ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE
ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE SIMULADORES SOLARES
SIMULADORES SOLARES
Marco Antonio Galdino
Marco Antonio Galdino – – marcoag@cepel.br marcoag@cepel.br
Cepel
Cepel – – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica; Rio de Janeiro-RJ; Centro de Pesquisas de Energia Elétrica; Rio de Janeiro-RJ;
Resumo.
Resumo. O artigo apresenta uma análise descritiva das tecnologias atualmente empregadas nos simuladores solares O artigo apresenta uma análise descritiva das tecnologias atualmente empregadas nos simuladores solares para o
para o ensaio de ensaio de módulos fotovoltaicos. módulos fotovoltaicos. São apresentadas São apresentadas as formas as formas de operação de operação dos simuladores dos simuladores solares, bem solares, bem comocomo as características das fontes de luz neles empregadas, incluindo considerações sobre a distribuição espectral das as características das fontes de luz neles empregadas, incluindo considerações sobre a distribuição espectral das lâmpadas utilizadas, sua durabilidade e seu consumo de energia. Os requisitos e a classificação de desempenho para lâmpadas utilizadas, sua durabilidade e seu consumo de energia. Os requisitos e a classificação de desempenho para os simuladores são também discutidos, com base nas especificações das normas IEC pertinentes. A análise das os simuladores são também discutidos, com base nas especificações das normas IEC pertinentes. A análise das características dos equipamentos disponíveis comercialmente é feita com base nos levantamentos da publicação características dos equipamentos disponíveis comercialmente é feita com base nos levantamentos da publicação Photon
Photon International. International. Como Como conclusão, conclusão, são são apresentadas apresentadas recomendações recomendações sobre sobre as as especificações especificações consideradas consideradas maismais adequadas para simuladores solares no
adequadas para simuladores solares no estado da arte da tecnologia.estado da arte da tecnologia.
Palavras-chave:
Palavras-chave: Simuladores solares; Lâmpadas para simuladores solares; Ensaio de módulos fotovoltaicos Simuladores solares; Lâmpadas para simuladores solares; Ensaio de módulos fotovoltaicos
1. INTRODUÇÃO 1. INTRODUÇÃO
O presente artigo aborda as características e especificações de simuladores solares destinados à determinação da O presente artigo aborda as características e especificações de simuladores solares destinados à determinação da potência
potência máxima máxima (Wp) (Wp) de de módulos módulos fotovoltaicos, fotovoltaicos, de de acordo acordo com com as as normas normas IEC IEC 61215 61215 (2005) (2005) e e IEC IEC 61646 61646 (2008),(2008), bem como ao traçado de suas c
bem como ao traçado de suas curvas I-V.urvas I-V.
Tais equipamentos simuladores solares utilizam lâmpadas especiais como fontes de luz para simular a radiação Tais equipamentos simuladores solares utilizam lâmpadas especiais como fontes de luz para simular a radiação solar dentro dos parâmetros estabelecidos pela norma IEC 60904-3 (2008), que define as STC (
solar dentro dos parâmetros estabelecidos pela norma IEC 60904-3 (2008), que define as STC ( standard standard testtest conditions
conditions), condições padrão para o ), condições padrão para o teste de módulos fotovoltaicos:teste de módulos fotovoltaicos:
Irradiância de 1000 W/mIrradiância de 1000 W/m22
Distribuição espectral da irradiância AM1,5Distribuição espectral da irradiância AM1,5
Temperatura das células fotovoltaicas de 25°CTemperatura das células fotovoltaicas de 25°C
O gráfico da Fig. 1 apresenta a distribuição espectral denominada AM1,5, em comparação com o espectro AM0. O gráfico da Fig. 1 apresenta a distribuição espectral denominada AM1,5, em comparação com o espectro AM0. As STC são também definidas na normatização brasileira ABNT NBR 10899 (2006).
As STC são também definidas na normatização brasileira ABNT NBR 10899 (2006).
Figura 1
Figura 1 – – Distribuições espectrais AM0 (radiação extraterrestre) e AM1,5 Distribuições espectrais AM0 (radiação extraterrestre) e AM1,5 de acordo com normas internacionaisde acordo com normas internacionais
Além das medidas nas STC, as normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) também especificam um ensaio Além das medidas nas STC, as normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) também especificam um ensaio para módulos em condições de baixa irradiância (
mantidas as demais condições das STC. Adicionalmente, as mesmas normas especificam ainda um terceiro teste mantidas as demais condições das STC. Adicionalmente, as mesmas normas especificam ainda um terceiro teste (( performance at NOCT performance at NOCT – – item 10.6 das normas), com uma irradiância de 800 W/m item 10.6 das normas), com uma irradiância de 800 W/m22, estando o módulo na temperatura, estando o módulo na temperatura
denominada NOCT (
denominada NOCT (normal operating conditions temperaturenormal operating conditions temperature), temperatura esta, por sua vez, determinada através de), temperatura esta, por sua vez, determinada através de
um outro ensaio especificado nas mesmas normas (
um outro ensaio especificado nas mesmas normas (measurement of NOCT measurement of NOCT – – item 10.5 das normas, feito por meio de umitem 10.5 das normas, feito por meio de um
teste
testeoutdoorsoutdoors).).
O simulador pode também ser usado para medir os coeficientes de temperatura de módulos fotovoltaicos, outra O simulador pode também ser usado para medir os coeficientes de temperatura de módulos fotovoltaicos, outra vez conforme os procedimentos especificados nas normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) (
vez conforme os procedimentos especificados nas normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) (measurement ofmeasurement of temperature coefficients
temperature coefficients – – item 10.4). item 10.4).
Para a preparação do presente trabalho, foram consultados 6 levantamentos (
Para a preparação do presente trabalho, foram consultados 6 levantamentos ( surveys surveys) sobre o mercado de) sobre o mercado de
simuladores solares veiculados no período de 2008 a 2013 pela publicação
simuladores solares veiculados no período de 2008 a 2013 pela publicação Photon Photon International International MagazineMagazine, em, em
particular o último
particular o último survey survey, datado de jun/13 (Photon, 2013), no qual são apresentados 81 modelos de equipamentos, de, datado de jun/13 (Photon, 2013), no qual são apresentados 81 modelos de equipamentos, de
17 diferentes fabricantes, provenientes de 9 países, conforme resume a Tab. 1. 17 diferentes fabricantes, provenientes de 9 países, conforme resume a Tab. 1.
Tabela 1
Tabela 1 – – Levantamento de simuladores solares (Photon, 2013) Levantamento de simuladores solares (Photon, 2013)
Fabricante Nacionalidade
Fabricante Nacionalidade Número deNúmero demodelosmodelos Aescusoft
Aescusoft GmbH GmbH Automation Automation Alemanha Alemanha 33 All
All Real Real Technology Technology Co. Co. Ltd. Ltd. Taiwan Taiwan 55 Berger
Berger Lichttechnik Lichttechnik GmbH GmbH & & Co. Co. KG KG Alemanha Alemanha 77 Ecoprogetti
Ecoprogetti SrI SrI Itália Itália 22
EETS
EETS – – Energy Energy Equipment Equipment Testing Testing Services Services Ltd. Ltd. Inglaterra Inglaterra 66
Endeas
Endeas Oy Oy Finlândia Finlândia 1010
H.A.L.M.
H.A.L.M. Elektronik Elektronik GmbH GmbH Alemanha Alemanha 44 Iwasaki
Iwasaki Electric Electric Co. Co. Ltd. Ltd. Japão Japão 33 Nisshinbo Industries Inc.
