Como Conectar Painéis Solares: Configurações em Série, Paralelo e Série-Paralelo

Configuração de Arrays Fotovoltaicos em Série, Paralelo e Série-Paralelo

O que é um Array Fotovoltaico Solar?

Um módulo fotovoltaico solar está disponível na faixa de 3 W_p a 300 W_p. No entanto, muitas vezes precisamos de potência na faixa de kW a MW. Para atingir tal potência elevada, devemos conectar N módulos em série e em paralelo.

Uma String de Módulos FV

Quando N módulos FV são conectados em série, o conjunto completo de módulos conectados em série é conhecido como string de módulos FV. Os módulos são conectados em série para aumentar a tensão do sistema. A figura a seguir mostra um esquema de módulos FV conectados em série, paralelo e série-paralelo.

Array de Módulos FV

Para aumentar a corrente, N módulos FV são conectados em paralelo. Tal conexão de módulos em combinação série-paralelo é conhecida como "Array Fotovoltaico Solar" ou "Array de Módulos FV". Um esquema de um array de módulos FV solares conectados em configuração série-paralelo é mostrado na figura abaixo.

Célula de Módulo Solar

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

É importante notar que, com o aumento das conexões em série e paralelo dos módulos, a potência dos módulos também se soma.

Conexão em Série de Módulos

Às vezes, a tensão do sistema necessária para uma usina é muito superior à que um único módulo FV pode produzir. Nesses casos, N módulos FV são conectados em série para fornecer o nível de tensão requerido. Esta conexão em série dos módulos FV é semelhante à conexão de N células em um módulo para obter o nível de tensão necessário. A figura a seguir mostra painéis FV conectados em configuração série.

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

Se um módulo tem tensão de circuito aberto V_OC1 de 20 V e outro conectado em série tem V_OC2 de 20 V, então a tensão de circuito aberto total da string é a soma das duas tensões:

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

É importante notar que a soma das tensões no ponto de potência máxima também se aplica no caso de array FV.

Cálculo do Número de Módulos Necessários em Série e sua Potência Total

Para calcular o número de módulos FV a serem conectados em série, a tensão necessária do array FV deve ser conhecida. Também veremos a potência total gerada pelo array FV. Note que todos os módulos são idênticos, com os mesmos parâmetros.

Passo 1: Anote a exigência de tensão do array FV

Como devemos conectar N módulos em série, devemos conhecer a tensão necessária do array FV:

• Tensão de circuito aberto do array FV V_OCA
• Tensão do array no ponto de potência máxima V_MA

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV a ser conectado na string em série

Parâmetros do módulo FV como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC, I_SC e P_M também devem ser anotados.

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

Para calcular o número de módulos "N", a tensão total do array é dividida pela tensão do módulo individual. Como o módulo FV deve operar sob CEP (Condições Padrão de Ensaios), a razão entre a tensão do array no ponto de potência máxima V_MA e a tensão do módulo no ponto de potência máxima V_M é considerada.

Um cálculo semelhante para a tensão de circuito aberto do FV também pode ser feito, ou seja, razão entre a tensão do array em circuito aberto V_OCA e a tensão do módulo em circuito aberto V_OC. Note que o valor de "N" pode ser não-inteiro, então devemos tomar o próximo inteiro superior e, com isso, os valores de V_MA e V_OCA também aumentarão além do desejado.

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

A potência total do array FV 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 array FV P_MA é N × P_M.

Também podemos calcular a potência do array pelo produto da tensão e corrente do array FV no ponto de potência máxima:

V_MA × I_MA

Exemplo:

Para entender estes passos de forma mais matemática, vamos tomar o exemplo de uma usina de 2 MW, na qual um grande número de módulos FV são conectados em série. O inversor de 2 MW pode aceitar tensão de entrada de 600 V a 900 V.

Determine o número de módulos a serem conectados em série para obter uma tensão no ponto de potência máxima de 800 V. Determine também a potência entregue por este array FV. Os parâmetros do módulo FV único são os seguintes:

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

Passo 1: Anote a exigência de tensão do array FV

• Tensão de circuito aberto do array FV V_OCA = Não informada
• Tensão do array no ponto de potência máxima V_MA = 800 V

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV a ser conectado na string em 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 = 7,2 A
• Corrente no ponto de potência máxima I_M = 6,4 A
• Potência Máxima P_M

P_M = V_M × I_M

= 29 V × 6,4 A

P_M = 185,6 W

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

N = V_MA / V_M

N = 800 / 29

N = 27,58 (Valor inteiro superior 28)

Tome o valor inteiro superior de 28 módulos. Devido ao valor inteiro superior de N, os valores de V_MA e V_OCA também aumentarão.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

P_MA = N × P_M

= 28 × 185,6

= 5196,8 W

Assim, precisamos de 28 módulos FV conectados em série com potência total de 5196,8 W para obter a tensão máxima desejada do array FV de 800 V.

