ANALYSIS OF FAULTS IN PHOTOVOLTAIC INVERTERS AND THEIR IMPACTS ON THE RELIABILITY OF DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ch10202411301148
Melkesedek de Oliveira Mesquita1;
Edvan Carneiro Almeida2
Resumo
O estudo aborda os defeitos em inversores fotovoltaicos, analisando suas principais causas e impactos na confiabilidade dos sistemas de geração distribuída. A pesquisa, de natureza descritiva e com abordagem quantitativa, baseou-se em revisão bibliográfica e análise de dados fornecidos pela fabricante Growatt. Os resultados indicam que os defeitos mais recorrentes ocorrem em relés (28,8%) e IGBTs (25%), seguidos por falhas nos barramentos de tensão e em inversores que não ligam. Esses problemas, causados por fatores internos, externos e pela qualidade dos componentes, comprometem a eficiência energética e a estabilidade do sistema. As conclusões ressaltam a importância de tecnologias robustas, manutenção preventiva e monitoramento em tempo real para mitigar falhas e aumentar a confiabilidade dos sistemas fotovoltaicos. O estudo contribui para o avanço do setor, propondo soluções práticas que incluem a adoção de componentes de alta qualidade, conformidade com normas técnicas e integração de sistemas de monitoramento inteligente. Com isso, busca-se promover maior sustentabilidade e eficiência na matriz energética solar.
Palavras-chave: Geração Distribuída, Inversores Fotovoltaicos, Defeitos Operacionais.
1 INTRODUÇÃO
Com o aumento do consumo de energia elétrica no Brasil e do aumento do valor tarifário ao longo dos anos, principalmente para consumidores residenciais, necessitou-se de novas maneiras de produção de energia elétrica, como forma de suprir o consumo da população e diminuir o valor tarifário dos consumidores. Nesse sentido, tendo em vista o avanço das diferentes formas de geração de energia elétrica a busca por energias renováveis vem crescendo a cada ano no Brasil, principalmente a energia solar fotovoltaica, tendo em vista que o seu valor comparado as outras formas de produção de energia elétrica, se torna mais acessível para a sua aquisição, devido, principalmente, ao auxílio do governo com propostas de redução de alíquotas para a importação de módulos fotovoltaicos, voltados ao programa de apoio ao desenvolvimento tecnológico da indústria de semicondutores (PADIS), impactando fortemente na Economia Verde do país (Aneel, 2024; EPE, 2024; Brasil, 2023).
Nesse sentido, o processo do avanço da eletrônica de potência na engenharia, contribuiu decisivamente para o uso de diferentes formas de produção de energia elétrica, pois com ela foi possível dar forma e obter o controle de uma grande quantidade de energia com uma eficiência cada vez maior. Com o objetivo de obter o controle e condicionamento da energia elétrica, é preciso converter a potência elétrica de uma forma para outra, a partir de diferentes formas de conversão. Um conversor bastante usado na manipulação da energia é o conversor CC-CA, conhecido como inversor, no ponto crucial desse sistema, encontram-se os inversores fotovoltaicos bastante usados na geração distribuída (GD), uma vez que convertem a corrente contínua (CC) gerada nos módulos solares em corrente alternada (CA), ajustando-a para integração com a rede elétrica da distribuidora (Rashid, 2014).
No entanto, ao longo do processo de montagem dos sistemas fotovoltaicos o número de defeitos em inversores foram aparecendo gradativamente, e isso se deve a alguns fatores a exemplo de um mau planejamento no dimensionamento do sistema, que muitas vezes resulta em inversores sobrecarregados ou subutilizados, falhas na montagem, especialmente em instalações que não seguem as recomendações dos fabricantes ou quando utilizam componentes de baixa qualidade, além disso, fatores externos como sobretensões e subtensão na rede elétrica da concessionária danificam os inversores, como também, defeitos de sincronismo surgem quando há problemas na comunicação entre o inversor e a rede elétrica, o que resulta em falhas de operação e desconexões frequentes.
Diante disso, o presente estudo relacionado a falhas nos inversores fotovoltaicos foi escolhido como área de estudo, pois, conforme dados divulgados pela ABSOLAR (2024), desde 2012 o setor de energia solar do Brasil, movimentou cerca de R$195,6 bilhões em novos investimentos, mais de R$ 61,3 milhões em arrecadação de tributos e gerou 1,2 milhões de novos empregos, como também, contribuiu para redução da emissão de 47,6 milhões de toneladas de CO2 na geração de energia elétrica. Além disso, o país atingiu cerca de 41.1 gigawatts (GW) de capacidade instalada, dessa forma, a energia elétrica solar corresponde a 18% de toda a matriz energética do País. Nesse sentido, tais fatores evidenciam o protagonismo da energia fotovoltaica e como o mercado se mostra promissor para com os seguintes anos (ABSOLAR, 2024).
Dessa forma, o objetivo geral do artigo é mostrar os principais motivos que levam aos defeitos em inversores solares, por meio de uma análise bibliográfica e estudo de casos práticos, com o objetivo específico de verificar os componentes internos e fatores externos e internos relacionados a esses defeitos. Com isso, este estudo tem suma importância para o campo científico, pois será fundamental para o entendimento de propor soluções e mudanças de correção para os possíveis problemas que possam aparecer nos aparelhos, como também, contribuir para aumentar a confiabilidade dos sistemas fotovoltaicos na geração distribuída.