Nisshinbo Industries Inc. Japão Japão 55
Optosolar
Optosolar GmbH GmbH Alemanha Alemanha 99
Pasan
Pasan SA SA Suíça Suíça 22
PSE
PSE AG AG Alemanha Alemanha 33
Rising
Rising Solar Solar Equipment Equipment Co. Co. Ltd Ltd China China 11 Solaronix
Solaronix SA SA Suíça Suíça 1212
Sinton
Sinton Consulting Consulting Inc. Inc. EUA EUA 11
Spire
Spire Solar Solar Inc. Inc. EUA EUA 77
Baixin
Baixin Machinery Machinery Co. Co. Ltd Ltd China China 11
Total 81
Total 81
Para fins do presente trabalho, o
Para fins do presente trabalho, os simuladores serão classificados a partir de três características: forma de operação, tipos simuladores serão classificados a partir de três características: forma de operação, tipo de fonte de luz e forma de montagem, conforme detalhado nos itens 2 a 4 a seguir.
de fonte de luz e forma de montagem, conforme detalhado nos itens 2 a 4 a seguir. 2.
2. FORMAS DE OPERAÇÃO DE SIMULADORES SOLARESFORMAS DE OPERAÇÃO DE SIMULADORES SOLARES São três as formas de operação dos simuladores solares: contínuo (
São três as formas de operação dos simuladores solares: contínuo ( steady state steady state), mutipulsos (), mutipulsos (multi flashmulti flash) e monopulso) e monopulso
(( single flash single flash), conforme ilustrado na Fig. 1.), conforme ilustrado na Fig. 1.
Figura 2
Figura 2 – – Formas de operação dos simuladores solares: (a) contínuo, (b) monopulso e (c) multipulso (Photon, 2008). Formas de operação dos simuladores solares: (a) contínuo, (b) monopulso e (c) multipulso (Photon, 2008).
A Tab. 2 mostra a distribuição das formas de operação entre os produtos disponíveis comercialmente segundo o A Tab. 2 mostra a distribuição das formas de operação entre os produtos disponíveis comercialmente segundo o survey supracitado, publicado em jun/13.
survey supracitado, publicado em jun/13. Os totais de “fabricantes” e “modelos”Os totais de “fabricantes” e “modelos” da Tab. 2 não coincidem com os dada Tab. 2 não coincidem com os da
Tab. 1. Isto se dá porque um dos fornecedores (All Real Technology) oferece modelos de duas formas de operação: Tab. 1. Isto se dá porque um dos fornecedores (All Real Technology) oferece modelos de duas formas de operação: monopulso e contínuo, enquanto que outro fabricante (Optosolar) oferece modelos monopulso com opcional de monopulso e contínuo, enquanto que outro fabricante (Optosolar) oferece modelos monopulso com opcional de multipulso, de forma que estes casos foram contabilizados
Tabela 2
Tabela 2 – – Disponibilidade de equipamentos segundo a sua forma de Disponibilidade de equipamentos segundo a sua forma de operação (Photon, 2013)operação (Photon, 2013)
monopulso contínuo multipulsos monopulso contínuo multipulsos
modelos 55 25 10
modelos 55 25 10
fabricantes
fabricantes 13 13 4 4 22
2.1
2.1 Simuladores Simuladores contínuoscontínuos
Os simuladores do tipo contínuo utilizam uma fonte de luz fixa para a medida da curva I-V do módulo Os simuladores do tipo contínuo utilizam uma fonte de luz fixa para a medida da curva I-V do módulo fotovoltaico, o que, portanto, pode ser feito de forma contínua, com baixa taxa de aquisição de dados e com precisão fotovoltaico, o que, portanto, pode ser feito de forma contínua, com baixa taxa de aquisição de dados e com precisão bastante
bastante elevada. elevada. Este Este tipo tipo de de equipamento equipamento apresenta apresenta custo custo inicial inicial bastante bastante elevado elevado e e custo custo operacional operacional tambémtambém elevado, devido a seu alto consumo de
elevado, devido a seu alto consumo de energia e à baixa durabilidade das energia e à baixa durabilidade das lâmpadas.lâmpadas.
Tratam-se de instalações de grande porte, que podem requerer inclusive sistemas auxiliares para refrigeração da Tratam-se de instalações de grande porte, que podem requerer inclusive sistemas auxiliares para refrigeração da fonte de luz e/ou do módulo sob teste, de forma a mantê-lo na temperatura de 25°C, especificada pelas condições fonte de luz e/ou do módulo sob teste, de forma a mantê-lo na temperatura de 25°C, especificada pelas condições padrão de teste (STC).
padrão de teste (STC).
Este tipo de simulador tem como vantagem permitir investigar os efeitos de degradação induzida pela luz em Este tipo de simulador tem como vantagem permitir investigar os efeitos de degradação induzida pela luz em módulos fotovoltaicos de filmes finos. Este fenômeno, conhecido como efeito Staebler-Wronski, pode ocorrer, por módulos fotovoltaicos de filmes finos. Este fenômeno, conhecido como efeito Staebler-Wronski, pode ocorrer, por exemplo, em módulos de a-Si (Silício amorfo) em seus primeiros
exemplo, em módulos de a-Si (Silício amorfo) em seus primeiros meses de operação. Devido a isso, a norma IEC 61646meses de operação. Devido a isso, a norma IEC 61646 (2008), referente ao ensaio deste tipo de
(2008), referente ao ensaio deste tipo de módulo, especifica uma etapa de exposição do módulo módulo, especifica uma etapa de exposição do módulo à irradiância na faixa deà irradiância na faixa de 600-1000 W/m
600-1000 W/m22 até a estabilização de sua potência máxima, num processo denominado de até a estabilização de sua potência máxima, num processo denominado de light soaking light soaking (item 10.19 da (item 10.19 da
norma). Isto pode ser feito com auxílio de um simulador do tipo contínuo, que assume para isso a função de um norma). Isto pode ser feito com auxílio de um simulador do tipo contínuo, que assume para isso a função de um lightlight soaking device
soaking device, embora, este, a rigor, possa ser um equipamento com especificações inferiores. A norma admite que o, embora, este, a rigor, possa ser um equipamento com especificações inferiores. A norma admite que o light soaking
light soaking seja também feito por exposição à radiação solar natural ( seja também feito por exposição à radiação solar natural (outdoorsoutdoors), embora, neste caso, obviamente, o), embora, neste caso, obviamente, o
processo não possa se
processo não possa ser controlado.r controlado. 2.2
2.2 Simuladores Simuladores multipulsomultipulso
Os simuladores multipulsos emitem uma sequencia de pulsos de luz de curta duração, durante os quais são Os simuladores multipulsos emitem uma sequencia de pulsos de luz de curta duração, durante os quais são medidos pontos individuais da curva I-V. As medidas feitas com equipamentos que adotam este tipo de tecnologia são medidos pontos individuais da curva I-V. As medidas feitas com equipamentos que adotam este tipo de tecnologia são consideradas as menos precisas.
consideradas as menos precisas.
Conforme a Tab. 2, no momento apenas 2 fabricantes oferecem este tipo de equipamento para comercialização, Conforme a Tab. 2, no momento apenas 2 fabricantes oferecem este tipo de equipamento para comercialização, sendo que um deles (Optosolar GmbH) apenas como uma forma de operação opcional em 9 modelos de simuladores sendo que um deles (Optosolar GmbH) apenas como uma forma de operação opcional em 9 modelos de simuladores que normalmente operam de forma monopulso. Portanto, na verdade, consta no último
que normalmente operam de forma monopulso. Portanto, na verdade, consta no último survey survey apenas um fornecedor apenas um fornecedor
(Sinton Consulting Inc.) com um modelo de equipamento que opera exclusivamente na forma multipulso. (Sinton Consulting Inc.) com um modelo de equipamento que opera exclusivamente na forma multipulso.
