Conexão série, paralela e série-paralela de painéis solares

Configuração em série, paralelo e série-paralelo de matrizes fotovoltaicas

O que é uma matriz solar fotovoltaica?

Um Módulo Solar Fotovoltaico está disponível em uma faixa de 3 W_P a 300 W_P . Mas muitas vezes, precisamos de energia em uma faixa de kW a MW. Para alcançar uma potência tão grande, precisamos conectar um número N de módulos em série e paralelo.

Uma série de módulos fotovoltaicos

Quando um número N de módulos fotovoltaicos está conectado em série. Toda a cadeia de módulos conectados em série é conhecida como cadeia de módulos fotovoltaicos. Os módulos são conectados em série para aumentar a tensão no sistema. A figura a seguir mostra um esquema de módulos fotovoltaicos conectados em série, paralelo e paralelo em série.

Matriz de módulos fotovoltaicos

Para aumentar o número N atual de módulos fotovoltaicos são conectados em paralelo. Essa conexão de módulos em uma combinação em série e paralelo é conhecida como “Matriz Fotovoltaica Solar” ou “Matriz de Módulos PV”. Um esquema de um conjunto de módulos solares fotovoltaicos conectado em configuração série-paralelo é mostrado na figura abaixo.

Célula do módulo solar:

A célula solar é um dispositivo de dois terminais. Um é positivo (ânodo) e o outro é negativo (cátodo). Um arranjo de célula solar é conhecido como módulo solar ou painel solar, onde o arranjo de painel solar é conhecido como matriz fotovoltaica.

É importante notar que, com o aumento da conexão em série e em paralelo dos módulos, a potência dos módulos também é adicionada.

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Conexão em série de módulos

Às vezes, a tensão do sistema necessária para uma usina de energia é muito maior do que um único módulo fotovoltaico pode produzir. Nesses casos, o número N de módulos fotovoltaicos é conectado em série para fornecer o nível de tensão necessário. Esta conexão em série dos módulos fotovoltaicos é semelhante à das conexões do número N de células em um módulo para obter o nível de tensão necessário. A figura a seguir mostra os painéis fotovoltaicos conectados em configuração em série.

Com esta conexão em série, não apenas a tensão, mas também a potência gerada pelo módulo também aumenta. Para conseguir isso, o terminal negativo de um módulo é conectado ao terminal positivo do outro módulo.

Se um módulo tiver uma tensão de circuito aberto V_OC1 de 20 V e outro conectado em série tem V_OC2 de 20 V, então o circuito aberto total da corda é a soma de duas tensões

V_OC =V_OC1 + V_OC2

V_OC =20 V + 20 V =40 V

É importante observar que a soma das tensões no ponto de máxima potência também é aplicável no caso de painéis fotovoltaicos.

Cálculo do número de módulos necessários em série e sua potência total

Para calcular o número de módulos fotovoltaicos a serem conectados em série, a tensão necessária do arranjo fotovoltaico deve ser fornecida. Também veremos a potência total gerada pelo painel fotovoltaico. Observe que todos os módulos são idênticos tendo os mesmos parâmetros de módulo.

Etapa 1: Observe o requisito de tensão do painel fotovoltaico

Como temos que conectar um número N de módulos em série, devemos saber a tensão necessária do painel fotovoltaico

• Tensão de circuito aberto do painel fotovoltaico V_OCA
• Tensão do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima V_MA

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico que deve ser conectado na string da série

Parâmetros do módulo fotovoltaico como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC , eu_SC, e P_M também deve ser notado.

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em série

Para calcular o número de módulos “N” a tensão total da matriz é dividida pela tensão do módulo individual, uma vez que o módulo fotovoltaico deve estar trabalhando sob STC a relação da tensão da matriz no ponto de potência máxima V_MA para a tensão do módulo no ponto de potência máxima V_M é tomada.

Um cálculo semelhante para a tensão de circuito aberto de PV também pode ser feito, ou seja, a razão da tensão da matriz no circuito aberto V_OCA para a tensão do módulo em circuito aberto V_OC . Observe que o valor de “N” pode ser um não inteiro, então temos que pegar o próximo inteiro mais alto e, portanto, o valor de V_MA e V_OCA também aumentará do que desejávamos.

