Inversor híbrido para painéis solares: tipos, visão geral dos melhores modelos + características de conexão

Sistemas de fornecimento de energia elétrica com uso simultâneo do fornecimento tradicional de corrente e da eletricidade solar é uma solução economicamente justificada para residências particulares, vilas, casas de campo e instalações industriais.

Elemento indispensável do complexo – o inversor híbrido para painéis solares, que determina os modos de fornecimento de tensão, garantindo a continuidade e eficiência do funcionamento do sistema solar.

Para que o sistema funcione de forma eficaz, é necessário não apenas escolher o modelo ideal, mas também conectá-lo corretamente. E como fazer isso – vamos analisar em nosso artigo. Também vamos examinar os tipos de conversores existentes e as melhores ofertas do mercado no momento.

Avaliação das capacidades do inversor híbrido

A utilização da energia solar renovável em combinação com o fornecimento centralizado de eletricidade oferece uma série de vantagens. O funcionamento normal do sistema solar é garantido pelo trabalho coordenado de seus principais componentes: painéis solares, controlador de carga, bateria e um dos elementos-chave – o inversor.

O inversor do sistema solar é um dispositivo para converter corrente contínua (DC) proveniente dos painéis fotovoltaicos em energia elétrica alternada. É justamente com corrente de 220 V que os eletrodomésticos funcionam. Sem o inversor, a produção de energia não faz sentido.

Diagrama de funcionamento do sistema: 1 – módulos solares, 2 – controlador de carga, 3 – bateria, 4 – conversor de tensão (inversor) com fornecimento de corrente alternada (AC)

É melhor avaliar as capacidades do modelo híbrido em comparação com as características de funcionamento de seus concorrentes mais próximos – os conversores autônomos e de rede.

Tipo de conversor de rede

O dispositivo opera nas cargas da rede elétrica geral. A saída do inversor está conectada aos consumidores de energia elétrica, da rede CA.

O esquema se destaca pela simplicidade, mas possui algumas limitações:

• funcionamento apenas quando há corrente alternada disponível na rede;
• a tensão da rede elétrica deve ser relativamente estável e corresponder à faixa de operação do inversor.

Esta variante é demandada em residências particulares com tarifa verde ativa para eletrificação.

Durante o dia, com mínimo consumo de energia, a corrente gerada é injetada na rede a preços da tarifa verde; do anoitecer ao amanhecer, o edifício é alimentado pelo fornecimento centralizado de eletricidade.

Variante autônoma do dispositivo

O aparelho é alimentado por bateria, que recebe carga dos painéis solares através de um controlador MPPT. No sistema, são utilizadas baterias de diferentes tipos, incluindo baterias de lítio de alta tecnologia.

Quando o dispositivo de armazenamento está totalmente carregado, o excedente de energia elétrica é transferido para a entrada do inversor, cuja saída está conectada aos consumidores finais de CA.

Em caso de insuficiência de atividade solar, a energia é retirada das baterias e passa por conversão através do inversor de tensão.

Características de operação do sistema autônomo:

• possibilidade de operação independente na ausência de corrente alternada da rede;
• alguns modelos suportam o modo de operação na tarifa verde;
• Eficiência dos sistemas: 90-93%.

Para garantir a autonomia total do local, é necessário um cálculo preciso da potência dos painéis solares e capacidade energética suficiente da bateria.

Opção de uso independente do inversor sem integração ao sistema de conexão de rede centralizada. O conversor autônomo é demandado em áreas com total ausência ou baixa qualidade do fornecimento de eletricidade.

Tipo híbrido de inversor

O modelo difere dos dispositivos descritos acima por uma 'arquitetura' especial de fabricação. Internamente, possui um circuito elétrico especial que permite, no modo inversor, funcionar em paralelo com a fonte de corrente (rede, gerador).

Simultaneamente, a carga é alimentada pela rede central e pelos painéis solares, sendo que a função de prioridade é atribuída ao fornecedor de corrente contínua.

