Medição de módulos solares fotovoltaicos reais utilizando duas cargas capacitivas / Thiago Rodrigues Brito.-2018. Como alternativa às medições com simulador solar, são utilizadas metodologias de teste solar real (ao ar livre) para obter condições padrão usando cargas capacitivas ou cargas eletrônicas para aquisição da curva I-V e sistemas de refrigeração de módulos para controle de temperatura, ou através do monitoramento da temperatura ambiente (BÜHLER , 2007) (CARRILLO et al., 2017) (KAWAGOE, HISHIKAWA e YAMADA, 2017). Considere o uso de duas cargas capacitivas para obter curvas IV (uma relativa ao módulo para o qual desejamos traduzir a curva e a outra para o módulo de referência) durante a medição do sol real.
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS
- Células e módulos fotovoltaicos
- Circuito Equivalente
- Modelo ideal
- Modelo de um diodo
- Curva característica I-V
- Influência da irradiância e temperatura na curva I-V
- Influência da resistência série e paralela na curva I-V
- Técnicas de extrapolação de curva I-V
- Norma IEC 60891
- Medição com simuladores solares (indoor)
- Medição a sol real (outdoor)
A Figura 1.6 representa a variação da corrente de curto-circuito para uma célula de 1 cm² mantida em temperatura constante sob diferentes condições de irradiância (PRIEB, 2002). A Figura 1.7 mostra o efeito da variação de temperatura em uma célula solar de 1 cm² que mantém a irradiância constante. Um arranjo típico de um simulador solar está representado na Figura 1.10, que consiste em: uma fonte de luz, um dispositivo de referência para determinação da irradiância durante a medição, uma estrutura para fixação do módulo ou dispositivo em teste (DUT – Device under test), temperatura sensores (por exemplo, Pt1000, termopares, sensores infravermelhos), uma carga eletrônica projetada para aplicar uma tensão variável ao DUT quando iluminado e instrumentos para medir as variáveis necessárias para a curva I-V (PEARSALL, 2017).
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Equipamentos de medição
- Simulador solar
- Osciloscópio
- Carga capacitiva 1 – Dispositivo sob teste
- Carga capacitiva 2 – módulo de referência
- Sensor de temperatura
- Módulo de referência
O circuito de acionamento através dos IGBTs é responsável por acionar os ciclos de carga e descarga do capacitor, a Figura 2.3 b) mostra o circuito de controle. Para carregar as baterias foi utilizado um carregador BMS modelo 4S8080LI502 (Figura 2.4 b) adequado ao tipo de bateria selecionado. Foi realizado um teste para determinar a relação entre as variáveis nos resistores (já que a segunda carga também possui sua própria resistência shunt), tomando as retas e relações descritas na Figura 2.5, onde o shunt C1 se refere à primeira carga capacitiva e o derivação C2. é a segunda cobrança, descrita posteriormente.
Isso pode ser visto na Figura 2.9, onde foram medidas as curvas solares reais para dois módulos, onde a curva preta representa a tensão da primeira carga capacitiva e a curva cinza representa a tensão da segunda carga. Fixado em um ponto na parte traseira na área central do módulo, conforme mostra a Figura 2.10. Para isso foi utilizado um termômetro infravermelho do fabricante Instrutemp modelo ITTI 1600 (Figura 2.11), com precisão de ±1,5% da leitura +1°C ou +2°C dependendo da faixa de temperatura medida.
Assim, podem ser determinadas as relações de temperatura e resistência para cada sensor, conforme mostrado na Figura 2.12, onde a linha preta representa o sensor utilizado para medir o DUT e a linha cinza representa o sensor para medir o módulo de referência. O módulo utilizado como sensor de radiação é feito de silício multicristalino com potência de pico de 23 W, 72 células e dimensões frontais de 35 cm x 60 cm (Figura 2.13). Em cada curva foram medidos os valores de corrente de curto-circuito e tensão de circuito aberto e através disso foi possível compilar as retas da Figura 2.14, onde os pontos pretos representam os valores de e os pontos cinza aqueles de.
Após esta etapa ser concluída, a curva do módulo no STC pode ser obtida novamente usando o simulador solar, representado pela Figura 2.15, onde a curva azul é a curva IV e a curva vermelha é a curva PV, a saída completa do relatório do simulador é no apêndice A.
