Analise construtiva de um modulo fotovoltaico utilizando células fotovoltaicas de Silício Monocristalinas

Prévia do material em texto

<p>1 de 11</p><p>Analise construtiva de um modulo fotovoltaico utilizando células de Silício</p><p>Monocristalinas</p><p>Lazaro Lemos de Faria, Maury Meirelles Gouvea.</p><p>Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais</p><p>Coordenação de Engenharia Elétrica</p><p>Rua Rio Comprido, Nr. 4580, Campus Contagem</p><p>Contagem/MG, Brasil, 32265-450</p><p>Resumo : Através da construção de um protótipo de um modulo</p><p>fotovoltaico com base no semicondutor de Silício Mono Cristalino,</p><p>espera-se obter uma compreensão dos processo de montagem, quais</p><p>matérias primas são utilizadas e realizar ensaios elétricos do modulo</p><p>em situação real.</p><p>I. INTRODUÇÃO</p><p>Com a demanda crescente de energia em todo o mundo,</p><p>cada vez mais tem-se buscado por fontes de energia livre</p><p>de emissão de carbono. O Brasil, segundo Agencia</p><p>Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), tem uma</p><p>capacidade de geração de energia elétrica de 182 GW,</p><p>sendo em sua maioria gerada através de usinas</p><p>hidroelétricas (56%) [1]. Ainda existe uma dependência</p><p>das fontes de combustíveis fosseis, sendo que 16,42% a</p><p>sua representação em relação ao total de energia gerada</p><p>[1]. Isso contribui para crise global de aquecimento do</p><p>planeta por meio do efeito estufa, o que indica uma</p><p>necessidade imediata de migração para fontes renováveis.</p><p>As fontes de energia limpas, como usinas fotovoltaicas,</p><p>estão em crescimento significativo, mas ainda longe de</p><p>alcançar níveis satisfatórios. Uma estimativa feita pelo</p><p>ONS indica que as fontes fotovoltaicas (FV) passarão de</p><p>4,55 GW em 2022, para 9.37 GW em 2026 atingindo 4,9%</p><p>da capacidade de geração total [5]. Para a construção</p><p>destes geradores FV, envolve-se muitos processos, dentre</p><p>eles a produção dos módulos fotovoltaicos que tem como</p><p>base para construção os materiais semicondutores.</p><p>Atualmente, o material semicondutor mais utilizado é o</p><p>silício grau solar (Si-gS) 99,9999% (6N), que possui uma</p><p>pureza em seu tratamento que o Brasil ainda não consegue</p><p>atingir a produção em escala comercial, segundo a</p><p>Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica</p><p>(ABINEE) [4]. A própria escassez de insumos energéticos</p><p>é um dos fatores limitantes para a produção em grande</p><p>escala, mesmo o Brasil sendo um dos líderes mundiais</p><p>na produção de silício siderúrgico. Porém, para alcançar a</p><p>pureza necessária para produção de células exige-se</p><p>processos complementares que utiliza fornos de alta</p><p>potência com altos níveis de consumo energético que o</p><p>Brasil não disponibiliza no Sistema Interligado Nacional</p><p>(SIN).</p><p>Assim, faz-se faz necessário a busca da matéria prima em</p><p>outros mercados. O mercado chinês é o maior produtor e</p><p>principal fornecedor de módulos para o mundo, sendo o</p><p>principal fornecedor brasileiro também. Entretanto, os</p><p>demais materiais utilizados na estrutura do módulo</p><p>podem ser encontrados no mercado brasileiro, sendo de</p><p>grande importância desenvolvimento de tecnologia para</p><p>fabricação tanto dos semicondutores de alta pureza quanto</p><p>ao desenvolvimento de métodos de fabricação interna de</p><p>insumos para o desenvolvimento sustentável da matriz</p><p>energética.</p><p>Este artigo tem como objetivo desenvolver estudos sobre</p><p>geração de energia por meio de geradores FV. Os</p><p>seguintes objetivos específicos podem ser destacados:</p><p>● Construir um protótipo de um modulo FV com</p><p>máximo de matéria prima brasileira , de maneira</p><p>empírica observando os processos de fabricação</p><p>e dificuldades ;</p><p>● Comparar os dados teóricos com os resultados</p><p>das medições de tensão elétrica (V) e corrente</p><p>elétrica (A); ;</p><p>2 de 11</p><p>● Procurar melhorias de projeto com perspectivas</p><p>em projetos futuros.