O conversor híbrido permite consumir a energia solar da forma mais eficiente possível, sem alternar com a rede de fornecimento da central elétrica ou gerador.

As vantagens competitivas residem na multifuncionalidade dos inversores do tipo híbrido:

1. Rede – uma espécie de bateria de grande capacidade com eficiência de 100%. Todo o excedente gerado pelas placas fotovoltaicas pode ser redirecionado para a rede central pela tarifa verde.
2. Garantia de alimentação ininterrupta. Quando a alimentação principal é desligada, o sistema muda para o modo autônomo, protegendo todos os consumidores contra "picos" de tensão.
3. Aumento do limite de potência da rede em cargas de pico através da adição de energia do conjunto bateria-inversor.

Quando o consumo diminui, o complexo solar entra em modo de carga e, após um tempo, fica pronto para uso novamente. A função de potência duplicada pode ser designada como: Smart Boots, Power Shaving, Grid support.

A adição de potência ocorre de acordo com os seguintes princípios:

• se a potência utilizada estiver abaixo do consumo máximo da rede, além de alimentar a carga, ocorre o carregamento da bateria de acumulação;
• na ausência de tensão na rede, é consumida a energia elétrica obtida da bateria e convertida pelo inversor;
• se a carga exceder o valor limite de potência da rede, a deficiência é suprida pela energia elétrica acumulada do painel solar.

Os modos de operação listados são capazes de suportar modelos híbridos com carregador.

Alguns inversores multifuncionais são projetados para conectar simultaneamente várias linhas de corrente alternada para entrada de reserva automática. Modelos de alta tecnologia regulam a carga da bateria de forma independente.

Variedades de conversores de corrente

Ao escolher o 'coração' de um sistema autônomo de fornecimento de energia, é necessário comparar corretamente as tarefas atribuídas ao equipamento com suas capacidades potenciais.

As principais características de classificação dos inversores híbridos são: algoritmo de mudança de modos de operação, forma da tensão de saída e capacidade de atender uma rede monofásica ou trifásica.

Comparação entre UPS e instalação híbrida

Algumas empresas, involuntariamente, enganam o consumidor chamando a unidade de alimentação ininterrupta (UPS) de inversor híbrido. À primeira vista, ambos os dispositivos executam tarefas semelhantes, mas há uma diferença significativa.

O UPS é um inversor com dispositivo de carregamento. O módulo prioriza o consumo de energia da instalação fotovoltaica e, quando esta é insuficiente, comuta para o consumo da rede.

O UPS não é capaz de realizar a função de 'mistura' da energia elétrica acumulada das baterias com a rede. O consumo prioritário da fonte CC é implementado desconectando-se da rede e passando a operar com bateria.

O funcionamento do sistema em modo 'oscilante' provoca ciclagem adicional da bateria e acelera seu desgaste. Na maioria dos UPS de baixo custo, a tensão limite é configurada sem possibilidade de ajuste.

Nos modelos de inversores híbridos para painéis solares, essas flutuações são eliminadas – o equipamento se ajusta à potência necessária e opera simultaneamente com diferentes fontes de corrente.

Você pode escolher o consumo prioritário por conta própria. Normalmente, a ênfase é no consumo de energia dos painéis solares. Em alguns sistemas híbridos, há uma opção de limitar a potência proveniente da rede pública.

Comparação das funções de modificações populares de 'conversores' híbridos e UPS. Na série de modelos Victron, é fornecida a possibilidade de aumentar a potência do inversor à custa da rede.

Variedades de acordo com a forma do sinal do inversor

Os conversores de corrente dos painéis solares são classificados pelo tipo de sinal de saída.

Distinguem-se:

• senoide pura;
• seno modificada (quasi-senoide);
• meandro.

A última opção praticamente não é usada na prática, pois a mudança brusca de polaridade causa falhas no funcionamento dos equipamentos.