Etapa 4: Calculando a potência total do painel fotovoltaico

A potência total do gerador fotovoltaico é a soma da potência máxima dos módulos individuais conectados em série. Se P_M é a potência máxima de um único módulo e “N” é o número de módulos conectados em série, então a potência total do painel fotovoltaico P_MA é N × P_M .

Também podemos calcular a potência da matriz pelo produto da tensão da matriz fotovoltaica e a corrente no ponto de potência máxima, ou seja,

V_MA × Eu_MA

Exemplo:

Agora vamos entender esses passos de uma forma mais matemática. Vamos dar um exemplo de uma usina de 2 MW, na qual um grande número de módulos fotovoltaicos são conectados em série. O inversor de 2 MW pode receber tensão de entrada de 600 V a 900 V.

Determine o número de módulos a serem conectados em série para obter uma tensão máxima do ponto de alimentação de 800 V. Determine também a potência fornecida por este painel fotovoltaico. Os parâmetros do módulo fotovoltaico único são os seguintes;

• Tensão de circuito aberto V_OC =35V
• Tensão no ponto de potência máxima V_M =29 V
• Corrente de curto-circuito I_SC =7,2A
• Corrente no ponto de potência máxima I_M =6,4A

Etapa 1: Observe o requisito de tensão do painel fotovoltaico

• Tensão de circuito aberto do painel fotovoltaico V_OCA =Não fornecido
• Tensão do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima V_MA =800 V

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico que deve ser conectado na string da série

Tensão de circuito aberto V_OC =35 V

Tensão no ponto de potência máxima V_M =29 V

Corrente de curto-circuito I_SC =7,2A

Corrente no ponto de potência máxima I_M =6,4A

Potência Máxima P_M

P_M =V_M x I_M

=29 V x 6,4 A

P_M =185,6 W

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em série

N =V_MA /V_M

N =800 / 29

N =27,58 (Valor inteiro mais alto 28)

Pegue o valor inteiro mais alto 28 módulos. Devido ao maior valor inteiro de N, o valor de V_MA e V_OCA também aumentará.

V_MA =V_M × N

=29 × 28

=812 V

Etapa 4: Calculando a potência total do painel fotovoltaico

P_MA =N × P_M

=28 × 185,6

=5196,8 W

Assim, precisamos que 28 módulos fotovoltaicos sejam conectados em série com uma potência total de 5.196,8 W para obter a tensão máxima desejada do painel fotovoltaico de 800 V.

Incompatibilidade em módulos fotovoltaicos conectados em série

A potência máxima no módulo fotovoltaico é o produto da tensão e da corrente na potência máxima. Quando os módulos não estão conectados em série, a potência produzida por um módulo individual é diferente. Veja o exemplo da tabela 1 abaixo.

Tabela 1

Se os três módulos da tabela 1 estiverem conectados em série, sua tensão é adicionada, mas a corrente permanece a mesma, considerando que todos os módulos são idênticos com o mesmo valor de I_M =4,1A.

A diferença nas tensões dos módulos A, B e C conectados em série não resulta na perda da potência produzida pelo conjunto de módulos fotovoltaicos considerando que todos os módulos são idêntico com o mesmo valor de I_M =4,1A.

Mas se a capacidade de produção de corrente dos módulos conectados em série não for idêntica, a corrente que flui através dos módulos fotovoltaicos conectados em série será igual à menor corrente produzida por um módulo na corda. Tome uma tabela de exemplo 2 fornecida abaixo.

Tabela 2

Se todos os módulos da tabela 2 estiverem conectados em série, a corrente que flui pelos módulos conectados em série é determinada pelo módulo com a menor corrente. Neste caso o módulo B tem a menor corrente de 3,2 A em comparação com os módulos A e C.

Então, a corrente que flui através desses três módulos conectados em série é de 3,2 A. Agora compare as Tabelas 1 e 2 e a potência total produzida por ambos. Devido aos módulos de corrente não idênticos na tabela 2, a potência total produzida é de 177,93 W, que é menor que a potência total produzida pelos módulos na tabela 1, ou seja, 191,88 W.

Podemos ver que devido à incompatibilidade de corrente a potência de saída produzida pelos módulos conectados em série é amplamente afetada. Portanto, na conexão em série de módulos, a incompatibilidade na tensão não é um problema, mas a incompatibilidade na corrente resulta em perda de energia. Portanto, módulos com diferentes classificações de corrente não devem ser conectados em série.