</p><p>II. GERADORES FOTOVOLTAICOS</p><p>A fonte de energia para os geradores fotovoltaicos esta</p><p>diretamente ligada ao Sol, que tem capacidade energética</p><p>ilimitada. Parte desta energia que é gerada no núcleo e na</p><p>superfície por inúmeras reações termonucleares é</p><p>irradiada no espaço em forma de luz, e incide sobre a</p><p>superfície da Terra. O nível de irradiância (W/m²) está</p><p>relacionada a distância com que a Terra esta localizada em</p><p>relação ao sol e a condições climáticas , esta distancia se</p><p>da pelo movimento de translação, que acontece em uma</p><p>orbita elíptica , oque faz com que a irradiância varie com</p><p>ciclo anual de 365 dias e as condições climáticas varia com</p><p>cada região do planeta. Em média a superfície terrestre</p><p>recebe do sol 1.367W/m². [2]</p><p>Os geradores fotovoltaicos tem a capacidade de</p><p>transformar esta irradiância em energia elétrica , através</p><p>do efeito fotovoltaico que é a conversão de luz em energia</p><p>elétrica. [2]</p><p>Os geradores são modelados em usinas chamadas Centrais</p><p>Geradoras Fotovoltaica , que ocupam grandes áreas e</p><p>níveis de potência elevados e também presente em</p><p>geradores menores viabilizados com o avanço de redes</p><p>inteligentes contendo inúmeros pontos de geração</p><p>distribuída, onde os geradores são instalados em</p><p>residências, prédios comerciais e galpões industriais.</p><p>Tais Geradores são compostos por unidades básicas</p><p>formada por um conjunto de células fotovoltaicas,</p><p>encapsuladas e envolvidas por uma estrutura mecânica</p><p>com o objetivo de gerar energia elétrica chamados</p><p>módulos fotovoltaicos que podem ser arranjada em</p><p>múltiplas unidades e ligadas a uma Unidade de</p><p>condicionamento de Potência (UCP), onde a energia</p><p>geradas é processada para que potência saia da UCP em</p><p>níveis de tensão e frequência adequados para ser entregues</p><p>as cargas que pode ser uma injeção direta à rede elétrica de</p><p>uma distribuidora e ou para ser armazenada em conjuntos</p><p>de baterias.[3] . Na figura 1 esta representado um arranjo</p><p>elétrico de um gerador com 4 módulos ligados em serie.</p><p>Figura1 Esquema elétrico arranjo fotovoltaico .</p><p>Retirado de Instalações elétricas de arranjos</p><p>fotovoltaicos ABNT Pagina 23 [3]</p><p>III CÉLULAS FOTOVOLTAICAS</p><p>Atualmente a maioria das células são fabricadas a parti de</p><p>laminas de Silício (Si) cristalinas que podem ser</p><p>monocristalinas ou policristalinas que são semicondutores</p><p>diodos de junção pn otimizados para o efeito fotovoltaico,</p><p>onde a luz atravessa o material e gera uma diferença de</p><p>potencial, assim como acontece inversamente com os</p><p>Diodos Emissores de Luz (LED) que sofrem um processo</p><p>iluminativo onde a luz é gerada quando aplicada uma</p><p>diferença de potencial . Outras tecnologias de matérias</p><p>semicondutores também são comercializadas baseadas em:</p><p>filmes finos de Telureto de Cadmio (CdTe); Disseleneto</p><p>de Cobre Índio e Gálio (CIGS); Silício Amorfo</p><p>Hidrogenado (a-SI:H); Silicio micro Cristalino (µc-Si);</p><p>Silício Crescido em Fitas (Si-Fitas). A eficiência da célula</p><p>está diretamente ligada a tecnologia utilizada como</p><p>mostrado na Figura 2. .Sendo a mais eficiente a tecnologia</p><p>de multijunção InGaP/GaAs/InGaAs com eficiência de</p><p>37,7%.</p><p>A estrutura física de uma célula pode ser observada na</p><p>figura 3 , a malha metálica de prata da superfície superior</p><p>no corte , que representa a superfície frontal (exposta a</p><p>3 de 11</p><p>luz) é considerada o catodo ou seja tem polaridade</p><p>negativa. Já a malha inferior de prata e alumínio</p><p>representa o anodo (positivo), e fisicamente é superfície</p><p>não exposta a luz . [2]</p><p>Figura 2 Tabela eficiência de células fotovoltaicas das</p><p>tecnologias mais utilizadas. Retirado manual CEPEL</p><p>pagina 116. [2]</p><p>Figura 3 Estrutura celula fotovoltaica de Silício .</p><p>retirado manual cepel pagina 128 [2]</p><p>Cada tecnologia de célula fotovoltaica portanto tem suas</p><p>características elétricas distintas, que variam</p><p>elementarmente com as características de cada tecnologia</p><p>como por exemplos os níveis de potencial elétrico gerado</p><p>por uma célula esta relacionado com tensão de disparo do</p><p>diodo, ou o nível energético mínimo para haver condução</p><p>no semicondutor, no caso do Silício essa tensão de</p><p>disparado é pouco menos de 0.6V porem é influenciada</p><p>linearmente pela temperatura</p><p>de operação , sendo a tensão</p><p>decrescente com o aumento da temperatura fazendo com</p><p>que a potencia acompanhe esse decréscimo da tensão .