A companhia Spire Corp., por exemplo, ofereceu equipamentos multipulso nos levantamentos até (Photon, 2010), A companhia Spire Corp., por exemplo, ofereceu equipamentos multipulso nos levantamentos até (Photon, 2010), contudo, nos levantamentos subsequentes até (Photon, 2013), passou a fornecer somente equipamentos de operação contudo, nos levantamentos subsequentes até (Photon, 2013), passou a fornecer somente equipamentos de operação monopulso.
monopulso. 2.3
2.3 Simuladores Simuladores monopulsomonopulso
Os simuladores do tipo monopulso efetuam a medida de todos os pontos da curva I-V durante um pulso único de Os simuladores do tipo monopulso efetuam a medida de todos os pontos da curva I-V durante um pulso único de luz. Nesta tecnologia, a medida da curva I-V exige uma eletrônica de aquisição bastante rápida, de forma a não incorrer luz. Nesta tecnologia, a medida da curva I-V exige uma eletrônica de aquisição bastante rápida, de forma a não incorrer em erros. Não existem problemas relativos à temperatura, pois os módulos não chegam a aquecer durante a medida, em erros. Não existem problemas relativos à temperatura, pois os módulos não chegam a aquecer durante a medida, além disso, o consumo de energia é
além disso, o consumo de energia é baixo.baixo.
A duração do pulso varia de duas ordens de grandeza, dependendo do fabricante. Os mais curtos são de 2ms A duração do pulso varia de duas ordens de grandeza, dependendo do fabricante. Os mais curtos são de 2ms (Aescusoft), enquanto que os mais longos atingem mais de 130ms (Spire). Alguns valores freqüentes são 10ms, 20ms, (Aescusoft), enquanto que os mais longos atingem mais de 130ms (Spire). Alguns valores freqüentes são 10ms, 20ms, 50ms e 100ms.
50ms e 100ms.
Em princípio, pulsos mais longos, da ordem de 100ms, se destinam a medidas de módulos de filmes finos, Em princípio, pulsos mais longos, da ordem de 100ms, se destinam a medidas de módulos de filmes finos, multijunção, heterojunção e módulos de c-Si (Silício cristalino) de alta eficiência, enquanto que os módulos de c-Si multijunção, heterojunção e módulos de c-Si (Silício cristalino) de alta eficiência, enquanto que os módulos de c-Si convencionais podem ser testados com pulsos da ordem de 10
convencionais podem ser testados com pulsos da ordem de 10ms, ou menos.ms, ou menos.
Por outro lado, sabe-se que para pulsos curtos (10ms ou menos), a capacitância das células pode influir nos Por outro lado, sabe-se que para pulsos curtos (10ms ou menos), a capacitância das células pode influir nos resultados, por isso são necessários algoritmos computacionais especiais para efetuar as medidas nessas condições e resultados, por isso são necessários algoritmos computacionais especiais para efetuar as medidas nessas condições e alguns fabricantes (Optosolar GmbH, Pasan SA, Sinton Consulting Inc., Berger Lichttechnik) alegam possuir soluções alguns fabricantes (Optosolar GmbH, Pasan SA, Sinton Consulting Inc., Berger Lichttechnik) alegam possuir soluções próprias de b
próprias de bastante precisão para astante precisão para contornar este problema, contornar este problema, sendo que, ao sendo que, ao menos em menos em um dos casos, um dos casos, trata-se trata-se de soluçãode solução inclusive patenteada (Sinton Consulting).
inclusive patenteada (Sinton Consulting).
Atualmente a tecnologia monopulso domina o mercado. A maioria dos fabricantes comercializa este tipo de Atualmente a tecnologia monopulso domina o mercado. A maioria dos fabricantes comercializa este tipo de equipamento, que é o mais utilizado, tanto em laboratórios quanto nas linhas de produção de módulos fotovoltaicos. Na equipamento, que é o mais utilizado, tanto em laboratórios quanto nas linhas de produção de módulos fotovoltaicos. Na Tab. 2 observa-se que são disponíveis 55
Tab. 2 observa-se que são disponíveis 55 modelos, oferecidos por 13 diferentes fabricantes.modelos, oferecidos por 13 diferentes fabricantes. 3.
3. FONTES DE LUZ PARA SIMULADORES SOLARESFONTES DE LUZ PARA SIMULADORES SOLARES
Cinco fontes de luz estão sendo usadas atualmente nos simuladores solares: lâmpadas de Xenônio (Xe), lâmpadas Cinco fontes de luz estão sendo usadas atualmente nos simuladores solares: lâmpadas de Xenônio (Xe), lâmpadas halógenas, lâmpadas de vapores metálicos ou multivapores metálicos (denominadas em língua inglesa de
lamps
lamps ou de HMI ou de HMI – – hydragyrum medium-arc iodidehydragyrum medium-arc iodide), LEDs (), LEDs (light emitting diodeslight emitting diodes) e lâmpadas de plasma. Cada uma) e lâmpadas de plasma. Cada uma
destas fontes luminosas tem vantagens e desvantagens em relação à distribuição espectral, durabilidade da lâmpada e destas fontes luminosas tem vantagens e desvantagens em relação à distribuição espectral, durabilidade da lâmpada e consumo, conforme discutido a seguir.
consumo, conforme discutido a seguir.
Cabe aqui lembrar que nos simuladores solares as lâmpadas são alimentadas por fontes eletrônicas c.c. (operando Cabe aqui lembrar que nos simuladores solares as lâmpadas são alimentadas por fontes eletrônicas c.c. (operando de forma pulsada, para os simuladores não-contínuos) de alta precisão, de forma a assegurar a necessária estabilidade de forma pulsada, para os simuladores não-contínuos) de alta precisão, de forma a assegurar a necessária estabilidade temporal da irradiância, ao contrário
temporal da irradiância, ao contrário de aplicações em iluminação convencional onde normalmente operam em c.a.de aplicações em iluminação convencional onde normalmente operam em c.a. A principal consideração relativa à utilização de determinado tipo de lâmpada num simulador solar é a distribuição A principal consideração relativa à utilização de determinado tipo de lâmpada num simulador solar é a distribuição espectral de sua irradiância, a qual, conforme j
espectral de sua irradiância, a qual, conforme já mencionado, deve ser á mencionado, deve ser a mais próxima possível do espectro solar a mais próxima possível do espectro solar padrãopadrão AM1,5, sendo que a norma IEC 60904-9 (2007) especifica o procedimento para avaliar a distribuição espectral de AM1,5, sendo que a norma IEC 60904-9 (2007) especifica o procedimento para avaliar a distribuição espectral de determinado simulador, conforme apresentado no item 5 deste artigo.
determinado simulador, conforme apresentado no item 5 deste artigo.
