Qual é a melhor solução de inversores para uma planta de GC?

Inversores string ou centrais: quais são as principais diferenças e vantagens de cada solução?

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Artigo escrito por Diogo Pugas e Antônio Marcos Salgueiro

A definição dos inversores em uma usina solar é uma decisão importante na concepção do projeto. Alguns parâmetros técnicos principais vão nos levar a essa decisão.

Neste artigo, vamos discorrer sobre algumas características dos inversores central e string e os benefícios de cada um em vários quesitos relevantes na escolha da melhor topologia para cada situação.

Tipos de inversor

String

Os inversores string são projetados para aplicações desde microgeração a grandes usinas solares. Encontramos hoje no mercado inversores string de 0,5 kWac a 360 kWac.

Central

Os inversores centrais são projetados para aplicações de grande porte, a partir de 1 MWac. Encontramos hoje no mercado inversores centrais de 1000 kWac a 5500 kWac. Alguns dos principais fatores que devem ser levados em consideração ao compararmos as duas tecnologias de inversores são:

Mismatching: é a diferença de potência entre módulos fotovoltaicos na fabricação e/ou por fatores externos como sombreamento, poeira, diferentes inclinações ou outros defeitos na superfície dos módulos;
Geração: o máximo que conseguimos converter de energia gerada do sistema, quanto será necessário gerar, em quais horários e qual espaço disponível para a usina;
Perdas elétricas CC/CA: as perdas ocorrem em várias partes do sistema fotovoltaico, tanto em corrente contínua quanto corrente alternada; devemos observar cada parte individualmente do sistema de modo a minimizá-las;
MTTR: o mean time to repair, ou em português, o tempo médio para reparo, quais as dificuldades de cada solução para resolução de uma falha no sistema;
Painel de baixa tensão: Necessário somente para a solução com inversores tipo string, faz a conexão entre os inversores e o transformador elevador da estação conversora. Dependendo da solução, sendo ao tempo ou abrigada, sua complexidade pode aumentar;
R$/W: o valor por watt de cada solução é determinante para que os projetos se tornem economicamente viáveis, tanto em termos de CAPEX (investimento inicial do empreendimento) quanto OPEX (custo para mantê-lo em operação).

A figura abaixo apresenta as principais vantagens e desvantagens de cada uma das tecnologias, central e string, quando comparadas, em relação aos itens citados:

Figura 1 – Comparação entre soluções com inversores string e com inversores centrais

Para exemplificar essas comparações faremos agora um estudo de caso.

Estudo de caso

Para iniciar o estudo de caso vamos analisar as características de um projeto fictício de 90 MWac localizado ao Norte de Minas Gerais, com os seguintes parâmetros:

Potência AC Total: 90 MWac;
Potência CC Total: 112,6 MWp;
Tipo de montagem: rastreadores de 1 eixo;
Módulo FV: Longi 530 Wp bifacial;
Fonte de dados meteorológicos: Meteonorm 8.0.

Para o estudo iremos utilizar os dados do inversor string TBEA TS228KTL-HV e o inversor central TBEA TC3125KF. Inserindo os dados da usina apresentados acima e os respectivos arquivos “.ond” de cada inversor no aplicativo PVSyst 7.2 e obtemos os seguintes resultados.

Inversor central

Figura 2 – Simulação do estudo de caso com inversores centrais no PVSyst

Inversor String

Figura 3 – Simulação do estudo de caso com inversores string no PVSyst

Com os resultados acima podemos observar que o inversor string produziu 1.669 MWh/ano a mais de energia que o inversor central, como previsto anteriormente. O próximo passo será levantar os custos estimados referentes à solução com inversores tipo central e string para o projeto em questão.

CAPEX

A tabela abaixo descreve o custo dos equipamentos e instalação hoje praticados no mercado:

Nota 1: Os preços dos equipamentos já incluem custos de comissionamento e supervisão de montagem;

Nota 2: Os cabos de comunicação RS485 e infraestrutura das string boxes estão inclusos no preço de instalação do item 3.

