A curva característica é um parâmetro importante usado para descrever a eficiência de uma célula, uma placa ou associação de placas, consiste na representação matemática do comportamento da corrente em função da tensão. Para cada condição de carga conectada aos terminais da célula, obtém-se um par de valores I,V. Unindo-se os pontos traça-se a curva I versus V.
Os parâmetros elétrico de um arranjo fotovoltaico seguem condições especificas de con-dições padrões de teste, STC ( Standard Test Conditions) radiação solar padrão de 1000W/m2, temperatura padrão de 25oCelsius e massa de ar AM igual a 1,5) (LANA et al., 2016).
O levantamento de pontos para traçar o desempenho de uma célula solar é determinado pela exposição a uma temperatura conhecida e uma luz solar estável, natural ou simulada e pelas características da carga conectada ao mesmo (RAMOS, 2006).
Segundo Caires (2014) alguns parâmetros são fundamentais para caracterização elétricas da curva IxV sob circunstâncias geradas através da radiação e temperatura específicas. Tais parâmetros são representados na figura 4:
•Corrente de curto-circuito (Isc) - corrente máxima que um dispositivo pode produzir correspondendo a tensão nula e consequentemente potência nula.
•Tensão de circuito-aberto (Voc) - tensão máxima que um dispositivo pode produzir. O valor da tensão ao cruzar a curva a será corrente nula e consequentemente potência nula.
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Figura 4: Curva I-V de um painel fotovoltaico.
Fonte: (VALENTE, 2011)
•Corrente no ponto de máxima potência (Imax) - é o valor da corrente para a potência máxima. Utilizada como corrente nominal no dispositivo.
•Tensão no ponto de máxima potência (Vmax) - é valor da tensão para a potência máxima.
Utilizada como tensão nominal do dispositivo.
•Ponto de potência máxima (Pmax) - é o valor máximo de potência que um dispositivo pode produzir. Corresponde ao ponto em que a curva P-V tem o seu valor máximo.
Caso exista uma resistência variável R, conectado em um terminal do painel fotovoltaico, o ponto é determinado pela intersecção da curva característica. A característica da carga é uma linha reta com inclinação I / V = 1 / R. Observando a figura 4 é possível constatar que o funcionamento de um painel fotovoltaico pode ser de dois tipos. O primeiro encontra-se entre os pontos MN da curva, onde a corrente é aproximadamente constante igual a corrente do curto-circuito Isc, sobre uma pequena resistência. O segundo encontra-se entre os pontos PS da curva, onde a tensão é aproximadamente constante igual ao valor da tensão em circuito aberto Voc, sobre uma resistência maior. A potência máxima é transferida para o intervalo NP, encontrada nos pontos Imax e Vmax. (VALENTE, 2011). Outro parâmetro definido através da curva característica é o fator de forma (FF), utilizado para determinar a qualidade dos dispositivos fotovoltaicos, quanto mais a curva se aproxima da forma retangular, melhor é a qualidade do arranjo fotovoltaico (ALVARENGA, 2009).
2.6.2 Métodos de caracterização
Segundo Oliveira (2015) para o levantamento da curva característica de uma célula, um módulo ou um arranjo fotovoltaico é necessário que algum dispositivo polarize estes conver-sores e outro dispositivo que permita a varredura completa dos pontos de operação no sistema
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fotovoltaico.
A caracterização da curva I x V, é possível através de cinco métodos distintos, cada um com sua respectiva particularidade, complexidade, e custo que serão explicados sucintamente abaixo.
- Resistor variável
O método por resistor variável é a metodologia mais simples para caracterização de um módulo fotovoltaico, e o mais barato, pois envolve a conexão de um resistor como carga para o módulo. Para sua realização, é necessário variar a resistência do zero a um valor elevado ou tendendo ao infinito, adquirindo assim os pontos do curto-circuito ao circuito aberto. Neste método a caracterização pode demorar um tempo considerável, pois a variação da resistência não é automática (LUNA, 2016).
- Capacitivo
O método capacitivo por sua vez, é a metodologia mais utilizada, pois consiste na utilização de conjuntos de capacitores como carga para o módulo. O capacitor tem como função armazena energia sem provocar variações abruptas na tensão do circuito. No decorrer do processo de carga o capacitor é conectado ao arranjo fotovoltaico desta forma quando a carga do capacitor estiver completa, a corrente deve ser zero e as condições de circuito aberto são alcançadas.