A durabilidade das lâmpadas, por sua vez, é outro item relevante nos simuladores usados em linhas de produção de A durabilidade das lâmpadas, por sua vez, é outro item relevante nos simuladores usados em linhas de produção de módulos fotovoltaicos, mas não tanto naqueles usados em laboratórios. Neste aspecto, para as lâmpadas usadas em módulos fotovoltaicos, mas não tanto naqueles usados em laboratórios. Neste aspecto, para as lâmpadas usadas em iluminação convencional, os catálogos e
iluminação convencional, os catálogos e datasheetsdatasheets dos fabricantes especificam sua durabilidade em horas de operação dos fabricantes especificam sua durabilidade em horas de operação
contínua ou ciclada de acordo com as normas padronizadas para ensaios de iluminação (normalmente para alimentação contínua ou ciclada de acordo com as normas padronizadas para ensaios de iluminação (normalmente para alimentação em c.a.). Estes dados, em princípio, não se aplicam diretamente nem aos simuladores contínuos, e, obviamente, nem em c.a.). Estes dados, em princípio, não se aplicam diretamente nem aos simuladores contínuos, e, obviamente, nem para aqueles que
para aqueles que operam de operam de forma pulsada, forma pulsada, portanto, depende-se portanto, depende-se das informações ddas informações de durabilidade e durabilidade disponibilizadas pordisponibilizadas por seus fabricantes. No caso dos simuladores que operam de forma pulsada, a vida útil é normalmente informada em seus fabricantes. No caso dos simuladores que operam de forma pulsada, a vida útil é normalmente informada em número de pulsos.
número de pulsos.
O consumo dos simuladores depende da forma de operação e do tipo de lâmpada. Os dados de consumo O consumo dos simuladores depende da forma de operação e do tipo de lâmpada. Os dados de consumo divulgados pelos fabricantes nos
divulgados pelos fabricantes nos surveys surveys da publicação da publicação Photon Photon International International não foram considerados confiáveis. Por não foram considerados confiáveis. Por
isso, para avaliar a eficiência energética dos equipamentos calculou-se, como um indicador básico, apenas a densidade isso, para avaliar a eficiência energética dos equipamentos calculou-se, como um indicador básico, apenas a densidade de potência instalada por área (kW/m
de potência instalada por área (kW/m22), considerando para isso os dados de potência declarada pelo fabricante e a área), considerando para isso os dados de potência declarada pelo fabricante e a área de teste.
de teste.
A Tab. 3 mostra a distribuição dos produtos disponíveis, em relação ao tipo de lâmpada adotado. Os totais de A Tab. 3 mostra a distribuição dos produtos disponíveis, em relação ao tipo de lâmpada adotado. Os totais de
“fabricantes” e “modelos” da
“fabricantes” e “modelos” da Tab. 3 não coincidem com os da Tab. 1. Isto ocorre porque um dos fornecedoresTab. 3 não coincidem com os da Tab. 1. Isto ocorre porque um dos fornecedores
(Nisshimbo)
(Nisshimbo) oferece um modelo “híbrido”, o qual usa simultaneameoferece um modelo “híbrido”, o qual usa simultaneamente dois tipos de lâmpadas: Xe e halógena, tendonte dois tipos de lâmpadas: Xe e halógena, tendo
sido este fornecedor/modelo contabilizado nas duas classes. sido este fornecedor/modelo contabilizado nas duas classes.
Tabela 3
Tabela 3 – – distribuição dos tipos de lâmpadas nos simuladores disponíveis no distribuição dos tipos de lâmpadas nos simuladores disponíveis no mercado (Photon, 2013)mercado (Photon, 2013)
Xe halógena
Xe halógena metálicosmetálicosvaporesvapores plasma plasma LEDLED modelos
modelos 58 58 7 7 3 3 12 12 22
fabricantes
fabricantes 13 13 2 2 1 1 1 1 11
3.1
3.1 Lâmpadas Lâmpadas halógenashalógenas
As lâmpadas halógenas são lâmpadas incandescentes, ou seja, possuem um filamento de Tungstênio levado à As lâmpadas halógenas são lâmpadas incandescentes, ou seja, possuem um filamento de Tungstênio levado à incandescência pela passagem da corrente elétrica, porém, no interior do bulbo possuem, além do Argônio (Ar) um gás incandescência pela passagem da corrente elétrica, porém, no interior do bulbo possuem, além do Argônio (Ar) um gás em alta pressão de um elemento halogênio da tabela periódica, normalmente o Iodo ou o Bromo (I
em alta pressão de um elemento halogênio da tabela periódica, normalmente o Iodo ou o Bromo (I 22 ou ou BB22), o que), o que
permite
permite que que o o filamento filamento opere opere em em uma uma temperatura temperatura mais mais elevada elevada e e resulta resulta em em algumas algumas vantagens vantagens frente frente àsàs incandescentes convencionais. As principais vantagens são uma luz mais branca (maior temperatura de cor), melhor incandescentes convencionais. As principais vantagens são uma luz mais branca (maior temperatura de cor), melhor eficiência energética (atinge 25 lm/W) e maior durabilidade.
eficiência energética (atinge 25 lm/W) e maior durabilidade.
As lâmpadas halógenas tem espectro de emissão semelhante ao de
As lâmpadas halógenas tem espectro de emissão semelhante ao de um corpo negro na temperatura um corpo negro na temperatura de operação dode operação do filamento, que, no caso, pode atingir os 3400°C. Tal espectro terá então, o pico na região do infravermelho (IR), que filamento, que, no caso, pode atingir os 3400°C. Tal espectro terá então, o pico na região do infravermelho (IR), que corresponde a comprimentos de onda superiores a 780nm, e, para que atenda ao padrão AM1,5, é necessário efetuar corresponde a comprimentos de onda superiores a 780nm, e, para que atenda ao padrão AM1,5, é necessário efetuar uma filtragem óptica nesta região do IR (são apresentados mais detalhes sobre esta filtragem no item 3.4).
uma filtragem óptica nesta região do IR (são apresentados mais detalhes sobre esta filtragem no item 3.4). Os dados do levantamento mostram que tais lâmpadas são adotadas atualmente somente por
Os dados do levantamento mostram que tais lâmpadas são adotadas atualmente somente por um fabricante (EETS)um fabricante (EETS) de simuladores solares, o qual fornece uma família de equipamentos com operação do tipo contínuo, disponível no de simuladores solares, o qual fornece uma família de equipamentos com operação do tipo contínuo, disponível no mercado desde 2008 (Photon, 2008). A durabilidade declarada da lâmpada é de 2.000h, 3.000h ou 5.000h, dependendo mercado desde 2008 (Photon, 2008). A durabilidade declarada da lâmpada é de 2.000h, 3.000h ou 5.000h, dependendo do modelo. A densidade de potência média dos 6 modelos deste fabricante atinge 8kW/m
do modelo. A densidade de potência média dos 6 modelos deste fabricante atinge 8kW/m22..
3.2
3.2 Lâmpadas Lâmpadas de de vapores vapores metálicosmetálicos
As lâmpadas de vapores metálicos são classificadas como lâmpadas de descarga, nas quais a emissão luminosa é As lâmpadas de vapores metálicos são classificadas como lâmpadas de descarga, nas quais a emissão luminosa é produzida direta
produzida direta ou indiretamente ou indiretamente por um por um arco elétrico arco elétrico no interior no interior de um de um bulbo contendo bulbo contendo um gás, um gás, mistura mistura de gases de gases ouou vapores. No caso, tratam-se de vapores em alta pressão de Mercúrio (Hg) e de um elemento halogênio (I ou B), vapores. No caso, tratam-se de vapores em alta pressão de Mercúrio (Hg) e de um elemento halogênio (I ou B), associados a outros elementos, como Sódio (Na) Tálio (Tl) e Índio (In), entre outros, sendo que a composição química associados a outros elementos, como Sódio (Na) Tálio (Tl) e Índio (In), entre outros, sendo que a composição química adotada para a mistura determina o
adotada para a mistura determina o espectro de emissão.espectro de emissão.
