Inversor Solar Fotovoltaico: O Que É, Como Funciona e Tipos

Inversor Fotovoltaico
Inversor Solar Fotovoltaico: O Que É, Como Funciona e Tipos
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O Que É Um Inversor Fotovoltaico?

O inversor fotovoltaico é o aparelho responsável por transformar a corrente contínua, gerada pelas placas solares, em corrente alternada, para que possa ser utilizada pelos aparelhos elétricos. De forma geral, existem dois tipos de inversor solar: o on grid e o off grid. 

A geração da energia elétrica convencional dos dias de hoje é feita através de máquinas elétricas – um motor “invertido” que transforma energia mecânica em energia elétrica.

Devido à forma de construção dessas máquinas elétricas, a eletricidade é gerada na forma de corrente alternada. Além disso, a transmissão e distribuição da corrente alternada são muito mais fáceis do que da corrente contínua.

Por esse motivo, todos os sistemas elétricos do planeta são baseados em corrente alternada (salvo raras exceções em que é necessário fazer algum tipo de ajuste; como é o caso da Usina Hidrelétrica de Itaipu).

Por isso mesmo é que a quase totalidade dos aparelhos consumidores de energia elétrica (eletrodomésticos, eletroeletrônicos, iluminação, telecomunicação, etc.) são construídos para serem ligados diretamente à rede em corrente alternada.

A geração de energia elétrica pelas células fotovoltaicas é um processo físico-químico, no qual as características elementares dos materiais que compõem as células fotovoltaicas liberam elétrons ao receberem radiação luminosa.

Os elétrons fluem sempre no mesmo sentido, da parte superior das células fotovoltaicas para a parte inferior (tomando como exemplo uma célula solar fotovoltaica de silício), por isso a corrente elétrica gerada é do tipo corrente contínua.

Devido a isso, na maioria das vezes é necessário utilizar o inversor fotovoltaico para poder utilizar aquela lâmpada, televisão, geladeira, etc., que foi feita para receber eletricidade em corrente alternada.

 

Tipos de Inversores Fotovoltaicos e as Diferenças do Inversor On-grid x Off-grid

Existem, basicamente, dois tipos de inversores fotovoltaicos, que diferem de acordo ao seu funcionamento em relação à forma como fornecem energia elétrica aos aparelhos consumidores (na linguagem técnica: de acordo à forma como alimentam às cargas).

 

Como Funciona um Inversor Fotovoltaico Autônomo? – Inversor Off Grid

Esse tipo de inversor solar é feito para “alimentar diretamente às cargas”, retirando energia diretamente de um banco de baterias, gerando o sinal elétrico de corrente alternada e fornecendo a potência elétrica diretamente aos aparelhos consumidores.

Esse tipo de inversor solar fotovoltaico é utilizado nos sistemas fotovoltaicos isolados, comumente chamados de off-grid, justamente pela sua capacidade de fornecer energia diretamente às cargas, dependendo somente do banco de baterias.

Os inversores autônomos, apelidados de inversores off-grid, não podem ser utilizados em sistemas on-grid (conectados à rede) porque não tem capacidade de interagir com o sinal de corrente alternada presente na rede.

No caso da ligação de um inversor autônomo em uma rede, o resultado é quase sempre uma explosão (e não é de alegria).

 

Como Funciona um Inversor Fotovoltaico Interativo à rede? – Inversor Grid Tie

inversor fotovoltaico

 

Esse tipo de inversor fotovoltaico é construído para interagir com o sinal senoidal da corrente alternada presente na rede (guarde esse termo técnico, porque ele é muito elegante, e impressiona os amigos).

Os inversores interativos, também chamados de inversores on-grid, são feitos para trabalhar especificamente com a rede e, de forma automatizada, se comportam como unidade de controle do sistema fotovoltaico on-grid.

Um inversor interativo age como se fosse um “misturador de energia”, que mistura a energia solar à energia elétrica convencional, permitindo o uso dessa energia por qualquer aparelho ligado à rede elétrica.

Como ficam ligados permanentemente à rede, os inversores interativos devem ser capazes de fornecer a corrente alternada da maneira mais perfeita possível, além de detectar qualquer anomalia que apareça na rede, como flutuações de tensão (elevações ou rebaixamentos momentâneos da “voltagem” da rede, que podem ser percebidos quando o brilho das lâmpadas varia) ou de frequência, e principalmente as quedas de tensão.