Um inversor com fornecimento de sinal 'retangular' não conseguirá proteger os dispositivos contra flutuações de tensão. Além disso, a maior parte dos eletrodomésticos não aceita a corrente 'de onda quadrada'.

O que é uma senoide pura?

O conversor fornece um sinal de alta qualidade, superior à forma da corrente da rede. Esta é a opção ideal para garantir o funcionamento de equipamentos 'sensíveis': caldeiras de aquecimento, compressores, motores elétricos, equipamentos médicos e dispositivos baseados em fontes de alimentação com transformadores.

Desvantagens dos inversores de oscilação senoidal: alto custo e grandes dimensões. A compra de um conversor com senoide pura custará o dobro de um modelo com quase-senoide para as mesmas especificações de potência total.

Características do quase-seno

A transmissão de energia do sinal na forma de uma senoide modificada pode reduzir a eficiência de alguns dispositivos, provocar ruídos, causar interferências ou levar à quebra do equipamento.

Ao alimentar transformadores de baixa frequência, motores assíncronos e síncronos, observa-se uma perda de potência de 20-30%. Essa 'falha' se converte em energia térmica, aquecendo excessivamente os dispositivos.

Inversores com sinal pseudo-senoidal se destacam pela compactação e custo acessível. Seu uso é adequado para alimentar dispositivos sem cargas indutivas, projetados para consumir componentes ativos de potência elétrica.

Este grupo inclui: aquecedores termoelétricos, lâmpadas incandescentes de sistemas de iluminação e outras estruturas resistivas.

Variantes do seno modificado: 1 – forma complexa de onda quadrada com pausa, 2 – aproximação ao seno puro pelo aumento do número de transições.

A forma do sinal de saída é indicada no manual do inversor ou do no-break. Possíveis designações: 'Back' – garantia de ausência de senoide pura, 'Smart' – probabilidade de obter corrente de qualidade na saída.

Alguns fabricantes indicam no documento de acompanhamento o coeficiente de harmônicos (índice de distorção não linear). Se o parâmetro for inferior a 8%, o aparelho fornece um seno praticamente ideal.

Modelos monofásicos e trifásicos

Inversores monofásicos são predominantemente incorporados no circuito de sistemas fotovoltaicos residenciais com tensão padrão de 220V.

A faixa de tensão de saída quando conectado a uma fase varia entre 210-240V, a frequência de saída é de 47-55 Hz, a potência é de 300-5000 W.

Inversores monofásicos são fabricados para valores padrão de tensão de baterias: 12, 24 e 48 V. Para que o conversor não funcione no limite de suas capacidades, é necessário compatibilizar a potência do 'conversor' com a tensão do painel solar ou da bateria.

Faixa de dependência das características da bateria (tensão – V) e do conversor solar (potência nominal – W): 12 V – até 600 W, 24 V – até 1,5 kW, 48 V – acima de 1,5 kW

Os inversores trifásicos são usados para fornecer corrente trifásica, alimentando motores elétricos. A aplicação principal é na indústria, oficinas e uso comercial.

Os inversores trifásicos se caracterizam pela alta potência (3-30 kW) e ampla faixa de tensão alternada de saída (220 V/400 V).

No mercado também existem modelos combinados. Eles incluem inversores monofásicos com capacidade de sincronizar as saídas do conversor com defasagem de fase – isso permite alimentar cargas trifásicas. Todos os tipos de equipamentos para conversão de corrente de painéis solares foram abordados em nosso outro artigo.

Parâmetros de escolha do inversor para painel solar

A eficiência do conversor e de todo o sistema de fornecimento de energia depende em grande parte da escolha adequada dos parâmetros do equipamento.

Além das características descritas acima, você deve avaliar:

• potência de saída;
• tipo de proteção;
• temperatura de operação;
• dimensões da instalação;
• eficiência energética;
• presença de funções adicionais.

A seguir, examinaremos todas essas características com mais detalhes.