Arranjo experimental e metodologia
Desta forma, obtemos curvas IV sob condições STC, que são os principais dados para comparação de curvas obtidas sob luz solar real. O segundo passo é obter a curva do módulo a ser medido (DUT) sob luz solar, juntamente com o módulo de referência, colocado lado a lado de forma coplanar, conforme mostrado na Figura 2.17. A terceira etapa consiste em levar novamente o DUT ao sol, mas agora é utilizado um segundo módulo do mesmo em vez do módulo de referência que era utilizado anteriormente.
Este segundo módulo passa a ser um novo módulo de referência, mas do mesmo modelo do DUT. Na maioria dos módulos medidos, a segunda e a terceira fases puderam ser realizadas no mesmo dia. Concluídas as etapas de aquisição das curvas, a avaliação prossegue para determinar os parâmetros elétricos e extrapolar as curvas para a condição de teste padrão, utilizando as equações indicadas no Capítulo 1.
Este método tem a vantagem de necessitar apenas de um sensor de temperatura durante a medição. Este método também tem a vantagem de não necessitar de nenhum sensor de temperatura durante a medição. Metodologia que também tem a vantagem de que apenas um sensor de temperatura deve ser utilizado durante a medição.
Programa desenvolvido em Visual Basic for Applications - VBA
Possui seis abas exibidas na própria tela do Excel e dois botões para execução de macros, conforme mostra a Figura 2.19. O botão “Curva Padrão” executa todas as execuções de macros programadas, e o botão “Módulos” seleciona os módulos a serem utilizados. Para utilizar o programa, o usuário deve primeiro selecionar a aba “Informações do Módulo” e cadastrar o módulo a ser utilizado, conforme Figura 2.20.
Após realizada esta etapa, você precisa clicar no botão “Módulos” na aba Fluke Data, aparecerá uma janela de seleção onde você precisa selecionar os módulos utilizados, conforme mostrado na figura 2.21. O campo DUT, na Figura 2.21, é uma caixa de seleção que permite selecionar o módulo utilizado, assim como os campos “Módulo de referência” e “Medição do simulador solar DUT”, este último refere-se à medição DUT realizada com o auxílio. do simulador solar. Nas duas curvas da figura 2.22 existem regiões de ajustes lineares que são utilizadas para calcular os valores de corrente de curto-circuito e tensão de circuito aberto.
Para tanto foi utilizada a metodologia proposta por Bühler et al., (2011), que consiste na determinação de um valor de tensão de circuito aberto indicado pelo maior valor de tensão medido com corrente positiva e determinado por este valor uma região entre - 1% e 40% usados para calcular a corrente de curto-circuito do módulo usando regressão linear de mínimos quadrados. A Figura 2.23 mostra as curvas I-V e P-V para ambos os módulos, bem como a comparação entre as curvas antes e depois da extrapolação. À medida que os dados passam por um processo de filtragem (detalhado posteriormente), a determinação do ponto de potência máxima pode ser calculada pelo máximo. valor de potência medido. A Figura 2.24 mostra o relatório de medição da aba de mesmo nome, que contém um resumo da medição realizada e dos valores dos parâmetros do módulo, bem como as curvas I-V antes e depois da extrapolação para as condições STC.
O fluxograma da Figura 2.25 mostra a metodologia discutida neste capítulo, mostrando cada passo para alcançar os resultados que foram organizados e apresentados e discutidos no Capítulo 3.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Resultados das medições com o simulador solar
Os resultados das medições com o simulador solar, os parâmetros elétricos informados em seus respectivos catálogos e as tolerâncias dos valores de potência máxima estão presentes na tabela 3.2 e podem ser conferidos no apêndice A. É considerado o dispositivo em teste e seus parâmetros elétricos medidos são apresentados de acordo com a coluna DUT na Tabela 3.2. O outro módulo medido é aquele utilizado como sensor, substituindo o módulo de 23 Wp nas medições solares reais, e seus parâmetros elétricos estão na coluna Referência do DUT na Tabela 3.2.
