O mercado global de energia solar residencial está preparado para um forte crescimento após um ano instável em 2024. De acordo com a McKinsey & Company, o crescimento observado entre 2020 e 2023, impulsionado em parte por incentivos governamentais, não foi sustentável.[1] Com a redução desses incentivos e o aumento das taxas de juros, o setor enfrentou dificuldades. No entanto, o aumento das tarifas de eletricidade e a queda nos custos dos equipamentos solares residenciais estão mantendo a tecnologia solar competitiva, mesmo sem os incentivos, e a McKinsey prevê que a capacidade instalada cumulativa de energia solar residencial mais que dobrará até o final da década.
Para atender às necessidades desse setor em crescimento, os fabricantes precisam oferecer soluções otimizadas para cada cliente. As instalações solares residenciais apresentam desafios específicos, com ênfase em sistemas compactos, de alta densidade de potência e baixo custo, que operem com segurança e se integrem discretamente a um ambiente que não foi necessariamente projetado para acomodar equipamentos solares. Para melhor atender o mercado residencial, fabricantes e instaladores precisarão de conhecimento especializado em topologias de inversores solares e um conhecimento detalhado dos componentes eletrônicos que compõem um sistema solar residencial. Neste blog, detalhamos as principais topologias solares e investigamos alguns dos componentes eletrônicos confiáveis e de resposta rápida, cruciais para o desenvolvimento de sistemas solares residenciais eficazes.
O inversor de string
Ao escolher um inversor para projetos de sistemas solares, as principais opções de topologia incluem o inversor de string e o microinversor. Um inversor de string residencial recebe a saída CC de vários painéis fotovoltaicos (PV) em série e a converte para uma potência CA que corresponde à frequência e à tensão da rede elétrica com a qual será conectado. Como a maioria dos inversores fotovoltaicos, um inversor de string incorpora normalmente o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT) para garantir a extração da potência máxima possível dos painéis fotovoltaicos, de acordo com os diferentes níveis de iluminação. Uma desvantagem do inversor de string é que, se um dos muitos painéis conectados a ele sofrer sombreamento parcial, esse painel — o “elo mais fraco” — limitará a potência total de saída disponível.
Em um inversor de string típico (Figura 1) Um conjunto de painéis se conecta a um circuito de proteção e filtragem de entrada, que incorpora dispositivos como varistores de óxido metálico (MOVs), os quais oferecem alta capacidade de absorção de energia e atendem aos padrões de segurança de terceiros. Do estágio de filtragem, a energia CC flui para um conversor CC-CC elevador com MPPT, que utiliza transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico (MOSFETs). O estágio CC-CC se conecta a um inversor CC-CA, que incorpora MOSFETs ou transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) para gerar um nível de energia CA compatível com a rede elétrica, como 230 V a 50 Hz (comum na Europa e em muitas outras regiões) ou 120 V a 60 Hz (comum na América do Norte). Finalmente, um estágio de filtragem e proteção de saída utiliza MOVs, fusíveis e outros dispositivos de proteção para gerar uma tensão de saída segura e estável.
O microinversor
Em contraste, o microinversor se conecta a um único painel solar, e o MPPT de cada microinversor individual extrairá a potência máxima possível para o nível de iluminação específico daquele painel. Consequentemente, um painel parcialmente iluminado não limita o nível de potência disponível de outros painéis totalmente iluminados, eliminando o problema do “elo mais fraco” do inversor de string.
Conforme demonstrado na implementação na Figura 2 Um único painel solar é conectado ao filtro de entrada de um microinversor, que por sua vez se conecta a um inversor CC-CA de alta frequência que incorpora MOSFETs. A saída desse inversor é direcionada para um transformador de alta frequência. Esse transformador fornece o isolamento galvânico entre o painel e a conexão à rede elétrica, frequentemente exigido pelas normas elétricas relevantes para sistemas de energia renovável conectados à rede, como UL 1741 ou IEC 62109. Devido à alta frequência, o transformador pode ser muito menor do que seria se estivesse operando na frequência da rede de 50 Hz ou 60 Hz. A saída do transformador é retificada e então enviada para um inversor CC-CA de baixa frequência, que utiliza MOSFETs ou IGBTs para gerar a tensão monofásica de 230 V a 50 Hz ou 60 Hz, que é filtrada no estágio de proteção e filtragem de saída.
