2 Concepção, aplicação e funcionamento de módulos fotovoltaicos

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Concepção, aplicação e funcionamento de módulos fotovoltaicos
Publicado em 18 de setembro de 2017 por Fabio Flandoli
Leia este fascículo até o final e pontue!
No início do processo os lingotes são cortados em lâminas bem finas, de aproximadamente 0,3 mm de espessura. Após o seu corte, as lâminas são dopadas com boro (formando o lado de cristal tipo P) e fósforo (formando o lado de
cristal tipo N).
Em sua superfície é colocada uma malha metálica fabricada de prata com o objetivo de captar os elétrons soltos pela célula. Na parte de trás das células é colocado um coletor de uma liga metálica entre alumínio e prata.
É feita a interligação das células em série e em paralelo, formando a base dos módulos. Esse processo pode ser realizado manualmente ou por processo automatizado em equipamentos específicos. As células, então, são ligadas em série, formando as strings (série, em inglês). Essas séries são depois ligadas em paralelo, formando os módulos fotovoltaicos.
Após a soldagem das células, o processo está quase concluído. Na sequência, as células são compactadas. Esse processo é denominado laminação a vácuo do módulo. A laminação garante resistência mecânica aos módulos solares.
Figura 11 – Máquina de laminagem automática de módulo fotovoltaico.
A laminadora encapsula o módulo como se fosse um sanduíche com vidro temperado de alta transparência, acetato de etilvinila (EVA, sigla em inglês de Ethylene-Vinyl Acetate) estabilizado para a radiação ultravioleta, uma camada com células fotovoltaicas ligadas em série e em paralelo, outra camada de EVA estabilizado e, por fim, mais uma camada de um isolante que, nesse caso, pode ser PVF (Polímero de Fluoreto de Povinila) ou Tedlar (Polímero Tereftalato de Polietileno – PET).
Após essa compactação, o módulo é inserido em uma esquadria de alumínio, representado na Figura 12. Na sequência, o módulo vai para o processo de acabamento, quando será inserida a caixa de conexão situada na parte de trás do módulo.
Concluído o processo de produção, os módulos vão para teste em laboratório, que consiste em medir as características elétricas em duas situações: na primeira, consideram-se as condições ideais de trabalho, e na segunda as condições reais de trabalho do módulo fotovoltaico.
Aplicação e funcionamento de módulos fotovoltaicos STC e NOCT
Após os testes, os módulos fotovoltaicos são colocados em condição padrão deensaio denominado Standard Test Conditions (S TC), em um ambiente que expõe os módulos às seguintes condições: irradiância solar padrão de 1.000 W/m2 sobre
uma distribuição espectral padrão para 1,5 AM e temperatura de célula de 25°C.
Em seguida, são realizadas medições de tensão, corrente e potência.
Na prática, essas condições de testes são quase impossíveis de ocorrer em um dia típico de trabalho do módulo.
Tipos e características de módulos fotovoltaicos
Atualmente, existem no mercado vários tipos de módulos fotovoltaicos, sendo os mais empregados os monocristalinos e os policristalinos, em que cada um deles tem suas peculiaridades.
Módulos monocristalinos
Apresentam uma quantidade menor de células ligadas, e essa é uma de suas melhores qualidades, pois os módulos apresentam menor tamanho depois de fabricados e, portanto, ocupam menor espaço. Têm valores menores de tensão ec de corrente – não sendo necessário investimento muito elevado em componentes de proteção ou em cabos para sua utilização. O custo é um pouco mais elevado que os módulos fotovoltaicos policristalinos, porém, dependendo da quantidade c de módulos, a substituição por módulos monocristalinos pode reduzir, aproximadamente, 10% da quantidade de módulos usados, se compararmos com módulos policristalinos.
Módulos policristalinos
Por terem efi ciência inferior aos módulos do tipo monocristalino, os módulos policristalinos precisam ter uma quantidade maior de células, aumentando assim seus valores de tensão e de corrente. Como apresentam um tamanho maior, precisam gradativamente de um grande espaço para sua instalação, porém, quando se tem uma área razoavelmente grande, o investimento em módulos policristalinos pode reduzir o preço inicial do projeto entre 7% e 15%, dependendo do potência e do custo dos módulos.
Por ter uma quantidade maior de células associadas, esses módulos apresentam uma tensão maior, diminuindo a quantidade de módulos em série necessária para startup de inversores.
