No entanto, um dos desafios da energia solar é a sua natureza intermitente. O sol nem sempre brilha e a produção de energia pode ser irregular. Os inversores solares exigem uma elevada eficiência e capacidades melhoradas, e é aqui que a integração com sistemas de armazenamento de energia (SAE) se torna uma solução poderosa para garantir um fornecimento de energia constante e fiável. À medida que a tecnologia continua a melhorar e os custos diminuem, espera-se que a adoção de sistemas de energia solar com capacidade de armazenamento cresça, abrindo caminho para um futuro energético mais sustentável e resiliente. Este artigo examina as vantagens, os tipos e as topologias para a integração do armazenamento de energia com sistemas fotovoltaicos em instalações residenciais e comerciais.

Compreender como funcionam os inversores solares e o armazenamento de energia

Os inversores solares são o coração de um sistema fotovoltaico. Convertem a eletricidade CC gerada pelos painéis solares em eletricidade CA, que pode depois ser injetada na rede elétrica. Além da conversão, os inversores solares gerem o fluxo de energia, otimizam o desempenho do sistema e garantem a segurança.

Os sistemas de armazenamento de energia (SAE) armazenam energia para utilização posterior, ajudando a equilibrar a oferta e a procura e a melhorar a fiabilidade da rede elétrica. Existem vários tipos de SAE, tais como:

• Os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês), como as baterias de iões de lítio, são utilizados devido à sua elevada densidade energética, eficiência e custos decrescentes. São comuns em sistemas de armazenamento em redes elétricas e veículos elétricos.
• Os sistemas de armazenamento mecânico , como o armazenamento hidroelétrico por bombagem, são a tecnologia de armazenamento de energia em larga escala mais consolidada. Envolvem a movimentação de água entre dois reservatórios localizados a diferentes altitudes. Este tipo oferece a maior capacidade de armazenamento de energia.
• Os sistemas de armazenamento térmico , como o " armazenamento em sal fundido ", são utilizados nas centrais termossolares para armazenar calor e gerar eletricidade quando necessário, especialmente em aplicações comerciais para armazenamento a curto prazo.

os sistemas de armazenamento de energia em baterias de iões de lítio são frequentemente utilizados para armazenar o excedente de eletricidade solar, garantindo um fornecimento constante e fiável durante os períodos de pico de procura, à noite e em dias nublados.

Vantagens da integração do armazenamento de energia com inversores solares

A integração de sistemas de armazenamento de energia (SAE) com inversores solares proporciona independência e fiabilidade energética. Ao armazenar o excesso de energia solar, os utilizadores podem reduzir a sua dependência da rede elétrica e garantir um fornecimento constante mesmo durante interrupções ou períodos de baixa geração solar. Isto permite-lhes utilizar a energia solar armazenada durante os picos de procura ou quando os preços da electricidade são mais elevados, reduzindo os custos e minimizando a sobrecarga na infra-estrutura eléctrica. Além disso, os SAE podem contribuir para a regulação da frequência e otimizar o desempenho global da rede.

Segmentação de sistemas de armazenamento de energia

Os sistemas de armazenamento de energia (SAE) dividem-se em dois segmentos: em linha (FTM) e atrás da linha (BTM). Os FTM estão tipicamente associados a sistemas de alta potência acima de 5 MW, enquanto os BTM são combinados com sistemas fotovoltaicos residenciais e comerciais que variam entre alguns quilowatts e 5 megawatts.

Tipos de inversores solares

Os inversores de string funcionam ligando painéis solares em série, formando uma cadeia. A energia CC combinada gerada pelos painéis é enviada para um único inversor, que a converte em CA. São comummente utilizados ​​em instalações residenciais, comerciais e de concessionárias de energia. No caso dos inversores trifásicos, é utilizada uma tensão de painel de 1000 a 1500 V CC com um conversor elevador (boost). Os inversores de string são económicos, fáceis de instalar e de manter. Pode surgir um problema se um dos painéis da string estiver sombreado ou a operar abaixo da capacidade, pois isso pode ter um impacto negativo no desempenho de todo o sistema.

Em contraste, os microinversores são concebidos para se ligarem a cada painel individualmente e converter a corrente contínua (CC) gerada por cada painel em corrente alternada (CA). Ao contrário dos inversores de string, que estão ligados em série, estão ligados em paralelo. Assim, se um painel estiver sombreado ou a funcionar abaixo da capacidade, isso não afeta o desempenho dos restantes. A potência de saída típica dos microinversores varia entre 200 W a 1,5 kW, com uma tensão do arranjo fotovoltaico de 40 a 80 V. Este tipo de inversor é ideal para sistemas residenciais onde os painéis podem ser orientados em diferentes direções, uma vez que maximizam a produção de cada painel individualmente, mitigando o impacto do sombreamento ou desalinhamento dos painéis. A principal desvantagem é o elevado custo inicial.

