INVERSOR SOLAR - Fotovoltaico

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
Projeto
INVERSORES 
Recife
2018
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
INVERSORES
INVERSOR SOLAR FOTOVOLTAICO
ELETRÕNICA DE POTÊNCIA
Trabalho apresentado pelo aluno: 
Aluno (a):
Mat: 
Recife
2018
Introdução
O que é Energia Solar Fotovoltaica?
A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz do sol em eletricidade, isso ocorre através de um efeito chamado fotovoltaico que é o aparecimento de uma diferença de potencial nas extremidades de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental para este processo.
Sistema Fotovoltaico
Um sistema de energia solar fotovoltaico, também chamado de sistema de energia solar ou, ainda, sistema fotovoltaico, é um sistema capaz de gerar energia elétrica através da radiação solar. Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: Sistemas Isolados (Off-grid) e Sistemas Conectados à Rede (Grid-tie).
Os Sistemas Isolados são utilizados em locais remotos ou onde o custo de se conectar a rede elétrica é elevado. São utilizados em casas de campo, refúgios, iluminação, telecomunicações, bombeio de água, etc. Já os Sistemas Conectados à rede, substituem ou complementam a energia elétrica convencional disponível na rede elétrica. 
Enquanto um sistema isolado necessita de baterias e controladores de carga, sistemas conectados à rede funcionam somente com painéis e inversores, já que não precisam armazenar energia.
Um sistema fotovoltaico possui quatro componentes básicos:
Painéis solares:
Fazem o papel de coração, “bombeando” a energia para o sistema. Podem ser um ou mais painéis e são dimensionados de acordo com a energia necessária. São responsáveis por transformar energia solar em eletricidade.
Controladores de carga:
Funcionam como válvulas para o sistema. Servem para evitar sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho.
Inversores:
Cérebro do sistema, são responsáveis por transformar os 12 V de corrente contínua (CC) das baterias em 110 ou 220 V de corrente alternada (AC), ou outra tensão desejada. No caso de sistemas conectados, também são responsáveis pela sincronia com a rede elétrica. 
Baterias:
Trabalham como pulmões. Armazenam a energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não há sol.
Funcionamento do sistema de energia solar fotovoltaica:
O Painel Solar gera a energia solar fotovoltaica:
O Painel Solar reage com a luz do sol e produz energia elétrica (energia fotovoltaica). Os painéis solares, instalados sobre o telhado, são conectados uns aos outros e então conectados ao Inversor Solar.
O Inversor Solar converte a energia solar de AC para CC:
Um inversor solar (falaremos mais detalhadamente sobre ele) converte a energia solar dos painéis fotovoltaicos (Corrente Continua - CC) em energia elétrica que pode ser usada em Casas ou Empresas para TVs, Computadores, Máquinas, Equipamentos, e qualquer equipamento elétrico (Corrente Alternada - AC) que seja necessário.
A Energia Solar é distribuída para casa ou empresa:
A energia que sai do inversor solar vai para o "quadro de luz" e é distribuída para a casa ou empresa, e assim reduz a quantidade de energia que é compra da distribuidora.
A Energia Solar é usada por utensílios e equipamentos elétricos:
A energia solar pode ser usada para tudo àquilo que necessitar de energia elétrica, substituindo a energia que antes era comprada às distribuidoras.
O excesso de energia vai para a rede da distribuidora gerando créditos:
O excesso de eletricidade volta para a rede elétrica através do registro de luz (relógio de luz bi-direcional). Esse relógio de luz mede a energia da rua que é consumida quando não tem sol e, a energia solar gerada em excesso quando tem muito sol e é injetada na rede da distribuidora.
A energia solar que vai para a rede vira "créditos de energias" para serem utilizado de noite ou nos próximos meses.
Cada distribuidora de energia tem as suas regras e as exigências para conectar o seu sistema de energia solar fotovoltaica na rede elétrica e, variam bastante.
