A decisão de como conectar os painéis solares – em série, paralelo ou combinações série-paralelo – é uma das escolhas de projeto mais fundamentais em qualquer sistema solar comercial. Esta escolha determina diretamente a tensão do sistema, a corrente do string, a correspondência MPPT do inversor, os requisitos de dimensionamento do cabo, a tolerância de sombreamento e a conformidade de segurança. Os engenheiros de EPC e projetistas de sistemas devem compreender os princípios elétricos, as restrições de compatibilidade do inversor e os requisitos do código antes de especificar uma configuração de fiação para um conjunto comercial.
Cada painel solar produz energia CC caracterizada por três parâmetros elétricos principais em condições de teste padrão (STC: 1000 W/m², AM1,5, 25°C):
Quando vários painéis são conectados entre si, seus parâmetros elétricos se combinam dependendo se a conexão é em série, paralela ou uma combinação. Compreender essas combinações é essencial para projetar sistemas que permaneçam dentro das janelas de tensão MPPT do inversor, das classificações dos fusíveis do string e dos códigos elétricos aplicáveis.
Em uma string conectada em série, os painéis são conectados do terminal positivo ao terminal negativo em uma cadeia. O efeito elétrico da conexão em série é:
Onde N é o número de módulos na string. A tensão se multiplica com cada módulo adicional; a corrente permanece constante (limitada pelo módulo de corrente mais baixa na string).
Para um módulo de 600W com Voc = 49,8 V, eusc = 15,2A,Vmp = 41,5 V, eump = 14,4A:
A maioria dos inversores string comerciais de 1500 Vcc (Sungrow SG250HX, Huawei SUN2000-215KTL, SMA Sunny Highpower PEAK3) aceita strings na faixa de 1.000-1.500 Vcc. O comprimento máximo da string é limitado por:
Para um módulo com Voc = 49,8V,TCVoc = −0,27%/°C, em Tmin = −10°C:
Numa ligação paralela, todos os terminais positivos ligam-se a um barramento positivo comum e todos os terminais negativos a um barramento negativo comum. O efeito elétrico é o inverso da série:
Multiplicações atuais; a tensão permanece no nível de um único módulo. A fiação paralela pura raramente é usada em energia solar comercial porque a baixa tensão e a corrente muito alta resultantes exigiriam seções transversais de cabos extremamente grandes, aumentando desproporcionalmente o custo de instalação e as perdas de energia. No entanto, conexões paralelas são usadas em contextos específicos:
Os painéis solares comerciais usam quase universalmente combinações série-paralelo: vários painéis em série formam cadeias e várias cadeias são conectadas em paralelo na entrada MPPT do inversor ou na caixa combinadora. Esta configuração atinge tanto a alta tensão necessária para uma transmissão eficiente de energia quanto a capacidade de energia necessária para escala comercial.
| Configuração | Módulos de série | Sequências Paralelas | Matriz Vmp | Matriz Imp | Matriz Pmáx. |
|---|---|---|---|---|---|
| Exemplo A | 28 | 1 | 28 × 41,5 V = 1.162 V | 14,4A | 16,8 kW |
| Exemplo B | 28 | 4 | 1.162V | 4 × 14,4A = 57,6A | 67,2 kW |
| Exemplo C | 25 | 10 | 25 × 41,5 V = 1.037 V | 10 × 14,4A = 144A | 150 kW |
Nota: Todos os exemplos usam um módulo de 600W com Vmp = 41,5 V, eump = 14,4A em STC. O Exemplo C representa uma configuração adequada para um inversor central de 150kW com caixas combinadoras de strings apropriadas agregando as 10 strings antes da conexão CC.
O projeto de sistema comercial requer cálculo cuidadoso da tensão, corrente e potência do conjunto para atender às especificações do inversor. As principais restrições de design são:
Corda Voc (temperatura corrigida para a temperatura ambiente mínima) não deve exceder:
Corda Vmp (com correção de temperatura para a temperatura máxima da célula) deve permanecer sempre dentro da faixa de rastreamento MPPT do inversor. Na temperatura máxima da célula (geralmente 75-80°C para módulos em climas quentes):
Para um módulo com Vmp = 41,5V,TCVmp = −0,34%/°C, em Tcélula = 75ºC:
Para uma string de 28 módulos: 28 × 34,4 = 964V. Isto deve exceder a tensão MPPT mínima do inversor (normalmente 200-600V dependendo do modelo do inversor). Para o Sungrow SG250HX, a faixa de tensão MPPT é de 200 a 1.500 V, portanto, uma sequência de 28 módulos é aceitável.