A integração de sistemas de armazenamento de energia (ESS) com painéis solares fotovoltaicos resulta num inversor híbrido. Este tipo de inversor funciona em ambos os sentidos: a energia CC gerada é convertida diretamente em CA ou armazenada antes da conversão. Os inversores híbridos otimizam a utilização e o armazenamento de energia, gerindo o fluxo de eletricidade entre os painéis, as baterias e a rede elétrica, permitindo priorizar o carregamento das baterias, a ligação à rede ou o autoconsumo.

Sistemas de integração de armazenamento de energia

Existem duas abordagens para integrar sistemas de armazenamento de energia (ESS) com sistemas fotovoltaicos: ESS acoplados em corrente alternada (CA) e ESS acoplados em corrente contínua (CC). A distinção fundamental entre um sistema acoplado em CA e um sistema acoplado em CC reside no caminho que a eletricidade percorre após ser gerada pelos painéis solares.

Num sistema acoplado em CA, o sistema fotovoltaico e o sistema de armazenamento de energia (ESS) estão ligados à rede CA através dos seus respetivos inversores. Os painéis solares geram corrente contínua (CC), que um inversor solar converte em CA. O ESS, por sua vez, está normalmente equipado com os seus próprios conversores CC-CC bidirecionais e inversores para carga e descarga na rede CA.

Em contraste, num sistema acoplado em CC, os painéis solares e a bateria de armazenamento partilham um barramento CC e utilizam principalmente um único inversor para converter a energia CC em CA para utilização na rede elétrica ou em habitações. Os painéis solares podem ser utilizados para carregar as baterias diretamente e, quando necessário, a energia CC armazenada é convertida em CA por um inversor híbrido.

Topologias de potência para inversores de string e sistemas de armazenamento de energia (ESS)

Podem ser utilizadas diversas topologias de potência para projetar os estágios do conversor CC-CC e do inversor CC-CA. Diferentes topologias oferecem vantagens distintas e são escolhidas com base nos requisitos de potência, eficiência, custo e complexidade. Eis algumas das topologias mais comuns:

Na primeira etapa do conversor, o seguidor de ponto de máxima potência (MPPT) é concebido para maximizar a produção de energia de um sistema fotovoltaico, otimizando individualmente o desempenho de cada painel solar no conjunto. Ajusta a corrente de saída do painel ao seu ponto de potência ideal antes de enviar a alimentação para o inversor. Esta otimização é crucial, uma vez que a potência de saída de um painel solar pode variar devido a alterações na intensidade da luz solar, sombreamento, temperatura e desalinhamento do painel.

A tendência atual é aumentar a tensão do barramento CC para 1000 V ou 1500 V para reduzir as perdas de energia no sistema e permitir a adição de mais painéis em série. Ao aumentar a tensão CC máxima de um inversor solar para 1500 V ou mais, as centrais fotovoltaicas tornam-se mais economicamente viáveis. As topologias típicas para esta etapa incluem o conversor booster intercalado, o conversor PSFB (Phase-Shift Keying) em ponte completa e o conversor LLC.

O segundo estágio de conversão consiste num conversor CC-CC bidirecional. Este estágio é utilizado para carregar ou armazenar energia na bateria e descarregar ou libertar essa energia quando necessário. As topologias isoladas típicas são CLLC e DAB.

O estágio de potência do inversor converte a tensão do barramento CC em tensão CA para a rede elétrica. As topologias comuns incluem a B6 e a ponte H de dois níveis, bem como a ANPC e a HERIC de três níveis. As topologias de inversores multiníveis tornaram-se populares em aplicações de média e alta potência. As vantagens da utilização de topologias de inversores de três níveis são as seguintes:

1. Diminuição da potência dissipada, o que se traduz num dissipador de calor mais pequeno;
2. Redução da ondulação de tensão para facilitar a filtragem devido ao menor conteúdo harmónico;
3. Interferência eletromagnética conduzida significativamente menor.

Topologias CC-CC

Recomenda-se uma topologia PSFB com comutação por tensão zero (ZVS) numa configuração de barramento CC de 400 V, utilizando MOSFETs de SiC de 650 V para os semicondutores Q1 a Q4, de forma a alcançar uma elevada eficiência e densidade de potência. Os semicondutores são controlados através de uma técnica de deslocamento de fase que lhes permite ligar quando a tensão entre os seus terminais é nula. Isto reduz significativamente as perdas de comutação e a interferência eletromagnética (EMI), bem como a tensão aplicada aos dispositivos semicondutores. Além disso, os díodos de SiC de 650 V são a escolha adequada para D1 e D2 no lado primário. Para uma configuração de barramento CC de 800 V, devem ser selecionados díodos e MOSFET de SiC de 1200 V. No lado secundário, com os interruptores Q5 a Q8, a seleção dos interruptores de potência depende da tensão da bateria. Por exemplo, os sistemas de armazenamento de energia residencial (ESS) utilizam normalmente baterias de 48 V, enquanto o segmento comercial tende a utilizar baterias de 400 V.

