UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Sumário
1. Instrumentos de Medição da Radiação Solar
2. Efeitos de sombreamento
3. Diodo de desvio (by-pass)
4. Diodo de bloqueio
5. Fusíveis de proteção da série fotovoltaica
6. Exemplo
7. Exercício Avaliativo
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
A medição da radiação solar, tanto da global como das componentes direta e difusa, na superfície terrestre, é de grande importância para o estudo da influência das condições climáticas e atmosféricas, como também para o desenvolvimento de projetos que visam a captação e a conversão da energia solar.
Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar a
instalação de sistemas fotovoltaicos, em uma determinada região, garantindo o máximo aproveitamento do recurso ao longo do ano, onde as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações.
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
Desta forma, o conhecimento do recurso solar é a variável de maior peso para o desenvolvimento de um projeto de sistema de aproveitamento da energia solar, sendo necessária a obtenção de dados de medição para:
Identificação e seleção da localização mais adequada para a
instalação do sistema fotovoltaico;
Dimensionamento do gerador fotovoltaico;
Cálculo da produção de energia anual, mensal ou diária;
Estabelecimento de estratégias operacionais e dimensiona-mento do sistema de armazenadimensiona-mento (para sistemas
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
O objetivo da medição dos dados solares é a obtenção experimental do valor instantâneo do fluxo energético solar
(irradiância) ou integrado (irradiação) ao longo de tempo (minuto, hora, dia ou ano). É de interesse da Engenharia Solar, o conhecimento dos valores da irradiância ou irradiação global e de suas componentes direta e difusa incidentes em uma superfície.
Existem dois instrumentos comumente utilizados para a medida da irradiação solar: o piranômetro e o pireliômetro, o primeiro para medidas da irradiação global e o segundo para medidas da irradiação direta.
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
Existem dois tipos principais de piranômetro: piranômetro termoelétrico e piranômetro fotovoltaico.
O piranômetro termoelétrico, apresentado na Figura 1,
utilizado para medir a irradiância solar global (direta + difusa), normalmente no plano horizontal (campo hemisférico), tem como sensor uma termopilha colocada no interior de duas semiesferas de vidro concêntricas.
A termopilha é construída com múltiplos termopares em série, com a junção quente (de cor preta) faceando o Sol e a junção fria na parte inferior.
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
O piranômetro do tipo fotovoltaico (FV), mostrado na Figura 2, é composto por uma célula fotovoltaica de pequenas dimensões e apresenta como vantagem custo muito mais baixo
e, como desvantagem, o fornecimento de medidas com menor precisão.
A principal origem da imprecisão deste tipo de piranômetro é a sua resposta espectral (Figura 3), a qual está limitada entre 400 a 1.100 nm para aqueles que adotam células de Si, introduzindo incertezas que podem chegar a 5 % em relação ao piranômetro termoelétrico (que responde até 2.500 nm). Porém, sua vantagem inerente é o tempo de resposta praticamente instantâneo e linear com a irradiância.
Figura 3 – Resposta espectral dos piranômetros. 1 – Distribuição espectral da irradiância solar na superfície da Terra. 2 – Resposta do piranômetro termoelétrico.
3 – Resposta do piranômetro FV (silício).
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
O pireliômetro é um instrumento utilizado para medir a irradiância direta com incidência normal à superfície. A irradiância difusa é bloqueada instalando-se o sensor termoelétrico dentro de um tubo de colimação (Figura 4), com paredes enegrecidas e apontado diretamente ao Sol (dispositivo de rastreamento).
O instrumento caracteriza-se por apresentar uma pequena abertura de forma a "visualizar" apenas o disco solar e a região vizinha denominada circunsolar. O sistema de medição da irradiância direta com o uso do pireliômetro é uma ferramenta auxiliar ao rastreamento solar em 1 ou 2 eixos, sendo a escolha determinada pela análise da relação de custo-benefício em uma utilização particular.
Figura 4 – Pireliômetro montado em um rastreador solar.
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
O valor da irradiância difusa é medido com um
piranômetro ao qual é acoplado uma banda ou um disco de sombreamento para bloquear a componente direta, como apresentado na Figura 5.