2 METODOLOGIA
Com base nos fatos mencionados, este estudo desenvolveu-se por meio de uma pesquisa avançada, tendo como objetivo investigar o tema “Análise de defeitos em inversores fotovoltaicos e seus impactos na confiabilidade de sistemas de geração distribuída”. Essa análise busca mostrar as falhas mais comuns que ocorrem ao longo da vida útil desses dispositivos e como esses problemas recorrentes nos inversores fotovoltaicos afetam a longevidade e a eficácia dos sistemas de energia solar.
Dessa maneira, o artigo adotou como metodologia a pesquisa descritiva, utilizando-se uma abordagem quantitativa, na qual o propósito central é analisar e descrever os principais defeitos em inversores fotovoltaicos, o estudo foi organizado a partir das relações entre as variáveis relacionadas aos diferentes tipos de falhas nos inversores, usando-se técnicas de interações entre as variáveis encontradas e a interpretação desses dados.
As pesquisas descritivas têm como objetivo a descrição das características de determinada população ou fenômeno. Podem ser elaboradas também com a finalidade de identificar possíveis relações entre variáveis. São em grande número as pesquisas que podem ser classificadas como descritivas e a maioria das que são realizadas com objetivos profissionais provavelmente se enquadra nesta categoria (Gil, 2017, p. 33).
Para a realização da pesquisa, utilizou-se o software Canvas, por meio do qual foi elaborado um gráfico a partir dos dados disponibilizados pela empresa Growatt, fabricante de inversores solares. A empresa, além de fabricar os dispositivos, oferece soluções de monitoramento para sistemas de energia renovável e disponibiliza aos consumidores sistemas
de armazenamento de energia. Os dados apresentados indicam os principais defeitos ocorridos em seus inversores fotovoltaicos, bem como os índices percentuais dos casos mais frequentes. Assim, para compor a pesquisa realizou-se um levantamento literário com apoio de uma revisão bibliográfica, pois esse modelo “[…] procura explicar um problema a partir de referências teóricas publicadas em artigos, livros, dissertações e teses.” (Cervo; Bervian; Silva, 2007), com o uso das ferramentas de pesquisas do Google acadêmico, na plataforma Research Gate, Scielo, e no repositório de algumas universidades federais, a exemplo, da biblioteca digital da USP e o repositório institucional da UNB, na qual foi usado palavras chaves: inversor solar, geração distribuída, Photovoltaic (PV) systems. Com a finalidade fundamental de garantir uma base sólida para a pesquisa, permitindo uma identificação acerca dos estudos atuais e recentes sobre os desafios enfrentados pelos inversores.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Inversor Solar
Os sistemas fotovoltaicos (FV) são tecnologias projetadas para transformar a energia solar diretamente em eletricidade. Eles são compostos por vários elementos fundamentais que operam de maneira integrada para assegurar a geração eficiente de energia elétrica.
O elemento crucial em um sistema FV é o inversor, pois ele desempenha uma função primordial nos sistemas fotovoltaicos, sendo responsáveis por transformar a eletricidade, de corrente contínua (CC), proveniente dos módulos solares, em corrente alternada (CA), que pode ser usada instantaneamente ou injetada na rede da distribuidora. Além de converter a energia, os inversores são responsáveis, pelo rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT), que ajustam a corrente e a tensão dos painéis em busca de garantir a maior geração de energia possível, mesmo sob situações de irradiância solar variável (Rampinelli; Krenzinger; Romero, 2013).
Além disso, o inversor desempenha a função de monitorar continuamente as condições de qualidade da energia, conectando ou desconectando automaticamente o sistema da rede em situações de anormalidade, como excesso de tensão ou corrente. Esse processo é conhecido como detecção de anti-ilhamento, sendo um requisito obrigatório, cujos parâmetros de teste estão estabelecidos pela ABNT NBR IEC 62116. Como também, os inversores possuem sistemas de filtro usados para controlar a emissão de correntes harmônicas (Schenkel, 2015).
Para atender diferentes demandas na operação, existem três tipos principais de inversores, os on-grid, que são conectados à rede elétrica, e os off-grid, que operam de forma isolada a rede pública e os híbridos que têm características mistas do on-grid e off-grid. Além disso, há os micros inversores que detém características dos inversores, porém são menores e apresentam algumas características diferenciadas.
Os inversores on-grid são sistemas de geração de energia solar que estão conectados à rede elétrica convencional. Esse sistema permite que a eletricidade gerada seja usada imediatamente para o consumo local, e quando há produção excedente, ela é enviada para a rede elétrica da concessionária. De acordo com a lei 14.300 de Brasil (2022), os créditos de energia excedentes podem ser utilizados em até 60 meses, permitindo um aproveitamento ainda mais eficiente da energia gerada ao longo do tempo. Além disso, quando comparada ao sistema off-grid, o sistema on-grid se torna mais acessível para a aquisição e manutenção, representando uma alternativa econômica para aqueles que buscam reduzir custos ao mesmo tempo em que utilizam uma fonte de energia limpa e sustentável (Cordeiro; Couceiro, 2024).
Já os inversores fotovoltaicos off-grid (ou isolados) são sistemas de geração de energia solar que não dependem da rede elétrica pública. Eles geralmente são utilizados em áreas remotas, onde o acesso à eletricidade na rede da distribuidora é limitado ou inexistente. Esse modelo de sistema permite a produção de eletricidade durante o dia, e o que não é consumido pode ser armazenado em baterias para o uso noturno ou em dias de baixa irradiância, como em dias chuvosos ou nublados (Villalva; Gazoli, 2012).