(MAIA et al., 2018) Este método possui como principal vantagem o pouco tempo necessário para a aquisição de dados, possuindo uma boa precisão, outro benefício é a capacidade de caracterizar vários módulos com uma potência elevada. No entanto, apresenta desvantagens como custo elevado devido aos sistemas de controle e proteção para carregamento e descarregamento dos capacitores (LUNA, 2016).
- Fontes de 4 quadrantes
Considerado como o método mais sofisticado, o método de fontes de 4 quadrante consegue medir grandes quantidade de potência além de possuir a capacidade de caracterizar vários módulos em poucas dezenas de milissegundos. O método utiliza uma fonte especial que pode ser utilizada tanto como fonte quanto como carga. A função desta fonte é polarizar o módulo com um sinal de tensão. Devido a capacidade de medir a curva em diferente quadrantes torna este método o favorito entre os fabricantes, mesmo com um alto custo (LUNA, 2016).
- Conversor dc-dc
Os conversores de dc-dc é um método de custo razoável pois não depende de outros equipamentos sofisticados. Este método consiste no uso de um conversor que é ligado entre o módulo e uma carga. A variação do ciclo do conversor é capaz de simular a alternância da carga esboçando a curva IxV em um intervalo pequeno de tempo da ordem de centenas de milissegundos (LUNA, 2016).
- Carga eletrônica
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O método de carga eletrônica é a metodologia mais encontrada na literatura devido sua simplicidade, possui uma alta flexibilidade, o que permite variar o valor da resistência.
O processo consiste na utilização de uma carga eletrônica conectada ao painel fotovoltaico.
Basicamente o circuito funciona como uma carga variável, onde a corrente drenada do arranjo fotovoltaico é dependente da corrente de entrada do amplificador operacional, funcionando como uma carga resistiva controlável. Para execução do método, é preciso um grande investimento, e sua aplicação é restringida para os painéis de média potência. (MAIA et al., 2018)
2.6.3 Ponto de Potência Máxima
A potência produzida nos terminar é obtida pelo produto da tensão versus corrente em cada ponto da curva. Observa-se que a potência é variável ao decorrer da tensão expondo um valor máximo na região de curvatura acentuada chamada de joelho de curva. Não há existência de potência quando a corrente e/ou tensão é nula, existindo apenas um único valor de tensão que corresponde a potência fornecida na saída da célula.
O painel fotovoltaico é influenciado por condições climáticas, como por exemplo, tempe-ratura e incidência solar, esses aspectos trazem consequência que influenciam no funcionamento e consequentemente na caracterização da curva.
2.6.4 Influência da temperatura na curva I-V
A temperatura é outro fator que interfere na forma da curva IxV. Com a elevação da temperatura, a corrente do curto circuito Icc aumenta ao mesmo tempo em que a tensão de circuito aberto diminui gerando alteração na potência entregue pelo conjunto de células. A tensão apresenta uma variação linear com a temperatura (LUNA, 2016). Como é possível observar na figura 5:
Com base na figura 6 e 7, é possível constar que a máxima potência disponível à uma baixa temperatura é maior que uma levada temperatura. No entanto os pontos de máxima potência não acontecem na própria tensão. O sistema fotovoltaico é pensado para que a tensão de saída V2 da célula seja aumentada para guardar Pmax2 a uma pequena temperatura e diminuída para V1 para guardar Pmax1 na temperatura mais alta (FADIGAS, 2012).
2.6.5 Influência da irradiância na curva I-V
A variação da intensidade da radiação solar ocorre a cada instante, devido à rotação e translação que Terra sofre. No entanto tal fenômeno resulta numa variação diretamente proporci-onal na corrente de saída para qualquer valor de tensão. Com essa variação a tensão permanece quase constante. (BÜHLER, 2007) Em dias nublados, ou seja, com baixa intensidade de radiação
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Figura 5: Variação da corrente de curto-circuito e da tensão de circuito aberto em função da variação da temperatura
Fonte: (OLIVEIRA, 2015)
Figura 6: Efeito da temperatura na curva P vs V
Fonte: (FADIGAS, 2012)
a corrente diminuirá proporcionalmente. A figura 8, expõe a variação de intensidade de irradiação solar incidente em uma curva característica de uma célula fotovoltaico.