</p><p>Já a corrente elétrica esta linearmente relacionada a área</p><p>de exposição, irradiancia , ou seja quanto mais área tem</p><p>uma unidade de célula maior a corrente que poderá ser</p><p>gerada por ela. Existem também interferências físicas que</p><p>alteram as características de operação, como a temperatura</p><p>e níveis de irradiancia que vão interferir na corrente e na</p><p>potencia . Tais informações devem ser observadas no</p><p>datasheet de cada célula para o desenvolvimento do</p><p>projeto.</p><p>IV CARACTERISTICAS ELETRICAS DOS</p><p>MODULOS FOTOVOLTAICOS</p><p>Os Módulos fotovoltaicos podem servir a varias aplicações</p><p>e cada aplicação exige um tipo de características elétricas</p><p>que serão levadas em conta no projeto de cada tipo de</p><p>gerador. Onde as principais variáveis elétricas , são os</p><p>níveis de tensão, corrente e potencia/área , de cada</p><p>aplicação e deve-se atender normas como a IEC6115. As</p><p>características dos módulos estão ligadas diretamente as</p><p>características físicas e eletro-físicas que variam com cada</p><p>tecnologia tais como coeficientes de temperatura;</p><p>coeficientes de dilatação; tensão gerada por cada célula ;</p><p>eficiência; etc...Antes de escolher portanto qual tecnologia</p><p>das células devem ser utilizadas, deve-se entender a</p><p>aplicação do gerador a conectar os módulos , e quais</p><p>parâmetros serão exigidos eletricamente do dispositivo.</p><p>Os módulos geralmente são identificados eletricamente</p><p>pelas seguintes grandezas :</p><p>● Potencia Elétrica de Pico (Wp) que deve ser</p><p>obtida em condições ideais ou STC (Standart</p><p>Test condition) onde considera-se um</p><p>temperatura de 25°C e irradiancia de 1000W/m²</p><p>controladas em laboratório.</p><p>4 de 11</p><p>● Tensão de circuito aberto (Voc) , onde é</p><p>medida tensão do módulo desconectado</p><p>diretamente nos polos ;</p><p>● Corrente de curto circuito ( Isc) , sendo a</p><p>corrente medida com os polos conectados</p><p>entre si .</p><p>● Tensão de Máxima Potencia (Vmp), que é a</p><p>tensão do modulo com carga máxima .</p><p>● Corrente de máxima potencia (Imp), que é a</p><p>corrente do modulo com carga máxima.</p><p>● Curva Corrente x Tensão (IV), que representa</p><p>a Variação da corrente (Amperes) em função da</p><p>tensão.</p><p>V. ESTRUTURA MECANICA DOS MÓDULOS</p><p>Um modulo fotovoltaico fisicamente, envolve toda uma</p><p>estrutura mecânica para viabilizar o seu funcionamento ou</p><p>seja estrutura mecânica deve ser projetada para proteger e</p><p>deixar o conjunto de células sem contato com o meio</p><p>externo ao modulo .</p><p>Os materiais e tecnologia necessárias para montagem da</p><p>estrutura, que equivale a maior parte física dos módulos e</p><p>o Brasil tem fácil disponibilidade no mercado excluindo</p><p>então a necessidade de importação da estrutura mecânica</p><p>Tal estrutura é formada por uma base de sustentação feita</p><p>em alumínio que irá sustentar uma espécie de sanduiche</p><p>em volta das células que são encapsuladas por um</p><p>polímero chamado acetato de vinila ou mais conhecido</p><p>como EVA material em polímero isolante com alta</p><p>transparência e flexível , com esse encapsulamento deve-</p><p>se garantir que o conjunto de células estejam livre de</p><p>contato com o meio externo para evitar degradação das</p><p>células , ou seja existe uma camada de EVA posterior e</p><p>inferior ao conjunto de células chamando assim de</p><p>encapsulamento , a parte superior da célula que será</p><p>exposta ao sol é revestida por uma camada de vidro</p><p>temperado, a parte inferior à células tem uma camada</p><p>material isolante que pode ser o polímero PVF , PET, que</p><p>temos fácil acesso e posteriormente pode ser facilmente</p><p>reciclado assim como o vidro e o alumínio . A figura 4</p><p>mostrab uma ilustração interativa de como é a composição</p><p>de um modulo.