Além disso, segundo Melo (2022) existem o modelo de sistemas off-grid sem armazenamento, onde o consumo de energia ocorre de maneira instantânea. Esses sistemas são frequentemente utilizados em bombas hidráulicas para reservatórios ou irrigação, não necessitando de baterias. Essa configuração reduz os custos operacionais, tornando-se uma opção econômica e eficiente para aplicações que exigem o uso direto da energia gerada, especialmente em áreas rurais ou remotas. Dessa forma, a energia solar é aproveitada de maneira otimizada, garantindo que a água seja bombeada enquanto há disponibilidade de luz solar.
Nesse sentido, o modelo de sistema híbrido mescla entre o on-grid e o off-grid, dessa forma a energia que foi gerada pelos painéis fotovoltaicos em (CC) e convertida pelo inversor em (CA), pode ser direcionada ao armazenamento do banco de baterias, como também, pode ser lançada na rede de distribuição (Solfácil, 2024).
Com relação aos micros inversores, eles são conectados diretamente a cada módulo fotovoltaico, proporcionando um controle mais individualizado. Eles são especialmente adequados para instalações em áreas com sombreamento parcial ou módulos orientados em direções diferentes (Bastos, 2024).
Figura 1 – Tipos de Inversores
Fonte: Energês adaptado (2020).
Os inversores conectados à rede elétrica no Brasil precisam atender a uma série de requisitos técnicos e de segurança. De acordo com a ABNT NBR 16149:2013 ela define parâmetros fundamentais, como as faixas permitidas de variação de tensão e frequência, limites para distorção harmônica, fator de potência, entre outros critérios essenciais (Bastos, 2024).
Quando a tensão da rede elétrica ultrapassa os limites da faixa de operação especificada, o sistema fotovoltaico deve interromper o fornecimento de energia à rede. Vale destacar que os inversores fotovoltaicos não têm a função de regular a tensão da rede, mas controlam a corrente injetada nela. Por esse motivo, a faixa operacional de tensão é configurada como um mecanismo de proteção, que entra em ação em situações anormais na rede elétrica. A imagem a seguir demonstra os parâmetros e especificações.
Figura 2 – Resposta as condições anormais de tensão
Fonte: ABNT (2013).
Com relação as alterações do comportamento dos inversores fotovoltaicos em relação à variação da frequência da rede elétrica ela deve atender a critérios específicos para garantir a segurança e estabilidade do sistema. Quando a frequência da rede cai abaixo de 57,5 Hz, o inversor deve cessar a injeção de energia em até 0,2 segundos, retomando o fornecimento apenas quando a frequência retornar a 59,9 Hz, respeitando o tempo de reconexão. Para frequências entre 60,5 Hz e 62 Hz, o inversor deve reduzir gradualmente a potência ativa injetada na rede, seguindo uma taxa de redução ajustada em -40%/Hz. Caso a frequência ultrapasse 62 Hz, o inversor deve interromper a injeção de energia em até 0,2 segundos, só retomando o fornecimento quando a frequência voltar a 60,1 Hz, respeitando o tempo de reconexão e com um gradiente de aumento da potência ativa de até 20% da potência nominal (Pm) por minuto. Esses mecanismos garantem a segurança, a eficiência e a estabilidade dos sistemas fotovoltaicos integrados à rede elétrica (ABNT, 2013).
Além disso, os inversores modernos possuem funcionalidades avançadas de conectividade, que permitem o monitoramento remoto e facilitam tanto a manutenção quanto a otimização do desempenho do sistema. Essas inovações não apenas aumentam a eficiência operacional, mas também fortalecem a integração inteligente dos sistemas fotovoltaicos à rede elétrica (Bastos, 2024).
4.2 Componentes Integrantes dos Inversores Fotovoltaicos
4.2.1 Relés
Os relés têm um papel crucial de proteção e controle nos inversores fotovoltaicos, conectando e desconectando o sistema da rede da rede elétrica para garantir que o inversor opere sempre dentro dos parâmetros das normas vigentes. Logo, sua principal é conectar o inversor à rede apenas quando as condições são segura e desconectá-lo imediatamente em caso de sobrecargas ou condições anormais de tensão e corrente prevenindo danos ao sistema.
Contudo, o relé é um dos componentes mais sujeitos ao desgaste mecânico, o que pode acarretar falhas nas funções de conexão e desconexão, comprometendo a segurança do sistema fotovoltaico. Um dos pontos cruciais a ser avaliado é a resistência série de contato (RC), que, em grande parte dos inversores, fazem o uso de uma liga de prata e níquel (AgNi). Quando a RC está elevada, ela provoca o aquecimento excessivo, o que degrada o material condutor dos contatos internos e aumenta ainda mais a resistência. Esse processo desencadeia um ciclo de degradação, que pode resultar em uma falha catastrófica dos contatos, tornado necessária a substituição do relé (Oliveira, 2024).
Com a adoção de um protocolo adequado de conexão e desconexão, assim como o uso de circuitos e componentes de proteção, a degradação dos contatos do relé pode ser suficientemente lenta para garantir a vida útil esperada pelo fabricante (Oliveira, 2024).
4.2.2. IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada)
O IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada) é essencial em inversores fotovoltaicos, principalmente devido à sua função crítica de conversão de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA). Esse componente combina a eficiência de chaveamento dos MOSFETs com a alta capacidade de corrente dos transistores bipolares, sendo especialmente adequado para aplicações de alta potência, como os inversores utilizados em sistemas de geração distribuída.
