Cálculo e projeto de módulos e matrizes solares fotovoltaicas

Determinando o número de células em um módulo, medindo os parâmetros do módulo e calculando a corrente de curto-circuito, a tensão de circuito aberto e as características V-I do módulo solar e da matriz

O que é um Módulo Solar Fotovoltaico?

A potência exigida por nossas cargas diárias varia em vários watts ou às vezes em quilowatts. Uma única célula solar não pode produzir energia suficiente para atender a essa demanda de carga, dificilmente pode produzir energia na faixa de 0,1 a 3 watts, dependendo da área da célula. No caso de usinas elétricas conectadas à rede e industriais, precisamos de energia na faixa de Mega-watts ou mesmo Giga-watts.

Assim, uma única célula fotovoltaica não é capaz de uma demanda tão alta. Assim, para atender a essas altas demandas, as células solares são dispostas e conectadas eletricamente. Essa conexão e disposição de células solares são chamadas de módulos fotovoltaicos. Esses módulos fotovoltaicos possibilitam suprir uma demanda maior do que uma única célula poderia suprir.

Quando a radiação solar incide sobre uma única célula solar, o potencial é produzido através dela dois terminais ânodo e cátodo (ou seja, o ânodo é o terminal positivo e o cátodo é o terminal negativo). Para aumentar o potencial para a potência necessária N-número de células são conectadas em série. O terminal negativo de uma célula é conectado ao terminal positivo da outra célula, conforme mostrado na figura abaixo.

Quando conectamos o número N de células solares em série, obtemos dois terminais e a tensão nesses dois terminais é a soma das tensões das células conectadas em série. Por exemplo, se a tensão de uma única célula for de 0,3 V e 10 dessas células estiverem conectadas em série, a tensão total na cadeia será de 0,3 V × 10 =3 Volts.

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Se 40 células de 0,6 V forem conectadas em série, a tensão total seria 0,6 V × 40 =24 Volts. É importante notar que quando as células são conectadas em série, a tensão é adicionada enquanto a corrente permanece a mesma.

Da mesma forma, quando as células são conectadas em paralelo, a corrente das células individuais é adicionada. O terminal do ânodo de uma célula é conectado ao terminal do ânodo da próxima célula e, da mesma forma, o terminal do cátodo é conectado ao terminal do cátodo da próxima célula, conforme mostrado na figura 2.

Ao contrário da conexão em série, a tensão total da string em conexão paralela permanece inalterada. Por exemplo, se uma célula tem uma capacidade de produção de corrente de 2 A e 5 dessas células solares são conectadas em paralelo. Então a capacidade total de produção de corrente da célula será 2 A × 5 =10 A.

Os parâmetros do módulo fotovoltaico são mencionados pelos fabricantes sob a Condição de Teste Padrão (STC), ou seja, temperatura de 25 °C e radiação de 1000 W/m ² . Na maioria das vezes e locais, as condições especificadas no STC não ocorrem. Isso acontece porque a radiação solar é sempre inferior a 1000 W/m ² e a temperatura de operação da célula for superior a 25 °C, essa incerteza resulta em potência de saída reduzida do módulo fotovoltaico.

Como discutimos anteriormente, o módulo fotovoltaico é composto pelo número de células solares, portanto, seus parâmetros e fatores que afetam a geração de eletricidade são semelhantes aos da célula solar que já cobrimos em nosso artigo anterior. Portanto, não vamos cobrir essa parte aqui novamente.

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Determinando o número de células em um módulo

Um dos requisitos básicos do módulo fotovoltaico é fornecer tensão suficiente para carregar as baterias dos diferentes níveis de tensão sob radiação solar diária. Isso implica que a tensão do módulo deve ser maior para carregar as baterias durante a baixa radiação solar e altas temperaturas.

Os módulos fotovoltaicos são projetados para fornecer as tensões no nível múltiplo de bateria de 12 V que é 12 V, 24 V, 36 V, 48 V e assim por diante. Para carregar uma bateria de 12 V através de um módulo fotovoltaico, precisamos de um módulo com V_M de 15 V e para bateria de 24 V precisamos de um módulo com V_M de 30 V e assim por diante. Outros dispositivos utilizados no sistema fotovoltaico são compatíveis para trabalhar com um nível de tensão da bateria.