O seu registro de luz antigo vai ser substituído por um registro de luz novo que é "bidirecional" (mede a entrada e a saída de energia ). Desta forma ele será capaz de medir a energia que é consumida da rede elétrica e medir também a energia gerada em excesso pelo sistema fotovoltaico que é injetada na rede assim gerando "créditos de energia" .
Os "Créditos de Energia" são medidos em kWh. Para cada kWh gerado em excesso pelo sistema solar fotovoltaico, gera um crédito de kWh para ser consumido em outro momento ou até nós próximos meses, sempre quando não houver energia solar. Esse crédito é contabilizado pelo registro de luz bidirecional e é medido pela distribuidora de energia. Se injetar mais na rede do que consumiu você terá créditos de energia para serem usados nos próximos meses.
Os créditos de energia são regulamentados pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) possuindo regras específicas que variam de acordo com a sua localização e sua classe de consumo (residência, comercial ou industrial).
Tipos de Sistema Fotovoltaico
1-) Off-Grid: Também conhecido como sistema isolado, funcionamento independente da rede elétrica, geralmente utiliza bateria para armazenamento da energia gerada.
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2-) On-grid: Também conhecido como grid-tie ou conectado à rede, precisa da existência da rede elétrica local para funcionamento, tendo a produção de energia entregue diretamente a ela.
Subdivisões dos Sistemas Fotovoltaicos
Sistema Fotovoltaico Residencial de energia solar conectado a rede (1-10Kwp);
Sistema Fotovoltaico Comercial de energia solar conectado a rede (10-100Kwp);
Sistema Fotovoltaico Industrial de energia solar conectado a rede (100 – 1000Kwp);
Sistemas fotovoltaicos isolados/autônomos de energia solar;
Sistemas fotovoltaicos híbridos de energia solar;
Sistema Fotovoltaico Residencial (1kwp a 10Kwp)
A energia solar residencial ou, sistema fotovoltaico residencial, permite que produzir parte ou toda a energia consumida em uma residência, assim, se livrando de  boa parte da sua conta de luz. Para se calcular o tamanho de um sistema fotovoltaico residencial usa-se como base a conta de luz (o seu consumo de energia elétrica em kWh), a área disponível para receber a placa solar e a localidade geográfica (os índices de irradiação solar variam muito de acordo com o local).
Sistema Fotovoltaico Comercial de Energia Solar  Conectado a Rede (10kwp a 100Kwp)
O sistema fotovoltaico para empresas (sistema fotovoltaico comercial), funciona exatamente como o sistema fotovoltaico residencial, ele permite gerar parte ou toda a energia necessária para um comércio, assim, reduzindo a conta de luz. Para se calcular o tamanho de um sistema fotovoltaico comercial também usa-se como base a conta de luz (o seu consumo de energia elétrica), a área disponível para receber os painéis solares e a localidade geográfica (os índices de irradiação solar variam muito de acordo com o local). 
A diferença entre um sistema solar fotovoltaico Comercial e um sistema solar fotovoltaico Residencial é a potência (quantidade de painéis solares), e os sistemas fotovoltaicos comerciais geralmente tem uma potencia instalada entre 10kwp e 100Kwp, ocupando uma área entre 65m2 e 700m2.
Sistema Fotovoltaico Industrial Conectado a Rede (100kwp a 1000Kwp)
Funciona exatamente como o sistema fotovoltaico residencial e o comercial, ele  permite gerar parte ou toda a energia necessária em um comércio/indústria. 
Os sistemas Fotovoltaicos Industriais de energia solar  tem uma potencia instalada entre 100kwp e 1000Kwp, ocupando uma área entre 650m2 e 7000m2. (varia de acordo com a instalação).