</p><p>Figura 4 Estrutura Mecanica . Retirado manual</p><p>CEPEL [2]</p><p>VI. TRABALHOS RELACIONADOS</p><p>A fundamentação cientifica deste artigo além de contar</p><p>com dados e documentações de órgão regulatórios e de</p><p>instituições da comunidade cientifica brasileira, também se</p><p>baseiam em artigos publicados na plataforma IEE,</p><p>contando com várias experiências realizadas em todo</p><p>mundo. J. Zhang, Y. Liu et.al [6] consideraram a</p><p>importância de se entender como acontece as degradações</p><p>dos módulos fotovoltaicas, então comparam a curva de</p><p>corrente x tensão (IV) de um modulo FV em condições</p><p>normais e outro já degradado com rachaduras no vidro e</p><p>danos nas células FV , usando também modelos</p><p>matemáticos como o modelo de diodo único (SDM) para</p><p>estimar o nível de degradação associados a medições de</p><p>temperatura ambiente e níveis de irradiância . Como</p><p>conclusão foram observadas diminuições na eficiência dos</p><p>módulos degradados comparadas com os modelos e com</p><p>os módulos “normais” e obtiveram alterações</p><p>significativas nas curvas IV . Portanto houve êxito em</p><p>analisar os níveis de degradação dos módulos com os</p><p>modelos e métodos utilizados. [6]</p><p>5 de 11</p><p>Já o experimento realizado por A.C. Martins at. al. Em</p><p>2017 [7] na Suíça, leva em consideração o</p><p>desenvolvimento de módulos FV “ultraleves” baseados na</p><p>tecnologia de Silício Cristalino (c-Si), com objetivo de</p><p>otimizar o modulo FV para integração de geradores aos</p><p>edifícios , com intuito de diminuir o peso dos módulos,</p><p>obtendo então menos custos com estruturas mecânicas e</p><p>atender limitações em relação a integração com edifícios já</p><p>existentes. Com intuito de diminuir o peso da estrutura de</p><p>16 Kg/m² para 6Kg/m² e continuar atendendo a norma IEC</p><p>c. As estruturas convencionais tem na composição placas</p><p>de vidro que representam o maior percentual de peso em</p><p>relação a estrutura total. No experimento eles retiram o</p><p>vidro frontal e substituem por adesivos com alto nível</p><p>reticular, e reforçam a parte traseira com uma estrutura em</p><p>forma de “colmeia” feitas de fibra de vidro. Foram</p><p>apresentados resultados em relação a resistência mecânicas</p><p>e potência elétrica do modulo obtidos por métodos da</p><p>normalização IEC. Sendo que houve resultado satisfatório</p><p>em relação a estrutura mecânica, e uma perda de potencia</p><p>de 2,5% em relação a estruturas convencionais,</p><p>consideradas normais pela norma, que prever variações de</p><p>até -5% na potência. Entretanto foram considerados</p><p>inviáveis para comercialização devido ao longo tempo de</p><p>construção necessário.[7]</p><p>Em Nova York 2016 foi publicados por S. Schujman at.</p><p>al. [8] , um estudo com 4 diferente tecnologias de</p><p>módulos baseados em c-Si , filmes finos (CIGS). rígidos e</p><p>flexíveis . O objetivo foi criar um algoritmo que</p><p>conseguisse prever o funcionamento dos módulos entre</p><p>diferente níveis de irradiância . Onde os módulos com</p><p>diferentes tecnologias foram expostos a uma irradiância</p><p>artificial e temperatura controladas. O estudo apresentou</p><p>diferenças entre as medições em laboratório em relação a</p><p>obtidas em ar livre no mesmo nível de irradiância que</p><p>foram explicadas pela combinação de efeitos de absorção</p><p>de luz e composição espectral da luz artificial sendo que a</p><p>potência de saída foi inferior no laboratório, tal diferença</p><p>que foi ajustada sendo prever a potência de saída dos</p><p>módulos em varias condições de tecnologia e irradiância.</p><p>Sendo a tecnologia de filme finos rígidos a maior</p><p>vantagem em relação de potencia de saída e aumento da</p><p>irradiância.