Ao combinar os valores medidos pelo piranômetro bloqueado com outro sem o dispositivo de bloqueio pode-se obter a componente direta pela subtração dos valores da irradiância global e da sua componente difusa.
A banda de sombreamento necessita de ajuste manual de acordo com a declinação solar, diferentemente do disco de sombreamento, que é dotado de rastreador que acompanha o movimento aparente do Sol em dois eixos de forma automática.
Figura 5 – Disco de sombreamento com rastreamento em dois eixos.
Instrumentos de Medição da Radiação Solar
Os instrumentos de medição da radiação solar global, direta e difusa são classificados conforme a sua precisão. De acordo com a norma ISO 9060, os instrumentos são classificados em três categorias: padrão secundário, primeira classe e segunda classe.
Segundo a WMO (World Meteorological Organization), os instrumentos podem ser classificados em: alta qualidade
(erro máximo de 2 % admitido na irradiação diária), boa qualidade (5 %) e qualidade razoável (10 %). O piranômetro fotovoltaico é classificado como de qualidade razoável e os piranômetros termoelétricos, utilizados normalmente em medições no campo, possuem classificação de boa qualidade.
Exemplo
Ex.1) Utiliza-se em uma residência, um conjunto com 4 módulos
KD330GX (330 W) que produz uma potência total de 1320 W. Sabendo que o sistema opera no ponto de máxima potência para todas as situações, obtenha a potência total produzida por esse sistema ao longo de um dia, na cidade de São João del-Rei. Considere a temperatura constante, igual a 25 ºC, ao longo do dia e desconsidere as perdas dos demais sistemas.
Exemplo
Horário de Brasília igual a UTC -3h
Exercício
Ex.1) Faça uma simulação do módulo KS-10T da Kyocera (cujos dados
são mostrados a seguir), apresentando os resultados de potência máxima para as condições de 1000, 800, 500, 300 e 100 W/m², para as temperaturas de 25ºC e 45ºC. Utilize o software PSIM na simulação. [VALOR DE 10% DA NOTA DA 1ª PROVA – ENTREGA DIA 12/09]
Mostre o circuito utilizado na implementação (colocando o nome e o número de matrícula na imagem do simulador) e apresente as formas de onda da potência de saída para cada situação, todas em uma mesma imagem, conforme visto a seguir. Indique o valor de potência máxima para cada situação em uma tabela.
Faça um breve comentário, de no máximo 20 linhas, sobre o comportamento da potência para diferentes níveis de irradiância e temperatura. (Margem superior e esquerda – 3 cm, direita e inferior –
Efeitos de sombreamento
Como já mencionado anteriormente, os módulos de Si contêm células fotovoltaicas associadas em série. Quando uma ou mais destas células recebe menos radiação solar do que as outras da mesma associação, sua corrente vai limitar a corrente de todo o conjunto série.
Esta redução de radiação incidente pode ocorrer por um sombreamento parcial do módulo, depósito de sujeira sobre o vidro, ou algo que tenha caído sobre o módulo, dentre outras possibilidades. O efeito de redução de corrente no conjunto de células do módulo acaba sendo propagado para todos os módulos conectados em série.
Efeitos de sombreamento
Além da perda de potência no gerador fotovoltaico, há o risco de danos ao módulo parcialmente sombreado, uma vez que a potência elétrica gerada que não está sendo entregue ao consumo é dissipada no módulo afetado, às vezes sobre apenas uma de suas células.
Neste caso, pode ocorrer o fenômeno conhecido como “ponto quente” (ou “hotspot”), que produz intenso calor sobre a célula afetada, com ruptura do vidro e fusão de polímeros e metais.
A Figura 6 mostra o efeito do sombreamento sobre apenas uma das células de um dos 4 módulos conectados em série. Ao cobrir a metade de uma das células, a corrente daquele módulo é reduzida pela metade. Como consequência, a corrente de todos
Figura 6 – Curva V para 4 módulos conectados em série e sem sombreamento (linha contínua); curva I-V para os mesmos 4 módulos na situação de sombreamento de uma de suas células, que passa a receber 50 % da irradiância original (linha tracejada); curva I-V com o mesmo sombreamento, mas com
Diodo de desvio (by-pass)
Para evitar a ocorrência de “pontos quentes”, os módulos são normalmente protegidos com diodos de desvio (by-pass), que oferecem um caminho alternativo para a corrente e, assim, limitam a dissipação de potência no conjunto de células sombreadas.