Uma das topologias mais comuns dos conversores CC-CC bidirecionais é o conversor CLLC. Utiliza dois indutores (L) e dois condensadores (C) num circuito ressonante paralelo. O arranjo assemelha-se tipicamente a "LLC" refletido tanto no lado primário como no secundário. Os MOSFETs de SiC são utilizados para os interruptores Q1 a Q4, enquanto os MOSFETs de Si são selecionados para Q5 a Q8. O design CLLC consegue a comutação com corrente zero (ZC) dos semicondutores no lado primário, o que ajuda a reduzir as perdas de comutação e a melhorar a eficiência. Pode alcançar a comutação com corrente zero (ZCS) no lado secundário para melhorar ainda mais a eficiência, minimizando as perdas de comutação durante o encerramento. O conversor CLLC requer um controlo preciso para gerir eficazmente a frequência de ressonância e as sequências de comutação.

O conversor DAB consiste em dois circuitos de ponte completa ativos nos lados primário e secundário, ligados por um transformador de alta frequência. À semelhança da topologia CLLC, ambas as pontes possuem interruptores ativos que permitem o fluxo bidirecional de energia. Tipicamente, são utilizados MOSFETs de SiC para os interruptores Q1 a Q4, e MOSFETs de Si para os interruptores Q5 a Q8. O conversor DAB requer algoritmos de controlo avançados para gerir com precisão o desfasamento entre as pontes.

Topologias de inversores (CC-CA)

A topologia Active Neutral Point (ANPC) é uma configuração avançada de inversor. Baseia-se na topologia convencional de ponto neutro fixo (NPC) adicionando interruptores ativos que ajudam a reduzir as perdas por condução e comutação. O inversor ANPC pode gerar três níveis de tensão, reduzindo a tensão em cada componente e, consequentemente, obtendo uma saída CA mais estável com menor distorção harmónica total. Os interruptores Q1 a Q4 operam à frequência da rede elétrica, enquanto Q5 e Q6 modulam a 50 kHz ou mais. Num inversor ANPC, todos os interruptores de potência podem ter uma tensão de rutura nominal de 600 ou 650 V. A utilização de MOSFETs de SiC para os interruptores Q5 e Q6 aumenta a eficiência e a densidade de potência. O inversor ANPC requer algoritmos de controlo avançados. Esta topologia é mais complexa de projetar e controlar em comparação com topologias como a ponte H.

A topologia em ponte H é popular devido à sua simplicidade, eficiência e versatilidade, uma vez que consiste em quatro elementos de comutação. Para a linha de comutação rápida, Q3 e Q4 utilizam normalmente MOSFETs de SiC de 650V ou HEMTs de GaN, enquanto que para Q1 e Q2, os MOSFETs de silício com díodo de corpo rápido (MOSFET SJ) são a escolha apropriada. A principal desvantagem desta operação a dois níveis é a utilização de um filtro de saída relativamente grande, uma vez que regenera energia durante a corrente que flui livremente para o condensador CC.

A topologia do Inversor Altamente Eficiente e Fiável (HERIC) destaca-se pela sua elevada eficiência e desempenho superior na conversão CC-CA. Nesta configuração, dois interruptores antiparalelos, Q5 e Q6, são adicionados ao inversor convencional em ponte H para desligar o lado CA dos módulos fotovoltaicos quando não há geração de energia. Seis semicondutores compõem esta topologia, sendo os quatro da ponte H (Q1 a Q4) a operar a alta frequência e os dois externos à frequência da rede. Os semicondutores Q5 e Q6 permitem que a corrente flua pelo caminho mais curto durante os períodos em que a tensão de saída do inversor em ponte H é nula. A principal vantagem do inversor HERIC é que apenas dois interruptores operam simultaneamente em todos os modos de funcionamento.

Os dispositivos de banda larga (WBG, do inglês Wideband Devices) oferecem claras vantagens para as topologias de conversores CC-CC bidirecionais e inversores CC-CA. Os dispositivos de SiC e GaN possuem energias de comutação muito baixas e cargas de recuperação inversa (Qrr) desprezáveis ​​ou mesmo nulas, reduzindo as perdas de comutação e de recuperação inversa.

Conclusão

A integração do armazenamento de energia com os sistemas fotovoltaicos representa um avanço significativo na forma como aproveitamos e utilizamos a energia solar. Fornecer uma fonte de alimentação fiável e consistente reduz a dependência da rede elétrica e maximiza a utilização da energia solar. Estes sistemas oferecem inúmeros benefícios económicos e ambientais. Os dispositivos de SiC e GaN permitem o fluxo bidirecional para topologias de retificação síncrona, alcançando uma elevada eficiência e densidade de potência. A Arrow Electronics sempre defendeu a eficiência energética e queremos contribuir para esta discussão demonstrando as claras vantagens de escolher dispositivos de SiC de 650 V, 1200 V e 2200 V com placas de avaliação que simplificam o processo de design e reduzem o tempo de lançamento no mercado.

Omara Aziz - Líder Global do Segmento de Tecnologia de Energia, Arrow Electronics