Como o inversor fica permanentemente ligado à rede, no caso de quedas de tensão (apagões) ele deve se desligar automaticamente, evitando pôr em risco o serviço de manutenção.

Esse comportamento é chamado de “anti-ilhamento”; a “ilha” é uma unidade consumidora, como sua casa (ou trecho de rede), por exemplo, que ficaria alimentada em caso de problemas na rede elétrica.

Isso acarretaria problemas, não só para os técnicos de manutenção e para a rede, mas também para o próprio gerador, que poderia ser sobrecarregado, vindo a se danificar.

Justamente devido a essas características, um inversor interativo não funciona como inversor autônomo, ou seja, não é possível utilizar um inversor grid-tied em um sistema off-grid, pois esse não consegue alimentar diretamente às cargas, uma vez que é construído para alimentar à rede.

 

Classificação de Inversores Interativos

De acordo à sua potência e capacidade de receber o arranjo fotovoltaico, os inversores interativos são classificados em 3 tamanhos:

 

Inversor Central

São os modelos de grande porte, utilizados somente em usinas e que recebem arranjos fotovoltaicos compostos por centenas (até milhares) de módulos fotovoltaicos.

 

Inversor de string (string-inverter)

São os modelos de baixa potência, com capacidade para trabalhar com até algumas dezenas de módulos fotovoltaicos. São os modelos mais utilizados em aplicações de pequeno porte, como as domésticas.

O que difere um inversor de string de um inversor central é simplesmente a sua potência, e embora seja difícil definir a partir de que “tamanho” um inversor de string passa a ser um inversor central, geralmente os modelos com potência superior a 100 kW são classificados como sendo inversores centrais.

Os inversores centrais são produzidos exclusivamente para as grandes usinas, por isso são ainda mais exigidos que os inversores de string.

Entretanto, muitos fabricantes possuem modelos de inversores que podem ser associados e controlados de forma central, permitindo a criação de grandes usinas solares utilizando inversores de string.

Perceba, então, que uma usina com potência de 1.000 kWp (constituída por mais de 3.200 módulos) pode ser feita tanto com um inversor central de 1.000 kW, quanto com 10 inversores de 100 kW.

Nesse caso, os 10 inversores não seriam centrais. Meio complexo, não?

 

Micro-inversor

Micro Inversor

São os modelos com potência muito pequena (geralmente menor que 300 W), e a maioria é feita para se conectar a somente um módulo fotovoltaico.

Apesar do pequeno tamanho, o micro inversor deve possuir todas as características de um inversor de string, a única diferença é somente a sua potência reduzida.

E também é possível fazer uma grande usina solar fotovoltaica com micro-inversores. Esse tipo de inversor fotovoltaico será utilizado milhares de vezes, ao invés de um grande inversor central.

Os fabricantes, inclusive, afirmam que a sua eficiência é maior, pois cada micro-inversor aproveita o máximo da potência (e rendimento energético) do módulo fotovoltaico ao qual está ligado.

Além disso, caso ocorra algum problema em um micro-inversor, este representará uma perda insignificante na geração da usina.

O monitoramento eletrônico é capaz de acompanhar cada um dos micro-inversores, sendo possível identificar, rápida e precisamente, um problema a nível de módulo fotovoltaico.

Só para comparar, como um inversor central recebe a conexão de centenas de módulos fotovoltaicos, é muito mais difícil localizar um único módulo que esteja apresentando problemas.

E necessário, então, realizar a inspeção por uma área muito grande, buscando o dispositivo defeituoso.

 

Inversor Híbrido

Com o advento das novas baterias de fosfato de ferro e lítio (como as baterias PowerWall, da Tesla), iniciou-se a massiva popularização dos inversores híbridos, que possuem, ao mesmo tempo, as características técnicas dos inversores autônomos e dos inversores interativos.

Na verdade, um inversor fotovoltaico híbrido é composto, na maioria das vezes, de dois inversores diferentes dentro da mesma carcaça.

Sendo assim, esses inversores podem ser ligados à rede, funcionando como um inversor interativo, e podem ser ligados diretamente às cargas (os aparelhos consumidores de energia elétrica), funcionando como um inversor fotovoltaico autônomo.

Os dois “inversores internos” são alimentados pelo banco de baterias, e cada um apresenta o seu comportamento específico: se houver queda de tensão na rede, a parte interativa vai se desconectar automaticamente, enquanto a parte autônoma continuará alimentando as cargas ininterruptamente, enquanto houver energia nas baterias.

