String fotovoltaica: o que é e como funciona numa instalação solar

Como funciona um string fotovoltaico?

O funcionamento de uma cadeia fotovoltaica baseia-se principalmente na ligação em série dos módulos solares. Quando vários módulos são ligados desta forma, a tensão de cada módulo soma-se, enquanto a corrente do circuito continua a ser determinada fundamentalmente pela corrente do módulo que limita o conjunto. Por exemplo, se forem ligados em série dez módulos com uma tensão de funcionamento de 40 V, a tensão nominal de funcionamento do string fotovoltaico será de aproximadamente 400 V. A corrente será, em termos simplificados, a correspondente a cada módulo ligado na cadeia.

Esta configuração revela-se especialmente útil porque permite trabalhar com tensões CC elevadas e reduzir a corrente necessária para transportar uma determinada potência. Ao diminuir a corrente, também é possível reduzir as perdas resistivas nos condutores, desde que o projeto da instalação respeite os limites elétricos e térmicos correspondentes. Cada string fotovoltaico apresenta dois parâmetros especialmente importantes: a tensão no ponto de potência máxima (Vmp) e a tensão em circuito aberto (Voc). O valor de Voc é especialmente relevante para verificar se a tensão máxima do conjunto não excede a tensão CC admissível pelo inversor ou pelos restantes equipamentos elétricos.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) utiliza precisamente estes parâmetros para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos. A sua ferramenta System Advisor Model calcula a tensão em circuito aberto do string a partir da tensão Voc do módulo e do número de módulos ligados em série.

Quantos painéis pode ter um string fotovoltaico?

O número de módulos que um string fotovoltaico pode incluir não é um valor fixo. Depende das características elétricas do módulo, do inversor, da temperatura mínima e máxima do local de instalação e da gama de tensão MPPT disponível. Um dos principais critérios de conceção consiste em garantir que a tensão em circuito aberto do string fotovoltaico, nas condições de temperatura mais desfavoráveis, se mantenha abaixo da tensão CC máxima admissível pelo inversor.

Ao mesmo tempo, a tensão de funcionamento do string deve situar-se dentro do intervalo MPPT do inversor durante as condições normais de funcionamento. O objetivo é que o ponto de potência máxima dos módulos possa ser aproveitado corretamente pelo sistema de rastreamento do ponto de potência máxima. Por este motivo, aumentar indiscriminadamente o número de módulos de um string fotovoltaico nem sempre melhora o rendimento. Um string demasiado longo pode exceder a tensão máxima permitida pelo inversor, enquanto um string demasiado curto pode funcionar fora da faixa ótima de rastreamento MPPT.

O dimensionamento deve ser realizado tendo em conta as condições reais do projeto. A temperatura tem uma influência particularmente importante, uma vez que a tensão dos módulos fotovoltaicos varia em função dela. Em termos gerais, as temperaturas baixas provocam um aumento da tensão em circuito aberto, enquanto as temperaturas elevadas reduzem a tensão de funcionamento.

Tensão e corrente de um string fotovoltaico

A relação entre tensão e corrente é um dos aspetos fundamentais para compreender o comportamento de uma cadeia fotovoltaica. Quando os módulos estão ligados em série:

• A tensão dos módulos soma-se.
• A corrente do circuito mantém-se aproximadamente ao nível da corrente do módulo.
• A potência resultante depende da tensão e da corrente disponíveis em cada condição de funcionamento.

Se, por exemplo, dez módulos tiverem uma tensão de potência máxima de 40 V e uma corrente de potência máxima de 13 A, o conjunto terá aproximadamente 400 V e 13 A em condições nominais, antes de se terem em conta as perdas e as variações ambientais.

