• João Lucas

Entendendo o mismatch: “O terror da conversão fotovoltaica”



Venho com esse título que pode parecer sensacionalista. Entretanto, o assunto que iremos tratar agora é bastante sério e pouco conhecido pelos projetistas e integradores fotovoltaicos. O mismatch é um fator que, em casos mais graves, pode arruinar um projeto fotovoltaico.


Se você já se debateu com a dúvida sobre o porquê seu sistema fotovoltaico não está produzindo como deveria, um desses problemas pode ser devido ao mismatch. Mas afinal o que é o mismatch?


A minha definição para mismatch dentro de um sistema fotovoltaico é: “o descompasso existente entre módulos conectados em série e/ou paralelo em virtudes de fatores extrínseco e/ou intrínseco ao sistema fotovoltaico” [1]. Esse descompasso é quando um módulo fotovoltaico tem maior ou menor capacidade de geração de energia em relação a outro. Sendo assim, em meus trabalhos, costumo dividir o mismatch em dois tipos: mismatch de fabricação, e mismatch de operação.


· Mismatch de fabricação: É a diferença de potência entre módulos fotovoltaicos de um mesmo modelo e/ou lote devido ao processo de fabricação [1]. Essa diferença pode causar perdas de até ±5% individualmente (considerando a potência que era para se ter disponível) e até ±7% quando colocado em um arranjo fotovoltaico [2].


· Mismatch de operação: É a intensificação do mismatch de fabricação perante fatores do ambiente na qual um sistema fotovoltaico está exposto [1]. Por exemplo: Sombreamento; diferentes inclinações e orientações para módulos fotovoltaicos interligados; sujeira; temperatura; trincas ou outros defeitos na superfície dos módulos fotovoltaico, entre outros.


Para entender melhor o fenômeno vamos exemplificar. Se eu tenho um sistema fotovoltaico ideal com três módulos fotovoltaicos de 190 Wp em série. Sabendo-se que em uma situação em STC (condições padrões de testes) os módulos fotovoltaicos trabalham em 190 W sem mismatch (ideal), suas curvas podem ser vistas na Figura 1. Todos trabalham na máxima potência.


Figura 1. Sistema fotovoltaico ideal com inversor string


Entretanto, uma nuvem, em um determinado momento, fez uma sombra em toda superfície de um dos módulos fotovoltaicos. Assim, o sistema fotovoltaico tem agora novos valores para máxima potência. A Figura 2 mostra as novas curvas fotovoltaicas.

Nesse caso, o módulo fotovoltaico com menor capacidade de geração, devido a nuvem, limita a potência dos outros módulos fotovoltaicos (observar a linha vermelha sobre as curvas). Essa limitação é relativa ao mesmo valor de corrente do módulo fotovoltaico de menor capacidade (ligação em série). Em um sistema fotovoltaico em série a corrente deve ser a mesma para todos os módulos fotovoltaicos, e, portanto, o módulo fotovoltaico de menor capacidade não consegue ter a corrente do módulo fotovoltaico de maior capacidade. Se compararmos esse segundo cenário com a situação anterior, a diferença é uma redução na potência de 20%. Ou seja, é um valor de perdas que podemos considerar como alto, e, por isso, o nome “terror” no título do artigo.


Figura 2. Sistema fotovoltaico com inversor string com um módulo sombreado e mismatch


Bem, vocês já entenderam o grande problema que é o mismatch. Mas, na situação anterior, o exemplo foi uma sombra total causada por uma nuvem que reduziu um pouco a irradiância. Essa situação pode ser muito pior caso a sombra seja uma construção que você não tenha como evitar. Logo, um projeto mal planejado pode resultar em um mismatch altíssimo que inviabilize o sistema fotovoltaico, e ainda, pode levar a problemas mais graves como incêndios. Um exemplo do problema grave é a conexão em paralelo de strings com diferentes quantidades de módulos; ou, a conexão em paralelo de strings em que uma string tem alto sombreamento e a outra não. Nesses casos, o problema é o mismatch ocasionado por um projeto ruim.


Entenderam a gravidade do problema? E qual seria a solução para isso, João? Bem, a melhor solução é a realização de um bom projeto fotovoltaico, em que se evite o sombreamento no sistema :) . Parece difícil, mas, isso pode se tornar mais simples se você utilizar ferramentas como softwares fotovoltaicos. Para isso, tem-se PVsyst, PV*SOL, Helioscope, entre outros.


Bem, a melhor solução é a realização de um bom projeto fotovoltaico, em que se evite o sombreamento no sistema :)

A outra solução é evitar a conexão entre módulos fotovoltaicos. Como assim, João? Isso é simples com o uso das tecnologias MLPE (Module-Level Power Electronics) ou DMPPT (rastreamento do ponto de máxima potência distribuído) que são as arquiteturas fotovoltaicas com microinversores ou arquiteturas com otimizadores de potência. Entretanto, apesar de vários benefícios que tais arquiteturas trazem (tema para outro artigo, e um webinar, aguardem... :) ), se o sistema for projetado equivocadamente, outros problemas irão surgir. Um sistema fotovoltaico bem planejado e com inversor fotovoltaico convencional pode conviver com o mismatch de fabricação e algumas intensificações. Toda escolha de arquitetura fotovoltaica deve ser estudada para atender as necessidades do cliente.


A outra solução é evitar a conexão entre módulos fotovoltaicos.

Figura 3. Sistema fotovoltaico com um módulo sombreado e mismatch com sistema DMPPT (microinversor ou otimizador de potência)


Bom, caso vocês tenham vontade de conhecer um estudo de caso sobre o mismatch, existe um artigo feito por mim e outros amigos sobre esse fenômeno: “Concepts and Case Study of Mismatch Losses in Photovoltaic Modules”. Clique aqui para acessar. Basicamente, no nosso estudo, um módulo fotovoltaico que era para trabalhar a 190 W, trabalhava somente a 161.13 W, com 2 anos e meio de existência do sistema fotovoltaico. Tal fator se deve a degradação do sistema, que intensificou o mismatch de fabricação. Outras análises são feitas no artigo com sujeira de excremento de pássaro que elevou o mismatch e causou perdas consideráveis.


Assim, o mismatch de fabricação sempre vai existir, e será intensificado causando o mismatch operacional quando conectados os módulos fotovoltaicos. Dessa forma, cabe ao projetista realizar um bom projeto para evitar ou mitigar o mismatch. Essa frase final já virou até clichê para quem conhece o meu trabalho, pois muitos fenômenos são resolvidos com um bom projeto, sendo esse o quesito mais importante. Logo, procure um bom profissional ou se especialize para realizar o projeto do seu sistema fotovoltaico e evitar problemas futuros. A e não esqueçam! Realizar a limpeza dos módulos fotovoltaicos e monitorar a geração é importante para manter o sistema fotovoltaico funcionando adequadamente e com menor intensidade de mismatch.


Dessa forma, cabe ao projetista realizar um bom projeto para evitar ou mitigar o mismatch.

Referências


[1] SAKÔ, E. Y.; SILVA, J. L. S.; MESQUITA, D. B.; CAMPOS R. E.; MOREIRA, H. S.; VILLALVA, M. G. Concepts and Case Study of Mismatch Losses in Photovoltaic Modules. In: 15th Brazilian Power Electronics Conference IEEE/COBEP 2019, Santos-SP, 2019.


[2] MANSUR, A. A.; Ruhul Amin, M.; ISLAM, K. K. Performance comparison of mismatch power loss minimization techniques in series-parallel PV array configurations. Energies, v. 12, n. 5, 2019.





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