É por isso que sempre será necessário fazer alterações na instalação elétrica da unidade consumidora quando se instala um inversor fotovoltaico híbrido.

Os equipamentos que precisam ser alimentados continuamente devem ser ligados diretamente à saída autônoma (off-grid) do inversor híbrido, enquanto a saída interativa (on-grid) é ligada ao quadro geral da residência.

São, portanto, duas instalações elétricas independentes: uma para a parte off-grid, outra para a parte on-grid do inversor híbrido.

Ainda não conheço micro-inversores híbridos, pois a maioria dos modelos são de potências entre 5 kW e 25 kW, portanto dentro da faixa dos inversores de string.

O tempo de autonomia é dado pela capacidade do banco de baterias; quanto maior for a necessidade de autonomia e a potência da parte autônoma (off-grid) do inversor híbrido, maior deverá ser o banco de baterias e, portanto, mais caro será.

 

Inversor Fotovoltaico e o INMETRO

É muito comum a utilização de inversores autônomos sem a homologação do INMETRO. São bem escassos os modelos testados e homologados, e muitos fornecedores possuem modelos de inversores fotovoltaicos cujo fabricante não é brasileiro e, dessa forma, estão de acordo com as normas internacionais de qualidade e eficiência, mas ainda não foram submetidos ao INMETRO.

Como os inversores fotovoltaicos autônomos são utilizados em sistemas fotovoltaicos isolados da rede pública de distribuição de energia elétrica (off-grid), somente o cliente é o responsável pela fiscalização.

Tenha em mente que, apesar do registro do INMETRO indicar uma possível boa qualidade de um inversor, isso não significa que um modelo que não tenha o selo INMETRO seja de má qualidade.

Existem muitos fabricantes e modelos internacionais que simplesmente não foram homologados no Brasil, mas que possuem, ou são, excelentes inversores fotovoltaicos.

Em relação aos inversores interativos, a história é diferente: as distribuidoras exigem o registro no INMETRO para a aprovação do projeto de sistema solar fotovoltaico conectado à rede.

Sem o registro do INMETRO, não importa a qualidade do inversor, ele NÃO SERÁ ACEITO pela distribuidora. Por isso, é muito importante adquirir somente modelos que estejam devidamente homologados e com o registro válido.

Os modelos homologados no INMETRO podem ser pesquisados através do site do instituto, na seção de componentes para sistemas fotovoltaicos.

Nos laboratórios vinculados ao INMETRO, são feitos testes de modelos com potência máxima de 10 kW, por isso os inversores centrais não têm registro no INMETRO.

Mesmo porque, o inversor fotovoltaico central de grandes potências (acima de 500 kW) é feito sob encomenda, sendo equipamentos de grande porte geralmente despachados diretamente para o local onde serão instalados.

O registro no INMETRO tem prazo de validade de um ano, no fim desse período o fabricante tem que homologar novamente, com os custos de homologação ficando na ordem de R$ 20.000,00 por modelo.

Por isso, somente alguns poucos modelos são homologados.

Os modelos de inversores que os fabricantes têm maior interesse comercial, e que serão vendidos mais rapidamente, geralmente são os escolhidos para homologação.

Modelos antigos, ou que estavam em estoque antes da normativa do INMETRO que obriga a homologação, não são enviados aos laboratórios e por isso não serão aceitos pelas distribuidoras.

 

Onde o Inversor Fotovoltaico Deve Ser Instalado?

Tipos de Energia Solar: Inversor Grid Tie
Energia Fotovoltaica: Inversor Grid-Tie

Até pouco tempo, não havia restrições para o local de instalação dos inversores e muita gente os instalava em locais ocultos, de difícil acesso, como sótãos e porões muito apertados e sem uso (diretamente abaixo de um telhado baixo ou logo abaixo de escadas), áreas de serviço próximas a churrasqueiras e pias, e outros locais inadequados.

Um sistema fotovoltaico é uma instalação elétrica, e como tal deve receber atenção especial. O local adequado para a instalação do inversor fotovoltaico interativo e sua “string-box” deve ser de fácil acesso para manutenção, mas, de preferência, longe do alcance de pessoas que não receberam orientações sobre os riscos da eletricidade, em especial as crianças.

Quanto mais próximo do quadro geral de distribuição da residência, melhor.

Observe também a distância entre o inversor interativo e o arranjo fotovoltaico. O inversor interativo pode ser, sim, instalado em um sótão ou porão, desde que o acesso seja simples (sem necessidade de se “armar” uma escada externa, por exemplo).