Critério nº 1 – potência do dispositivo

A classificação do inversor 'solar' é selecionada com base na carga máxima da rede e no tempo de operação autônoma previsto. No modo de partida, o conversor é capaz de fornecer um aumento temporário de potência no momento da ativação de cargas capacitivas.

Esse período é típico ao ligar máquinas de lavar louça, máquinas de lavar roupa ou geladeiras.

Ao usar lâmpadas de iluminação e televisão, um inversor de baixa potência de 500-1000 W é suficiente. Geralmente, é necessário calcular a potência total dos equipamentos utilizados. O valor necessário é indicado diretamente na carcaça do aparelho ou no documento de acompanhamento.

O valor obtido deve ser aumentado em 20-30% – essa será a potência de saída necessária do inversor. Por exemplo, a potência total do equipamento é de 500 Wh, o tempo de operação autônoma é de 5 h. Cálculo: 500 Wh * 5 h * 1,2 = 3000 Wh

Critério nº 2 – nível de proteção

Um inversor solar de qualidade deve ter vários estágios de proteção. Possibilidades: sistema de resfriamento forçado, prevenção de curto-circuito, proteção contra quedas e picos de tensão na rede.

Também é importante a presença de um gabinete selado e reforçado que impeça a entrada de partículas de poeira e umidade. O índice de proteção do equipamento elétrico é padronizado de acordo com a norma IEC-952.

O índice é indicado como IP AB, onde A é o nível de proteção contra a penetração de partículas estranhas no dispositivo, B é a resistência à umidade.

Para condições de operação ao ar livre, modelos com índice «IP65» – a robustez e a confiabilidade do inversor permitem seu uso em ambiente externo.

Critério nº 3 – temperatura de operação e dimensões

Uma ampla faixa de valores é um indicador da qualidade de montagem do inversor. O valor desse indicador é especialmente relevante quando o conversor é instalado em um ambiente sem aquecimento.

O peso é um indicador indireto da qualidade do inversor. Existe a opinião de que quanto mais pesado o conversor, mais potente ele é. Isso se explica pela presença de um transformador em equipamentos de alta potência.

Em modelos «leves», a ausência do transformador pode causar a quebra do inversor ao fornecer alta corrente de partida.

De acordo com observações, um quilograma de peso do conversor solar corresponde a uma potência de saída de 100 W. As dimensões do inversor determinam o método de sua instalação.

Critério nº 4 – eficiência

Especialistas recomendam adquirir «conversores» de corrente com eficiência mínima de 90%. Somente com esse parâmetro o funcionamento do sistema solar será eficiente e sua instalação, justificável. Perder 10% da energia solar é um «luxo» inaceitável.

Funcionalidades adicionais. Os recursos avançados afetam o custo do equipamento e nem sempre são necessários. No entanto, algumas opções justificam o investimento.

Aos dispositivos úteis e necessários incluem-se:

• adição automática da potência do inversor à energia elétrica da rede;
• ajuste do período de carga da bateria;
• seleção da fonte de corrente prioritária;
• suporte para operação com baterias de diferentes tipos (alcalinas, lítio ferro-fosfato, gel, AGM, ácidas);
• possibilidade de operação combinada com conversor de rede;
• configuração do nível de tensão – prevenção de «picos» de tensão da rede;
• possibilidade de atualização do inversor através de atualizações de firmware.

Conversores modernos podem ser conectados a um PC para programação e monitoramento.

Para monitorar o funcionamento do equipamento e das redes elétricas, os fabricantes oferecem software gratuito. Uma opção interessante é a possibilidade de enviar notificações por SMS sobre o estado do sistema a pedido do usuário.

Visão geral dos conversores híbridos populares

Entre os consumidores, inversores de empresas estrangeiras receberam boas avaliações: Xtender (Suíça), Prosolar (China), Victor Energy (Holanda), SMA (Alemanha) e Xantrex (Canadá). O representante nacional é o MAP Sine.

Linha de inversores multifuncionais Xtender

Conversor híbrido Studer da empresa Xtender – encarnação do padrão suíço de qualidade em eletrônica de potência. Os inversores solares da série Xtender distinguem-se por características de resistência exemplares e ampla funcionalidade.

