O documento discute módulos fotovoltaicos, incluindo suas definições, características elétricas, influência da radiação e temperatura, temperatura nominal de operação, exemplo de painel, ligações em série e paralelo, efeitos de sombreamento, diodos de proteção e conexões.
2. Conteúdo
v Definição
v Características elétricas dos Módulos em STC
v Fatores que afetam as características elétricas dos módulos
v Influência da radiação solar
v Influência da temperatura
v Temperatura nominal de operação (NOCT)
v Exemplo de Painel
v Características em STC
v Características em NOCT
v Características térmicas
v Características construtivas
v Registro Inmetro
v Associação de módulos fotovoltaicos
v Ligações em série
v Ligações em paralelo
v Efeitos de Sombreamento
v Diodos de By-Pass
v Diodos de Bloqueio
v Fusíveis de Proteção
v Caixa de conexões
v Terminais
3. Definição
v Segundo a norma NBR 10899, o módulo fotovoltaico é uma unidade formada por
um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas,
com o objetivo de gerar energia elétrica.
v O símbolo que pode ser utilizado para representar um módulo fotovoltaico
4. Características Elétricas dos Módulos
v Um módulo é geralmente identificado pela sua potência elétrica de pico (WP),
mas um conjunto de características compatíveis com a aplicação específica deve
ser observado. A definição de pico de um módulo fotovoltaico é feita nas
condições-padrão de ensaio (STC, do inglês Standard Test Conditions),
considerando irradiância solar de 1.000 W/m2 sob uma distribuição espectral
padrão para AM 1,5 e temperatura de célula de 25oC.
5. Influência da Radiação Solar
v Nos caso de alta irradiância, a resistência série (RS) torna-se um fator que pode
reduzir a eficiência, se a célula fotovoltaica não for projetada para essas
condições. Por outro lado, quando incidem baixos valores de radiação solar, a
resistência paralelo (RP) pode reduzir ainda mais a potência elétrica gerada.
ISC = ISCSTC
.
G
1000
v Onde:
ISC = corrente de curto circuito do módulo para a irradiância G e uma temperatura
de 25OC.
ISC-STC = corrente de curto circuito do módulo nas STC
G = irradiância incidente sobre o módulo
1000 (W/m2) = irradiância nas STC
6. Influência da Radiação Solar
v Influência da variação da irradiância solar na curva característica I-V de uma
célula fotovoltaica de sílicio cristalino na temperatura de 25oC.
7. Influência da Temperatura
v O aumento da irradiância incidente e/ou temperatura ambiente produz um
aumento da temperatura da célula e, consequentemente, tende a reduzir a sua
eficiência. Isto se deve ao fato de que a tensão da célula dimimui
significativamente com o aumento da temperatura, enquanto que sua corrente
sofre uma elevação muito pequena, quase desprezível.
8. Influência da Temperatura
v Coeficiente (dado pelo fabricante) β de variação da tensão de circuito aberto
(VOC) com a temperatura (T).
v Cálculo do VOC em determinada Temperatura (T)
v Alguns fabricantes também fornecem o coeficiente de temperatura específico
para o VMP (βVMP), que é geralmente maior do que o βVOC.
v Coeficiente α de variação da corrente de curto circuito com a temperatura.
v Coeficiente γ de variação da potência máxima (potência de pico) do módulo com
a temperatura
9. Influência da Temperatura
v A definição do ponto de máxima potência PMP permite escrever a equação a
seguir, que visa obter sua variação com a temperatura, a partir das variações
de IMP e VMP. Para isto, considera-se que o coeficiente de temperatura (α) para
ISC e para a IMP são idênticos, e que o coeficiente de temperatura da VMP é
βVMP.
v Desenvolvendo a expressão, e desprezando o termo de segunda ordem,
obtém-se
v Assim, pode-se então escrever a equação a seguir, que relaciona de forma
aproximada os coeficientes de temperatura da célula fotovoltaica, e que
permite, caso este não seja fornecido pelo fabricante, obter o coeficiente βVMP a
partir dos que são geralmente fornecidos, que são α e γ.