O local também precisa de espaço suficiente para não acumular muito calor e a instalação tem que ser feita de maneira limpa (sem cabos pendurados, sem fixar os dispositivos em vigas de madeira, etc).

Uma área de serviço também é adequada, quando o inversor fotovoltaico e os quadros elétricos (em especial a string-box) ficarem afastados de fontes de calor (como churrasqueiras, fornos e fogões) e de tomadas de água (torneiras, máquinas de lavar, etc).

Também é preciso que a instalação elétrica possa ser feita com profissionalismo (com eletrodutos para os cabos, fixação adequada dos quadros elétricos e altura adequada para a fixação do inversor e string-box).

A garagem, geralmente, também é um bom local, desde que se possa acessar os componentes (inversor e string-box) facilmente, mas que fique em espaço separado das tranqueiras que costumamos empilhar nesse local.

Algumas distribuidoras já exigiram a fixação do inversor fotovoltaico próximo ao “padrão de luz” da edificação, o que pode não ser adequado em muitas situações.

Não são todos os modelos de inversor solar que podem ser instalados externamente, pois não são vedados para a entrada de água, por exemplo.

Além disso, o inversor não requer inspeção frequente, pois trabalha automaticamente, se ligando e desligando tanto no começo e fim do dia, em relação à radiação solar, quanto em casos de falhas na rede (quedas de tensão, apagões, etc).

Somente em casos de inspeções para manutenção preventiva ou corretiva, ou emergências, é que se precisa acessar o inversor fotovoltaico (e a string-box); mas esse acesso deve ser livre.

Durante o seu funcionamento, os inversores fotovoltaicos (tanto interativos quanto autônomos) produzem sons; com o chaveamento da corrente contínua para corrente alternada fazendo um barulho igual ao das antigas TV’s de tubo.

Inversores de maior potência fazem mais barulho e, à noite, como não há energia solar, os inversores interativos não fazem barulho algum (exceto os híbridos).

É por isso que instalar o inversor não sala (de estar ou de jantar/almoço) pode não ser muito interessante (durante o dia, claro).

Os inversores também aquecem e, quanto maior a potência, mais calor geram. Por isso, precisam de bastante ar para dissipar esse calor.

Nos manuais de instalação, operação e manutenção, os fabricantes informam qual é a área necessária para que o modelo de inversor consiga dissipar o calor tranquilamente.

O que não pode ser feito é enclausurar o inversor interativo em um quadro elétrico, ou embutido na parede, por exemplo, pois ele tem que ficar aparente.

Por isso, não é uma boa ideia instalar o inversor fotovoltaico logo abaixo das telhas, pois este costuma ser um local muito quente em uma residência.

Se a temperatura no local do inversor sobe muito (geralmente acima dos 45°C a 50°C), é ativado um sistema interno que diminui a potência do inversor, de forma a diminuir a sua temperatura interna, o que faz com que a geração de energia caia muito.

Se a temperatura subir muito (60°C, por exemplo), o inversor simplesmente se desliga, até que a temperatura caia.

Durante a visita técnica para inspeção do local de instalação, o técnico instalador de energia solar fotovoltaica deve avaliar os melhores locais e orientar o cliente sobre todos esses requisitos.

 

A String-Box

string box

Um conjunto de módulos fotovoltaicos associados eletricamente em série é chamado de string (que pode ser traduzido como: fileira de módulos).

Os inversores de string (ou string-inverters, em inglês) recebem esse nome porque são de potência reduzida (em relação aos grandes inversores centrais das usinas solares), e os modelos mais comuns suportam entre uma a três séries de módulos.

Os módulos fotovoltaicos possuem conectores específicos que permitem facilmente a sua interligação em série, sendo que os cabos têm comprimento adequado para se ligar de um módulo ao outro no telhado mesmo.

Quando se tem mais de uma série, é comum que essas sejam “paralelizadas” (ligadas em paralelo) diretamente no inversor fotovoltaico ou através de uma “caixa de combinação” (em inglês: “combiner-box”), que é um quadro elétrico produzido para receber as várias strings e que oferece proteção e seccionamento.

A proteção contra sobrecorrentes ou curto-circuito é feita através de fusíveis próprios para corrente contínua. O seccionamento é feito com uma chave interruptora, que permite desligar o arranjo fotovoltaico do inversor quando se precisa fazer manutenção ou inspeção.

