Efeitos do sombreamento

Toda a vez que se tratar de reconfiguração das interconexões de módulos, é imprescindível o entendimento sobre os efeitos causados pelo sombreamento de painéis PV. Ao saber quais configurações resultam na minimização ou eliminação das perdas por sombreamento, se torna possível buscar métodos de reconfiguração mais simples e eficientes.

Quando há sombreamento de módulos PV, o ideal seria que todos os módulos operassem em seus respectivos pontos de máxima potência, independente da forma como os módulos fossem conectados seja em série ou em paralelo. Entretanto, para módulos PV conectados em série isto não ocorre, pois a corrente de saída fica limitada pela corrente dos módulos sombreados. Assim, ressalta-se a necessidade de se entender como o desempenho de um sistema fotovoltaico é afetado pelo sombreamento.

Em relação à modelagem do sombreamento em painéis PV é fundamental entender as razões pelas quais a corrente de uma planta PV, composta por um ou mais conjuntos-série PV, é limitada pela corrente de módulos sombreados. A Figura 3.17 mostra duas células PV em série curto-circuitadas, sendo uma sombreada e outra não. Em regiões da curva I-V próximas a corrente de curto-circuito, a corrente gerada pela célula PV sem sombreamento é dissipada em maior parte no diodo e o restante é dissipado na resistência paralela da célula sombreada. Como esta resistência é muito elevada, a corrente é muito pequena.

Partindo da Figura 3.17 (a) e sabendo que a célula 1 está fortemente sombreada e não há sombreamento na célula 2, chega-se a Figura 3.17 (b) pelos seguintes passos:

1) Na célula sem sombreamento, a corrente de curto-circuito é obtida pela seguinte expressão:

68 R_s1 I_sc I_G1 I_d1 I_p1 R_p1 R_s2 I_sc I_G2 I_d2 I_p2 R_p2 I_G2 I_G1 I_d2 I_p1 I_sc (3.17)

Figura 3.17 - Associação em série de células PV com e sem sombreamento curto-circuitadas (a) Circuito equivalente de 5 parâmetros

(b) Circuito equivalente simplificado

Fonte: Autor

2) A corrente Ip2 pode ser desprezada, pois é bem menor que a corrente Id2.

3) Na célula sombreada, como a corrente de curto-circuito é maior que a foto-corrente, não há corrente no diodo, pois este entra na região de polarização reversa. Pela mesma razão, a corrente da resistência paralela apresenta sentido oposto ao da Figura 3.17 (a), logo:

(3.18)

4) Desconsiderando ambas as resistências série e igualando (3.17) e (3.18) se chega a Figura 3.17 (b), onde a diferença entre as foto- correntes é igual a:

(3.19) onde

2

d

I : corrente do diodo da célula não sombreada; 1

2

1 d / p

p V R

I  : corrente da resistência paralela da célula sombreada; 2

d

V : tensão do diodo da célula não sombreada; 1

p

R : resistência paralela da célula sombreada.

2 2 2 d p G sc I I I I    1 1 p G sc I I I   1 2 1 2 G d p G I I I I   

A equação (3.19) ajuda a explicar porque a corrente gerada por um conjunto-série de módulos PV é restringida pela foto-corrente de módulos sombreados, uma vez que a diferença das correntes geradas pelas fontes de correntes “enxerga” uma carga próxima a um circuito aberto. Entretanto, ao se conectar um único módulo PV sombreado a vários módulos em série, há uma inclinação maior da curva I-V na região de curto-circuito.

A Figura 3.18 apresenta uma simulação comparando uma planta PV composta por um módulo sombreado sujeita à radiação de 100 W/m² e os demais módulos operando com 1000 W/m², todos em série, e outra planta PV com os 4 módulos sob 100 W/m² em série. Além da maior inclinação da curva I-V entre a corrente de curto-circuito e o MPP, observa-se também que a tensão de circuito aberto da planta PV sujeita ao sombreamento é maior que a da planta PV com radiação uniformemente baixa. Isto se deve a variação da corrente nos diodos das células sujeita à radiação mais elevadas ocorrer da mesma forma quando não há sombreamento. Neste caso, a tensão de circuito aberto é então obtida pela soma das tensões de cada diodo dos módulos PV sombreados e não sombreados.

