Armazenamento de energia por acoplamento direto em corrente contínua

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Geradores fotovoltaicos (FV) produzem energia elétrica em corrente contínua. Se o armazenamento dessa energia for realizado diretamente num banco de baterias, eliminam-se as perdas de conversão e o custo de um inversor.

Lior Handelsman, da SolarEdge (Israel)

Data: 25/09/2017

Edição: Fotovolt Setembro 2017 - Ano 3 - N^o 12

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Baterias somente podem armazenar energia em corrente contínua (CC). As boas características de armazenamento da corrente contínua fundamentam-se no fato de que ela só flui em um sentido. A representação gráfica desse fluxo de corrente poderia ser feita mediante uma linha reta horizontal. Já em corrrente alternada (CA) o sentido do fluxo se altera periodicamente, descrevendo uma onda senoidal. A tentativa de armazenar energia na forma de corrente alternada equivale a querer capturar uma onda – o que é impossível.

Eliminando perdas por conversão

Uma vez estabelecido que as baterias só podem armazenar corrente contínua, e que os módulos solares fotovoltaicos geram corrente contínua, parece evidente que o restante da instalação de armazenamento também deve operar em corrente contínua. Porque a cada conversão de CA em CC e vice-versa perde-se uma parte da energia (figura 1).

Entretanto, se a energia em CC for armazenada diretamente na bateria, eliminam-se conversões adicionais de CA em CC, e novamente para CA, seja para autoconsumo ou para injeção na rede. Por esta razão, o acoplamento direto em CC aumenta o rendimento total da instalaçao FV. Nesta configuração existe apenas um estágio de conversão, comparativamente a uma instalação de corrente alternada, na qual são necessárias três estágios de conversão até que a energia complete seu caminho entre o módulo FV e a carga, passando pelo inversor e pelo conversor CA-CC da bateria (figura 2).

Redução de custos de instalação

Além de minimizar as perdas de energia, um sistema de armazenamento acoplado diretamente em CC apresenta outros aspectos favoráveis. De um lado, é suficiente um inversor (figura 3), o que simplifica a instalação desde o início. Quando apenas um inversor é responsável pela instalação, isso se reflete positivamente na operação. Por exemplo, a coordenação de funções complexas, necessárias em certas aplicações, é significativamente mais simples com um único inversor, do que a tentativa de sincronizar e coordenar dois inversores distintos numa instalação com acoplamento em corrente alternada.

Esse aspecto se torna ainda mais relevante quando se trata de fontes de alimentação de emergência. No que se refere à potência, as duas características mais importantes de um sistema com acoplamento em corrente contínua são a capacidade de utilizar a potência em CC acima da potência nominal do inversor, e o fato de que o inversor não limita a potência do sistema de armazenamento.

Maior potência possível

Uma solução com acoplamento direto em CC propicia a utilização da energia solar FV acima da potência nominal do inversor. Numa instalação com acoplamento em CA, isto não é possível. Em certos casos há limitações quanto ao tamanho do inversor que pode ser instalado. Se a potência do inversor estiver limitada, por exemplo, a 8 kW, isso afeta igualmente o inversor FV e o inversor da bateria. O que significa que, para uma instalação de 8 kW com acoplamento em CA, só podem ser utilizados inversores de 4 kW, sendo um na saída do gerador FV e outro nas baterias, limitando a potência total da instalação a 4 kW. Diversamente, para instalações acopladas em CC não se aplica esse limite de 8 kW sobre o inversor, possibilitando uma instalação FV de maior potência, com maior capacidade de carga e descarga das baterias.

No que tange à segunda característica mais importante relativa à potência, um sistema acoplado diretamente em CC pode direcionar mais energia para as baterias, porque esse fluxo energético não é limitado pela potência do inversor. Como se observa na figura 2, a energia é suprida diretamente do gerador FV para as baterias, sem ter de passar antes por um processo de conversão. Em contraste, numa instalação acoplada em CA, o inversor funciona como um freio para o fluxo de energia. Por exemplo, se um gerador FV que produza 10 kWp for equipado com um inversor de apenas 7,6 kW, a energia a ser injetada na rede e armazenada nas baterias estaria limitada a 7,6 kW. Ou seja, haveria perda de energia potencial. Já com uma instalação acoplada em CC seriam injetados 7,6 kW na rede através do inversor, e o excedente de 2,4 kW seria direcionado para as baterias sem antes armazenamento ter de passar pelo inversor. O usuário de uma instalação acoplada em CC pode, portanto, aproveitar melhor a energia produzida e obter assim um aumento de rentabilidade.

Aplicações para energia de emergência

Tratando-se de sistemas de armazenamento de energia de emergência, as soluções com acoplamento em CC mostram-se também mais favoráveis. Quando um inversor está operando no modo de energia de emergência devido a um colapso transitório da rede, é possível alimentar as cargas de emergência com a energia do gerador FV e das baterias, caso, por exemplo, a potência dos módulos fotovoltaicos não seja suficiente para suprir a demanda. Em instalações com acoplamento em CC, neste caso, a energia é fornecida por um único inversor, enquanto nas instalações acopladas em CA é necessária uma complicada sincronização.

Num primeiro momento pode parecer que, com o acoplamento em CA, as cargas simplesmente se dividam entre os dois inversores. Na prática, porém, o gerenciamento de energia se torna muito mais complexo, e tanto a geração quanto o armazenamento de energia podem decrescer. A figura 4 apresenta os componentes de um sistema com acoplamento direto em corrente contínua típico, conforme analisado neste artigo [1].

Referências

1. [1] http://www.solaredge.com