Conexão paralela de módulos

Às vezes, para aumentar a potência do sistema solar fotovoltaico, em vez de aumentar a tensão conectando módulos em série, a corrente é aumentada conectando módulos em paralelo. A corrente na combinação paralela do conjunto de módulos fotovoltaicos é a soma das correntes individuais dos módulos.

A tensão na combinação paralela dos módulos permanece a mesma da tensão individual do módulo considerando que todos os módulos possuem tensão idêntica.

A combinação paralela é obtida conectando o terminal positivo de um módulo ao terminal positivo do próximo módulo e o terminal negativo ao terminal negativo do próximo módulo, conforme mostrado a seguir figura. A figura a seguir mostra os painéis solares conectados em configuração paralela.

Se o I_M1 atual é a corrente máxima do ponto de potência de um módulo e I_M2 é a corrente máxima do ponto de potência de outro módulo, então a corrente total do módulo conectado em paralelo será I_M1 + Eu_M2 . Se continuarmos adicionando módulos em paralelo, a corrente continua aumentando. Também é aplicável para corrente de curto-circuito Isc.

Cálculo do número de módulos necessários em paralelo e sua potência total

Para calcular o número de módulos fotovoltaicos a serem conectados em paralelo, a corrente necessária do gerador fotovoltaico deve ser fornecida. Também veremos a potência total gerada pelo painel fotovoltaico. Observe que todos os módulos são idênticos tendo os mesmos parâmetros de módulo.

Etapa 1: Observe o requisito atual do painel fotovoltaico

Uma vez que temos que conectar N-número de módulos em paralelo, devemos saber a corrente necessária do gerador fotovoltaico

• Corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico I_SCA
• Corrente do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima I_MA

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico que deve ser conectado em paralelo

Parâmetros do módulo fotovoltaico como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC , eu_SC, e P_M também deve ser notado.

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em paralelo

Para calcular o número de módulos N a corrente total da matriz é dividida pela corrente de um módulo individual, uma vez que o módulo fotovoltaico deve estar trabalhando sob STC a relação da corrente da matriz no ponto de potência máxima I_MA para a corrente do módulo no ponto de potência máxima I_M é tomada.

Um cálculo semelhante para a corrente de curto-circuito do PV também pode ser feito, ou seja, a relação da corrente de curto-circuito da matriz I_SCA para a corrente de curto-circuito do módulo I_SC .

Observe que o valor de N pode ser um não inteiro, então temos que pegar o próximo inteiro mais alto e, portanto, o valor de I_MA e eu_SCA também aumentará do que desejávamos.

Etapa 4: Calculando a potência total do painel fotovoltaico

A potência total do gerador fotovoltaico é a soma da potência máxima dos módulos individuais conectados em paralelo. Se P_M é a potência máxima de um único módulo e “N” é o número de módulos conectados em paralelo, então a potência total do painel fotovoltaico P_MA é N × P_M . também podemos calcular a potência da matriz pelo produto da tensão e corrente da matriz fotovoltaica no ponto de potência máxima, ou seja, V_MA × Eu_MA .

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• As baterias estão conectadas em série ou em paralelo?

Exemplo:

Vamos dar um exemplo, calcular o número de módulos necessários em paralelo para obter a corrente máxima do ponto de potência I_MA de 40 A. O requisito de tensão do sistema é de 14 V. Os parâmetros do módulo fotovoltaico único são os seguintes;

• Tensão de circuito aberto V_OC =18 V
• Tensão no ponto de potência máxima V_M =14 V
• Corrente de curto-circuito I_SC =6,5A
• Corrente no ponto de potência máxima I_M =6A

Etapa 1: Observe o requisito atual do painel fotovoltaico

• Corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico I_SCA =Não fornecido
• Corrente do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima I_MA =40A

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico que deve ser conectado em paralelo

Tensão de circuito aberto V_OC =18 V

Tensão no ponto de potência máxima V_M =14 V

Corrente de curto-circuito I_SC =6,5A

Corrente no ponto de potência máxima I_M =6A

Potência máxima:

P_M =V_M x I_M

P_M =14V x 6A

P_M =84 W

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em paralelo

N =I_MA / Eu_M

=40 / 6

N =6,66 (valor inteiro maior 7)

Pegue 7 módulos de valor inteiro mais alto. Devido ao maior valor inteiro de N, o valor de I_MA e eu_SCA também aumentará.