Para fornecer o nível de tensão necessário, precisamos conectar as células em série. Dependendo das diferentes tecnologias usadas na célula fotovoltaica, o número de células necessárias para serem conectadas em série será diferente. O número de células a serem conectadas em série depende da tensão no ponto de potência máxima, ou seja, V_M da célula individual e a queda de tensão que ocorre devido a um aumento na temperatura da célula acima do STC.

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Exemplo:

Vamos entender isso com um exemplo, um módulo fotovoltaico deve ser projetado com células solares para carregar uma bateria de 12 V. A tensão de circuito aberto V_OC da célula é de 0,89 V e a tensão no ponto de potência máxima V_M é 0,79V.

A temperatura de operação das células é de 60 °C e há uma diminuição na tensão de 2 mV para cada grau Celsius de aumento de temperatura. Quantas células são necessárias para serem conectadas em série para carregar a bateria?

Etapa 1: Encontre a tensão no ponto de potência máxima V_M =0,79 V .

Se V_M não for especificado então pegue V_M como 80 a 85% de V_OC .

Etapa 2: Encontre a perda de tensão sob temperatura de operação, ou seja, a 60 °C.

Aumento da temperatura acima do STC =Temperatura operacional – Temperatura no STC.

Aumento da temperatura acima de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Portanto, perda de tensão devido ao aumento da temperatura acima do STC:

Perda de tensão =35 °C × 0,002 V =0,07 V

Etapa 3 :Determinando a tensão na condição de operação.

A tensão na condição de operação =Tensão no STC (V_M ) – perda de tensão devido a um aumento da temperatura acima do STC.

Portanto, Tensão na condição de operação =0,79 V – 0,07 V =0,72 V

Etapa 4: Determine a tensão necessária do módulo fotovoltaico para carregar a bateria.

Para carregar uma bateria de 12 V precisamos que a tensão do módulo esteja em torno de 15 V.

Etapa 5: Determine o número de células para ser ligado em série.

O número de células conectadas em série =tensão do módulo fotovoltaico / tensão na condição de operação.

Número de células conectadas em série =15 V / 0,72 V =20,83 ou cerca de 21 células

Assim, precisamos de 21 células conectadas em série para carregar uma bateria de 12V . É importante notar que, para diferentes tecnologias de células solares, precisaremos de um número diferente de células em série para a mesma tensão de saída. Uma foto real do módulo fotovoltaico que consiste em um número N de células conectadas eletricamente é mostrada na figura 3 abaixo.

Medição dos parâmetros do módulo

Para a medição de parâmetros de módulo como V_OC , eu_SC , V_M, e eu_M precisamos de voltímetro e amperímetro ou multímetro , reostato , e fios de conexão.

Medição de tensão de circuito aberto (V_OC ):

Ao medir o V_OC , sem carga deve ser conectado nos dois terminais do módulo. Para encontrar a tensão de circuito aberto de um módulo fotovoltaico via multímetro , siga as etapas simples a seguir.

• Ajuste o botão do multímetro para medição de tensão CC e selecione a faixa para a medição de tensão de acordo, ou seja, 6 V, 12 V, 24 V etc.
• Certifique-se de que uma ponta de prova esteja conectada à porta COM do multímetro e outra à porta de medição de tensão.
• Após selecionar o modo e a faixa, conecte as pontas de prova do multímetro aos dois terminais do módulo FV e observe a leitura no display.
• Certifique-se de que a ponta de prova positiva (porta de medição de tensão) esteja conectada ao terminal positivo e a ponta de prova negativa (porta COM) ao terminal negativo. Se as sondas estiverem conectadas vice-versa, dará uma leitura negativa.
• A leitura no visor do multímetro é a tensão de circuito aberto V_OC do módulo fotovoltaico.

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Medição da corrente de curto-circuito (I_SC ):

Ao medir o I_SC , sem carga deve ser conectado nos dois terminais do módulo.

Para encontrar a corrente de curto-circuito de um módulo fotovoltaico via multímetro , siga as etapas simples a seguir.

• Ajuste o botão do multímetro para a medição atual e selecione a faixa para a medição atual de acordo, ou seja, normalmente entre 0,1 a 10 A.
• Certifique-se de que uma ponta de prova esteja conectada à porta COM do multímetro e outra à porta de medição atual.
• Após selecionar o modo e a faixa, conecte as pontas de prova do multímetro aos dois terminais do módulo FV e observe a leitura no display.
• Certifique-se de que a ponta de prova positiva esteja conectada ao terminal positivo (porta de medição de corrente) e a ponta de prova negativa (porta COM) ao terminal negativo. Se as sondas estiverem conectadas vice-versa, dará uma leitura negativa.
• A leitura observada no visor do multímetro é a corrente de curto-circuito I_SC do módulo fotovoltaico.