Sistemas Fotovoltaicos ISOLADOS ou AUTÔNOMOS (off grid / standalone)
São sistemas de energia solar fotovoltaica que não estão conectados a rede elétrica, sistemas isolados que alimentam diretamente os aparelhos (cargas) que vão consumir a energia gerada. Os sistemas de energia solar autônomos são muito utilizados em lugares remotos. Esses sistemas devem ser dimensionados minuciosamente, calculando-se exatamente o consumo do aparelho (carga). Com base nos piores índices de radiação solar daquela área específica, dimensiona-se o sistema fotovoltaico isolado para ter uma autonomia de até três dias (em média). Exemplos:
 - Sistemas Fotovoltaicos de energia solar para bombeamento;
 - Sistemas Fotovoltaicos de energia solar para eletrificação de cercas;
 - Postes de Iluminação Solar;
 - Estações replicadoras de sinal;
 - Casas isoladas da rede elétrica;
Sistemas Fotovoltaicos HÍBRIDOS 
Os sistemas híbridos de energia solar fotovoltaica são uma mistura de "sistemas isolados" com "sistemas conectados a rede elétrica". Ou seja, ele é um sistema conectado a rede elétrica, mas, possuem também um banco de baterias para armazenar a energia. 
Esses sistemas são mais caros que os tradicionais conectados a rede pois, além do banco de baterias, eles também necessitam de diversos mecanismos de segurança e equipamentos específicos que acabam encarecendo a solução como um todo.
Falaremos um pouco mais sobre os inversores, que para o sistema fotovoltaico é considerado como o cérebro do sistema.
Inversores
Os inversores de corrente, também chamados conversores DC-AC ou onduladores, são o equipamento eletrônico que transforma a energia de corrente continua em corrente alterna.
São ainda chamados conversores DC/AC, pois fazem parte da família do conversores, uma vez que a energia acumulada nas baterias é corrente contínua (DC) e a energia que produzem à saída é alterna (AC).
Os inversores também são circuitos estáticos. Eles convertem potência DC em potência AC com a frequência e tensão ou corrente de saída desejada. 
 A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não-senoidal, pode, com uma boa aproximação, chegar a ser considerada como tal.
Há muitos tipos de inversores e são classificados de acordo como o número de fases, com a utilização de dispositivos semicondutores de potência, com os princípios de comutação e com as formas de onda de saída. 
O circuito básico para gerar uma tensão alternada monofásica é também conhecido como inversor em H-ponte (meia-ponte) porque usa duas chaves semi-condutoras. 
O inversor de frequência variável (conhecido como VFD em inglês) é um tipo de controlador que tem a função de acionar um motor elétrico e ao mesmo tempo variar a frequência e a tensão que é fornecida ao motor com o objetivo de controlar a sua velocidade e potência consumida. Outros nomes para um VFD que podemos encontrar no mercado são: drive de velocidade variável, drive ajustável da velocidade, drive de frequência ajustável, drive CA (corrente alternada), microdrive ou simplesmente inversor.
O inversor de frequência pode ser configurado para gerar uma rampa de descida, reduzindo a freqüência e a tensão para que o motor opere conforme os requisitos da carga (velocidade e tensão desejada).
Uma característica importante do inversor é que à medida que os requisitos de velocidade do motor em uma determinada aplicação mudam, o inversor de frequência pode simplesmente subir ou descer a velocidade do motor a fim de atender as novas exigências de operação, o que não seria possível utilizando outros equipamentos, como um redutor mecânico.
Funcionamento de um Inversor
O primeiro estágio de um inversor de frequência é o conversor. Um conversor trifásico é composto de seis diodos, que por analogia a um sistema hidráulico, são semelhantes às válvulas de retenção utilizadas em encanamentos. 
Assim, eles permitem que a corrente flua em apenas uma direção que é exatamente a direção mostrada pela seta no símbolo de diodo. 
Por exemplo, sempre que a tensão da fase A (tensão é semelhante à pressão em sistemas de encanamento) é mais positiva do que as tensões da fase B ou C, então esse diodo se abrirá e permitirá que a corrente flua. Por outro lado, quando a fase B se tornar mais positiva do que a fase A, então é o diodo da fase B que será aberto e o diodo de fase A fechado. O mesmo é verdadeiro para C e também para os 3 diodos no lado negativo do barramento. 