Eu_MA =Eu_M × N

=6 × 7

Eu_MA =42A

Etapa 4:Calculando a potência total do painel fotovoltaico

P_MA =N × P_M

=7 × 84

P_MA =588 W

Assim, precisamos de 7 módulos fotovoltaicos conectados em paralelo com uma potência total de 588 W para obter a corrente máxima desejada do painel fotovoltaico de 40 A.

Incompatibilidade em módulos fotovoltaicos conectados em paralelo

Em uma conexão paralela, a questão da incompatibilidade de corrente não é um problema, mas a incompatibilidade de tensão é um problema. Em módulos conectados em paralelo, a tensão permanecerá a mesma se os módulos tiverem classificações de tensão idênticas.

Mas se a tensão nominal dos módulos conectados em paralelo for diferente, a tensão do sistema será determinada pelo módulo com a menor tensão nominal, resultando na perda de energia.

O efeito da incompatibilidade de tensão não é tão grave quanto a incompatibilidade de corrente, mas deve-se tomar cuidado ao escolher os módulos. Recomenda-se que, para módulos de combinação em série com a mesma classificação de corrente e para módulos de combinação em paralelo, com a mesma classificação de tensão, sejam preferidos.

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Série – Conexão Paralela de Módulos – Combinação Mista

Quando precisamos gerar grande potência em uma faixa de Giga-watts para grandes plantas de sistemas fotovoltaicos, precisamos conectar módulos em série e em paralelo. Em grandes plantas fotovoltaicas, primeiro, os módulos são conectados em série conhecido como “string de módulos fotovoltaicos” para obter o nível de tensão necessário.

Então muitas dessas strings são conectadas em paralelo para obter o nível de corrente necessário para o sistema. As figuras a seguir mostram a conexão dos módulos em série e paralelo. Para simplificar isso, dê uma olhada à direita na figura a seguir.

O módulo 1 e o módulo 2 estão conectados em série, vamos chamá-lo de string 1. A tensão de circuito aberto da string 1 V_OC1 é adicionado, ou seja

V_OC1 =V_OC + V_OC =2V_OC

Considerando que a corrente de curto-circuito da string 1 I_SC1 é o mesmo ou seja

Eu_SC1 =I_SC

Semelhante à string 1, os módulos 3 e 4 formam a string 2. A tensão de circuito aberto da string 2 V_OC2 é adicionado, ou seja

V_OC2 =V_OC + V_OC =2V_OC

Considerando que a corrente de curto-circuito da string 2 I_SC2 é o mesmo ou seja

Eu_SC2 =I_SC

Agora a string 1 e a string 2 estão conectadas em paralelo, em nenhum lugar a tensão permanece a mesma, mas a corrente é adicionada, ou seja, tensão de circuito aberto da matriz do módulo fotovoltaico

V_OCA =V_OC1 =V_OC2 =2V_OC

E corrente de curto-circuito da matriz do módulo fotovoltaico

Eu_SCA =I_SC1 + Eu_SC2 =I_SC + Eu_SC =2I_SC

O mesmo cálculo é aplicável para tensão e corrente no PowerPoint máximo.

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Cálculo do número de módulos necessários em série – paralelo e sua potência total

Aqui para o cálculo do número de módulos necessários em série e paralelo, e potência assumimos que todos os módulos possuem parâmetros idênticos. Observe que;

• N_S =Número de módulos em série
• N_P =Número de módulos em paralelo

Etapa 1: Observe os requisitos de corrente, tensão e energia do painel fotovoltaico

• Potência do painel fotovoltaico P_MA
• Tensão do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima V_MA
• Corrente do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima I_MA

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico

Parâmetros do módulo fotovoltaico como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC , eu_SC, e P_M também deve ser notado.

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em série e paralelo

Para calcular o número de módulos na série N_s a tensão total da matriz é dividida pela tensão de um módulo individual, uma vez que o módulo fotovoltaico deve estar trabalhando sob STC, a relação da tensão da matriz no ponto de potência máxima V_MA para a tensão do módulo no ponto de potência máxima V_M é tomada.

Da mesma forma, para calcular o número de módulos em paralelo N_p a corrente total da matriz é dividida pela corrente de um módulo individual, uma vez que o módulo fotovoltaico deve estar trabalhando sob STC, a relação da corrente da matriz no ponto de potência máxima I_MA para a corrente do módulo no ponto de potência máxima I_M é tomada.