Segundo (Photon, 2013), as lâmpadas de vapores metálicos usadas nos simuladores solares tem uma excelente Segundo (Photon, 2013), as lâmpadas de vapores metálicos usadas nos simuladores solares tem uma excelente distribuição espectral da irradiância, atendendo ao espectro padrão AM1,5 em comprimentos de onda longos, de até distribuição espectral da irradiância, atendendo ao espectro padrão AM1,5 em comprimentos de onda longos, de até 3.000nm (região do IR), muito embora a norma IEC 60904-9 (2007) só considere a faixa até 1.100nm. Além disso, 3.000nm (região do IR), muito embora a norma IEC 60904-9 (2007) só considere a faixa até 1.100nm. Além disso, sabe-se que estas lâmpadas tem ainda alta eficiência energética (é a fonte de luz branca mais eficiente disponível no sabe-se que estas lâmpadas tem ainda alta eficiência energética (é a fonte de luz branca mais eficiente disponível no mercado
Segundo os
Segundo os datasheetsdatasheets de seus fabricantes, as lâmpadas de vapores metálicos necessitam de um tempo de ~2min de seus fabricantes, as lâmpadas de vapores metálicos necessitam de um tempo de ~2min
para
para evaporação evaporação e e ionização ionização dos dos componentes componentes da da mistura mistura quando quando então então atingem atingem irradiância irradiância e e espectro espectro de de emissãoemissão nominais, de forma que tais lâmpadas, portanto,
nominais, de forma que tais lâmpadas, portanto, não se aplicam à forma de não se aplicam à forma de operação pulsada em simuladores solares.operação pulsada em simuladores solares. Apesar das vantagens citadas, na área de simuladores solares,
Apesar das vantagens citadas, na área de simuladores solares, seu uso está atualmente restrito taseu uso está atualmente restrito também a apenas ummbém a apenas um fabricante (PSE AG), introduzido no mercado em 2011
fabricante (PSE AG), introduzido no mercado em 2011 (Photon, 2011), que disponibiliza atualmente 3 equipamentos de(Photon, 2011), que disponibiliza atualmente 3 equipamentos de operação em forma contínua. O fabricante declara que a durabilidade da lâmpada é de apenas ~1000h. A densidade de operação em forma contínua. O fabricante declara que a durabilidade da lâmpada é de apenas ~1000h. A densidade de potência média para os 3 m
potência média para os 3 modelos deste fabricante, de 0,92kW/modelos deste fabricante, de 0,92kW/m22, é a menor dentre todos os modelos de lâmpadas., é a menor dentre todos os modelos de lâmpadas.
Não
Não é é demasiado demasiado lembrar lembrar que, que, por por conterem conterem Hg, Hg, as as lâmpadas lâmpadas de de vapores vapores metálicos metálicos são são classificadas classificadas pelapela legislação ambiental brasileira como resíduos perigosos, requerendo assim cuidados especiais para manuseio, legislação ambiental brasileira como resíduos perigosos, requerendo assim cuidados especiais para manuseio, armazenamento, transporte e descarte.
armazenamento, transporte e descarte. 3.3 LEDs
3.3 LEDs
Os LEDs são dispositivos semicondutores que emitem luz pelo princípio físico da recombinação irradiante. Os LEDs são dispositivos semicondutores que emitem luz pelo princípio físico da recombinação irradiante. Segundo este princípio, portadores de carga gerados eletricamente (elétrons e lacunas) se recombinam no interior do Segundo este princípio, portadores de carga gerados eletricamente (elétrons e lacunas) se recombinam no interior do material, sendo a energia do elétron convertida por meio deste processo em um fóton de comprimento de onda material, sendo a energia do elétron convertida por meio deste processo em um fóton de comprimento de onda correspondente.
correspondente.
Os LEDs são omnipresentes atualmente, sendo usados em aplicações como telas de TV e monitores de Os LEDs são omnipresentes atualmente, sendo usados em aplicações como telas de TV e monitores de computador, semáforos e equipamentos de controle remoto, entre muitas outras. No mercado de iluminação os LEDs computador, semáforos e equipamentos de controle remoto, entre muitas outras. No mercado de iluminação os LEDs foram introduzidos há alguns anos e a maioria dos grandes fabricantes do setor já disponibiliza este tipo de produto, foram introduzidos há alguns anos e a maioria dos grandes fabricantes do setor já disponibiliza este tipo de produto, cuja eficiência energética pode ser superior a 75 lm/W. Vários fabricantes já anunciaram o desenvolvimento de LEDs cuja eficiência energética pode ser superior a 75 lm/W. Vários fabricantes já anunciaram o desenvolvimento de LEDs brancos com eficiência
brancos com eficiência de 200 lm/W e as expectativas são de que esde 200 lm/W e as expectativas são de que estes entrem no mercado em 2015.tes entrem no mercado em 2015.
O LED emite luz de uma banda de cor bastante estreita, que depende do material semicondutor utilizado. Para O LED emite luz de uma banda de cor bastante estreita, que depende do material semicondutor utilizado. Para obter-se a luz branca são utilizadas duas abor
obter-se a luz branca são utilizadas duas abordagens:dagens:
uma combinação de LEDs de diferentes materiais que emitem, por exemplo, nas cores azul, vermelho e verdeuma combinação de LEDs de diferentes materiais que emitem, por exemplo, nas cores azul, vermelho e verde
(RGB LED); em proporções específicas; (RGB LED); em proporções específicas;
uma emissão azul (ou mesmo UV) com o interior do LED revestido com um fósforo (combinação deuma emissão azul (ou mesmo UV) com o interior do LED revestido com um fósforo (combinação de
substâncias) que absorve o azul e reemite em
substâncias) que absorve o azul e reemite em outros comprimentos de onda, resultando na cor outros comprimentos de onda, resultando na cor branca.branca. No
No caso caso dos dos simuladores simuladores solares, solares, para para cobrir-se cobrir-se toda toda a a distribuição distribuição espectral espectral exigida, exigida, deve-se deve-se utilizarutilizar simultaneamente diversos tipos de LEDs. Segundo afirmação de um especialista citado em (Photon, 2011), seriam simultaneamente diversos tipos de LEDs. Segundo afirmação de um especialista citado em (Photon, 2011), seriam necessários 18 a 20 tipos de LEDs para cobrir todo o espectro AM1,5. Contudo, os LEDs disponíveis para iluminação necessários 18 a 20 tipos de LEDs para cobrir todo o espectro AM1,5. Contudo, os LEDs disponíveis para iluminação em geral são fabricados somente na faixa da luz visível (380nm-780nm) e, ainda segundo este especialista, não existe em geral são fabricados somente na faixa da luz visível (380nm-780nm) e, ainda segundo este especialista, não existe disponibilidade de LEDs para comprimentos de onda superiores a 800nm (região IR). Não concordamos com esta disponibilidade de LEDs para comprimentos de onda superiores a 800nm (região IR). Não concordamos com esta afirmação, pois sabe-se que são produzidos LEDs IR para aplicações como equipamentos de controle remoto e afirmação, pois sabe-se que são produzidos LEDs IR para aplicações como equipamentos de controle remoto e iluminação noturna em sistemas de segurança.
iluminação noturna em sistemas de segurança. Nos
Nos 6 6 levantamentos levantamentos de de mercado mercado de de simuladores simuladores solares solares usados usados como como referência referência para para o o presente presente trabalho, trabalho, aa empresa Strama Maschinenbau GmbH & Co (Alemanha) foi a primeira a oferecer um equipamento a LED, um empresa Strama Maschinenbau GmbH & Co (Alemanha) foi a primeira a oferecer um equipamento a LED, um simulador contínuo, em 2009 (Photon, 2009). Na época, a empresa alegava que sua solução estava em processo de simulador contínuo, em 2009 (Photon, 2009). Na época, a empresa alegava que sua solução estava em processo de patente,
patente, contudo, contudo, o o equipamento/fabricante não equipamento/fabricante não apareceu apareceu em em nenhum nenhum dos dos levantamentos levantamentos subsequentes. A subsequentes. A companhiacompanhia Wacom Electric Co, Ltd. (Japão), por sua vez, também introduziu um simulador monopulso a LED em 2012 (Photon, Wacom Electric Co, Ltd. (Japão), por sua vez, também introduziu um simulador monopulso a LED em 2012 (Photon, 2012), mas não voltou a aparecer
2012), mas não voltou a aparecer no levantamento de 2013.no levantamento de 2013.