Variedade de modelos: XTS – representantes de baixa potência, XTM – modelos de média potência, XTH – inversores de alta potência.

Faixas de potência Xtender: XTS – 0,9-1,4 kW, XTM – 1,5-4 kW, XTH – 3-8 kW. Tensão de saída – 230 V, frequência – 50 Hz

Cada série de conversores híbridos Xtender possui as seguintes características e opções:

• onda senoidal pura de alimentação;
• mistura de potência na rede a partir da bateria;
• quando a tensão da rede diminui, o consumo da rede elétrica central é reduzido;
• dois modos de seleção de prioridade: o primeiro – 'suave' com alimentação da rede até 10%, o segundo – comutação total para a bateria;
• diversidade de configurações do instalador;
• controle do funcionamento do gerador de reserva;
• modo de espera com ampla faixa de ajuste;
• monitoramento remoto dos parâmetros do sistema.

Em todas as modificações há a função Smart Boost – conexão a diferentes 'fornecedores' de energia (gerador, inversor de rede) e Power Shaving – cobertura garantida de picos de carga.

Conversores ideais Prosolar Hybrid

O modelo de fabricação chinesa possui boas características e custo aceitável (cerca de 1200 u.c.). O conversor otimiza o funcionamento dos painéis solares, armazenando a energia não utilizada na bateria.

Características técnicas: forma de tensão – senoidal, eficiência de conversão – 90%, peso da instalação – 15,5 kg, umidade permitida – 90% sem condensação, temperatura -25 °C – +60 °C

Características distintas:

• opção de rastreamento do ponto de potência máxima do painel solar;
• display LCD informativo exibindo os parâmetros de funcionamento do sistema;
• carregador de bateria de 3 níveis;
• ajuste da corrente máxima até 25A;
• conectividade do inversor.

O conversor é conectado ao PC por meio de software (fornecido no kit). Há possibilidade de atualização do inversor através de um novo firmware inovador.

Inversores senoidais Phoenix Inverter

Os inversores Phoenix atendem a altos requisitos e são adequados para aplicação industrial. A série Phoenix Inverter foi lançada sem carregador integrado.

Os conversores são equipados com barramento de dados VE.Bus e permitem operação em configurações paralelas ou trifásicas.

Faixa de potência da linha de modelos – 1,2-5 kW, eficiência – 95%, tipo de tensão – senoidal.

A tabela apresenta as características da modificação híbrida do inversor 48/5000 da empresa Victron Energy. O custo estimado do Phoenix Inverter de 5 kW é de 2500 u.e.

Vantagens competitivas:

• a tecnologia «SinusMax» suporta a inicialização de «cargas pesadas»;
• dois modos de economia de energia – opção de busca de carga e redução da corrente em vazio;
• presença de relé de sinalização – alerta de superaquecimento, tensão insuficiente da bateria, etc.;
• configuração de parâmetros programáveis via PC.

Para alcançar alta potência, é possível conectar até seis conversores em paralelo por fase. Por exemplo, uma combinação de seis dispositivos com classificação 48/5000 pode fornecer uma potência de saída de 48 kW/30 kVA.

Modelos nacionais MAP Gibrid e Dominator

A empresa MAP «Energia» desenvolveu duas modificações do conversor híbrido: Gibrid e Dominator.

A faixa de potência do equipamento é de 1,3 a 20 kW, o intervalo de tempo para comutação entre modos é de até 4 ms, está prevista a possibilidade de «injeção» de eletricidade na rede urbana.

Tabela comparativa das capacidades dos conversores. Ambos os tipos podem operar no modo ECO, cada modelo «se conecta» a um servidor Web para monitoramento e ajuste remotos.