Cálculos semelhantes para tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito podem ser feitos. Observe que o valor de N_s e N_P pode ser um não inteiro, então temos que pegar o próximo inteiro mais alto e, portanto, o valor de I_MA , eu_SCA , V_MA e V_OCA também aumentará do que desejávamos.

Etapa 4: Calculando a potência total do painel fotovoltaico

A potência total do gerador fotovoltaico é a soma da potência máxima dos módulos individuais conectados em série e em paralelo.

Se P_M é a potência máxima de um único módulo, e N_S é o número de módulos conectados em série e N_P é o número de módulos conectados em paralelo, então a potência total do painel fotovoltaico

P_MA =N_P × N_S × P_M

Também podemos calcular a potência da matriz pelo produto da tensão da matriz fotovoltaica e a corrente no ponto de potência máxima, ou seja,

V_MA × Eu_MA

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Exemplo:

Agora vamos dar um exemplo para o mix – combinação. Temos que determinar o número de módulos necessários para um arranjo fotovoltaico com os seguintes parâmetros;

• Array power P_MA =40 kW
• Tensão no ponto de potência máxima da matriz V_MA =400 V
• Corrente no ponto de potência máxima da matriz I_MA =100A
• O módulo para o desenho do array possui os seguintes parâmetros;
• Tensão no ponto de potência máxima do módulo V_M =70 V
• Corrente no ponto de potência máxima do módulo I_M =17A

Etapa 1: Observe os requisitos de corrente, tensão e energia do painel fotovoltaico

• Potência do painel fotovoltaico P_MA =40 kW
• Tensão do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima V_MA =400 V
• Corrente do painel fotovoltaico no ponto de potência máxima I_MA =100A

Etapa 2: Observe os parâmetros do módulo fotovoltaico

Tensão no ponto de potência máxima do módulo V_M =70 V

Corrente no ponto de potência máxima do módulo I_M =17A

Potência máxima P_M :

P_M =V_M x I_M

P_M =70V x 17A

P_M =1190 W

Etapa 3: Calcule o número de módulos a serem conectados em série e paralelo

N_S =V_MA /V_M

N_S =400 / 70

N_S =5,71 (valor inteiro maior 6)

Pegue 6 módulos de valor inteiro mais alto. Devido ao maior valor inteiro de N_S , o valor de V_MA e V_OCA também aumentará.

V_MA =V_M × N_S

=70 × 6

V_MA =420 V

Agora,

N_P =Eu_MA / Eu_M

N_P =100/17

N_P =5,88 (valor inteiro maior 6)

Pegue 6 módulos de valor inteiro mais alto. Devido ao maior valor inteiro de N_P , o valor de I_MA e eu_SCA também aumentará.

Eu_MA =Eu_M × N_P

Eu_MA =17 × 6

Eu_MA =102 A

Etapa 4: Calculando a potência total do painel fotovoltaico

P_MA =N_S × N_P × P_M

=6 × 6 × 1190

P_MA =42840 W

Assim, precisamos de 36 módulos fotovoltaicos . Uma cadeia de seis módulos conectados em série e seis dessas cadeias conectadas em paralelo, com uma potência total de 42840 W para obter a corrente máxima desejada do painel fotovoltaico de 100 A e tensão de 400 V.

Observe que, devido ao valor inteiro mais alto de 6, a corrente e a tensão máximas do painel fotovoltaico são 102 A e 420 V, respectivamente.

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Conclusão

Neste artigo, foi realizado um estudo aprofundado do módulo e matriz solar fotovoltaica. Estudou-se a necessidade, estrutura e projeto dos módulos para maior potência. Também incluiu um procedimento para medição de parâmetros e explicação do diodo de bypass e do diodo de bloqueio para a segurança do módulo.

Também vimos uma explicação sobre o arranjo de módulos fotovoltaicos juntamente com sua necessidade e combinação de conexão. Calculation and procedure for the design of series, parallel, and mix connections were done in detail along with the study of mismatch in voltage and current of the modules. Such a study of Photovoltaic module and array is a must requirement for a designer of the PV system.

The article gives a significant design understanding of important components (modules and array) in the PV system, which can be utilized to make a proper, efficient, and reliable design in a PV system.