Medindo a curva I-V:

Para medir a curva I-V, o módulo solar fotovoltaico deve ser conectado em série com o resistor variável conforme mostrado na figura abaixo.

O terminal negativo do módulo é conectado ao terminal positivo do amperímetro e o voltímetro é conectado diretamente ao módulo fotovoltaico, conforme mostrado na figura 4.

Se inadvertidamente as conexões forem feitas vice-versa então a leitura obtida terá sinal negativo, reconecte os medidores para obter os valores corretos. Uma vez feito corretamente, ajuste o resistor variável (reostato) de um lado para que a tensão seja máxima e a corrente seja mínima.

Anote os valores de corrente e tensão nesta posição do reostato. Agora deslize lentamente o reostato para o outro lado e anote as leituras para cada ajuste de slide até que o reostato esteja completamente em curto. Calcule a potência para cada valor de tensão e corrente usando a equação abaixo.

P =V × I

Assim, usando esses valores medidos, todos os outros parâmetros do módulo FV podem ser obtidos.

Módulos com maior potência 

Uma das células mais comuns disponíveis no mercado é a tecnologia “Crystalline Silicon Cell”. Essas células estão disponíveis em uma área de 12,5 × 12,5 cm ² e 15 ×15 cm ² . É difícil encontrar células além dessa área no mercado, a maioria das usinas solares maiores usam módulos com essas áreas de células.

Mas quanta potência maior esse módulo pode fornecer e como obter maior potência por módulo? Um módulo fotovoltaico tipicamente projetado tem um V_M de 15 V para carregar uma bateria de 12 V. Para obter esta tensão, 32 a 36 células são conectadas em série dependendo de sua temperatura de operação e tensão de pico V_M de uma célula individual.

A corrente produzida pelas células depende da área, quantidade de luz que incide sobre ela, ângulo de luz que incide sobre ela e densidade de corrente. A Célula de Silício Cristalino tem uma densidade de corrente J_SC em uma faixa de 30 mA/cm ² a 35 mA/cm ² .

Vamos pegar a densidade de corrente de 30 mA/cm ² para o nosso exemplo. Então a corrente de curto-circuito para uma área de 12,5 × 12,5 cm ² pode ser calculado como;

Eu_SC =J_SC × Área =30 mA/cm ² × 12,5 × 12,5 cm ² =4,68A

Da mesma forma, para 15 × 15 cm ² a corrente de curto-circuito é calculada como;

Eu_SC =J_SC × Área =30 mA/cm ² × 15 × 15 cm ² =6,75A

Para a maioria dos fabricantes, o I_M é cerca de 90 a 95% de I_SC . Para o nosso exemplo vamos pegar I_M como 95% de I_SC .

I_M =0,95 × I_SC

Então o I_M para uma área de 12,5 × 12,5 cm ² pode ser calculado como;

I_M =0,95 × 4,68 A =4,446 A

Da mesma forma, para 15 × 15 cm ² Eu_M é calculado como;

I_M =0,95 × 6,75 A =6,412 A

Agora podemos determinar a potência máxima de pico para essas duas células;

P_M =V_M × Eu_M

P_M =15 V × 4,446 A =66,69 W (para uma área de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =15 V × 6,412 A =96,18 W (para uma área de 15 × 15 cm ² )

Portanto, utilizando a melhor tecnologia de célula disponível com uma área de 12,5 × 12,5 e 15 × 15 cm ² obtemos uma potência de 66,69 W e 96,18 W respectivamente (Considerando I_M para ser 95% de I_SC e densidade de corrente de 30 mA/cm ² ).

Para aumentar a tensão e a corrente do módulo, mais células devem ser conectadas em série e em paralelo, respectivamente, isso aumentará a potência geral do módulo mais do que calculamos .

Exemplo:

Agora, para melhor compreensão, vamos projetar um módulo fotovoltaico que possa fornecer uma tensão na potência máxima V_M de 45 V sob STC e 33,5 V sob temperatura de operação de 60 °C. Usaremos as células com uma tensão de circuito aberto V_OC de 0,64 V, com uma diminuição de 0,004 V em V_M por °C de aumento de temperatura.

Etapa 1: Encontre a tensão no ponto de potência máxima V_M .