[8]</p><p>Em 2013, R. H. G. Tan, at. al [9], testaram o método de</p><p>estimativa de irradiância solar (W/m²), através da medição</p><p>da corrente de curto-circuito de um modulo fotovoltaico. O</p><p>método de estimativa proposto permite a medição da</p><p>irradiância solar sem o uso de piranômetro. O método</p><p>constitui na modelagem matemática de um modulo,</p><p>identificação do fator de idealidade do semicondutor ,</p><p>resistência serie do modelo do modulo fotovoltaico e</p><p>medição da corrente de curto circuito. Os resultados</p><p>mostram uma boa estimativa principalmente quando o</p><p>modulo</p><p>é submetido a altos níveis de irradiância que tem</p><p>relevância no sentido de entender melhor os princípios de</p><p>funcionamento em relação as células semicondutoras</p><p>através de modelos matemáticos.[9]</p><p>VII. PARAMETRIZAÇÂO E MODELAGEM</p><p>TEORICA DO MODULO</p><p>O objetivo deste artigo esta em fazer uma analise</p><p>construtiva breve a fim de entender as dificuldades básicas</p><p>de construção e analise de funcionamento. Portanto</p><p>finalidade do protótipo consiste apenas em um</p><p>experimento empírico sem a especificação para outro fim</p><p>ou para uso comercial. Tendo em vista a dificuldade de</p><p>adquirir as células em pouca quantidade para a construção</p><p>do protótipo, o parâmetro inicial do projeto partiu das</p><p>células com maior disponibilidade no mercado , mas vale</p><p>lembrar que em um modulo de aplicação em geradores os</p><p>parâmetros são as grandezas elétricas do gerador.</p><p>A tecnologia ser utilizada para a construção deste protótipo</p><p>é a de Silício Mono Cristalino que entre as outras foi a de</p><p>mais fácil acesso. A seguir esta representados os dados</p><p>elétricos fornecidos pelo fabricante das células a serem</p><p>utilizadas.</p><p>6 de 11</p><p> ESPECIFICAÇÔES DE CADA CÉLULA PELO</p><p>FABRICANTE .</p><p>Tabela 1 Características mecânicas de cada célula.[10]</p><p>Fabricante Tsec</p><p>Modelo</p><p>TSS65TN (6” mono c-Si</p><p>Solar Cell)</p><p>Dimensões 156.75mm X 156.75mm</p><p>Espessura 0.8mm</p><p>Tabela 2 Dados de Datasheet características elétricas</p><p>celulas c-Si mono cristalinas em condições ideais</p><p>(STC).[10]</p><p>Eficiencia 20%</p><p>Wp 4.89W</p><p>Imp 8.84 A</p><p>Isc 9.34 A</p><p>Vmp 0.55 V</p><p>Voc 0.64 V</p><p>Figura 5 Curva Típica IxV células c-Si .[10]</p><p> MODELAGEM DO MODULO</p><p>Ao todo será utilizada na construção 12 unidades das</p><p>células modelo TSS65TN de silício monocristalino (c-Si),</p><p>ligadas todas em serie como representado na figura 6.</p><p>Figura 6 Modelo representativo do Conjunto de</p><p>células ligadas em serie.</p><p>.</p><p>Na ligação em serie de células idênticas como neste, as</p><p>tensões geradas em cada célula são somadas e a corrente se</p><p>mantem pela capacidade de cada célula como mostra a</p><p>equação .</p><p>Equação 1 Modelo de calculo de tensão e corrente</p><p>para associação das células em serie . [2]</p><p>Portanto esta representado os dados elétricos do modulo</p><p>obtidos através dos dados de datasheet em condições STC</p><p>na tabela 3.</p><p>7 de 11</p><p>Tabela 3 Estimativas de grandezas elétricas e</p><p>dimensões do conjunto de 12 células em condições STC</p><p>baseado no datasheet.[10]</p><p>Numero de células 12</p><p>Área do Conjunto 0.3m²</p><p>Eficiência Estimada 20%</p><p>Wp 58.5W</p><p>Imp 8.84 A</p><p>Isc 9.34 A</p><p>Vmp 6.6V</p><p>Voc 7.68 V</p><p>VII . MONTAGEM DO MODULO</p><p> Escolha dos condutores de junção:</p><p>Para a ligação entre as células foi utilizado, fitas de cobre</p><p>estanhada chamadas de “tabwire“ (5 tab em cada célula )e</p><p>também utilizadas fitas como barramentos chamadas “bus</p><p>wire” feitas do mesmo material e mesma espessura que as</p><p>tabwires porem com largura maior . Sendo as tabs de</p><p>1.8mm X 0.16mm (0.288mm²), e a buswire de 5mm X</p><p>0.16mm(1.44mm²)</p><p>Baseado na norma NBR5410 para capacidade de condução</p><p>de corrente de condutores de cobre . Estima-se que as 5</p><p>tabs responsáveis por conduzir as corrente nas células</p><p>suportem ate 14A, já a buswire estima-se que suporte ate</p><p>10 A oque atende a previsão de corrente máxima 9.34A</p><p>(corrente de curto circuito Isc)</p><p> Soldagem do conjunto de células</p><p>O processo de soldagem utilizado foi manual , feito com</p><p>ferro de solda convencional com pouco ou nenhum</p><p>controle do aumento de temperatura , oque ocasionou</p><p>trincas nas células e em algumas unidades ocorreu a</p><p>ruptura completa, devido ao aquecimento excessivo no</p><p>processo de soldagem fazendo com que seja estimada uma</p><p>perda significativa na eficiência do modulo , tendo como</p><p>sugestão um estudo futuro de soldagem de células a laser e</p><p>sem interferência manual.