Assim, obtemos seis “pulsos” de correntes à medida que cada diodo abre e fecha. Isso é chamado de “retificador ou conversor de seis pulsos”, que é a configuração padrão para as atuais unidades de frequência variável.
Supondo que o conversor está operando em um sistema de alimentação de 480V. Pela teoria de circuitos elétricos, a classificação de 480V é com relação a “RMS” ou raiz média quadrada sendo que o pico de tensão em um sistema de 480V é de 679V. Sendo assim, o barramento DC do conversor tem uma tensão DC com uma ondulação AC sendo que a tensão varia entre aproximadamente 580V e 680V. 
Podemos nos livrar da ondulação CA no barramento DC adicionando um capacitor conforme Figura 2. Um capacitor opera de forma semelhante a um reservatório ou acumulador em um sistema de encanamento. Este capacitor absorve a ondulação de corrente alternada e fornece uma tensão contínua DC com uma pequena ondulação CA no barramento DC que tipicamente é menor do que 3 Volts. Assim, a tensão no barramento DC torna-se “aproximadamente” 650VDC contínua. É claro que isto é na teoria e que a tensão real dependerá do nível de tensão da linha de alimentação AC, do nível de desequilíbrio de tensão no sistema de potência, da carga do motor, da impedância do sistema de alimentação e de quaisquer reatores ou filtros harmônicos que houver no conversor.
O conversor de ponte a diodo que converte AC para DC muitas vezes é apenas referido como um conversor. Por outro lado, o conversor que faz o contrário, ou seja, que converte o DC de volta em AC é também um conversor. Sendo assim, para distingui-lo do conversor a diodo, ele geralmente é referido como um “inversor”. Justamente por este motivo, tornou-se comum na indústria referir-se a qualquer conversor DC-AC como um inversor.
Analisando a Figura 3 acima, temos o seguinte: quando fechamos um dos interruptores superiores no inversor (lado direito da Figura 3), essa fase do motor é conectada ao barramento CC positivo e a tensão nessa fase torna-se positiva. 
Por outro lado, quando fechamos um dos comutadores inferiores no inversor, essa fase é conectada ao barramento DC negativo e torna-se negativa. Assim, podemos fazer qualquer fase no motor tornar-se positiva ou negativa da maneira que desejarmos e gerar qualquer freqüência que depende somente da velocidade da abertura e fechamento dos interruptores. Resumindo, podemos fazer qualquer fase ser positiva, negativa ou zero conforme é possível visualizar na Figura 4.
Observe que no caso do chaveamento alternado dos interruptores, a saída do inversor de frequência é uma forma de onda “retangular” pois ele não produz uma saída senoidal. 
Esta forma de onda retangular não seria uma boa escolha para um sistema de distribuição de uso geral, mas pode ser perfeitamente adequado para um motor. No entanto, se quisermos reduzir a freqüência do motor para 30 Hz, podemos mudar o comando de chaveamento dos interruptores (que vamos chamar a partir de agora de transistores de saída) do inversor para que eles operem mais lentamente.
 Na teoria, se reduzimos a freqüência para 30Hz, então devemos também reduzir a tensão para 240V a fim de manter a relação V/Hz.
Assim surge a seguinte pergunta: Como reduzir a tensão se a única tensão que temos é a de 650Vdc? Isso é possível aplicando-se a técnica chamada de Modulação de Largura de Pulso ou PWM.
A Modulação por largura de pulso pode ser dividido em três grupos:
Modulação por largura de pulso simples;
Modulação por largura de pulso múltipla;
Modulação por largura de pulso senoidal.Imagine que poderíamos controlar a pressão em uma linha de água abrindo e fechando a torneira a uma velocidade alta. Enquanto isso não seria prático para sistemas de encanamento, ele funciona muito bem para um inversor de frequência.
Veja as imagens abaixo:
Na imagem acima, observe que se colocarmos um pulso metade do tempo ligado e a outra metade de tempo desligado, teremos uma tensão média na saída equivalente à metade da entrada. Assim, se tivermos 480V na entrada, a saída será 240V. Veja que pulsando os comandos, podemos atingir qualquer tensão média na saída do inversor de frequência.