2.6.6 Curva características de arranjos fotovoltaicos
Segundo Oliveira (2015), a suposição de módulos idênticos ligados em série, a tensão resultante é igual à soma da tensão individual de cada módulo, ao mesmo tempo que a corrente da associação é igual à corrente de apenas um módulo, como observado na figura 9. No entanto a igualdade das células fotovoltaicas não é possível na prática, deste modo a corrente resultante será a que estiver estabelecida no módulo de menor valor individual.
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Figura 7: Variação da potência em função da variação da temperatura em um módulo
Fonte: (OLIVEIRA, 2015)
Figura 8: Curva I-V de um modulo de silício de 72 células a diferentes irradiância
Fonte: (BÜHLER, 2007)
A mesma suposição para a associação em paralelo resulta que a corrente será a soma das correntes de cada módulo e a tensão será comum a um dos módulos. A figura 10 mostra as curvas características para esse tipo de associação.
2.6.7 ABNT Normas para curvas características
Algumas normas regem a caracterização da curva característica IxV, são citadas por diversos autores como por exemplo a norma ABNT NBR 12136 (Módulo fotovoltaicos - De-terminação de características fotoelétricas). Esta norma prescreve os métodos aplicáveis na
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Figura 9: Cruva característica para um módulo, 2 módulos idênticos em série e 3 módulos idênticos em série
Fonte: (OLIVEIRA, 2015)
Figura 10: Cruva característica para um módulo, 2 módulos idênticos em série e 3 módu-los idênticos em paralelo
Fonte: (OLIVEIRA, 2015)
determinação das características elétricas de módulos fotovoltaicos planos de silício cristalino, quando expostos à luz solar natural ou simulada. Outra norma muito referenciada e importante para caracterização é a ABNT NBR 12302 (Dispositivos fotovoltaicos - correção das curvas característica corrente versus tensão função da temperatura e radiação). A mesma fixa condições exigíveis para correção das curvas características de corrente versus tensão (I x V), em relação da temperatura e radiação, apenas para dispositivos fotovoltaicos de silício cristalino. Incluindo
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procedimentos para determinação dos coeficientes de temperatura e do fator de correção da curva. Porém as duas normas foram cancelada em 2012 e não possuem substituição.
2.6.8 Comercialização de traçadores de curvas IxV
É importante salientar que existem traçadores de curvas fotovoltaicas no mercado, por exemplo, o assim denominado Mini-KLA (Figura 11) Por meio do qual é utilizado para medir parâmetros e montar curvas de tensão, corrente e potência sem a necessidade de equipamentos de laboratório. O traçador de curva Solmetric Figura (11) possui uma tecnologia mais avançada ao ser comparada com o traçador Mini-Kla. O Solmetric é o mais utilizado mundialmente devido ao maior rendimento de medição (mesmo em ambientes quentes), melhor precisão e resolução I-V, melhor irradiância e precisão de temperatura, excelente alcance sem fio de quase 100 metros e interface de usuário que possibilita a visualização clara de problemas de desempenho. No entanto esses dispositivos possuem um custo muito elevado. Comercializados por grandes empresas e grupos de pesquisas.
Figura 11: Traçadores de curvas IxV; dispositivo Mini-KLA e traçador de curva I-V da Solmetric
Fonte: :romiotto.com.brprodutosdetalhes412tracador-de-curvas-i-v-celulashttps:www.imt-solar.comproductspv-i-v-curve-analysermini-kla
Segundo Oliveira (2015) atualmente o mercado nacional não dispõe de um equipamento portátil (ideal para medidas em campo) capaz de medir curvas I-V com correntes de 100A e tensões de 1000V, medidas obtidas em instalações de grande porte. No entanto o mercado internacional apenas dois equipamentos são encontrados com essas características, chegando a custar em torno de 18 mil dólares.
Com visto nesse capítulo o conhecimento da curva característica facilita a compreensão sobre o funcionamento das placas fotovoltaicas, permitindo termos uma idéia da sua eficiência para melhorar suas configurações.
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