Figura 3.18 - Curva I-V 3 painéis submetido à radiação de 1000 W/m² em série com um painel submetido à radiação de 100 W/m² (vermelho) e de 4 módulos em série sob radiação de 100 W/m² (azul)

Fonte: Autor

Para esclarecer melhor as curvas dos diodos das células PV quando há sombreamento ou não, a Figura 3.19 mostra as comparações destas correntes pertencentes a módulos PV composto por 4 células em série, considerando dois casos:

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1) O módulo PV 1 é composto por uma célula sombreada com 100 W/m² e 3 células com 1000 W/m², onde é medida a corrente do diodo da célula sombreada representada em azul na Figura 3.19 (a). O módulo PV 2 é composto por 4 células sob radiação de 100 W/m², cuja corrente do diodo está representada em verde;

2) O módulo PV 1 é composto por uma célula sombreada com 100 W/m² e 3 células com 1000 W/m², onde é medida a corrente do diodo de uma das células não sombreadas representada pela curva em vermelho na Figura 3.19 (b). O módulo PV 2 é composto por 4 células sob radiação de 1000 W/m², cuja corrente do diodo é representada em rosa.

Figura 3.19 - Corrente do diodo em amperes de módulos PV em função da tensão de saída da planta PV em volts

(a) Caso 1 (b) Caso 2

Fonte: Autor

Na Figura 3.19 (a), verifica-se que, sujeita a uma mesma radiação de 100 W/m², a corrente do diodo módulo da planta PV sombreada começa a aumentar pouco depois que a do módulo da planta PV não sombreada. Isto se deve ao fato de que esta corrente aumenta ao mesmo tempo em que a célula sob radiação de 1000 W/m² ilustrada na Figura 3.19 (b). Observa-se ainda que, esta corrente apresenta um valor não nulo nas proximidades da corrente de curto-circuito como previsto em (3.19). Além disso, no caso 2, esta corrente do diodo entra em condução somente quando tende a convergir com a do módulo da planta PV não sombreada.

3.5 RESUMO DO CAPÍTULO

Neste capítulo, primeiramente definiu-se as células PV e os materiais utilizados na sua fabricação encontrados no mercado, abordando a eficiência e principais aplicações de cada tecnologia, ressaltando que esta tese é dirigida para módulos PV de silício policristalino. Foram sintetizados alguns fatores que influenciam a operação de painéis PV. Dentre estes, destacam-se a radiação solar e a temperatura. A radiação é responsável pela variação da corrente de curto-circuito, de modo que plantas com painéis sombreados apresentam muitas perdas por sombreamento. A temperatura é responsável pela variação da tensão de circuito aberto, onde painéis com temperaturas diferentes também operam com perdas.

Em relação às plantas PV, definiram-se os tipos de topologias, cuja análise se concentrou principalmente nas topologias SP e TCT. Para estas topologias foi apresentado um equacionamento para obtenção da potência de saída em condições uniformes de radiação solar e de temperatura dos módulos PV. Ambas as topologias SP e TCT podem ser utilizadas na reconfiguração de interconexões dos módulos PV sombreados. Todavia, nesta tese foi adotada a topologia TCT, pois resulta em menor quantidade de chaves conforme a proposta de reconfiguração apresentada no capítulo 4. Após, foram apresentados os tipos de arquiteturas de plantas PV e suas principais características, destacando as situações que podem ser utilizadas a reconfiguração dos módulos sombreados. Em geral, estas arquiteturas mostram que a reconfiguração é bem-vinda, pois há muito a melhorar em termos de eficiência da planta PV.

Por último discutiu-se o sombreamento em conjuntos-série de células PV e seus efeitos. Primeiramente foi feita uma breve definição do sombreamento, seguido pela modelagem dos efeitos causados para um conjunto com dois módulos PV em série, expondo as razões pelas quais a corrente de saída da planta fica limitada pelo módulo sombreado. Em seguida, apresentaram-se simulações com um conjunto de quatro módulos PV em série para explicar quais parâmetros internos do módulo PV são afetados quando há sombreamento. Portanto, em relação à reconfiguração de plantas PV, deve-se buscar por configurações, onde não hajam módulos em série sob níveis diferentes de radiação.