Este último levantamento (Photon, 2013) mostra apenas um fabricante (Ecoprogetti) adotando LEDs e Este último levantamento (Photon, 2013) mostra apenas um fabricante (Ecoprogetti) adotando LEDs e comercializando dois modelos de equipamentos simuladores de operação monopulso. O equipamento foi lançado no comercializando dois modelos de equipamentos simuladores de operação monopulso. O equipamento foi lançado no ano de 2011 (Photon, 2011) e opera com 6 diferentes tipos de LEDs. Apesar de classificado como monopulso, trata-se ano de 2011 (Photon, 2011) e opera com 6 diferentes tipos de LEDs. Apesar de classificado como monopulso, trata-se de pulsos de longa duração, de 200ms a
de pulsos de longa duração, de 200ms a 10s, muito superiores, portanto, àqueles adotados nas lâmpadas de Xe 10s, muito superiores, portanto, àqueles adotados nas lâmpadas de Xe (ver item(ver item 3.4). A durabilidade dos LEDs seria de 10.000.000 de pulsos, de acordo com o declarado pelo fabricante, o que 3.4). A durabilidade dos LEDs seria de 10.000.000 de pulsos, de acordo com o declarado pelo fabricante, o que representa reduzidos custos de manutenção. Entendemos que, em princípio, este simulador poderia também ser operado representa reduzidos custos de manutenção. Entendemos que, em princípio, este simulador poderia também ser operado de forma contínua, o que é uma vantagem deste tipo de fonte de luz. A densidade de potência destes dois modelos a de forma contínua, o que é uma vantagem deste tipo de fonte de luz. A densidade de potência destes dois modelos a LEDs é de surpreendentes 8,75kW/m
LEDs é de surpreendentes 8,75kW/m22, superior inclusive à das lâmpadas halógenas., superior inclusive à das lâmpadas halógenas.
Segundo (Photon, 2011), caso a
Segundo (Photon, 2011), caso a tecnologia de LEDs realmente se mostrar adequada aos simuladores solares, entãotecnologia de LEDs realmente se mostrar adequada aos simuladores solares, então o número de fabricantes para este tipo de equipamento poderá explodir. Concordamos com a afirmação, e entendemos o número de fabricantes para este tipo de equipamento poderá explodir. Concordamos com a afirmação, e entendemos que este momento, embora ainda não tenha chegado, poderá chegar a curto/médio prazo. Segundo especialistas na área que este momento, embora ainda não tenha chegado, poderá chegar a curto/médio prazo. Segundo especialistas na área de iluminação, os LEDs ou os OLEDs (
de iluminação, os LEDs ou os OLEDs (organicorganic LEDs) tem potencial de suplantar no futuro todas as demais fontes de LEDs) tem potencial de suplantar no futuro todas as demais fontes de
luz atualmente usadas pela humanidade, em termos de
luz atualmente usadas pela humanidade, em termos de eficiência e flexibilidade de adaptação às dieficiência e flexibilidade de adaptação às diferentes aplicações.ferentes aplicações. 3.4
3.4 Lâmpadas Lâmpadas de de XenônioXenônio
As lâmpadas de Xe também são lâmpadas de descarga, nas quais o bulbo contem o gás nobre Xenônio a alta As lâmpadas de Xe também são lâmpadas de descarga, nas quais o bulbo contem o gás nobre Xenônio a alta pressão. Este tipo de lâmpada n
pressão. Este tipo de lâmpada não é utilizado em iluminação convencionaão é utilizado em iluminação convencional, mas somente em aplicações l, mas somente em aplicações especiais, como,especiais, como, por exemplo, a projeção de cin
por exemplo, a projeção de cinema e os faróis automotivos.ema e os faróis automotivos.
Elas também apresentam boa resposta espectral para simuladores solares uma vez que seus picos de emissão na Elas também apresentam boa resposta espectral para simuladores solares uma vez que seus picos de emissão na região do IR, na qual a absorção do Si é significativa, sejam eliminados por meio dos filtros ópticos apropriados região do IR, na qual a absorção do Si é significativa, sejam eliminados por meio dos filtros ópticos apropriados
(Fig. 3), similares aos necessários para as lâmpadas halógenas. A filtragem é baseada em interferência destrutiva e (Fig. 3), similares aos necessários para as lâmpadas halógenas. A filtragem é baseada em interferência destrutiva e implementada por meio de diversas camadas superpostas de elementos inorgânicos de diferentes índices de refração. implementada por meio de diversas camadas superpostas de elementos inorgânicos de diferentes índices de refração. Isso pode ser feito diretamente sobre a lâmpada ou em algum elemento óptico externo.
Isso pode ser feito diretamente sobre a lâmpada ou em algum elemento óptico externo.
À guisa de exemplo, a companhia Pasan SA afirmava, em (Photon, 2009), ter desenvolvido para isso um filtro À guisa de exemplo, a companhia Pasan SA afirmava, em (Photon, 2009), ter desenvolvido para isso um filtro óptico interferencial próprio utilizando cerca de 20 diferentes camadas de filmes finos. Contudo, posteriormente, em óptico interferencial próprio utilizando cerca de 20 diferentes camadas de filmes finos. Contudo, posteriormente, em (Photon, 2010), a mesma companhia declarava já ter desenvolvido sua própria lâmpada de Xe, revestida por 40 (Photon, 2010), a mesma companhia declarava já ter desenvolvido sua própria lâmpada de Xe, revestida por 40 camadas de filmes finos. O fabricante Berger Lichttechnik, por sua vez, alega ter uma tecnologia de filtragem óptica camadas de filmes finos. O fabricante Berger Lichttechnik, por sua vez, alega ter uma tecnologia de filtragem óptica patenteada.
patenteada.
Figura 3
Figura 3 – – Superposição do espectro padrão AM1,5 Superposição do espectro padrão AM1,5 (linha na cor azul) com o (linha na cor azul) com o espectro de emissão de uma lâmpada deespectro de emissão de uma lâmpada de
Xe já corrigido por filtros ópticos (linha vermelha) (Fonte: (All
Xe já corrigido por filtros ópticos (linha vermelha) (Fonte: (All Real Technology, 2013))Real Technology, 2013))
De qualquer forma, a lâmpada de Xe é, sem dúvida, atualmente a mais usada nos simuladores solares. Na Tabela De qualquer forma, a lâmpada de Xe é, sem dúvida, atualmente a mais usada nos simuladores solares. Na Tabela III vemos 58 produtos, oferecidos por 13 fabricantes. Apenas um destes fabricantes (All Real Technology) utiliza III vemos 58 produtos, oferecidos por 13 fabricantes. Apenas um destes fabricantes (All Real Technology) utiliza lâmpadas de Xe para um simulador
lâmpadas de Xe para um simulador contínuo, todos os demais são contínuo, todos os demais são de operação pulsada (monopulso).de operação pulsada (monopulso).