Isso reduz, simultaneamente, a perda de energia e o risco de dano irreversível das células afetadas, o que inutilizaria o módulo. A Figura 6 mostrou o efeito do diodo de desvio minimizando o efeito do sombreamento.
Diodo de desvio (by-pass)
Os diodos de desvio são geralmente inseridos nas caixas de conexões dos módulos e conectados em antiparalelo com um conjunto de células em série, entre 15 e 30 células para cada diodo.
O diodo de desvio deve suportar, em operação permanente, a mesma corrente das células. A proteção ocorre porque, com o diodo de desvio, a máxima potência dissipada sobre uma das células seria a potência do conjunto que o diodo envolve. O diagrama apresentado na Figura 7 mostra como são conectados estes diodos em um módulo com 36 células em série e um diodo de desvio a cada 18 células.
Figura 7 – Diagrama mostrando a ligação de diodos de desvio nos módulos fotovoltaicos.
Diodo de desvio (by-pass)
A Figura 8 auxilia na compreensão da operação de um diodo de desvio. Os módulos fotovoltaicos já incluem, na sua maioria, um ou mais diodos de desvio, evitando que o projetista tenha que considerá-los em seu sistema.
Para identificar se um módulo FV possui ou não diodos
de desvio, basta abrir a caixa de conexão do módulo e constatar visualmente sua presença tal como ilustra a Figura 9.
Diodo de bloqueio
O diodo de bloqueio é outro componente de proteção
usado em conexões de módulos ou conjuntos série de módulos em paralelo, e tem a função de impedir o fluxo de corrente de um conjunto série com tensão maior para um com tensão menor.
Em sistemas que utilizam armazenamento, o diodo de bloqueio também pode ser utilizado para impedir descargas noturnas das baterias, pois à noite os módulos podem conduzir uma corrente reversa, que, apesar de pequena, contribui para a descarga das baterias.
Diodo de bloqueio
A Figura 10(a) apresenta o diagrama de um arranjo com 7 módulos formando um conjunto série e 4 destes conjuntos conectados em paralelo. Para cada conjunto série instala-se um diodo de bloqueio. Cada diodo deve suportar pelo menos a corrente de curto-circuito produzida por um módulo e também suportar uma tensão reversa de pelo menos duas vezes a tensão de circuito aberto de todo o arranjo.
A Figura 10(b) mostra a aplicação do diodo de bloqueio usado em um sistema com armazenamento.
Figura 10(b) – Diodo de bloqueio evitando o fluxo de corrente da bateria para o módulo, quando o controlador não desempenha esta função.
Fusíveis de proteção da série fotovoltaica
O fusível fotovoltaico é um componente de proteção que tem a função de proteger a série fotovoltaica (em inglês, string)
do fluxo de corrente reversa de um conjunto série com tensão maior para um com tensão menor. Deve ser dimensionado para correntes menores que a corrente reversa suportada pelo módulo.
Os fusíveis devem ser colocados na saída de cada série, tanto no polo positivo quanto no polo negativo. O fusível deve ser para corrente contínua, de preferência do tipo gPV
(conforme IEC 60269-6), que é apropriado para operação em sistemas fotovoltaicos, pois apresenta alta durabilidade.
Figura 11 – Fusível cerâmico gPV.
Fusíveis de proteção da série fotovoltaica
Ao longo dos anos vem se observando que os diodos de bloqueio apresentam alto índice de falhas, prejudicando o desempenho do sistema. O fusível fotovoltaico é um componente de proteção que pode substituir o diodo de bloqueio.
A Figura 12 apresenta o diagrama de um arranjo com 4 séries fotovoltaicas conectadas em paralelo. Para cada conjunto série instalam-se dois fusíveis fotovoltaicos, um em cada polaridade.
Bibliografia
1. J.T. Pinho, M.A. Galdino, “Manual de Engenharia para Sistemas
Fotovoltaicos”, Grupo de Trabalho de Energia Solar, CEPEL, Rio de Janeiro, 2014.