Os IGBTs, integrados na placa de potência do inversor, são geralmente montados diretamente em um dissipador de calor, essencial para dissipar o calor gerado durante sua operação. Eles desempenham o chaveamento em alta frequência, permitindo a conversão eficiente da energia produzida pelos módulos solares. No entanto, devido ao papel crucial que desempenham no processo de conversão, os IGBTs estão sujeitos a altos níveis de estresse térmico e sobrecargas elétricas, fatores que podem comprometer seu desempenho e reduzir sua vida útil. Essa suscetibilidade é particularmente evidente quando o inversor opera em condições extremas de temperatura ou em correntes que excedem as especificações recomendadas pelo fabricante, resultando em potenciais falhas prematuras nos componentes (Kumar Gatla et al., 2023).
Pesquisas, como as realizadas pelo Sandia National Laboratories, mostram que os IGBTs podem apresentar desgaste significativo quando submetidos a condições de alta tensão e temperatura. Embora a maioria dos IGBTs demonstre desempenho satisfatório, alguns componentes sofrem degradação acentuada, chegando a um nível que pode levar a falhas completas em inversores fotovoltaicos. Entre as falhas comuns estão o levantamento dos fios de ligação e a deterioração da fixação do dielétrico, causadas principalmente pelo ciclo térmico e de potência, especialmente em aplicações de micro inversores colocados ao ar livre. Além disso, estudos anteriores revelam que as tensões termomecânicas em camadas adjacentes, montadas com diferentes coeficientes de expansão térmica, geram tensões de cisalhamento durante a operação devido à expansão e contração desiguais. Esses ciclos, ao longo do tempo, podem causar rachaduras ou desconexões, tornando essencial a redução dessas tensões para aumentar a confiabilidade do dispositivo (Kumar Gatla et al., 2023; Formica; Khan; Pecht, 2017).
Uma das causas mais importantes de falha em módulos de potência em sistemas fotovoltaicos é o ciclo térmico. Esse processo é crítico porque os dispositivos de potência são compostos por materiais diferentes, que possuem coeficientes de expansão térmica distintos. Essa diferença nos coeficientes de expansão causa tensões internas durante as variações de temperatura, levando à degradação e, eventualmente, à falha dos componentes. Por exemplo, um módulo de potência típico inclui um chip de silício montado sobre uma camada de cerâmica. Quando o dispositivo está a uma temperatura ambiente de 250 °C, o chip de silício e a cerâmica estão estáveis em suas dimensões iniciais. No entanto, ao atingir temperaturas mais altas, como 1250 °C, os materiais se expandem de forma desigual: enquanto o silício pode expandir-se de 10 mm para aproximadamente 11 mm, a cerâmica pode expandir-se ainda mais, de 10 mm para 12 mm. Essa diferença de expansão cria uma incompatibilidade estrutural, em que ela gera
tensões nos pontos de contato entre os materiais, principalmente nos cantos das camadas, onde as tensões são mais concentradas. Com o tempo e ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento, essas tensões causam rachaduras nas bordas do módulo. Essas rachaduras afetam a integridade do módulo de potência, levando a falhas de funcionamento (Kumar Gatla et al., 2023).
4.2.3. Barramento de Tensão
O barramento de tensão é uma parte fundamental nos inversores fotovoltaicos, pois são responsáveis por estabilizar e regular a tensão de entrada proveniente dos módulos solares antes que a corrente contínua (CC) seja convertida em corrente alternada (CA). Esse componente atua como um ponto de conexão entre os diferentes circuitos internos do inversor, assegurando uma fonte estável para os componentes de conversão de energia, como o IGBT.
A importância do barramento de tensão reside em sua capacidade de amortecer as flutuações de tensão causadas pelas variações na geração de energia dos módulos solares, que podem ocorrer devido as mudanças nas condições de irradiância solar. Para isso, banco de capacitores são integrados ao barramento, funcionando como dispositivo de armazenamento temporário de energia que suavizam os picos e quedas de tensão, protegendo o inversor e melhorando sua eficiência e durabilidade.
Entre as falhas mais comuns no barramento de tensão estão o desgaste e a degradação dos capacitores, que ocorrem devido ao ciclo térmico, altas temperatura e exposição prolongada a cargas de corrente elevadas. Os capacitores eletrolíticos, frequentemente usados em barramentos de tensão, podem sofrer degradação rápida em ambientes de alta temperatura, levando à redução de sua capacidade de armazenamento e até a falhas catastróficas, como explosões que danificam outros componentes do inversor (Formica; Khan; Pecht, 2017)
Para mitigar esses riscos, é crucial selecionar capacitores com tensão nominal superior ao limite operacional, o que proporciona uma margem de segurança adicional. Além disso, capacitores com baixa Resistência Equivalente em Série (ESR) são preferíveis, pois dissipam menos calor, aumentando a vida útil e reduzindo o risco de falhas prematuras. A utilização de múltiplos capacitores conectados em paralelo também é recomendada, pois essa configuração reduz a ESR total e melhora a eficiência do barramento, permitindo que o sistema suporte melhor as variações de carga e as dinâmicas da energia solar (Villalva, 2020).
Além disso, as causas de falha do capacitor incluem defeitos de projeto do capacitor, envelhecimento do material, sobretensão e sobrecorrente, humidade, estresse térmico e estresse mecânico. Podendo ser causada por curto prazo, estresse excessivo ou acúmulo de danos por fadiga durante um longo período (Kumar Gatla et al., 2023).