Quando comparamos as medições de módulos de um mesmo modelo realizadas com um simulador solar, observa-se que existem pequenas diferenças nos valores de potência máxima entre os dois módulos. Este fato é levado em consideração pelos fabricantes que informam as tolerâncias quanto à potência máxima em suas fichas técnicas. Porém, os valores medidos estão dentro da faixa de tolerância informada pelo fabricante, o que indica que a potência máxima pode atingir um valor de até 329,6 W, conforme Tabela 3.2.
Comparando as medições do DUT no simulador solar e o relatado no catálogo, os modelos ESPMC 310, YL245P-29b, SCH 265 P60 e SY-72-315 apresentaram valores de potência máxima diferentes daqueles relatados em seus respectivos catálogos, considerando as tolerâncias de potência relatadas. Neste caso, o fabricante indica que a potência máxima pode assumir valores entre 315 W e 324,45 W, mas isso não foi observado na medição com o simulador, onde o maior valor medido foi 301,2 W. Vale ressaltar que para O módulo ESPMC 310 informa ao fabricante que possui tolerância positiva, ou seja, a potência máxima medida nas condições STC deve ser igual.
Para os demais módulos, a potência máxima medida no simulador solar está dentro da tolerância indicada na ficha técnica, mesmo levando em consideração a incerteza de medição do simulador.
Resultados das medições outdoor utilizando o módulo de 23 Wp como sensor . 48
A Figura 3.2 mostra o box plot do desvio percentual da potência máxima para cada um dos oito módulos, e através disso fica claro que os módulos KD250G-4FB2 e SLP 150-12 apresentam comportamento semelhante quando comparadas as análises correspondentes. Ao analisar a Figura 3.4, que mostra o diagrama de caixa dos valores de irradiância do DUT durante as medições, as irradiâncias medianas para os dois módulos citados também ficaram na faixa de 850 a 900 W/m², que são irradiâncias muito próximas. . Analisando a Figura 3.4, os valores de irradiância nas duas medições também ficaram na mesma faixa de 900 a 1.000 W/m² considerando a mediana das irradiâncias.
No entanto, o coeficiente de -0,34 %/°C para este módulo está mais próximo do valor do módulo de referência de 23 Wp de -0,33 %°C, o que tornou as cinco análises para este módulo ligeiramente diferentes entre si. figura. 3.2, fato que também pode ser observado na figura 3.3 relacionado à temperatura. Em termos de radiação, ela ficou próxima de 1.000 W/m² conforme figura 3.4, o que certamente ajudou nos resultados obtidos ao reduzir desvios na extrapolação. Os desvios máximos de potência ficaram na faixa de -1,5% a -7%, porém, ao observar o comportamento da temperatura deste módulo na figura 3.3, pode-se observar um grande número de outliers nos testes 2, 3 e 5 que são que utilizam o sensor Pt1000 para medição de temperatura, o que afetou o tempo de tradução dos dados para STC, pois na Figura 3.2 as mesmas análises possuem um tamanho de caixa maior, ou seja, os dados ficaram mais dispersos.
A primeira observação a ser feita refere-se à Figura 3.5, que apresenta o boxplot do desvio percentual da potência máxima para cada um dos oito módulos. Comparando com a Figura 3.2, pode-se observar uma melhoria significativa em relação aos desvios máximos de potência ao utilizar o módulo do mesmo modelo do DUT como sensor. Vale ressaltar o comportamento semelhante da Figura 3.5 à Figura 3.6 que mostra o diagrama de caixa para medição de temperatura do DUT usando o módulo de referência do mesmo modelo de DUT.
Novamente comparamos os módulos KD250G-4FB2 e SLP 150-12, embora seus coeficientes sejam iguais e a irradiância em ambas as medições seja de cerca de 900 W/m², como pode ser visto na Figura 3.7, que mostra um diagrama esquemático da irradiância valor para o DUT para os resultados obtidos observe um padrão diferente. As medições de temperatura também foram uniformes conforme mostrado na Figura 3.6 e o valor de irradiância ficou próximo de 1000 W/m² conforme mostrado na Figura 3.7. Porém, deve-se ressaltar que nesta medição, os valores de temperatura do módulo YL245P-29b, conforme mostrado na Figura 3.6, foram menos dispersos e não representaram o número de outliers do que na medição utilizando o módulo 23 Wp ( Figura 3.3), que proporciona melhores resultados.