</p><p> Estrutura de Alumínio</p><p>A estrutura de alumínio foi projetada utilizando</p><p>cantoneiras com dimensões 19mmx19mm com 1mm de</p><p>espessura com vasta utilização na indústria brasileira para</p><p>outros fins .</p><p>Figura 7 Vista frontal do modulo.</p><p> Cobertura de vidro</p><p>O vidro utilizado para cobertura posterior do modulo foi</p><p>escolhido por disponibilidade no mercado e mesmo</p><p>sabendo que o material ideal para aplicação nos módulos</p><p>fotovoltaicos deveria ser de alta transparência e com baixo</p><p>teor de ferro[2] , tais características se fez impossível de</p><p>ser encontradas no mercado em quantidade única como no</p><p>caso deste projeto. Para não inviabilizar o projeto buscou-</p><p>se um material que fosse acessível e que atendesse em</p><p>parte o protótipo , e foi encontrado no mercado o vidro a</p><p>ser utilizado sendo um vidro temperado incolor de 4mm</p><p>de espessura, aplicado na indústria em projetos de balcões</p><p>modulados.</p><p>8 de 11</p><p> Encapsulamento do conjunto de células.</p><p>Nesta etapa onde o material EVA ,deve ser laminado entre</p><p>100 °C e 130 °C para que ele se torne liquido e envolva as</p><p>células como material isolante impermeável , então foi</p><p>utilizando método de aquecimento por ar, com ajuda de</p><p>um soprador térmico manual de 2000w, porem o método</p><p>se mostrou ineficiente por não haver controle uniforme de</p><p>temperatura e também por falta de um estrutura adequada</p><p>para compressão mecânica constante oque gerou</p><p>deformidades no material encapsulante com formações de</p><p>bolhas de ar devido a fusão incompleta . O material</p><p>portanto foi laminado por este método pois houve uma</p><p>limitação de recursos , deixando aberto outro tema</p><p>relevante a ser estudado futuramente, afim de encontrar</p><p>soluções melhores para o encapsulamento das células,</p><p>tendo em vista o resultado bastante insatisfatório obtido</p><p>na construção do protótipo.</p><p>VIII. MEDIÇÕES E TESTES</p><p>Primeiramente foi feito um teste no conjunto de células</p><p>nuas ou seja antes de montar o modulo, chamado então de</p><p>pré-encapsulamento, com objetivo de identificar possíveis</p><p>defeitos no conjunto antes da montagem que é irreversível.</p><p>Portanto o conjunto de células foi exposto ao sol e foi</p><p>acoplado aos seus terminais uma carga resistiva (resistores</p><p>cerâmicos), um resistor variável em serie e outro em</p><p>paralelo ,um amperímetro, um voltímetro e com ajuda de</p><p>um pirômetro digital foi medida a Temperatura de</p><p>operação. O local e posição do teste foi escolhido com</p><p>base no estudo que havia sido realizado por Gabriel</p><p>Amorim[11] no campus da cidade de Contagem da</p><p>Universidade Católica de Minas Gerais , considerando o</p><p>movimento solar afim de obter o posicionamento do</p><p>modulo para maior incidência solar . A medição foi</p><p>realizada paralelamente a parede da entrada frontal da</p><p>biblioteca do campus onde foi possível apontar o modulo</p><p>em uma posição satisfatória entre 12h e 14h horário onde</p><p>irradiância é máxima , também foi usado um nível</p><p>eletrônico para posicionar a face transversal em 45° e um</p><p>pirômetro digital para medição de temperatura. A</p><p>irradiância media estimada para o mês de maio obtida no</p><p>Programa SunData V3.0[11] com valor de 1,16 Kw/m²</p><p>que esta bem próximo da irradiância em Standard Test</p><p>Conditions (STC) que é de 1kw/m², porem a irradiância</p><p>em situação real pode variar com passagens de nuvens</p><p>oque pode gerar variações e imprecisões nas medições e</p><p>portanto o Wp* encontrado nestes testes é aproximado . O</p><p>processo de medição usado foi método de vídeo , onde as</p><p>variações foram captadas no amperímetro e multímetro e</p><p>os valores gravados em vídeo, e posteriormente retirados</p><p>manualmente os valores das tensões e correntes .</p><p>Figura 8 Medições Conjunto de Células.</p><p>Tabela 4 Dados medidos com as células nuas.