4.3 Fatores externos que contribuem para os Defeitos em Inversores Fotovoltaicos
4.3.1 Variações de Tensão da Rede
As variações de tensão na rede elétrica representam um dos principais desafios para o desempenho e a confiabilidade dos inversores fotovoltaicos. Essas flutuações na tensão podem ocorrer por uma variedade de razões, como falhas na rede, operações de chaveamento, transitórios elétricos e distúrbios causados por cargas poluidoras. Os efeitos mais comuns relacionados a essas variações incluem flicker, harmônicos e desequilíbrio entre fases (Ribeiro; Ferreira; Medeiros, 2005).
Os inversores fotovoltaicos operam em um intervalo de tensão específico, quando a tensão da rede elétrica se eleva além do limite operacional do inversor, isso pode resultar em picos que comprometem a integridade dos capacitores e transistores de potência nos inversores fotovoltaicos. Os capacitores eletrolíticos, em particular, são suscetíveis à degradação quando expostos a tensões que excedem suas especificações, o que pode levar a falhas catastróficas, como explosões. Essas falhas são frequentemente mais intensas por problemas de qualidade de energia, como a flutuação de tensão (flicker), que conforme definida pela Aneel no módulo 8 do Prodist, resulta em oscilações rápidas na tensão, e dessa forma, acaba causando estresse adicional nos componentes (Formica; Khan; Pecht, 2017).
O flicker pode ser desencadeado por cargas pesadas que ligam e desligam rapidamente, criando flutuações significativas que impactam a tensão da rede. Além disso, harmônicos gerados por cargas não lineares podem resultar em correntes harmônicas adicionais, que elevam a corrente e a tensão efetiva que os capacitores e transistores precisam suportar, contribuindo para sua degradação. A presença de desequilíbrio entre fases também pode levar a tensões desiguais nos componentes, resultando em sobrecarga de alguns capacitores e transistores, enquanto outros podem operar em condições normais, o que pode causar falhas prematuras e danificar o inversor. (Machado, 2024; Toledo; Coube, 2021).
As flutuações de tensão não apenas causam danos aos componentes internos, mas também reduzem a eficiência do sistema. Quando a tensão da rede não é estável, o inversor pode não operar em seu ponto de máxima eficiência. Isso ocorre porque os inversores fotovoltaicos são projetados para operar dentro de uma faixa específica de tensão. Se a tensão oscilar devido a problemas como flicker, harmônicos ou desequilíbrio de fases, a capacidade do inversor de converter a energia de forma eficaz é comprometida, levando à perda de energia. Essa perda se traduz em uma diminuição na geração de eletricidade, afetando diretamente a rentabilidade e a sustentabilidade do sistema.
4.3.2 Condições Climáticas
As condições climáticas desempenham um papel crucial no desempenho e na eficiência dos sistemas fotovoltaicos. Variações de temperatura, umidade, radiação solar e presença de chuvas ou poeira podem impactar diretamente a geração de energia dos módulos fotovoltaicos e, consequentemente, a operação dos inversores conectados a eles.
Dentre os componentes que compõem um sistema fotovoltaico, os inversores destacam se como os mais complexos, frágeis e suscetíveis a falhas. Essa vulnerabilidade tem levado a um aprimoramento contínuo dos inversores ao longo dos últimos anos. Compreender as condições de operação dos inversores é fundamental para identificar prioridades de melhorias no produto. Essas melhorias podem envolver ajustes na configuração eletrônica, na construção mecânica ou nas rotinas de controle internas, visando aumentar a confiabilidade e a eficiência do sistema como um todo (Prudencio, 2020; Alves, 2019; Perin; Prieb; Krenzinger, 2016).
Os inversores fotovoltaicos, durante sua operação, tendem a aquecer, o que, embora indesejável, é uma característica normal de seu funcionamento. Esse aquecimento resulta em um aumento da temperatura, que está diretamente relacionado à diminuição da confiabilidade operacional e à redução da vida útil dos inversores. Conforme a temperatura sobe, os mecanismos de falha nos componentes eletrônicos se intensificam, devido a processos de degradação química. Essa degradação pode causar falhas precoces, comprometendo o desempenho geral do sistema fotovoltaico. Além disso, os ciclos térmicos e as variações de temperatura provocam fadiga mecânica em soldas, e outros componentes, gerando tensões adicionais devido à dilatação térmica de materiais diferentes que compõem o inversor (Prudencio, 2020; Alves, 2019; Perin; Prieb; Krenzinger, 2016).
Baseado em tais fatos, uma pesquisa na Tailândia revelou que a eficiência máxima do inversor caiu 2,5% quando a temperatura ambiente superou 37°C. Em contraste, temperaturas mais amenas, como aquelas encontradas em novembro e dezembro, favorecem um desempenho mais eficiente, com uma média mensal abaixo de 35°C, permitindo uma maior taxa de desempenho do sistema (Chumpolrat, 2014).
De acordo com Perin (2016) O inversor é um equipamento com alta eficiência, geralmente acima de 90%. Por exemplo, um inversor com potência nominal de 10 kW e eficiência de conversão de 95% apresenta uma perda elétrica de 5%, o que equivale a aproximadamente 500 W, essa potência é a responsável pelo aquecimento do inversor. O superaquecimento dos inversores é resultado da incapacidade de dissipar adequadamente o calor gerado durante a operação, o que pode ser atribuído a uma variedade de fatores, tanto internos quanto externos. Entre as causas internas, estão a operação acima da potência nominal
e um projeto térmico deficiente. Já as causas externas incluem temperaturas ambientes elevadas e o acúmulo de poeira nos dissipadores de calor, que podem comprometer ainda mais a eficiência do resfriamento (Prudencio, 2020; Alves, 2019; Perin; Prieb; Krenzinger, 2016).