As durações dos pulsos já foram discutidas no item 2.3. Quanto à durabilidade destas lâmpadas em operação As durações dos pulsos já foram discutidas no item 2.3. Quanto à durabilidade destas lâmpadas em operação pulsada,
pulsada, declaradas declaradas pelos pelos fabricantes fabricantes dos dos simuladores, simuladores, também também apresentam apresentam variação variação de de ordens ordens de de grandeza, grandeza, de de umum mínimo de 3.000 pulsos a um máximo de 500.000 pulsos (o fabricantes Rising declara uma durabilidade de 3.000.000 mínimo de 3.000 pulsos a um máximo de 500.000 pulsos (o fabricantes Rising declara uma durabilidade de 3.000.000 de pulsos, valor este considerado irreal, por isso descartado). Valores de 50.000 a 100.000 pulsos são comuns. A de pulsos, valor este considerado irreal, por isso descartado). Valores de 50.000 a 100.000 pulsos são comuns. A densidade de potência média para todos os modelos de todos os fabricantes que operam lâmpadas de Xe de forma densidade de potência média para todos os modelos de todos os fabricantes que operam lâmpadas de Xe de forma pulsada é de 1,47kW/m
pulsada é de 1,47kW/m2.2.
A durabilidade das lâmpadas de Xe em operação contínua, para os 4 modelos do fabricante All Real Technology, é A durabilidade das lâmpadas de Xe em operação contínua, para os 4 modelos do fabricante All Real Technology, é de 1.000-1.500h, enquanto que sua densidade de p
de 1.000-1.500h, enquanto que sua densidade de potência média é de ~21kW/motência média é de ~21kW/m22, valor este extremamente elevado., valor este extremamente elevado.
3.5
3.5 Lâmpadas Lâmpadas de de plasmaplasma
As lâmpadas de plasma (em língua inglesa, são também chamadas de
As lâmpadas de plasma (em língua inglesa, são também chamadas de electrodeless discharge lampelectrodeless discharge lamp, ou ainda de, ou ainda de sulphur microwave lamp
sulphur microwave lamp) são lâmpadas especiais, não disponíveis para aplicação em iluminação convencional. Tratam-) são lâmpadas especiais, não disponíveis para aplicação em iluminação convencional.
Tratam-se de lâmpadas de descarga Tratam-sem eletrodos, nas quais o gás contido no bulbo é excitado por meio de radiofrequência se de lâmpadas de descarga sem eletrodos, nas quais o gás contido no bulbo é excitado por meio de radiofrequência (RF) na faixa de 2,45MHz (microondas), ao invés de um arco elétrico entre os eletrodos, como ocorre nas lâmpadas de (RF) na faixa de 2,45MHz (microondas), ao invés de um arco elétrico entre os eletrodos, como ocorre nas lâmpadas de descarga convencionais. A RF para isso é gerada por meio de uma válvula magnétron, usando tecnologia análoga a um descarga convencionais. A RF para isso é gerada por meio de uma válvula magnétron, usando tecnologia análoga a um forno de microondas, o que faz com que o custo da fonte de alimentação para a lâmpada seja significativo. A lâmpada forno de microondas, o que faz com que o custo da fonte de alimentação para a lâmpada seja significativo. A lâmpada em si é apenas um bulbo contendo em seu interior um gás composto por Enxofre (S) e Argônio (Ar).
em si é apenas um bulbo contendo em seu interior um gás composto por Enxofre (S) e Argônio (Ar).
A lâmpada de plasma tem alta eficiência luminosa, podendo atingir 110 lm/W, e sua vida útil é bastante elevada, A lâmpada de plasma tem alta eficiência luminosa, podendo atingir 110 lm/W, e sua vida útil é bastante elevada, podendo
podendo chegar chegar a a 60.000h. 60.000h. A A limitação limitação da da vida vida útil útil é é na na verdade verdade devida devida ao ao magnétron, magnétron, que que tem tem vida vida útil útil bastantebastante inferior (~15.000h) à da lâmpada. A lâmpada de plasma também apresenta um retardo de ~30s desde sua energização inferior (~15.000h) à da lâmpada. A lâmpada de plasma também apresenta um retardo de ~30s desde sua energização até que atinja sua emissão nominal, de
até que atinja sua emissão nominal, de forma que não se aplica forma que não se aplica para simuladores pulsados.para simuladores pulsados.
Apenas o fabricante Solaronix SA (Suíça) adota a tecnologia de lâmpadas de plasma em simuladores solares. Apenas o fabricante Solaronix SA (Suíça) adota a tecnologia de lâmpadas de plasma em simuladores solares. Trata-se de uma linha de produtos com operação de forma contínua, que permanece no mercado desde 2008 e conta Trata-se de uma linha de produtos com operação de forma contínua, que permanece no mercado desde 2008 e conta com 12 diferentes modelos em 2013. Segundo o fabricante (Photon, 2010), este tipo de lâmpada não requer uma com 12 diferentes modelos em 2013. Segundo o fabricante (Photon, 2010), este tipo de lâmpada não requer uma filtragem óptica complexa para atingir o espectro AM1,5 e sua durabilidade é de 20.000h (um dos 12 modelos tem filtragem óptica complexa para atingir o espectro AM1,5 e sua durabilidade é de 20.000h (um dos 12 modelos tem durabilidade de 10.000h enquanto que a os demais é de 20.000h), que é a maior durabilidade entre os modelos de durabilidade de 10.000h enquanto que a os demais é de 20.000h), que é a maior durabilidade entre os modelos de
simuladores contínuos constando dos surveys. O conjunto denominado Lumixo, formado pela lâmpada, respectiva simuladores contínuos constando dos surveys. O conjunto denominado Lumixo, formado pela lâmpada, respectiva fontefonte de alimentação RF, refletor e outros equipamentos auxiliares, é de projeto e fabricação da própria empresa Solaronix. A de alimentação RF, refletor e outros equipamentos auxiliares, é de projeto e fabricação da própria empresa Solaronix. A densidade de potência média destes simuladores é de 6,78kW/m
densidade de potência média destes simuladores é de 6,78kW/m22..
4.
4. FORMAS DE MONTAGEM DE SIMULADORES SOLARESFORMAS DE MONTAGEM DE SIMULADORES SOLARES
As 3 formas de montagem de simuladores solares são: Câmara Escura, Torre e Horizontal. Tais formas de As 3 formas de montagem de simuladores solares são: Câmara Escura, Torre e Horizontal. Tais formas de montagem, em princípio, se aplicam principalmente aos simuladores pulsados.
montagem, em princípio, se aplicam principalmente aos simuladores pulsados.
A montagem na Câmara Escura (Fig. 4), também chamada de montagem em túnel, é considerada a forma mais A montagem na Câmara Escura (Fig. 4), também chamada de montagem em túnel, é considerada a forma mais adequada para se alcançar uma boa uniformidade da irradiância em grandes áreas de teste. Nesta montagem o módulo é adequada para se alcançar uma boa uniformidade da irradiância em grandes áreas de teste. Nesta montagem o módulo é testado na posição vertical.
testado na posição vertical.
A desvantagem aqui é a área ocupada pelos simuladores de Câmara Escura. A título de exemplo, o modelo do A desvantagem aqui é a área ocupada pelos simuladores de Câmara Escura. A título de exemplo, o modelo do fabricante Pasan SA de Câmara Escura com área de teste de 3m x 3m tem túnel de 8m de comprimento, enquanto que fabricante Pasan SA de Câmara Escura com área de teste de 3m x 3m tem túnel de 8m de comprimento, enquanto que para a área de 2m x 2m
para a área de 2m x 2m o comprimento do túnel é de 5,5m.o comprimento do túnel é de 5,5m.