10. Influência da Temperatura
v Para um cálculo simplificado da temperatura de operação de um módulo
fotovoltaico em determinadas condições ambientais pode-se utilizar a seguinte
equação:
v Onde:
v Tmod = temperatura do módulo (oC)
v Tamb = temperatura ambiente (oC)
v G = Irradiância incidente sobre o módulo (W/m2)
v Kt = coeficiente térmico para o módulo, podendo ser adotado o valor padrão de
0,03, se não for conhecido (oC/W.m2)
v Supondo que se trate de um módulo de c-Si com PMP-STC de 250 WP e que
seu coeficiente γ seja de -0,5%/oC, ele teria então uma potência de pico de
~206 WP nestas condições, o que corresponde a uma perda de cerca de
17,5%. Supondo ainda uma ISC-STC de 8,79A e um coeficiente a de 0,06%/oC,
teríamos uma ISC de 8,88A. Considerando também uma VOC-STC de 38,4V (60
células) e um coeficiente β de -0,33%/oC, o VOC seria então de 33,9V.
11. Temperatura Nominal de Operação
v Uma vez que as condições-padrão de ensaio (STC) não representam, na
maioria dos casos condições operacionais reais, as normas definem uma
temperatura nominal para a operação das células nos módulos, na qual as
características elétricas podem se aproximar mais das características efetivas
verificadas em campo.
v Cada módulo tem uma temperatura nominal para suas células, que é obtida
quando o módulo é exposto em circuito aberto a uma irradiância de 800 W/m2
em um ambiente com temperatura do ar 20oC e sofrendo ação de vento
incidindo com velocidade de 1m/s.
v Esta temperatura é encontrada nas folhas de dados técnicos dos módulos,
normalmente identificada pela sigla NOCT (Nominal Operating Cell
Temperature) e geralmente está entre 40 e 50oC.
v A NOCT está ligada às propriedades térmicas e ópticas nos materiais
empregados na construção do módulo.
v Para módulos de mesmos coeficientes de temperatura (α, β e γ), aquele que
tiver a menor NOCT terá o melhor desempenho em campo, pois terá menos
perdas relacionadas à temperatura.
12. Temperatura Nominal de Operação
v A partir da NOCT informada pelo fabricante, pode-se calcular, com auxílio da
equação a seguir, o coeficiente Kt do módulo
v Onde:
v 800 = irradiância definida para a medida da NOCT (W/m2)
v 20 = temperatura ambiente definida para medida da NOCT (oC)
v NOCT = Nominal Operating Cell Temperature do módulo (oC)
v Kt = coeficiente térmico para o módulo (oC/W.m2)
20. Efeitos de Sombreamento
v Quando uma ou mais células recebe menos radiação solar do que as outras da
mesma associação, sua corrente vai limitar a corrente de todo o conjunto série.
Esta redução de radiação incidente pode ocorrer por um sombreamento parcial
do módulo, depósito de sujeira sobre o vidro, ou algo que tenha caído sobre o
módulo, dentre outras possibilidades.
v O efeito da redução de corrente ao conjunto de células do módulo acaba sendo
propagado para todos os módulos conectados em série.
v Além da perda de potência no gerador fotovoltaico, há risco de danos ao
módulo parcialmente sombreado, uma vez que a potência elétrica gerada que
não está sendo entregue ao consumo é dissipada no módulo afetado, às vezes
sobre apenas uma de suas células. Neste caso pode ocorrer o fenômeno
conhecido como “ponto quente” (por vezes referenciado no Brasil pelo termo
inglês “hotspot”), que produz intenso calor sobre a célula afetada, com ruptira
do vidro e fusão de polímeros e metais.
21. Efeitos de Sombreamento
v O gráfico abaixo mostra o efeito do sombreamento sobre apenas uma das
células de um de 4 módulos conectados em série. Ao cobrir a metade de uma
das células, a corrente daquele módulo é reduzida pela metade.
v Como consequência, a corrente de todos os módulos no conjunto em série
também é reduzida.