Agora observe que à medida que o pulso varia a sua largura, a tensão no diodo também varia. Se o pulso fica mais tempo ligado do que desligado, a tensão e a carga no LED aumenta e ela diminuirá caso a largura do pulo ligado for menor do que a dele desligado. Se imaginarmos isto variando positivamente e negativamente, teremos exatamente o que o inversor de frequência faz. 
Veja as imagens abaixo: 
Se pegarmos o ciclo positivo da senoide e observarmos a partir do início, você verá que a largura do pulso vai aumentando à medida que chega ao pico (totalmente ligado).
 A partir daí ele vai diminuindo até se desligar (momento que atinge o valor 0). A energia liberada consequentemente vai seguindo esta regra e no final temos uma senoide (linha vermelha). 
Quanto maior a quantidade de pulsos, mais perfeita será esta senoide.
 
Agora que entendemos o funcionamento de um inversor comum, entraremos nos inversores fotovoltaicos e suas peculiaridades.
O INVERSOR SOLAR
O inversor solar ou inversor fotovoltaico, tem com papel principal no sistema fotovoltaico inverter a energia elétrica gerada pelos painéis, de corrente continua (CC) para corrente alternada (CA). O Seu papel secundário e garantir a segurança do sistema e medir a energia produzida pelos painéis solares.
O inversor pode possuir ou não um transformador em seu interior. Alguns não possuem para otimizar a energia produzida, uma vez que os transformadores geram calor. Em outras palavras: quanto menor energia térmica produzida, menor será a perda de energia elétrica – logo, o aparelho se torna mais eficiente.
Funcionamento do inversor solar
O aparelho tem o formato de uma caixa metálica com alguns botões, mas tem muitos componentes em seu interior. 
O processo de inversão energética consiste em prover, logo na saída do inversor, uma tensão ou corrente alternada. Para isso utiliza-se uma corrente ou tensão contínua para alimentar essa saída. Por exemplo, uma tensão de 12v sai da bateria de um carro e vai para um terminal de 220v/60Hz.
No meio do processo, o aparelho conta com interruptores ou chaves eletrônicas, que podem ser transistores do tipo IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), IGCT (Portão Integrado Controlado) ou MOSFET (Transistor de efeito de Campo Metal — óxido — semicondutor).
Tipos de inversores fotovoltaicos
Há diferentes tipos de inversores, com objetivos diversos:
Grid Tie 
Grid tie significa “conectado à rede”. Diferentemente do off grid, ele é utilizado para ligar sistemas fotovoltaicos sem baterias nas redes residenciais ou industriais. A vantagem é que eles são projetados para desligar rapidamente da rede elétrica, caso haja queda de energia.
Esse desligamento é um procedimento de segurança para com a rede elétrica, chamada de ilhamento. O inversor grid tie copia a frequência da rede e para de funcionar para evitar curtos ou problemas quando não há fornecimento de energia da rede.
Do mesmo modo, os inversores possuem um sistema de monitoramento que faz o registro de dados integrados no inversor, conectando a uma rede wi-fi. 
Este tipo de inversor solar também faz a sincronização com a rede pública de eletricidade, isto é, a energia solar fornecida é exatamente igual àquela que é recebida pela rede elétrica.
Inversor off grid
Off grid, em português, significa “desconectado ou fora da rede”. São sistemas independentes que não necessitam da rede pública de distribuição de energia. São viáveis em áreas isoladas ou espaços rurais, principalmente em lugares aonde a eletricidade não chega.
São usados principalmente para abastecerem sistemas de telefonia e de rádio, estações meteorológicas, entre outros.
Micro inversor
É projetado para operar em um único painel solar, estabilizando a energia elétrica em cada componente e fazendo-os funcionar independentemente em um único cômodo ou lugar específico, que necessita o tempo todo de eletricidade. A vantagem desse tipo de inversor é a otimização individual da produção de energia de cada módulo.
