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1 Artigo Técnico: Análise de configurações de Sistemas Híbridos Fotovoltaicos. O progressivo aumento da factura de electricidade e dos combustíveis colocou novamente na actualidade o uso de Sistemas Fotovoltaicos Híbridos. Estes sistemas caracterizam-se por usarem uma fonte adicional para a geração de energia. Assim, os Sistemas Fotovoltaicos Híbridos podem ser definidos como Multi-fonte (uma instalação fotovoltaica conectada em paralelo com outros tipos de geradores) Iremos centrar a nossa atenção em aplicações compostas por: Gerador Fotovoltaico + Sistema de Armazenamento + Gerador de Backup, deixaremos para um próximo artigo as aplicações com: Gerador Fotovoltaico + Gerador Diesel. Fotovoltaico + Sistema de Armazenamento + Gerador de Backup Relativamente ao tipo de inversor utilizado, estes sistemas, Figura 1, podem ser classificados em quatro grupos: A. Com regulador de Carga (Acoplamento em CC) B. Com Inversor Bidireccional (Acoplamento em CA) C. Com regulador de Carga e Inversor Bidireccional (Acoplamento Misto em CC + CA) D. Com Inversor Híbrido Em todos os casos, podem ser monofásicos ou trifásicos e o gerador fotovoltaico instalado em estrutura fixa ou com algum tipo de seguimento solar (em um ou dois eixos de acordo com a aplicação). Figura 1: Classificação dos Sistemas Fotovoltaicos Híbridos. Em todos estes casos, foram considerados exclusivamente um consumo em CA. 1

2 A. Com regulador de Carga (Acoplamento em CC) Esta configuração é a mais tradicional e foram as primeiras a serem implementadas. Como se pode observar na Figura 2, podemos distinguir os seguintes elementos: Gerador Fotovoltaico, Regulador de Carga, Sistema de Armazenamento, Inversor Isolado e Consumo. Figura 2: Configuração do sistema híbrido com acoplamento CC e consumo CA. O bus CC é comum para todos os elementos exceto para o consumo CA. Desta forma, não existe uma ligação direta desde o Gerador Fotovoltaico ao consumo CA, sendo necessário passar por um Regulador de Carga e um Inversor Isolado. A tensão no bus CC mais utilizada tem sido de 12, 24 ou 48 V. Será necessário, em princípio, ter em conta possíveis perdas em grandes distâncias. Esta é a razão pela qual hoje em dia estes sistemas são implementados somente em instalações de pequena potência. No entanto, esta questão pode ser limitada utilizando tensões mais altas como 120, 240, 480 ou inclusivamente 800 V, embora não existam muitos fabricantes de Reguladores de Carga ou Inversores Isolados que tenham produtos que suportem as tensões mencionadas. Existem fabricantes que integram o carregador de baterias desde a rede eléctrica trabalhando de forma assistida, isto é, consegue o fornecimento energético ao mesmo tempo que realiza o carregamento das baterias. B. Com Inversor Bidireccional (Acoplamento em CA) A alternativa ao acoplamento em CC com Regulador de Carga é o acoplamento em CA. Nesta configuração para além do Gerador FV e do Consumo, comum a ambas as tipologias, temos dois novos elementos: o Inversor de Conexão á Rede e o Inversor Bidireccional 2