Os inversores string comerciais modernos oferecem vários rastreadores MPPT, cada um capaz de otimizar a extração de energia independentemente dos strings conectados a ele. Princípios-chave para configuração MPPT:
Para um projeto de telhado comercial de 250 kW com Sungrow SG250HX (12 entradas MPPT, até 3 strings por entrada): 12 × 3 = 36 strings no máximo. Com strings de 28 módulos a 600 W, potência máxima do array = 36 × 28 × 600 W = 604,8 kW. A relação DC/AC é 604,8/250 = 2,42, o que excede a faixa recomendada de 1,1-1,5. Um projeto mais conservador poderia usar 18 strings de 28 módulos para 302,4 kW DC (proporção 1,21) em 9 entradas MPPT.
As perdas resistivas na fiação CC reduzem a saída do arranjo e devem ser mantidas abaixo de 1-2% da potência do arranjo. A seleção da seção transversal do cabo segue a Lei de Ohm:
Para cabos fotovoltaicos comerciais, secções transversais e valores de resistência comuns (a 70°C):
| Seção Transversal | Resistência (Ω/km a 70°C) | Corrida típica de string | Capacidade atual (em conduíte, ambiente de 40°C) |
|---|---|---|---|
| 4mm² | 5,09Ω/km | Módulo a módulo, tiragens curtas | 25A |
| 6mm² | 3,39Ω/km | Cabo de string para caixa combinadora (<50m) | 32A |
| 10 mm² | 1,95Ω/km | Combinador para inversor (<80m) | 44A |
| 16mm² | 1,21Ω/km | Cabo tronco DC de alta corrente | 57A |
| 25mm² | 0,795Ω/km | Cabo CC principal para conjuntos de inversores centrais | 73A |
A fiação em série produz naturalmente tensão mais alta e corrente mais baixa para um determinado nível de potência, o que reduz as perdas resistivas em comparação com a fiação paralela. Esta é a razão elétrica fundamental pela qual os sistemas solares comerciais preferem cadeias em série de alta tensão em vez de configurações paralelas.
A fiação solar comercial deve estar em conformidade com os códigos e padrões elétricos aplicáveis. Principais referências por região:
Os requisitos críticos de segurança para arranjos série-paralelo incluem: fusíveis de string ou disjuntores em cada string em configurações paralelas de múltiplos strings; proteção de sobrecorrente dimensionada de acordo com NEC 690.9 (125% de Isc para fusíveis de string); Proteção AFCI para todos os condutores CC nos EUA de acordo com NEC 690.11; e aterramento apropriado da estrutura do conjunto e dos condutores de aterramento do equipamento (EGC) conforme 690.43.
Ao adquirir painéis, inversores e cabeamento para seu projeto solar comercial, a Econo Solar pode fornecer uma lista técnica completa com seções transversais de cabos e dispositivos de proteção corretamente especificados. Para discutir os requisitos do seu projeto, visite nosso página de consulta do projeto.
Se um painel falhar completamente (circuito aberto) em uma cadeia em série, toda a cadeia perde energia porque a corrente não pode fluir através do circuito interrompido. Se um painel falhar em curto-circuito ou for ignorado por seu diodo de bypass (devido ao sombreamento), os painéis restantes na cadeia continuarão a gerar tensão reduzida. Esta é a principal vantagem de segurança de incluir diodos de bypass em cada módulo (prática padrão): uma célula sombreada ou com falha ativa o diodo de bypass para aquele grupo de células, permitindo que o restante da string continue gerando. A falha completa do painel em uma string é detectável por meio de monitoramento e deve desencadear manutenção imediata.
Tecnicamente possível, mas fortemente desencorajado em sistemas comerciais. A mistura de diferentes tipos de módulos ou potências na mesma cadeia cria perdas de incompatibilidade porque todos os painéis em uma cadeia em série devem passar pela mesma corrente, que é limitada pelo painel de corrente mais baixa. Os painéis de maior potência são forçados a operar abaixo do seu ponto ideal, reduzindo a produção geral da string. Para projetos comerciais, use sempre módulos idênticos (mesmo fabricante, mesmo modelo, mesma classe de potência) em cada sequência e, de preferência, em todas as sequências no mesmo rastreador MPPT. A IEC 62548 recomenda que todos os módulos em uma string tenham características elétricas correspondentes.
Uma relação DC/AC (também chamada de relação de sobredimensionamento) de 1,1-1,3 é típica para instalações comerciais em zonas de irradiância moderada. Em locais de alta irradiância (GHI > 2.000 kWh/m²/ano), proporções de 1,3-1,5 são comuns porque a perda de corte do inversor durante os horários de pico é mais do que compensada pelo maior rendimento de energia durante as horas de sol parcial. Razões acima de 1,6 são raras em sistemas comerciais ligados à rede porque as perdas de corte tornam-se significativas e as condições de garantia dos fabricantes de inversores podem ser afetadas pela operação sustentada no limite de saída CA. Sungrow, Huawei e SMA publicam taxas de sobredimensionamento recomendadas em seus guias de design, que devem ser consultados para modelos específicos de inversores.
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