</p><p>Temperatura de Operação 60°C – 70°C</p><p>Temperatura Ambiente 26°C</p><p>Area 0.30m²</p><p>Eficiencia 8.84%</p><p>Wp* 27.45W</p><p>Imp 6.1A</p><p>Isc 7.01A</p><p>Vmp 4.5V</p><p>Voc 6.62V</p><p>9 de 11</p><p>Nas figura 9 , está representada a curva IxV das células</p><p>nuas,</p><p>curva IxV obtida na medição se comparada com a</p><p>curva ideal vista na figura 5, observa-se uma diferença</p><p>primeiro no aspecto retilinio , pois a o ambiente não e</p><p>controlado e depois pela pouca precisão na variação da</p><p>carga. Quanto ao aspecto da potencia , esperava-se que a</p><p>corrente e tensão no ponto de máxima potencia fossem</p><p>mais elevados. Os valores encontrados são justificados</p><p>pelo processo de soldagem inadequado que gerou perdas</p><p>de área efetiva nas células, fazendo então que ocorra uma</p><p>perda significativa de potencia logo de eficiência .</p><p>Figura 9 Curva IxV conjunto de células.</p><p>Após a montagem do modulo e a células já encapsuladas</p><p>foram feitos os mesmos testes , no mesmo horário e</p><p>exatamente no mesmo local e posição com 1 semana de</p><p>diferença . Foram obtidos os seguintes resultados :</p><p>Figura 10 Medições Modulo Completo .</p><p>Tabela 5 Dados medidos modulo montado.</p><p>Peso total 5kg</p><p>Peso por área 14,28kg/m²</p><p>Temperatura de Operação 60°C</p><p>Temperatura Ambiente 24°C</p><p>Área 0.35m²</p><p>Eficiencia 5.5%</p><p>Wp* 19.43W</p><p>Imp 4.74A</p><p>Isc 6.05A</p><p>Vmp 4.1V</p><p>Voc 6.58V</p><p>A figura11 representa portanto curva IxV do modulo , e</p><p>observa-se um afundamento da tensão mais ligeiro em</p><p>relação a corrente se comparada com a curva IxV das</p><p>células nuas (Figura 9), caracterizando uma clara perda de</p><p>eficiência e consequentemente diminuição do valor de</p><p>Máxima Potencia (Wp) , devido ao processo de</p><p>encapsulamento mal sucedido no protótipo além da</p><p>diminuição da corrente de curto circuito (Isc), além das</p><p>perdas pelo processo de soldagem , as perdas encontradas</p><p>nas medições estarão mais bem detalhadas na tabela 6.</p><p>Figura 11 Curva IxV Modulo.</p><p>Portanto na tabela 6 esta representado as perdas obtidas</p><p>nas medições em relação aos valores calculados. No caso</p><p>0</p><p>1,11</p><p>2,22</p><p>3,33</p><p>4,44</p><p>5,55</p><p>6,66</p><p>0 1,11 2,22 3,33 4,44 5,55 6,66 7,77</p><p>C</p><p>o</p><p>rr</p><p>en</p><p>te</p><p>(</p><p>A</p><p>)</p><p>Tensão (V)</p><p>Curva IxV Modulo</p><p>10 de 11</p><p>das células nuas as perdas são provenientes dos danos</p><p>causados pelo processo de soldagem , já nas perdas do</p><p>modulo encapsulado, além de acumular as perdas do</p><p>processo de soldagem representa também as perdas no</p><p>processo de encapsulamento.</p><p>Tabela 6 Comparações em relação a parametrização</p><p>teórica .</p><p> Atribuição de perdas ao aumento de temperatura:</p><p>Na figura 12 esta representado o gráfico de perdas de</p><p>potencia em função da temperatura obtidas pelo fabricante.</p><p>Figura 12 Variação de potencia com a temperatura de</p><p>operação por célula (STC) .</p><p>Como observa-se existe uma tendência linear onde a</p><p>potencia diminuiu com o aumento da temperatura que é</p><p>dado pelo coeficiente TK/célula (obtido em STC ):</p><p>TK = -17,1 mW/°C</p><p>Considerando um aumento de temperatura a partir da</p><p>temperatura ambiente de 25°C e que o modulo operou em</p><p>60°C houve um aumento de 35°C. Assim é atribuir parte</p><p>das perdas apresentadas na tabela 6 ao aumento da</p><p>temperatura. Esta perda significa 0,59W/ célula ou 7,18W</p><p>nas 12 células, portanto dos 38,07 W perdidos em relação</p><p>ao ideal pode ser atribuído 7,18W ao aumento de</p><p>temperatura que representa 18% ds perdas totais. O</p><p>aumento significativo da temperatura pode estar</p><p>relacionado os danos causados nas células pelo processo</p><p>de soldagem, onde esses danos gera uma capacidade de</p><p>geração/condução menor em certas células oque pode</p><p>gerar perdas por aquecimento.</p><p>IX CONCLUSÃO</p><p>A necessidade de avançar com a geração de energia limpa</p><p>e renovável é nítida pois há uma crise energética global, tal</p><p>crise vem se agravando com o excesso de consumo em</p><p>ritmo desenfreado e com a queima de combustíveis fosseis</p><p>em níveis insustentáveis podendo gerar catástrofes</p><p>ambientais em médio prazo.