3 (Inversor/Carregador). Na Figura 3 apresenta-se a configuração mais usual, onde podemos verificar que o Inversor Bidireccional pode gerir dois tipos de consumos: os não geríveis e os geríveis. No entanto, nem todos os Inversores bidireccionais têm esta função implementada. Figura 3: Configuração do sistema híbrido em acoplamento CA com gerador ou rede de Backup. A característica principal desta configuração é a utilização de um Bus CA gerado pelo Inversor Bidireccional que quando opera como inversor sinusoidal actua como fonte de tensão CA. Isto permite o funcionamento do Inversor de Conexão á Rede, operando como fonte de corrente. Tendo em conta o desenvolvimento tecnológico actual, esta configuração amplia as possibilidades dos sistemas híbridos. O bus CC mais usual tem sido de 24 ou 48 V, embora, existem fabricantes que implementam bus nos seus equipamentos de 330, 480, 600 ou 800 Vcc. Adicionalmente, convém referir que nesta tipologia pode existir um fluxo de energia direto entre a saída do inversor de conexão á rede e o consumo CA, algo que não pode ocorrer na tipologia CC que implica a passagem pelo regulador de carga e o inversor isolado, aumentando as perdas. Nesta configuração, o sistema funciona da seguinte forma: o gerador fotovoltaico está encarregue de abastecer o consumo, e caso haja excedente carrega as baterias através do inversor bidireccional atuando este como carregador de baterias. Quando não existir radiação suficiente, o abastecimento de energia virá desde o conjunto de baterias ou do gerador de backup (que carregaria as baterias como fonte de corrente). Neste caso o inversor bidireccional funcionará como inversor sinusoidal autónomo. Se não existir sistema de backup, o sistema terá de ser dimensionado adequadamente para os casos em que se pretende um abastecimento contínuo das cargas de consumo. Em nenhum caso é permitido o retorno energético para o gerador diesel e igualmente não é possível operar em simultâneo o gerador diesel e o inversor bidireccional como inversor isolado. 3

4 Comparação energética entre o acoplamento em CC e em CA É interessante comparar, do ponto de vista energético, o acoplamento em CC e em CA. A comparação pode ser feita tendo em conta dois processos: o de carga das baterias e por outro lado a utilização da energia de forma direta (desde o gerador FV até ao consumo) ou a partir do banco de baterias. O rendimento para cada caso dependerá do número de conversores que são atravessados. Assim, por exemplo, durante o processo de carga das baterias foi obtido um rendimento de 88,20 % para o acoplamento em CC e 80,37 % em CA, pelo que podemos concluir que o processo de carregamento das baterias é mais eficiente se for feito utilizando a configuração de acoplamento em CC. Também interessa comparar os rendimentos quando dispomos de energia para o consumo de forma direta (desde o gerador FV direto para o consumo) ou através das baterias, Tabela 1. De acordo com os resultados obtidos, podemos concluir que quando se pretende utilizar energia proveniente do gerador FV, deve ser feito utilizando a configuração de acoplamento em CA. Enquanto se pretendemos utilizar a energia proveniente das baterias (algo que ocorre normalmente á noite e por vezes durante o dia), deve ser utilizada a configuração de acoplamento em CC. Tabela 1: Comparação de rendimentos entre os acoplamentos em CC e em CA. Considerando todos os dados, podemos concluir que a situação ideal será usar uma configuração mista, entre CC e CA, com a finalidade de ser possível utilizar de forma mais eficiente toda a energia. A relação será dada pelo perfil de consumo e pela radiação. C. Com regulador de Carga e Inversor Bidireccional (Acoplamento Misto em CC + CA) No seguimento da comparação feita no ponto anterior, o esquema resultante proposto para o Sistema híbrido Misto, será de acordo com a Figura 4. 4

5 Figura 4: Sistema Híbrido Misto (acoplamento em CC e em CA). Significa então que parte do gerador FV é acoplado em CC e outra parte em CA. D. Com Inversor Híbrido São os sistemas que utilizam os denominados Inversores Híbridos, estes inversores dispõem de pelo menos uma entrada do gerador fotovoltaico directa ao inversor + entrada do sistema de baterias. A saída pode ser monofásica, Figura 5 e Figura 6 ou trifásica, Figura 7. Figura 5: Configuração monofásica de um sistema híbrido com um inversor híbrido e com rede de backup. 5

6 Figura 6: Configuração monofásica de um sistema híbrido com um inversor híbrido e sem rede de backup. Figura 7: Configuração de um sistema híbrido fotovoltaico em configuração CA com gerador de backup. Artigo técnico realizado por: Vicente Salas (Universidad Carlos III de Madrid) Moisés Labarquilla (Generaciones Fotovoltaicas de La Mancha) Documento completo: Análisis de las configuraciones de los sistemas fotovoltaicos híbridos 6

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