Se V_M não for especificado então pegue V_M como 80 a 85% de V_OC

Vamos supor V_M =0,85 × V_OC =0,85 × 0,64 V =0,544 V

Etapa 2: Encontre a perda de tensão sob a temperatura de operação, ou seja, em 60 ^o C.

Aumento da temperatura acima do STC =Temperatura operacional – Temperatura no STC.

Aumento da temperatura acima de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Portanto, perda de tensão devido ao aumento da temperatura acima de STC =35 °C × 0,004 V =0,14 V

Etapa 3: Determinando a tensão na condição de operação

A tensão na condição de operação =Tensão no STC (V_M ) – perda de tensão devido a um aumento da temperatura acima do STC.

Portanto, Tensão na condição de operação =0,544 V – 0,14 V =0,404 V

Etapa 4: Determine a tensão necessária do módulo fotovoltaico

precisamos que a tensão do módulo esteja em torno de 33,5 V.

Etapa 5: Determine o número de células a serem conectadas em série

O número de células conectadas em série =tensão do módulo fotovoltaico / tensão na condição de operação.

Número de células conectadas em série =33,5 V / 0,404 V =82,92 ou cerca de 83 células.

Agora vamos calcular quanta energia essas 83 células podem produzir sob STC, tendo V_M =45 V, e vamos tomar os mesmos valores de corrente para duas células do exemplo anterior.

Eu_M =4,446 A (para uma área de 12,5 × 12,5 cm ² )

Eu_M =6,412 A (para uma área de 15 × 15 cm ² )

Agora podemos determinar a potência máxima de pico para essas duas células a uma tensão de 45 V;

P_M =V_M × Eu_M

P_M =45 V × 4,446 A =200,07 W (para uma área de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =45 V × 6,412 A =288,54 W (para uma área de 15 × 15 cm ² )

Assim, de acordo com a necessidade de grande potência, tais células de áreas maiores são conectadas em série e em paralelo para formar um módulo fotovoltaico. Além disso, esses módulos fotovoltaicos podem ser conectados em série e paralelo para formar um arranjo fotovoltaico que gera energia em MWs.

Diodos de bloqueio e desvio

Díodo de bypass

Todas as células conectadas em série no módulo fotovoltaico são idênticas todas elas produzem corrente quando a luz incide sobre elas. Mas se uma das células solares fica sombreada por algum objeto, a luz que incide sobre ela é interrompida e produz corrente mais baixa ou quase nenhuma corrente devido a essa interrupção da luz que incide na célula.

Esta célula agora atuará como uma resistência ao fluxo atual na seqüência de série das células. Ele atuará como uma carga e a energia gerada por outras células será dissipada na célula sombreada, fazendo com que a temperatura da célula aumente e formando um ponto quente. Isso pode até levar à quebra do vidro do módulo, incêndios e acidentes no sistema.

Os diodos de bypass são usados ​​para evitar tais catástrofes em nosso sistema projetado. Conforme mostrado na figura 5, o diodo de bypass é conectado em paralelo à célula solar com polaridade oposta.

Em condições normais sem sombreamento, o diodo de bypass é polarizado inversamente, agindo como um circuito aberto. Mas se o sombreamento ocorrer na cadeia de células conectadas em série, a célula sombreada será polarizada reversa e isso atuará como uma polarização direta para o diodo de desvio, pois está conectado com uma polaridade oposta à célula solar.

Agora, o diodo de desvio desta célula sombreada transportará a corrente através dela em vez da célula sombreada. Assim, o diodo desvia a célula evitando os danos causados ​​pelo superaquecimento, daí o nome de diodo de desvio. Idealmente, deve haver um diodo por célula solar em um módulo, mas praticamente para tornar o módulo econômico, um diodo de bypass é conectado para uma combinação em série de 10-15 células.

Díodo de bloqueio

Em um sistema off-grid, os módulos são usados ​​para fornecer energia à carga e carregar a bateria. Durante a noite, quando não há luz solar, o módulo não produz energia e as baterias de carga começam a fornecer energia à carga e ao módulo fotovoltaico. As fontes de alimentação para o módulo fotovoltaico são uma perda de energia. Para evitar a perda, um diodo é colocado para bloquear o fluxo de corrente da bateria para o módulo fotovoltaico. Assim, é devido a este diodo que a perda de potência é evitada bloqueando o fluxo de corrente da bateria para o módulo.



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