Energia Solar Fotovoltaica Unidade III – Módulos

Fotovoltaicos Prof. Alexandro Vladno da Rocha

Dezembro / 2014

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

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

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.

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 .G1000

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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)

Exemplo de Painel Características Elétricas em STC

Painel YINGLI YGE 60 Cell 40mm SERIES

Exemplo de Painel Características Elétricas em NOCT

Painel YINGLI YGE 60 Cell 40mm SERIES

Painel YINGLI YGE 60 Cell 40mm SERIES

Exemplo de Painel Características Térmicas

Constituição Construtivas

EVA = Ethylene-Vinyl Acetate (Acetato de Etil Vinila) estabilizado para a radiação ultravioleta.

Registro Inmetro

Ligações em Série

Ligações em Paralelo

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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