Desbalanceamento em Módulos FV Conectados em Série

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

Tabela 1

Módulos	VM em Volts	IM em Ampere	PM em Watt
Módulo A	16	4,1	65,6
Módulo B	15,5	4,1	63,55
Módulo C	15,3	4,1	62,73
Total	Em série = 46,8	Em série = 4,1	191,88

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

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

Mas se a capacidade de produção de corrente dos módulos conectados em série não for idêntica, a corrente fluindo pelos módulos FV conectados em série será igual à menor corrente produzida por um módulo na string. Tome o exemplo da tabela 2 abaixo.

Tabela 2

Módulos	VM em Volts	IM em Ampere	PM em Watt
Módulo A	16	4,1	65,6
Módulo B	15,5	3,2	49,6
Módulo C	15,3	4,1	62,73
Total	Em Série = 46,8	Em Série = 3,2	177,93

Se todos os módulos da tabela 2 forem conectados em série, a corrente fluindo 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 aos módulos A e C.

Portanto, a corrente fluindo por estes três módulos conectados em série é 3,2 A. Agora compare as Tabelas 1 e 2 e a potência total produzida por ambas. Devido aos módulos com corrente não idêntica na tabela 2, a potência total produzida é 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 ao desbalanceamento de corrente, a potência de saída produzida pelos módulos conectados em série é amplamente afetada. Assim, na conexão em série de módulos, o desbalanceamento de tensão não é um problema, mas o desbalanceamento de corrente resulta em perda de potência. Portanto, módulos com diferentes classificações de corrente não devem ser conectados em série.

Conexão em Paralelo de Módulos

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

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

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

Se a corrente I_M1 é a corrente no ponto de potência máxima de um módulo e I_M2 é a corrente no ponto de potência máxima de outro módulo, então a corrente total do módulo conectado em paralelo será I_M1 + I_M2. Se continuarmos adicionando módulos em paralelo, a corrente continua somando. Isso também se aplica à corrente de curto-circuito I_SC.

Cálculo do Número de Módulos Necessários em Paralelo e sua Potência Total

Para calcular o número de módulos FV a serem conectados em paralelo, a corrente necessária do array FV deve ser conhecida. Também veremos a potência total gerada pelo array FV. Note que todos os módulos são idênticos, com os mesmos parâmetros.

Passo 1: Anote a exigência de corrente do array FV

Como devemos conectar N módulos em paralelo, devemos conhecer a corrente necessária do array FV:

• Corrente de curto-circuito do array FV I_SCA
• Corrente do array no ponto de potência máxima I_MA

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV a ser conectado em paralelo

Parâmetros do módulo FV como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC, I_SC e P_M também devem ser anotados.

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

Para calcular o número de módulos N, a corrente total do array é dividida pela corrente de um módulo individual. Como o módulo FV deve operar sob CEP, a razão entre a corrente do array no ponto de potência máxima I_MA e a corrente do módulo no ponto de potência máxima I_M é considerada.

Um cálculo semelhante para a corrente de curto-circuito do FV também pode ser feito, ou seja, razão entre a corrente de curto-circuito do array I_SCA e a corrente de curto-circuito do módulo I_SC.

Note que o valor de N pode ser não-inteiro, então devemos tomar o próximo inteiro superior e, com isso, os valores de I_MA e I_SCA também aumentarão além do desejado.

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

A potência total do array FV 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 array FV P_MA é N × P_M. Também podemos calcular a potência do array pelo produto da tensão e corrente do array FV no ponto de potência máxima, ou seja, V_MA × I_MA.

Exemplo:

Vamos tomar um exemplo: calcule o número de módulos necessários em paralelo para obter corrente no ponto de potência máxima I_MA de 40 A. A exigência de tensão do sistema é 14 V. Os parâmetros do módulo FV 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 = 6,5 A
• Corrente no ponto de potência máxima I_M = 6 A

Passo 1: Anote a exigência de corrente do array FV

• Corrente de curto-circuito do array FV I_SCA = Não informada
• Corrente do array no ponto de potência máxima I_MA = 40 A

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV a 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 = 6,5 A
• Corrente no ponto de potência máxima I_M = 6 A
• Potência Máxima:

P_M = V_M × I_M

P_M = 14 V × 6 A

P_M = 84 W

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

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6,66 (Valor inteiro superior 7)

Tome o valor inteiro superior de 7 módulos. Devido ao valor inteiro superior de N, os valores de I_MA e I_SCA também aumentarão.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

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

Desbalanceamento em Módulos FV Conectados em Paralelo

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

Mas se a classificação de tensão dos módulos conectados em paralelo for diferente, a tensão do sistema é determinada pelo módulo com a menor classificação de tensão, resultando em perda de potência.

O efeito do desbalanceamento de tensão não é tão severo quanto o desbalanceamento de corrente, mas deve-se ter cuidado ao escolher os módulos. Recomenda-se que, para combinação em série, módulos com a mesma classificação de corrente e, para combinação em paralelo, módulos com a mesma classificação de tensão sejam preferidos.