Conforme detalhado na tabela acima, podemos observar que a solução com inversores centrais é mais competitiva que a solução com inversores tipo string, reduzindo em 0,0476 R$/Wp ou 15,6% o CAPEX referente à implementação do projeto.

OPEX

A tabela abaixo descreve o custo de manutenção e operação dos inversores referente ao período de garantia de 5 anos, tempo padrão de garantia dos inversores, tendo como base os relatórios de MTBF (tempo médio entre falhas) dos inversores tipo central TC3125KF e string TS228KTL-HV da TBEA.

Segue abaixo o detalhamento dos cálculos:

Nota 1: Os valores de MTBF são confidenciais e podem ser compartilhados a partir da assinatura de NDA (Non Disclosure Agreement) entre a TBEA e o cliente.

Podemos observar que durante o período de garantia do inversor tipo string, o valor calculado de gastos com a manutenção e operação do equipamento é de R$ 23,4 mil ou 11,0% menor do que o inversor central.

Apesar do inversor string apresentar uma taxa de falha maior que 5 vezes a taxa de falha do inversor central por ano, devido ao maior número de inversores em operação, as falhas são resolvidas mais rapidamente e com menor custo, como podemos observar acima.

Análise econômica simplificada

Fazendo a análise econômica geral do investimento, comparando as soluções de inversor central e string, temos que a diferença de investimento inicial considerado é a seguinte:

Fazendo a projeção econômica desse valor economizado na usina com a escolha dos inversores centrais e uma taxa de retorno do investimento de 6% ao ano durante um período de 25 anos, tempo de vida útil típica de um projeto solar, temos:

Onde:

VA = 5.353.431,36;
I = 6,0%;
n = 25 anos.

Sendo assim, o valor futuro referente ao resultado dessa economia de investimento inicial será de R$ 22,98 MM. Porém, como o inversor string gera mais energia do que o inversor central, analisamos também, em termos econômicos, o valor dessa geração de energia adicional.

Considerando um valor de PPA (Power Purchase Agreement) de R$ 150,00, a receita incremental com a solução de inversores string seria de R$ 250.350,00 por ano, conforme ilustrado na tabela abaixo:

Considerando também uma taxa de retorno de 6% ao ano, por um período de 25 anos, como feito anteriormente, a receita adicional proporcionada pelo inversor string seria de R$ 13,74 MM. Sendo assim, com a mesma taxa de retorno de 6% ao ano sobre a economia de CAPEX com a solução central, vimos que o ganho de energia proporcionado pela solução string não justifica seu investimento inicial.

Conclusão

Como resultado final do estudo de caso, podemos chegar a conclusão que o inversor central se apresenta como a solução de melhor relação custo/benefício para esse projeto, conforme ilustrado abaixo:

Figura 4 – Comparação final entre as soluções sobre o estudo de caso

Porém para cada caso um estudo é necessário porque em geral ambas as soluções apresentam vantagens e desvantagens em detrimento das particularidades do projeto e perfil do cliente.

Para plantas de geração distribuída de pequeno porte, por exemplo, a solução string é mais indicada pela disponibilidade e facilidade de substituição do produto sem a necessidade de equipe técnica especializada. No entanto, para projetos de geração centralizada, com clientes que disporão de equipes de O&M mais especializadas, a solução com inversores centrais se apresenta como o melhor custo-benefício.

Referências

Henrique, R.; Tavares, P. Qual a melhor topologia para USINAS FOTOVOLTAICAS. RBS Magazine, ed 46, pg 57;
Schneider Electric. A Quantitative Comparison of Central Inverters and String Inverters in Utility-Scale Solar Systemsin North America, Life is On, dezembro 2016;
VARGAS, J. P.; GOSS, B.; GOTTSCHALG, R. Large scale PV systems under non-uniform and fault conditions. Solar Energy, v. 116, p. 303–313, 2015;
Araújo, E. O problema do mismatch nas instalações fotovoltaicas. Canal Solar, 4 de junho de 2020. Disponível em: https://canalsolar.com.br/mismatch-nas-instalacoes-fotovoltaicas/. Acessado em 21 de julho de 2022.