A potência elétrica aproximada do string fotovoltaico seria, portanto, o resultado da multiplicação da tensão pela corrente. Esta configuração permite projetar parques fotovoltaicos com diferentes níveis de tensão e potência, adaptados às características dos inversores utilizados. Na conceção real de uma central solar, devem ser tidos em conta, além disso, parâmetros como Voc, Isc, Vmp, Imp, coeficientes de temperatura, tolerâncias de fabrico e degradação dos módulos.

Cadeia fotovoltaica e MPPT

A relação entre um string fotovoltaico e o sistema MPPT do inversor é especialmente importante para o rendimento de uma instalação solar. MPPT significa Maximum Power Point Tracking, ou seja, rastreio do ponto de potência máxima. Trata-se do sistema através do qual o inversor identifica e mantém o ponto de funcionamento que permite obter a potência máxima disponível do campo fotovoltaico em cada momento.

Cada cadeia fotovoltaica apresenta uma curva característica de tensão e corrente que varia em função da irradiância, da temperatura e das condições de funcionamento. O MPPT do inversor analisa estas variáveis para determinar o ponto em que a produção de energia elétrica é máxima. Os inversores podem dispor de um ou vários seguidores MPPT. Quando diferentes grupos de módulos apresentam orientações, inclinações ou condições de sombreamento distintas, é aconselhável utilizar entradas MPPT independentes para evitar que as características elétricas de um grupo afetem negativamente o funcionamento de outro.

O projeto deve garantir que a tensão de funcionamento de cada string fotovoltaica se encontre dentro do intervalo MPPT especificado pelo fabricante do inversor. O NREL recomenda selecionar o número de módulos por string de forma a que a tensão em circuito aberto fique abaixo da tensão máxima CC do inversor e que a tensão de funcionamento se encontre dentro do intervalo MPPT.

Cadeia fotovoltaica e inversor

O inversor é o equipamento responsável por converter a corrente contínua gerada pelos módulos em corrente alternada. A configuração do string fotovoltaico deve estar diretamente relacionada com as características elétricas da entrada CC do inversor. Os principais parâmetros a verificar são a tensão máxima CC, o intervalo de tensão MPPT, a corrente máxima por entrada e a potência CC admissível.

Um projeto incorreto pode fazer com que o string fotovoltaico funcione fora da faixa ótima do inversor ou, em situações mais críticas, que sejam excedidos os limites elétricos estabelecidos pelo fabricante. Nas instalações modernas, é comum utilizar inversores de string distribuídos, especialmente em centrais fotovoltaicas de determinadas dimensões. Neste tipo de arquitetura, vários strings são ligados diretamente a inversores instalados junto aos campos de módulos, reduzindo certas necessidades de agrupamento e distribuição de corrente contínua.

O NREL estudou as diferenças entre arquiteturas baseadas em inversores de string e soluções com inversores centrais em instalações fotovoltaicas de vários megawatts, analisando aspetos relacionados com custos, conversão de potência e configuração elétrica.

Cadeia fotovoltaica em centrais solares de grande escala

Numa central fotovoltaica de grande escala podem existir milhares de módulos distribuídos por inúmeras cadeias. A configuração elétrica depende da potência da central, da tecnologia dos módulos, do tipo de inversores, da tensão do sistema e da arquitetura do campo solar.

Nestas instalações, o agrupamento correto de cada string fotovoltaico é fundamental para garantir um funcionamento homogéneo e maximizar a produção de energia. Os strings podem ser organizados em subcampos com características elétricas semelhantes. Posteriormente, estes grupos são ligados aos inversores e às diferentes etapas de transformação e transporte da energia.

A arquitetura pode variar consideravelmente entre uma instalação com inversores centrais e outra baseada em inversores de string. Em ambos os casos, a conceção da string fotovoltaica deve garantir que os parâmetros elétricos sejam compatíveis com os equipamentos ligados. Além disso, em projetos de grande dimensão, é habitual utilizar sistemas de monitorização que permitem analisar o rendimento de diferentes grupos de strings e detetar desvios em relação aos valores esperados.