A umidade e as chuvas podem impactar consideravelmente a operação dos sistemas fotovoltaicos, especialmente quando os inversores estão expostos ao ambiente externo. Condições de alta umidade podem provocar condensação e a formação de gotículas de água, o que pode gerar corrosão em componentes elétricos e eletrônicos, reduzindo sua vida útil e comprometendo sua eficiência. Além disso, sujeira e poeira acumuladas sobre os módulos fotovoltaicos bloqueiam a radiação solar, diminuindo a capacidade de geração de energia. Eventos climáticos extremos, como tempestades, granizo e ventos fortes, também representam um risco, pois podem causar danos físicos aos módulos e aos inversores, levando à interrupções no fornecimento de energia e exigindo reparos ou até substituições. Para minimizar esses impactos, o uso de abrigos de proteção e invólucros com grau de proteção adequado, como IP55 ou superior, torna-se essencial, garantindo que o sistema funcione com segurança e mantenha a durabilidade e a eficiência ao longo do tempo.
4.3.3 Qualidade dos Componentes
A qualidade dos componentes eletrônicos nos inversores fotovoltaicos desempenha um papel crucial na garantia de um sistema de alto desempenho, durável e com baixa necessidade de manutenção. Capacitores, transistores de potência, como os IGBTs, dissipadores de calor e relés são exemplos de componentes essenciais que, quando de alta qualidade, asseguram a eficiência térmica e elétrica do inversor.
Os capacitores, especialmente os eletrolíticos, são amplamente usados em inversores para estabilizar a tensão e filtrar ondulações, garantindo uma corrente mais constante. No entanto, esses componentes são frequentemente propensos a falhas, especialmente quando expostos a altas temperaturas ou a ciclos térmicos intensos. Estudos mostram que o uso de capacitores com baixa resistência equivalente em série (ESR) e alta tolerância a temperaturas elevadas reduz o aquecimento interno e aumenta a confiabilidade e a vida útil do sistema, já que os capacitores de baixa ESR minimizam as perdas por dissipação e o risco de falhas por superaquecimento, essencial para manter o funcionamento adequado de outros componentes, como os transistores de potência (Oliveira, 2024).
Os transistores de potência, como os IGBTs, também são essenciais para o desempenho e durabilidade dos inversores. IGBTs de alta qualidade, com baixa queda de tensão de saturação e elevada capacidade de suportar altas temperaturas, permitem que o inversor opere com maior eficiência energética e suporte condições operacionais extremas, em prol de serem menos propensos a falhas, contribuindo para uma taxa de manutenção reduzida e menor tempo de inatividade do sistema.
O relé, outro componente fundamental, é responsável por conectar e desconectar o sistema da rede de forma segura e eficiente, protegendo o inversor de surtos de corrente e falhas de alimentação. Relés de alta qualidade, com contatos resistentes ao desgaste e à formação de arco elétrico, ajudam a prolongar a vida útil do inversor. Componentes robustos no relé minimizam as falhas mecânicas e elétricas, garantindo que o inversor funcione com segurança, mesmo em condições adversas. Assim, a seleção de relés de qualidade contribui para a estabilidade e confiabilidade do sistema como um todo.
Além de um projeto bem planejado, materiais de alta condutividade térmica, como alumínio ou cobre, são fundamentais para dispersar o calor gerado no processo de conversão de energia nos inversores. A seleção adequada de materiais e uma configuração eficiente para dissipação térmica reduzem o risco de superaquecimento, contribuindo para a estabilidade do sistema em operação contínua. Componentes de alta qualidade, combinados com um projeto térmico otimizado, são essenciais para minimizar o aquecimento interno e prevenir falhas catastróficas no inversor.
4.3.4 Projeto e Manutenção
Um projeto bem elaborado de um inversor fotovoltaico considera diversos fatores que afetam diretamente sua eficiência, durabilidade e confiabilidade ao longo do tempo. Esses fatores incluem desde a escolha dos componentes até o gerenciamento térmico e a configuração do circuito. Além disso, a manutenção periódica é essencial para garantir que o inversor opere de forma confiável e eficiente ao longo de sua vida útil.
A seleção cuidadosa dos componentes é um dos pilares de um projeto robusto de inversores fotovoltaicos. Componentes como transistores IGBT e capacitores devem ser escolhidos com base em especificações que suportem as condições operacionais esperadas, como variações de temperatura e tensão. A resistência desses componentes a oscilações térmicas e elétricas é um critério fundamental, pois falhas prematuras nesses elementos podem comprometer o desempenho e a durabilidade do inversor. (Kumar Gatla et al., 2023).
O superaquecimento é uma das principais causas de falhas em componentes eletrônicos de inversores. Assim, o gerenciamento térmico eficaz é essencial no projeto. Estratégias de dissipação de calor, como o uso de dissipadores, ventilação adequada e materiais de interface térmica de alta condutividade, ajudam a manter a temperatura dos componentes em níveis seguros, prolongando a vida útil do sistema e evitando falhas decorrentes do calor excessivo (Prudencio, 2020; Alves, 2019; Perin; Prieb; Krenzinger, 2016).
