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.

1. Energia Solar Fotovoltaica
Unidade III – Módulos
Fotovoltaicos
Prof. Alexandro Vladno da Rocha
Dezembro / 2014

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)

13. Exemplo de Painel
Características Elétricas em STC
Painel YINGLI
YGE 60 Cell 40mm SERIES

14. Exemplo de Painel
Características Elétricas em NOCT
Painel YINGLI
YGE 60 Cell 40mm SERIES

15. Painel YINGLI
YGE 60 Cell 40mm SERIES
Exemplo de Painel
Características Térmicas

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

17. Registro Inmetro

18. Ligações em Série

19. Ligações em Paralelo

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