Qual módulo escolher
Não existe o melhor ou o pior módulo fotovoltaico, porque todos eles têm suas peculiaridades. O dimensionador do sistema deve observar e identificar qual das tecnologias trará mais vantagens à instalação.
Associação de módulos fotovoltaicos
Dependendo da quantidade de módulos e do tipo de inversor, será necessária a utilização de uma associação diferente. Essa associação pode ser do tipo em série, em paralelo ou mista. Cada uma das associações atribui ao sistema um valor diferenciado de suas características elétricas, que devem estar dentro das especificações técnicas dos módulos que serão comentados a seguir.
Módulos ligados em série
A principal característica desta associação está relacionada à tensão dos módulos e da quantidade de módulos interligados. Essa relação é diretamente proporcional, ou seja, depende da quantidade de módulos e da tensão de cada um.
A ligação é efetuada conectando-se os terminais positivos com os terminais negativos do outro módulo, conforme a Figura 16.
Na Figura 16 temos três módulos ligados em série. Se nessa associação tivermos módulos com as mesmas características, então teremos uma adição das tensões e iremos manter o mesmo valor de corrente para todos os módulos. Essa é a principal característica desse sistema.
Na Figura 17 tem-se as seguintes equações:
Vsistema = V1 + V2 + V3
Onde:
Vsistema = Tensão entregue dos módulos para o inversor.
Vo1, Voc2 e Voc3 = Tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos.
Quando fazemos essa ligação, devemos ter muito cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois, se algum dos módulos que estão associados fornecer um valor diferente de corrente, ele fará com que todos os outros reduzam sua corrente, ocasionando uma grande perda de energia em função da redução da corrente.
Veja na Figura 18 que, ao associarmos os módulos diferentes em série, a corrente fornecida ao sistema é reduzida para uma corrente menor, provocando uma grande redução da produção de energia do sistema.
Também não é recomendável a ligação em série quando há incidência de sombreamento nos módulos, pois nessa ligação a perda de energia será muito grande, tornando o sistema inviável.
Módulos ligados em paralelo
Em uma ligação em paralelo, o aumento não ocorre na tensão, mais sim na corrente, em que cada módulo produzirá um valor determinado de energia em ampere. A corrente será somada, formando e entregando ao inversor uma corrente superior à de um módulo.
Nessa ligação, visamos à interligação dos polos positivos em um único ponto, e o mesmo ocorre com os polos negativos do módulo, em que é entregue ao inversor um único positivo e um único negativo, conforme a mostra a Figura 20.
Na Figura 20 há três módulos ligados em paralelo, assim como no exemplo da ligação em série há a mesma produção de potência, pois a quantidade de módulos define a quantidade da potência gerada pelo sistema. A diferença entre as ligações é que em série há o aumento da tensão e em paralelo o aumento é na corrente.
Na Figura 20 tem-se:
1sistema + lsc1 + lsc2 + lsc3
1sistema: será a corrente total entregue dos módulos para o inversor.
lsc1, lsc2 e lsc3: São as corrente de Curto – Circuito de cada Módulo
Na ligação em paralelo deve-se também ter cuidado para não ligarmos módulos com características diferentes, pois assim haverá perdas consideráveis na tensão.
Entretanto, não será tão prejudicial ao sistema como na ligação em série.
É bom ressaltar que em sistemas ligados em paralelo há um aumento da corrente
e por isso deve-se tomar cuidado redobrado, pois a corrente em sistemas con-
tínuos tende a ter seu valor estável, aumentando assim orisco do aparecimento
do arco voltaico, no momento da abertura do circuito.
Na Figura 22, é possível identificar o que ocorre quando associamos módulo sem paralelo com características diferentes.
Módulos ligados em solução mista
As ligações mistas são usadas quando necessitamos aumentar tanto o valor de corrente como o valor de tensão no sistema. Há uma interação entre as duas associações. Nessa associação, teremos o aumento da corrente assim como o aumento da tensão, sendo essa a característica das duas associações.
Cada uma das associações tem suas peculiaridades, sendo que a melhor e mais recomendada é a associação mista, pois proporciona ao sistema uma característica de aumento de corrente e tensão, aliviando o inversor. Essas associações devem ser feitas com cuidado e bem planejadas para que não haja um superdimensionamento do sistema.