O layout e a configuração do circuito são fatores que impactam diretamente a eficiência e a durabilidade dos inversores fotovoltaicos, pois influenciam tanto o fluxo de corrente quanto a gestão de interferências. Projetos que minimizam a interferência eletromagnética (EMI) não apenas reduzem o desgaste dos componentes, mas também melhoram a eficiência operacional do sistema. As séries de normas da IEC 61000, que aborda a compatibilidade eletromagnética (EMC), estabelece diretrizes para assegurar que os equipamentos funcionem adequadamente, evitando que dispositivos eletrônicos interfiram uns nos outros. Assim, a conformidade com essas normas e o uso de um layout otimizado que facilite a manutenção contribuem para a confiabilidade do sistema, prolongando sua vida útil e melhorando sua resiliência em ambientes adversos.
A limpeza dos componentes é igualmente importante, pois previne problemas como sobreaquecimento e degradação em ambientes com alta concentração de poeira ou umidade. Além disso, o monitoramento em tempo real dos componentes críticos, como capacitores e transistores IGBT, permite verificar a resistência de contato e capacitância, parâmetros que indicam a saúde do dispositivo. Nesse sentido, conforme Yang (2010) há o monitoramento por condição (CM) essencial para preservar a confiabilidade e o desempenho dos inversores fotovoltaicos ao longo de sua vida útil. A implementação de técnicas de CM permite que a manutenção seja programada com base em dados operacionais, reduzindo o risco de falhas inesperadas. O CM inclui a inspeção contínua de variáveis como temperatura e resistência dos componentes, permitindo identificar precocemente sinais de desgaste, como corrosão, acúmulo de poeira e danos físicos, que podem comprometer o desempenho do sistema. Dessa forma o monitoramento permite identificar qualquer mudança significativa nessas variáveis, e sendo assim, possível realizar a substituição preventiva de componentes antes que ocorra uma falha crítica. Em inversores modernos, o software desempenha um papel fundamental no controle e monitoramento do sistema, com atualizações de firmware e ajustes que garantem compatibilidade com novas tecnologias, mantendo a eficiência e a confiabilidade máxima do sistema.
A combinação entre um projeto bem planejado e uma manutenção preventiva eficaz resulta em inversores fotovoltaicos mais confiáveis e com menor taxa de falhas. Quando os inversores são projetados com foco na durabilidade e devidamente mantidos são mais resistentes às variações ambientais e operam de forma eficiente sob condições adversas. A combinação dessas práticas de projetos bem executados e com uma manutenção adequada não só melhora a eficiência dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede, como também reduz os custos com reparos e substituições, prolongando a vida útil do sistema.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
Os resultados encontrados nessa pesquisa sugerem que os inversores fotovoltaicos desempenham um papel essencial na confiabilidade dos sistemas conectados à rede, sendo os componentes mais suscetíveis a falhas. As principais causas de falhas estão relacionadas a componentes específicos, como relés e IGBTs, que exigem atenção especial na operação, na manutenção e no cumprimento das normas técnicas. Esses resultados evidenciam a relevância de implementar regulamentos rigorosos, testes de qualidade e o desenvolvimento de tecnologias mais robustas para garantir a eficiência e a estabilidade dos sistemas fotovoltaicos, promovendo maior segurança operacional e reduzindo os custos associados a manutenções não programadas.
Figura 3 – Principais falhas encontradas nos inversores Growatt.
Fonte: Adaptado de Growatt (2024)
Em relação aos defeitos encontrados, o gráfico apresenta uma análise detalhada das principais falhas que afetam os inversores fotovoltaicos conectados à rede. As falhas mais significativas são atribuídas ao relé, que representa 28,8% das ocorrências, seguido pelos IGBTs, com 25%, destacando a relevância desses componentes para o desempenho do sistema. Além disso, defeitos como inversores que não ligam (9,6%) e tensões anormais no barramento (9,6%) também são expressivos, evidenciando a necessidade de melhorias no design, manutenção e monitoramento desses sistemas para garantir maior confiabilidade e eficiência operacional.
Os resultados apresentados nesta pesquisa corroboram com o estudo de Kumar Gatla et al. (2023), uma vez que ambos apontam os inversores fotovoltaicos como componentes críticos
em sistemas conectados à rede, sendo os mais suscetíveis a falhas. O estudo destaca três elementos principais como os maiores responsáveis por problemas: os relés, os módulos IGBT e os capacitores. Os relés, por serem dispositivos eletromecânicos, estão sujeitos a falhas devido ao desgaste dos contatos, superaquecimento e ciclos de operação excessivos. Já os módulos IGBT, fundamentais para a conversão de energia, frequentemente falham devido a estresses térmicos e elétricos, que levam à degradação dos semicondutores. Por sua vez, os capacitores, especialmente os eletrolíticos usados nos barramentos DC, sofrem com o envelhecimento natural, altas temperaturas e flutuações de tensão, o que pode comprometer a estabilidade do sistema.
Figura 4 – Distribuição de falhas de componentes em inversores fotovoltaicos.