</p><p>O Silício é um mineral em abundância, porem para obtê-</p><p>lo com alto grau de pureza necessita-se de altos níveis de</p><p>energia nos processos de tratamento , além de outras</p><p>tecnologias nos processos de dopagem em ambiente inerte.</p><p>Além da dificuldade de se obter os semicondutores é</p><p>necessário tecnologia nos processos de montagem para</p><p>que haja viabilidade e eficiência em construção em grande</p><p>escala.</p><p>O estudo proporcionou a compreensão sobre as influencias</p><p>internas e externas nas grandezas elétricas dos módulos</p><p>fotovoltaicos, observou-se que a irradiancia que é um</p><p>fator externo ao modulo tem influencia direta na corrente e</p><p>na tensão e logo influencia diretamente a potencia assim</p><p>como o aumento de temperatura , fatores internos como a</p><p>tecnologia e quantidade das células influenciam</p><p>diretamente na tensão, já a corrente é influenciada pela</p><p>área de exposição a luz ou seja pela área do modulo .</p><p>Quanto a estrutura mecânica que se fez satisfatória ao</p><p>atender o quesito densidade obtendo 14,28Kg/m² inferior</p><p>aos 16Kg/m² imposto pela IEC6115.</p><p>11 de 11</p><p>O protótipo desenvolvido, ficou inviável no ponto de vista</p><p>comercial com custo aproximado de US$110,00 ou US$</p><p>5,66/W e também pelas falhas nos processos de montagem</p><p>que gerou deformidades físicas , porem houve grande</p><p>contribuição quanto ao entendimento sobre os módulos ,</p><p>apontou as dificuldades e deu entendimentos fundamentais</p><p>no processo de geração através do efeito fotovoltaico.</p><p>X REFERÊNCIAS</p><p>[1] Sistema de Informações de Geração da ANEEL–</p><p>SIGA.Disponivel em https://www.aneel.gov.br/siga</p><p>em 10/02/2022.</p><p>[2] J. Tavares Pinho, M Antônio Galdino. “Manual de</p><p>Engenharia Para Sistemas Fotovoltaicos ”.CEPEL-</p><p>CRESESB. Rio de Janeiro 2014 .</p><p>[3] Instalações elétricas de arranjos fotovoltaicos.</p><p>ABNT/CB-003 2º PROJETO ABNT NBR 16690</p><p>2019.</p><p>[4] Propostas para Inserção da Energia Solar Fotovoltaica</p><p>Na Matriz Elétrica Brasileira Disponível em</p><p>http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/profotov.</p><p>pdf</p><p>[5] EVOLUÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA NO</p><p>SIN – ONS FEV2022/ DEZ2026</p><p>[6] J. Zhang, Y. Liu, K. Ding, L. Feng, F. U. Hamelmann</p><p>and X. Chen, "Model Parameter Analysis of Cracked</p><p>Photovoltaic Module under Outdoor Conditions,"</p><p>2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference</p><p>(PVSC), 2020, pp. 2509-2512, doi:</p><p>10.1109/PVSC45281.2020.9300720.</p><p>[7] A. C. Martins, V. Chapuis, A. Virtuani and C. Ballif,</p><p>"Ultra-Lightweight PV module design for Building</p><p>Integrated Photovoltaics," 2017 IEEE 44th</p><p>Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2017, pp.</p><p>2104-2108, doi: 10.1109/PVSC.2017.8366791.</p><p>[8] S. Schujman, J. Mann, A. Conteh, C. Rice, D.</p><p>Metacarpa and P. Haldar, "Outdoor performance</p><p>prediction of photovoltaic modules based on indoor</p><p>measurements," 2016 IEEE 43rd Photovoltaic</p><p>Specialists Conference (PVSC), 2016, pp. 2718-2720,</p><p>doi: 10.1109/PVSC.2016.7750145.</p><p>[9] R. H. G. Tan, P. L. J. Tai and V. H. Mok, "Solar</p><p>irradiance estimation based on photovoltaic module</p><p>short circuit current measurement," 2013 IEEE</p><p>International Conference on Smart Instrumentation,</p><p>Measurement and Applications (ICSIMA), 2013, pp.</p><p>1-4, doi: 10.1109/ICSIMA.2013.6717943.</p><p>[10] DATASHEET MODELO TSS65TN-TSEC</p><p>CORPORATION, encontrado em :</p><p>https://www.enf.com.cn/Product/pdf/Cell/594882f211</p><p>ed6.pdf</p><p>[11] CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e</p><p>Eólica Sérgio Brito / CEPEL - Centro de Pesquisas de</p><p>Energia Elétrica http://www.cresesb.cepel.br/</p><p>https://www.aneel.gov.br/siga%20em%2010/02/2022</p><p>https://www.aneel.gov.br/siga%20em%2010/02/2022</p><p>http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/profotov.pdf</p><p>http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/profotov.pdf</p>