Segundo o CRESESB (p.1, 2008), é importante ressaltar o cuidado na seleção das células a serem utilizadas pois a incompatibilidade de suas características elétricas pode levar a módulos de baixa qualidade. Isso ocorre por conta do efeito de descasamento, na qual as células de maior fotocorrente e fotovoltagem, dissipam seu excesso de potência nas células de desempenho inferior. Em consequência, a eficiência global do módulo fotovoltaico é reduzida.
Portanto, o dimensionamento dos painéis deve ser o mais adequado possível, levando em consideração as características e fatores que limitam ou amplificam a taxa de conversão de luz solar em energia elétrica.
2.6.1 Características elétricas do módulo fotovoltaico
A potência dos módulos fotovoltaicos é expressa pela potência de pico, ou seja, a potência máxima que o módulo pode atingir. Normalmente o parâmetro é expresso na unidade de watt-pico (Wp). No entanto, existem outros parâmetros que devem ser analisados, como a escolha do módulo a ser utilizado.
A tensão entre os terminas positivos e negativos do módulo fotovoltaico pode ser medida utilizando um voltímetro, de modo que a tensão resultante em um módulo sem carga corresponde a tensão de circuito aberto (𝑉oc). Já a corrente de curto-circuito (𝐼sc) pode ser medida utilizando-se de um amperímetro.
A eficiência dos módulos fotovoltaicos (η) é obtida através da relação entre potência elétrica máxima gerada e a irradiância solar. Em condições normais, a irradiância (G) é igual à 1000 W/m² e a potência luminosa do módulo pode ser calculada multiplicando o valor da irradiância pela área do módulo (Am). Em (5) pode- se obter o cálculo da eficiência do módulo.
η= PMP
G∙Am∙100% (5)
2.6.2 Curva característica I-V
A curva característica dos módulos fotovoltaicos, (suas possíveis associações) consistem na representação matemática do comportamento da corrente elétrica em relação à tensão. A partir dessa curva é possível obter informações sobre o desempenho do sistema fotovoltaico.
Em (6) é descrito a curva I-V que representa uma célula fotovoltaica ideal.
Em que a corrente IPV gerada pela luz incidente é dada por:
IPV=ISC∙(G G
nominal) (7)
Onde, ISC é a corrente de curto-circuito do painel em (A), G representa a irradiação solar em (W/m2), G
nominal é a irradiação solar nominal (W/m2) e Id representa a equação de Shockley, que descreve as características gerais de um diodo semicondutor.
A potência que realmente é produzida pelo módulo pode ser obtida a partir da curva característica I-V, em que para cada ponto do produto Corrente x Tensão, representa a potência gerada para aquela condição de operação, conforme a Figura 12.
Figura 12 - Pontos principais das curvas I-V e P-V de um painel fotovoltaico
Fonte: Adaptado de CEPEL - CRESESB (2014).
É possível observar na Figura 12 que quando a tensão é zero, tem-se a corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico (Isc). Quando a corrente é zero, tem- se a tensão de circuito aberto (Voc). O ponto da curva onde se dá o maior produto de tensão (VMP) por corrente (IMP) é conhecido como ponto de máxima potência (MPP –
Maximum Power Point). O MPP é o ponto em que o painel deve estar operando para que a conversão energética seja a mais eficaz (VILLALVA; GAZOLI; FILHO, 2009).
2.6.3 Efeito da Temperatura e Irradiação
As características de um módulo fotovoltaico são medidas nas condições de teste padrão (STC - Standart Test Conditions), disponibilizadas pelos fabricantes em forma de fichas técnicas específicas. Normalmente, a temperatura ideal de operação módulos fotovoltaicos para o teste STC é de 25 ºC, irradiação de 1000 W/m2. O
aumento da temperatura do módulo faz com que a tensão de saída seja reduzida, a diminuição da tensão ocasiona uma perda de potência na mesma proporção.
A temperatura T da junção p-n do painel é diferente da temperatura do ambiente Tamb e pode ser calculada conforme a Equação 8, apresentada abaixo.
T=Tamb+NOCT-20800 ∙G (8)
Em (8), NOCT representa a temperatura normal de operação da célula quando a irradiação é de 800 W/m². Este nível de irradiação é bem mais próximo da média anual a qual os arranjos fotovoltaicos são submetidos, assim, como a Tamb de 20 °C traduz mais fielmente a temperatura ambiente de operação dos arranjos (essas informações são fornecidas pelo fabricante) (PHOTOVOLTAIC EDUCATION).
Os níveis de tensão e corrente geradas por um painel fotovoltaico variam conforme condições de irradiação solar, temperatura, horário, dia do ano, orientação dos painéis, inclinação dos painéis, latitude geográfica, sombreamento, entre outros fatores (VILLALVA; GAZOLI; FILHO, 2009). A potência elétrica P fornecida por painéis fotovoltaicos é dada pela multiplicação de V por I e varia, principalmente, conforme a irradiação solar (G) e a temperatura (T), conforme apresentado em (6), (7) e (8). Quanto maior a irradiação solar incidente sobre a célula, maior é o valor da corrente elétrica, sem alterar significativamente a tensão gerada (Figura 13 (a)).
Em contrapartida, a tensão gerada diminui quando a temperatura da célula
aumenta, sem que a corrente sofra mudanças significativas em seu valor (Figura 13 (b)).
(a) (b)
Figura 13 - Representação de curvas I-V de um painel fotovoltaico com variação exclusiva de (a) irradiação solar e (b) temperatura
Fonte: Adaptado de Walker (2001).
2.6.4 Efeito do Sombreamento
A diminuição da taxa de radiação recebida pelo módulo pode ser causada pelo sombreamento das células, sujeira depositada sobre os módulos, árvores, vegetação ou até mesmo por outros painéis solares. A diminuição da taxa de radiação implica diretamente na produção de energia elétrica, logo se a radiação decai, a geração de energia elétrica também decai.
Além de perda de potência do módulo fotovoltaico, ainda existe o risco de danos aos módulos parcialmente sombreados, uma vez que a potência elétrica gerada não está sendo entregue para o consumo e é dissipada no módulo afetado. Esse problema pode causar um intenso calor sobre a célula afetada, podendo causar a ruptura do vidro e fusão de polímeros e metais, esse problema também é conhecido como ponto quente da célula fotovoltaica.
Ao sombrear apenas uma de cada 36 células de um pequeno módulo solar, pode reduzir a potência em mais de 75%. Dessa forma, quando a célula solar é sombreada, a corrente em todo modulo é reduzida pois isto equivale a reduzir a irradiação solar e esta tem influência direta na corrente do módulo (STERN, 2017).
A Figura 14, ilustra o caso em que um painel deixa de receber a radiação solar, fazendo com que todo o conjunto série, interrompa o fornecimento de corrente elétrica à carga.
Figura 14 - Conjunto de células fotovoltaicas, com uma célula sombreada Fonte: Adaptado de Villalva; Gazoli (2012).
O sombreamento que atinge os módulos fotovoltaicos pode ser parcial, quando atinge apenas um percentual de área de uma determinada célula, ou total, quando atinge toda a área de uma célula. Com o sombreamento total, a célula deixa de fornecer corrente, enquanto sob um sombreamento parcial a mesma fornecerá um inferior nível de corrente, devido à menor área de exposição à radiação solar.
Como já foi citado, uma forma de amenizar o efeito do sombreamento em módulos fotovoltaicos é interligar um diodo em antiparalelo, com as células (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Além de reduzir a perda de energia, também reduz o risco de dano irreversível das células afetadas, o que poderia tornar inutilizável o módulo (GTES, 2014).