Fonte: Adaptado Kumar Gatla et al. (2023)
Com relação a essas informações estabelecidas os dois gráficos apresentados destacam as principais falhas em inversores fotovoltaicos, abordando diferentes perspectivas, mas com elementos inter-relacionados. O primeiro fornecido pela Growatt foca em problemas gerais no sistema, como falhas no relé (28,8%) e nos IGBTs (25%), enquanto o segundo detalha a distribuição de falhas por tipo de componente, com dispositivos de potência (31%) e capacitores (21%) como os mais críticos. Ambos evidenciam que falhas em dispositivos de potência, como IGBTs, estão entre os problemas mais recorrentes, impactando diretamente a conversão de energia. Além disso, o segundo gráfico ressalta os capacitores como uma causa significativa de falhas, o que se alinha com problemas de tensão anormal no barramento, destacados no primeiro. A presença de falhas em gate drives ou acionamento de porta no segundo gráfico complementa a análise, já que essas falhas podem levar ao mau funcionamento de dispositivos de potência, como IGBTs e relés. Em conjunto, os gráficos reforçam a necessidade de melhorias no design e na qualidade dos componentes, além de uma manutenção preventiva eficaz, para garantir maior confiabilidade e eficiência nos sistemas fotovoltaicos.
Dessa forma, os defeitos em inversores fotovoltaicos impactam significativamente a confiabilidade dos sistemas de geração distribuída, comprometendo a eficiência, a estabilidade e a continuidade do fornecimento de energia. Problemas em componentes críticos, como relés, dispositivos de potência (IGBTs e MOSFETs) e capacitores, podem levar à redução da eficiência energética, interrupções no fornecimento e aumento dos custos operacionais devido à necessidade de manutenção corretiva e substituição de peças. Além disso, falhas como tensões anormais no barramento ou inversores que não ligam podem causar desconexões inesperadas e oscilações na rede elétrica, prejudicando a estabilidade do sistema como um todo. Esses impactos reforçam a necessidade de investimentos em tecnologias mais robustas, como a implementação de programas de monitoramento em tempo real, que permitem identificar falhas precocemente e realizar manutenções programadas, reduzindo custos e garantindo a continuidade operacional.Recomenda-se, por exemplo, a adoção de sistemas de monitoramento baseados em IoT, que possibilitam a coleta de dados em tempo real e análises preditivas para antecipar falhas antes que elas ocorram, melhorando a eficiência do sistema. Além disso, a adesão a normas técnicas rigorosas e o uso de componentes de alta qualidade são fundamentais para mitigar falhas e assegurar a confiabilidade dos sistemas fotovoltaicos.
Assim, a adoção de práticas rigorosas de manutenção e inovação tecnológica é indispensável para garantir o futuro sustentável da geração de energia fotovoltaica. Portanto, a integração de inovação tecnológica e práticas de manutenção rigorosas não é apenas recomendada, mas uma necessidade crítica para promover maior eficiência, confiabilidade e estabilidade nos sistemas de geração distribuída e assegurar a sustentabilidade da matriz energética.
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
A pesquisa realizada sobre a confiabilidade dos inversores fotovoltaicos em sistemas conectados à rede revelou que esses componentes desempenham um papel essencial na eficiência e na estabilidade da geração de energia solar. Os resultados indicam que as falhas nos inversores, particularmente em relés e IGBTs, são as mais recorrentes e comprometem significativamente o desempenho do sistema. Com isso, ficou evidente que a qualidade dos componentes e a implementação de práticas de manutenção rigorosas são fundamentais para garantir a continuidade operacional e a redução de custos associados a manutenções não programadas.
Os objetivos propostos foram alcançados, pois a pesquisa não apenas identificou as principais causas de falhas nos inversores fotovoltaicos, mas também destacou a necessidade de regulamentações mais rigorosas e o desenvolvimento de tecnologias mais robustas. A análise dos dados coletados, corroborada por estudos anteriores, reforça a ideia de que falhas em componentes críticos podem levar a interrupções no fornecimento de energia e a uma redução na eficiência energética.
Dentre os principais resultados, observou-se que as falhas nos relés e IGBTs representam uma parcela significativa das ocorrências, com 28,8% e 25%, respectivamente. Esses achados ressaltam a importância de um design aprimorado e de um monitoramento contínuo para mitigar os riscos associados a esses componentes. Além disso, a presença de falhas em capacitores e tensões anormais no barramento também se mostrou relevante, evidenciando a necessidade de uma abordagem holística na manutenção e no desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos.
As contribuições deste estudo são significativas, pois fornecem uma base sólida para futuras pesquisas e práticas no setor de energia solar. As recomendações incluem a adoção de sistemas de monitoramento em tempo real, a utilização de componentes de alta qualidade e a adesão a normas técnicas rigorosas, que são essenciais para garantir a confiabilidade e a eficiência dos sistemas fotovoltaicos.
Por fim, sugere-se que futuras pesquisas explorem a integração de novas tecnologias, como inteligência artificial e análise preditiva, para aprimorar ainda mais o monitoramento e a manutenção dos inversores fotovoltaicos. A inovação contínua e a adoção de práticas de manutenção eficazes são indispensáveis para assegurar a sustentabilidade e o crescimento da matriz energética solar, contribuindo assim para um futuro mais sustentável e eficiente na geração de energia. Acerca das limitações presentes neste estudo, ressalta-se que não foram informados os prazos de análise dos dados, o que limita a profundidade temporal da investigação. Além disso, foi solicitada a fabricantes de outras marcas e revendedores informações sobre os principais defeitos dos inversores para enriquecer a análise, mas tais dados não foram fornecidos, o que restringiu a abrangência do estudo. Esses pontos evidenciam a necessidade de maior colaboração e acesso a informações em futuras pesquisas sobre o tema.
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1Discente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Santo Agostinho, Teresina-PI. E mail: melkeoliveira18@gmail.com;
2Docente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Santo Agostinho, Teresina-PI. Especializado em Gestão de Energia pelo Centro Universitário Dr. Leão Sampaio (2007). Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Piauí (2021). E-mail: edvancarneiro@unifsa.com.br