma incompatibilidade de potência refere-se a diferenças na potência de saída de células ou painéis individuais que podem ser devidas a variações em suas tensões, correntes ou ambas. Esta incompatibilidade afeta a produção geral de energia e reduz a eficiência de toda a cadeia ou sistema.

Quais são os impactos das incompatibilidades?

Além de induzir reduções na eficiência e produção no nível do painel, array ou sistema, as incompatibilidades também podem levar a vários impactos negativos:

Tensões nos Componentes

Características incompatíveis de tensão e corrente entre células ou painéis podem causar superaquecimento localizado, causando pontos de acesso que aceleram a degradação do material em taxas variadas. Esta degradação desigual pode exacerbar problemas de incompatibilidade ao longo do tempo e criar um ciclo vicioso de declínio da eficiência.

Por outro lado, incompatibilidades significativas podem dificultar que os dispositivos de rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) encontrem e mantenham o ponto ideal. O ajuste constante às saídas flutuantes devido a incompatibilidades pode causar tensões dinâmicas adicionais nesses dispositivos.

Além disso, a distribuição desigual da carga entre acessórios, como cabos e conectores, pode resultar em aquecimento localizado e potencial sobrecarga, aumentando o risco de falhas ou incêndios.

Desafios Operacionais

As incompatibilidades podem desafiar as capacidades dos algoritmos MPPT do inversor. Isso pode levar a uma conversão de energia abaixo do ideal. Se as incompatibilidades persistirem, elas poderão, em última análise, afetar a confiabilidade do sistema de energia solar, aumentando as necessidades de manutenção e possíveis tempos de inatividade.

Impactos Financeiros

A redução da eficiência e da produção de energia do sistema traduz-se diretamente numa menor receita gerada, numa menor poupança nas faturas de energia, bem como num período de retorno mais longo do investimento.

O aumento da manutenção e das substituições de componentes pode aumentar as despesas operacionais, prejudicando o ROI do projeto.

Existe algum tipo de painel solar que apresenta menos problemas de incompatibilidade?

É um facto incontestável que a 'incompatibilidade' é um problema comum em todos os tipos de painéis solares. No entanto, existem certos tipos de painéis que apresentam menos problemas de incompatibilidade do que outros.

Painéis Monocristalinos

Fabricados com materiais premium e de alta pureza, os painéis solares monocristalinos tendem a exibir um desempenho mais uniforme em comparação com seus equivalentes policristalinos. Essa uniformidade leva a menos problemas de incompatibilidade.

Painéis solares bifaciais

Esses painéis podem capturar a luz solar de ambos os lados. Ao produzirem mais energia, reduzem o efeito relativo das incompatibilidades e podem compensar o sombreamento parcial de forma mais eficaz.

Painéis solares com MLPEs

Microinversores e otimizadores de energia são ambos nível de módulo eletrônica de potência.

Em contraste com os inversores string, o primeiro atenua problemas de incompatibilidade, otimizando a saída de energia de cada painel individualmente, reduzindo o impacto dos diferentes desempenhos do painel dentro de um conjunto. Embora este último ajude a reduzir os efeitos adversos do sombreamento, da sujidade e da degradação do painel na coluna ou sistema geral, causando menos problemas de incompatibilidade.

Painéis de película fina

Atribuídas a propriedades específicas de seus materiais e composição, as tecnologias de painéis de película fina como CdTe apresentam maior tolerância ao sombreamento e às variações de temperatura. Esse recurso pode reduzir problemas de incompatibilidade em determinados aplicativos.

Como mitigar incompatibilidades?

Além da seleção dos produtos de painéis premium apresentados acima, diversas outras estratégias podem ser adotadas para a mitigação de descasamentos.

Diodos de desvio

String de painel solar com diodos de bypass
Pendem, SR e Mikkili, S. (2018). Modelagem, simulação e análise de desempenho de configurações de painéis solares fotovoltaicos (Série, Série-Paralelo e Honey-Comb) para extrair potência máxima em condições de sombreamento parcial. Relatórios de Energia, 4, 274-287

Apesar de muitos painéis modernos serem integrados com diodos de bypass em seu design, muitos produtos da geração mais antiga não possuem essas peças.

A incorporação de diodos de bypass em strings existentes pode permitir que as correntes contornem painéis sombreados ou de baixo desempenho. Isso evita que o desempenho de toda a string seja drasticamente prejudicado por um único painel de baixo desempenho.

Estratégia de classificação

O agrupamento de painéis solares com características elétricas (por exemplo, mesmo modelo, lote de produção e fabricante) pode reduzir perdas inerentes de incompatibilidade.

Especificamente, isso envolve classificar e emparelhar painéis com base em suas métricas de desempenho para garantir uniformidade nas strings.

Reconfiguraçao

Para sistemas existentes, agrupar painéis sombreados em sequências separadas ou reorganizando painéis colocar substituições de classificação mais alta em seções sombreadas pode ajudar a otimizar o desempenho geral.

Integração com MLPEs

Muitos projetos solares dependem de inversores string, mas quando os problemas de incompatibilidade se tornam graves, vale a pena considerar um retrofit para integrar microinversores ou otimizadores de energia, aproveitando sua tecnologia MPPT para mitigar incompatibilidades.

Em comparação com a utilização de painéis com MLPEs para novos projetos, a atualização de projetos existentes necessita de uma avaliação abrangente da compatibilidade destes dispositivos com os sistemas atuais. 

Manutenção

A limpeza e manutenção regulares dos painéis solares podem reduzir as perdas por incompatibilidade devido a sujeira e detritos. Garantir que os painéis estejam livres de obstruções e/ou sombreamentos pode ajudar a manter o desempenho uniforme em todo o array.

Monitoramento e Diagnóstico

O monitoramento e o diagnóstico regulares podem ajudar a identificar problemas como microfissuras, diodos de bypass defeituosos, pontos de acesso e outros defeitos que podem causar incompatibilidades. A detecção precoce contribui para a abordagem precoce destas questões e pode evitar graves problemas de incompatibilidade. Dispositivos MLPE, se instalados, podem facilitar efetivamente a detecção.

Tendências e pesquisas futuras

As incompatibilidades representam uma ameaça para o desempenho, longevidade e confiabilidade de sistemas.

Em primeiro lugar, a indústria está a realizar processos de controlo de qualidade melhorados, características de painel mais padronizadas e tolerâncias de fabrico mais rigorosas para garantir uma mais consistente desempenho do painel.

A comercialização de tecnologias inovadoras que envolvem materiais e estruturas premium, como células tandem, está ganhando impulso. Cada vez mais painéis com funcionalidade de autolimpeza estão sendo lançados para resolver problemas de incompatibilidade causados ​​por sombreamento e sujeira.

A indústria também se esforça para melhorar os MLPEs desenvolvendo algoritmos MPPT mais avançados usando aprendizado de máquina e IA que se adaptam em tempo real às mudanças nas condições.

Dispositivos de Internet das Coisas (IoT) e sensores avançados estão sendo cada vez mais usados ​​para oferecer monitoramento mais preciso e em tempo real. O conceito de gêmeos digitais também está sendo amplamente implementado para modelar parques solares, prever e identificar problemas de incompatibilidade e otimizar operações em tempo real.

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