Conexão Série-Paralelo de Módulos – Combinação Mista

Quando precisamos gerar grande potência na faixa de Giga-watts para grandes usinas de sistemas FV, precisamos conectar módulos em série e paralelo. Em grandes usinas FV, primeiro os módulos são conectados em série, conhecidos como "string de módulos FV", 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. A figura a seguir mostra a conexão de módulos em série e paralelo. Para simplificar, observe a direita na figura a seguir.

Módulo 1 e módulo 2 são conectados em série, vamos chamá-lo de string 1. A tensão de circuito aberto da string 1 V_OC1 é somada, ou seja:

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Enquanto a corrente de curto-circuito da string 1 I_SC1 é a mesma, ou seja:

I_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 somada, ou seja:

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Enquanto a corrente de curto-circuito da string 2 I_SC2 é a mesma, ou seja:

I_SC2 = I_SC

Agora, a string 1 e a string 2 são conectadas em paralelo, onde a tensão permanece a mesma, mas a corrente é somada, ou seja, tensão de circuito aberto do array de módulos FV:

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC

E corrente de curto-circuito do array de módulos FV:

I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = I_SC + I_SC = 2I_SC

O mesmo cálculo se aplica para tensão e corrente no ponto de potência máxima.

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 têm parâmetros idênticos. Note que:

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

Passo 1: Anote a exigência de corrente, tensão e potência do array FV

• Potência do array FV P_MA
• Tensão do array no ponto de potência máxima V_MA
• Corrente do array no ponto de potência máxima I_MA

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV

Parâmetros do módulo FV como corrente e tensão no ponto de potência máxima e outros parâmetros como V_OC, I_SC e P_M também devem ser anotados.

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

Para calcular o número de módulos em série N_S, a tensão total do array é dividida pela tensão de um módulo individual. Como o módulo FV deve operar sob CEP, a razão entre a tensão do array no ponto de potência máxima V_MA e a tensão do módulo no ponto de potência máxima V_M é considerada.

Similarmente, para calcular o número de módulos em paralelo N_P, a corrente total do array é dividida pela corrente de um módulo individual. Como o módulo FV deve operar sob CEP, a razão entre a corrente do array no ponto de potência máxima I_MA e a corrente do módulo no ponto de potência máxima I_M é considerada.

Cálculos semelhantes para tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito podem ser feitos. Note que os valores de N_S e N_P podem ser não-inteiros, então devemos tomar o próximo inteiro superior e, com isso, os valores de I_MA, I_SCA, V_MA e V_OCA também aumentarão além do desejado.

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

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

Se P_M é a potência máxima de um único módulo, 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 array FV:

P_MA = N_P × N_S × P_M

Também podemos calcular a potência do array pelo produto da tensão e corrente do array FV no ponto de potência máxima:

V_MA × I_MA

Exemplo:

Agora vamos tomar um exemplo para a combinação mista. Temos que determinar o número de módulos necessários para um array FV com os seguintes parâmetros:

• Potência do array P_MA = 40 kW
• Tensão no ponto de potência máxima do array V_MA = 400 V
• Corrente no ponto de potência máxima do array I_MA = 100 A
• O módulo para o projeto do array tem 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 = 17 A

Passo 1: Anote a exigência de corrente, tensão e potência do array FV

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

Passo 2: Anote os parâmetros do módulo FV

• Tensão no ponto de potência máxima do módulo V_M = 70 V
• Corrente no ponto de potência máxima do módulo I_M = 17 A
• Potência máxima P_M:

P_M = V_M × I_M

P_M = 70 V × 17 A

P_M = 1190 W

Passo 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 superior 6)

Tome o valor inteiro superior de 6 módulos. Devido ao valor inteiro superior de N_S, os valores de V_MA e V_OCA também aumentarão.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Agora,

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5,88 (Valor inteiro superior 6)

Tome o valor inteiro superior de 6 módulos. Devido ao valor inteiro superior de N_P, os valores de I_MA e I_SCA também aumentarão.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Passo 4: Calculando a potência total do array FV

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Assim, precisamos de 36 módulos FV. Uma string de seis módulos conectados em série e seis dessas strings conectadas em paralelo, com potência total de 42840 W para obter a corrente máxima desejada do array FV de 100 A e tensão de 400 V.

Note que, devido ao valor inteiro superior de 6, a corrente e tensão máximas do array FV são 102 A e 420 V, respectivamente.

Conclusão

Neste artigo, foi realizado um estudo aprofundado do módulo fotovoltaico solar e array. A necessidade, estrutura e projeto dos módulos para nível de potência mais elevado foram estudados. Também incluiu um procedimento para medição de parâmetros e explicação de diodo de bypass e diodo de bloqueio para a segurança do módulo.

Também vimos uma explicação do array de módulos FV junto com sua necessidade e combinação de conexão. Cálculo e procedimento para o projeto de conexões em série, paralelo e mistas foram feitos em detalhes, junto com o estudo de desbalanceamento de tensão e corrente dos módulos. Tal estudo de módulo e array fotovoltaico é um requisito obrigatório para um projetista de sistema FV.

O artigo fornece uma compreensão significativa de projeto de componentes importantes (módulos e array) no sistema FV, que pode ser utilizada para fazer um projeto adequado, eficiente e confiável em um sistema FV.