Também é comum a instalação de dispositivos de proteção contra surtos de tensão provocados por descargas atmosféricas (em português: raios), o chamado “DPS”.

Quando se tem somente uma string, ou seja, somente uma série (ligação elétrica) de módulos fotovoltaicos, não é necessária uma “combiner-box”, pois não há a necessidade de combinar várias strings.

Mas ainda assim são desejáveis a proteção e o seccionamento, por isso utiliza-se uma versão menor e simplificada, chamada simplesmente de string-box.

Muitos inversores de string já possuem a chave seccionadora (chave interruptora), por isso não é necessário tê-la na string-box.

Alguns modelos de inversores interativos de maior porte (com potência superior a 10 kW, por exemplo) já possuem uma string-box embutida, com os fusíveis, o DPS e a chave seccionadora, portanto a conexão do arranjo fotovoltaico é diretamente no inversor fotovoltaico.

Uma curiosidade: na Europa, geralmente não se usa string-box para sistemas fotovoltaicos de potência muito baixa (abaixo de 5 kWp – com 20 módulos fotovoltaicos ou menos).

Mas, no Brasil, a maioria dos integradores/instaladores utiliza string-boxes até para instalações muito pequenas, como por exemplo 1,5 kWp (com até 5 módulos). Há sempre muita discussão sobre esse assunto entre os profissionais do setor.

Também é muito comum, por aqui, o uso de um quadro de gerenciamento do sistema fotovoltaico, que nada mais é que uma string-box junto com o DPS e o disjuntor, ligados na saída para a rede do inversor interativo.

 

Qual é a Potência Ideal de Inversor Fotovoltaico para Minha Casa?

O dimensionamento do inversor fotovoltaico interativo é, basicamente, o dimensionamento do sistema solar fotovoltaico. Afinal, o inversor interativo é o componente principal e o responsável pela injeção da energia na rede.

O dimensionamento é muito simples. Você só precisa de duas informações:

  • O consumo médio diário de energia elétrica: basta dividir o seu consumo médio mensal por 30 (dias)
  • O valor da radiação solar para a sua localidade: que pode ser obtida gratuitamente de vários bancos de dados de radiação solar.

Eu recomendo o “CRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica – Sérgio de Salvo Brito” e o “SWERA – Solar and Wind Energy Resource Assessment”.

No mapa abaixo, extraído do Atlas Brasileiro de Energia Solar, você pode ver a radiação solar média para todo o Brasil.

 

mapa radiação solar
FONTE: Atlas Brasileiro de Energia Solar

 

Depois, é só dividir o valor do consumo médio diário de energia elétrica pelo valor da radiação solar média, e você já terá um dimensionamento preliminar do seu sistema fotovoltaico e da potência do inversor interativo. Simples, né?

É claro que um projeto completo considera muitas variáveis e situações, como a posição de instalação dos módulos fotovoltaicos, a temperatura média do local, possíveis objetos causadores de sombra sobre os módulos fotovoltaicos e muitos outros fatores. Mas tudo começa com esse dimensionamento preliminar.

 

Exemplo de Dimensionamento Fotovoltaico Preliminar

Uma residência, cujo consumo médio mensal de energia elétrica é de 500 kWh/mês, está situada em Ribeirão Preto-SP. Calculemos, preliminarmente, a potência ideal do inversor e do sistema fotovoltaico:

calculo dimensionamento

A cidade de Ribeirão Preto está situada em região que tem valor de radiação solar em média anual entre 5,25 kWh/m² e 5,60 kWh/m², segundo o mapa de Radiação Solar Global Horizontal Média Anual.

Vamos adotar o valor 5,25 kWh/m² para calcular a potência do inversor interativo.

calculo dimensionamento 2

Necessitaremos, então, de um inversor interativo com potência de 3 kW. Existem modelos comerciais com potência de 3,3 kW que servirão muito bem.

E, por favor, não me pergunte como é que eu fiz para “sumir” com o “m²” na equação acima; isso é mais difícil de explicar do que fazer essa conta simples. Mas acredite em mim: é assim mesmo que gente faz.


E então, gostou do artigo? Já pode dizer, com confiança, o que é um inversor fotovoltaico e como ele funciona? Não deixei de postar sua opinião ou comentário logo abaixo. Abraço e até a próxima!

Professor Técnico/Eletrotécnico Especialista em Sistemas Fotovoltaicos
CREA-SP: 5069378190
www.linkedin.com/in/aetneo
Blue Sol – Energia Solar

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