Características gerais dos conversores de tensão Gibrid e Dominator:

• transformador baseado em núcleo toroidal;
• estabilização da tensão de entrada ausente;
• modo de «injeção» de potência;
• saída – seno puro;
• geração de excesso de energia para a rede;
• limitação da corrente de consumo na entrada CA;
• classe IP21;
• consumo no modo «sleep» – 2-5 W.

A eficiência dos conversores atinge 93-96%. Os dispositivos foram testados com sucesso para uso em temperaturas extremamente baixas (valor limite -25°, é permitida uma redução de curta duração até -50 °C).

Possíveis esquemas de conexão

Ao construir um complexo fotovoltaico combinado com a rede central, existem diferentes opções de conexão do inversor.

Opção nº 1 – esquema com controlador de carga DC

A opção mais popular, onde o carregamento da bateria é feito através de um controlador solar MPPT (análise do ponto de potência máxima).

No esquema, é utilizado um conversor que suporta a transferência de eletricidade para a rede ou carga, se a tensão da bateria exceder o parâmetro definido pelo usuário

Características da solução:

• uso eficiente de energia renovável na presença/desconexão da rede;
• possibilidade de ativar o funcionamento do sistema solar após a descarga da bateria.

E também, outra solução são as perdas ligeiramente aumentadas na conversão de energia no trecho «controlador-bateria-inversor».

Opção nº 2 – esquema com inversor híbrido e de rede

Conversor de rede na saída do inversor de bateria. De acordo com o esquema, dois conversores são conectados a diferentes painéis solares.

O conversor híbrido é conectado a um painel fotovoltaico opcional para recarregar a bateria, o de rede é conectado ao módulo solar principal.

Em condições normais (presença de corrente de rede), o conversor de rede alimenta a carga reservada, com eficiência de conversão de cerca de 95%. O excesso de energia vai para a bateria e, quando esta está cheia, para a rede geral.

Características do sistema:

• funcionamento ininterrupto independentemente da presença de tensão de rede central;
• alto rendimento e minimização de perdas no lado DC devido ao nível de tensão suficiente da bateria solar;
• as baterias quase sempre funcionam em regime de flutuação, o que aumenta sua vida útil;
• uso de inversores híbridos projetados para carregar a bateria a partir da saída;
• necessidade de ajustar o funcionamento do inversor de rede.

A potência total do conversor de rede não deve exceder a potência do 'conversor' híbrido – isso permite aproveitar a energia dos painéis solares em caso de descarga da bateria ou falta de rede.

Independentemente do esquema escolhido, ao conectar o inversor, devem ser considerados vários detalhes:

1. As conexões com fio para DC não devem ser longas. O inversor deve ser colocado nas proximidades (até 3 m) dos painéis solares e, em seguida, 'estender' a linha com AC.
2. O conversor não deve ser montado em estruturas de materiais inflamáveis.
3. O inversor de parede deve ser colocado na altura dos olhos para facilitar a leitura das informações no visor.

A conexão de modelos com potência superior a 500 W requer requisitos especiais. A conexão deve ser rígida, com contato firme entre os terminais do aparelho e os fios.

Também em nosso site há outros artigos sobre energia solar e conexão de componentes e módulos individuais na montagem de um sistema autônomo.

Recomendamos a leitura dos seguintes materiais:

• Esquema de conexão de painéis solares: ao controlador, à bateria e aos sistemas atendidos
• Carregador de painéis solares: dispositivo e princípio de funcionamento da recarga solar
• Como fazer uma bateria solar com as próprias mãos: métodos de montagem e instalação de painéis solares

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O conceito de 'inversor híbrido', sua estrutura, funções e variantes de execução:

Visão geral das capacidades, modos de operação e eficiência do uso do conversor multifuncional InfiniSolar de 3 kW:

Projetar um sistema de fornecimento de energia solar é uma tarefa complexa e responsável. O cálculo dos parâmetros necessários, a seleção dos componentes do sistema solar, a conexão e o comissionamento são melhor deixados para profissionais.

Os erros cometidos podem levar a falhas no sistema e ao uso ineficiente de equipamentos caros.

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