Outros blocos de circuito comuns tanto ao inversor de string quanto ao microinversor incluem os drivers de gate, que controlam as chaves de potência usadas nos conversores CC-CC e nos inversores CC-CA. Drivers de gate eficientes oferecem tempos de subida e descida rápidos, alta imunidade a travamento (latch-up) e resposta térmica rápida em encapsulamentos compactos. Os inversores também incorporam uma fonte de alimentação auxiliar, que deriva uma tensão CC regulada da tensão de entrada do painel para alimentar o circuito do inversor, incluindo uma unidade de microcontrolador (MCU), drivers de gate para os componentes de potência CC-CC e CC-CA e interfaces de comunicação com e sem fio, que reportam as condições de operação, como tensão do painel, tensão CA e temperatura, para outros equipamentos conectados.
Soluções residenciais de energia solar da Littelfuse
Atender aos requisitos específicos de gerenciamento de energia em ambientes solares residenciais exige uma ampla variedade de componentes para diferentes necessidades energéticas. A Littelfuse oferece um portfólio abrangente de dispositivos de proteção de circuitos, MOSFETs e drivers de gate para sistemas solares residenciais. Suas soluções para energia solar residencial incluem diversos componentes utilizados em todo o projeto do inversor, desde fusíveis cartucho até MOSFETs e módulos MOSFET de silício (Si) e carbeto de silício (SiC).
Os MOSFETs discretos oferecem máxima flexibilidade de projeto, enquanto os módulos MOSFET da Littelfuse, que incorporam diodos de recuperação rápida, permitem projetos compactos com alta densidade de potência.
Para a fase elevadora CC-CC com MPPT de um inversor string, a Littelfuse oferece MOSFETs com resistências de condução ultrabaixas (RDS) e alta capacidade de condução de corrente. Esses dispositivos são fáceis de montar e, consequentemente, economizam espaço. Para o estágio de retificação do microinversor, os diodos Schottky de silício da Littelfuse proporcionam quedas de tensão direta muito baixas. Esses dispositivos garantem baixa fuga de corrente e estão disponíveis em uma configuração de cátodo comum com montagem por parafuso único.
Para os estágios CC-CA em inversores de string e microinversores, a Littelfuse oferece MOSFETs e IGBTs capazes de lidar com altas correntes de pico, com resistência térmica reduzida e altas velocidades de comutação para minimizar perdas. Para os estágios de filtro de entrada e saída dos inversores, a empresa fornece MOVs que oferecem alta capacidade de absorção de energia e reduzem o tempo de qualificação, atendendo a padrões de segurança de terceiros. Essas soluções solares residenciais contam com uma variedade de MOVs com amplas faixas de tensão, corrente e potência nominal. Além disso, a linha de fusíveis de cartucho da Littelfuse é adequada para os estágios de saída. Disponíveis em diversos tamanhos de encapsulamento e amperagens, esses fusíveis oferecem características de ação rápida, média e retardo para atender a requisitos específicos de aplicação.
A Littelfuse também oferece componentes que podem ser usados em inversores de string e microinversores, incluindo matrizes de diodos de supressão de tensão transiente (TVS) que protegem contra surtos de tensão e sensores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) que podem detectar condições de sobretemperatura.
Conclusão
O crescente mercado de energia solar residencial apresenta oportunidades significativas para fabricantes de inversores e instaladores de sistemas. Os participantes de todo o setor obterão vantagem competitiva ao escolher a topologia ideal para a aplicação específica de cada cliente residencial e ao implementar os equipamentos necessários utilizando componentes compactos, confiáveis e de alto desempenho, desde fusíveis de cartucho até módulos MOSFET de potência.
Autor
Artigo escrito por Littelfuse e publicado no blog da Mouser Electronics: Choosing the Right Inverter for Residential Solar Systems
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