22. Diodos de By-Pass
v Para evitar a ocorrência de “pontos quentes”, os módulos são normalmente
protegidos com diodos de desvio (by-pass), que oferecem um caminho
alternativo para a corrente e, assim, limitam a dissipação de potência no
conjunto de células sombreadas. Isso reduz simultaneamente a perda de
energia e o risco de dano irreversível das células afetadas, o que inutilizaria o
módulo.
v O diodo de desvio deve suportar, em operação permanente, a mesma corrente
das células.
23. Diodos de By-Pass
v Os diodos de desvios são geralmente inseridos nas caixas de conexões dos
módulos e conectados com um conjunto em série, entre 15 e 30 células para
cada diodo.
v Os módulos fotovoltaicos já incluem, na sua maioria, um ou mais diodos de
desvio, evitando que o projetista tenha que considerá-los em seu sistema. Para
identificar se um módulo FV possui ou não diodos de desvio, basta abrir a caixa
de conexão do módulo e constatar visualmente sua presença.
24. Diodos de Bloqueio
v O diodo de bloqueio é outro componente de proteção usado em conexões de
módulos ou conjuntos série de módulos em paralelo, e tem a função de impedir
o fluxo de corrente de um conjunto série com tensão maior para um com tensão
menor.
v Para cada conjunto série instala-se um diodo de bloqueio.
v Cada diodo deve suportar uma tensão reversa de pelo menos duas vezes a
tensão de circuito aberto de todo o arranjo.
25. Diodos de Bloqueio
v Em sistemas que utilizam armazenamento, o diodo de bloqueio também pode
ser utilizado para impedir descargas noturnas das baterias, pois à noite os
módulos podem conduzir uma corrente reversa que, apesar de pequena,
contribui para a descarga das baterias.
26. Fusíveis de Proteção
v Os fusíveis devem ser colocados na saída de cada série tanto no polo positivo
quanto no polo negativo. O fusível deve ser para corrente contínua, de
preferência do tipo gPV (conforme IEC 60260-6), que é apropriado para
operação em sistemas fotovoltaicos pois apresenta alta durabilidade.
v Ao longo dos anos, vem se observando que os diodos de bloqueio apresentam
alto índice de falhas, prejudicando o desempenho do sistema. O fusível
fotovoltaico é um componente de proteção que pode substituir o diodo de
bloqueio.
27. Caixas de Conexões
v Na parte posterior dos módulos normalmente há uma caixa de conexões, onde
são abrigados os diodos de desvio (by-pass), e as conexões dos conjuntos de
células em série.
v Alguns módulos não têm caixa de conexões ou ela não é acessível, saindo os
cabos diretamente do módulo laminado ou de uma caixa lacrada.
28. Terminais
v Os cabos terminais dos módulos fotovoltaicos devem ter isolamento adequado
para a máxima tensão do sistema e serem capazes de suportar intempéries.
Módulos modernos, desenvolvidos para aplicações conectadas à rede, são
fornecidos com cabos pré-instalados, com comprimento suficiente para a sua
conexão série com outro módulo igual em um arranjo fotovoltaico.
v Geralmente os cabos são providos de um sistema de engate rápido (MC4),
para facilitar a instalação e garantir a boa qualidade da conexão.
v Esses conectores devem possuir grau
de proteção IP 67 ou superior e não
devem ser posicionados em canaletas
ou dutos que possuam acumular água.
v Os cabos não devem ficar sujeitos à
ação do vento, e sim presos à estrutura
do painel fotovoltaico por meio de
abraçadeiras apropriadas.
29. v GTES: Grupo de Trabalho em Energia Solar. Manual de Engenharia para
Sistemas Fotovoltaicos. edição especial. Editora CEPEL/CRESESB, 2014.
(www.cresesb.cepel.br/.../Manual_de_Engenharia_FV_2014.pdf).
v VILLALVA, Marcelo Gradella; GAZOLI, Jonas Rafael. Energia solar
fotovoltaica: conceitos e aplicações. 1. ed. São Paulo: Érica, 2012
v PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. Curitiba: Hemus,
2002
Referências