O inversor solar mais utilizado
O tipo de inversor solar mais utilizado é conhecido como "inversor grid tie", esses são os inversores utilizados para conectar o seu sistema fotovoltaico de energia solar na rede elétrica.
A expressão grid-tie em português significa: conectado á rede. O inversor grid-tie é aquele inversor usado para conectar um sistema fotovoltaico sem baterias na rede da sua residência ou empresa, eles são projetados para desligar rapidamente da rede elétrica caso ela venha a cair.
As principais características de um inversor solar (inversor grid-tie)
O inversor solar pode ser sem transformador (Transformer-less) ou com transformador.
 O inversor solar sem transformador é um inversor mais leve, e gera menos calor (melhor para áreas fechadas) eles também tem reputação de serem mais eficientes no processo de conversão de CC para CA. Já no Brasil, diversas distribuidoras exigem que você use inversores com transformador. 
Outra característica importante é o Grau de Proteção contra água e poeira (IP) do Inversor Solar, apresentado na norma NBR IEC 60529 - Graus de proteção para invólucros de equipamentos elétricos (códigos IP). 
Um outro ponto é a eficiência do inversor, que é medida em %, indicando o quão eficiente este inversor é em converter a energia solar de corrente continua (CC) para corrente alternada (CA), para ser usada na sua casa ou comércio. A eficiência de um inversor solar para sistemas conectados a rede varia, sendo 94% a eficiência mínima aceitável. Quanto mais alta a eficiência do inversor solar melhor.
 
Possibilidade de conexão do Inversor Solar ao seu computador:
Para aqueles que realmente gostam da ideia de possuir a sua própria "usina solar" e tem um grande interesse por TI, a possibilidade de conectar o seu inversor solar ao computador pode ser interessante; pois isso possibilita monitorar o desempenho do sistema em tempo real, de qualquer lugar do mundo gerando gráficos e comparações. As maiorias dos inversores solares já possuem um display onde você pode monitorar o desempenho do sistema, portanto, a conectividade ao computador pode ser dispensável para alguns.
 
Garantia do Inversor Solar: 
Todos os Inversores solares vêm de fábrica com garantia de 5 anos e a maioria dos fabricante oferecem a opção para estender a garantia até 10 anos. Alguns inversores solares já vêm com uma garantia de 10 anos. Lembre-se, apenas porque ele tem a maior garantia, isso não significa que o inversor solar é mais confiável. O mais importante é que este inversor solar tenha uma garantia nacional e que seja de uma empresa com reputação comprovada. 
Inversor Solar com Duplo Rastreamento (Duel MPPT):
 O duplo rastreamento é como se existissem dois inversores solares dentro de um só, ele permite que você tenha no mesmo sistema painéis voltados para dois lados diferentes. Exemplo: você pretende instalar um sistema de 5kw na sua propriedade, existem duas faces disponíveis voltadas para direções diferentes, o espaço de uma única face não é suficiente para os 5kw de painéis, então você vai dividir o sistema em 2.5kw de um lado do telhado e 2.5kw na outra face do telhado. Isso somente é possível fazer com inversores solares que possuam duplo rastreamento.
Sistema Fotovoltaico
Bibliografia
https://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/sistemas-de-energia-solar-fotovoltaica-e-seus-componenteshttp://www.cedecon.com.br/blog/sistemas-de-energia-solar-fotovoltaica/
http://www.solarbrasil.com.br/blog-da-energia-solar/77-energia-solar-fotovoltaica-conceitos
http://www.solarvoltenergia.com.br/inversor-solar/
https://www.mundodaeletrica.com.br/eletronica-de-potencia-o-que-e/
https://www.ccbs-energia.pt/formacao-tecnica/solar-fotovoltaico/inversores
https://www.citisystems.com.br/inversor-de-frequencia/
http://blog.ageon.com.br/como-dimensionar-corretamente-um-inversor-de-frequencia/
http://professorpetry.com.br/Ensino/Eletronica_Potencia/Apresentacao_Aula_01.pdf