Figura 4
Figura 4 – – Simulador de Câmara Escura (Adaptado de Simulador de Câmara Escura (Adaptado de (Endeas,2004))(Endeas,2004))
A montagem em torre (Fig. 5) normalmente se aplica a áreas de teste menores. A montagem em torre (Fig. 5) normalmente se aplica a áreas de teste menores.
Figura 5
A montagem Horizontal (Fig. 6) proporciona equipamentos mais compactos e parece ser a preferida nas linhas de A montagem Horizontal (Fig. 6) proporciona equipamentos mais compactos e parece ser a preferida nas linhas de produção da indústria fotovoltaica.
produção da indústria fotovoltaica.
Figura 6
Figura 6 – – Simulador Horizontal (Photon, 2011) Simulador Horizontal (Photon, 2011)
5.
5. DESEMPENHO DE SIMULADORES SOLARESDESEMPENHO DE SIMULADORES SOLARES
Os 3 indicadores de desempenho de simuladores solares especificados pela norma I
Os 3 indicadores de desempenho de simuladores solares especificados pela norma IEC 60904-9 EC 60904-9 (2007) são os seguintes:(2007) são os seguintes:
Resposta EspectralResposta Espectral – – indica o desvio espectral da irradiância do simulador em relação ao padrão AM1,5; indica o desvio espectral da irradiância do simulador em relação ao padrão AM1,5;
UniformidadeUniformidade – – indica a variação percentual máxima da irradiância na área de teste; indica a variação percentual máxima da irradiância na área de teste;
EstabilidadeEstabilidade – – indica a variação temporal máxima da irradiância durante o período de aquisição da curva I-V. indica a variação temporal máxima da irradiância durante o período de aquisição da curva I-V.
A referida norma especifica classes designadas pelas letras A, B e C para cada um destes parâmetros, de acordo com a A referida norma especifica classes designadas pelas letras A, B e C para cada um destes parâmetros, de acordo com a Tab. 4. Às três classes especificadas na norma, por iniciativa do próprio mercado (fabricantes) foi adicionada uma Tab. 4. Às três classes especificadas na norma, por iniciativa do próprio mercado (fabricantes) foi adicionada uma quarta classe extra-oficial denominada A+, representando o dobro da exigência da classe A, que surgiu nos quarta classe extra-oficial denominada A+, representando o dobro da exigência da classe A, que surgiu nos levantamentos a partir do ano de 2011 (Photon, 2011).
levantamentos a partir do ano de 2011 (Photon, 2011). Tabela 4
Tabela 4 – – classes de simuladores de acordo com a nor classes de simuladores de acordo com a norma IEC 60904-9 ma IEC 60904-9 (2008), sendo mostrada somente a especificação(2008), sendo mostrada somente a especificação
da estabilidade temporal a longo prazo (
da estabilidade temporal a longo prazo (long termlong term))
C B A A+
C B A A+
Resposta
Resposta espectral espectral 0,4-2,0% 0,4-2,0% 0,6-1,4% 0,6-1,4% 0,75-1,25% 0,75-1,25% 0,875-1,125%0,875-1,125% Uniformidade
Uniformidade 10% 10% 5% 5% 2% 2% 1%1%
Estabilidade
Estabilidade Temporal Temporal 10% 10% 5% 5% 2% 2% 1%1%
Assim sendo, a classificação dos simuladores é feita por
Assim sendo, a classificação dos simuladores é feita por siglas de 3 siglas de 3 letras, resultando em combinações como ABA,letras, resultando em combinações como ABA, ABC, CBA etc, e indicando sua classe em relação aos três parâmetros avaliados, na ordem
ABC, CBA etc, e indicando sua classe em relação aos três parâmetros avaliados, na ordem em que aparecem na em que aparecem na Tab. 4.Tab. 4. Os melhores simuladores são, portanto, designados por A+A+A+.
Os melhores simuladores são, portanto, designados por A+A+A+.
A resposta espectral é calculada na faixa de comprimentos de onda de 400nm a 1100nm, subdivida, para este fim, A resposta espectral é calculada na faixa de comprimentos de onda de 400nm a 1100nm, subdivida, para este fim, em 6 bandas, através da razão entre a porcentagem de radiação do espectro solar e do espectro do simulador em cada em 6 bandas, através da razão entre a porcentagem de radiação do espectro solar e do espectro do simulador em cada uma destas bandas. A classificação do equipamento neste quesito corresponde à pior classificação obtida entre estas 6 uma destas bandas. A classificação do equipamento neste quesito corresponde à pior classificação obtida entre estas 6 sub-bandas. A Fig. 2, contida no item 3.4, mostra a resposta espectral de um equipamento do fabricante All Real sub-bandas. A Fig. 2, contida no item 3.4, mostra a resposta espectral de um equipamento do fabricante All Real Technology (classe A), sua distribuição percentual nestas 6
Technology (classe A), sua distribuição percentual nestas 6 bandas, assim como a sua classificação para cada bandas, assim como a sua classificação para cada banda.banda. A estabilidade temporal é definida por dois parâmetros: estabilidade de curto prazo (
A estabilidade temporal é definida por dois parâmetros: estabilidade de curto prazo ( short term short term) e de longo prazo) e de longo prazo
((long termlong term), calculados conforme especificado na norma IEC 60904-9 (2007) e a classificação aplicada ao simulador é), calculados conforme especificado na norma IEC 60904-9 (2007) e a classificação aplicada ao simulador é
também a obtida no pior
também a obtida no pior dos dois casos.dos dois casos.
A Tab. 5 mostra um resumo do desempenho dos equipamentos constantes no levantamento (Photon, 2013). A Tab. 5 mostra um resumo do desempenho dos equipamentos constantes no levantamento (Photon, 2013). Deve-se Deve-sempre lembrar que tais dados de deDeve-sempenho são declarados pelos fabricantes, e que apenas uma parcela deles é se sempre lembrar que tais dados de desempenho são declarados pelos fabricantes, e que apenas uma parcela deles é efetivamente certificada por laboratórios reconhecidos independentes como, por exemplo, o laboratório TÜV, que atua efetivamente certificada por laboratórios reconhecidos independentes como, por exemplo, o laboratório TÜV, que atua nesta área. Na Tab. 5, para os casos em que o fabricante oferece opções de mais de uma classe para um determinado nesta área. Na Tab. 5, para os casos em que o fabricante oferece opções de mais de uma classe para um determinado modelo de equipamento, foi considerada sempre a classe mais
modelo de equipamento, foi considerada sempre a classe mais elevada.elevada. Tabela 5
Tabela 5 – – Desempenho dos equipamentos disponíveis comercialmente (Photon, 2013) Desempenho dos equipamentos disponíveis comercialmente (Photon, 2013)
A+A+A+
A+A+A+ A+AA A+AA AAA AAA outrasoutras modelos
modelos 13 13 9 9 42 42 1717
fabricantes
fabricantes 5 5 1 1 13 13 88
Observa-se que cerca de metade (42) dos
Observa-se que cerca de metade (42) dos simuladores é de classe AAA, e qsimuladores é de classe AAA, e que 13 deles atingem a classe A+A+A+.ue 13 deles atingem a classe A+A+A+. Os 9 modelos da classe A+AA correspondem a um único fabricante (Optosolar), que a oferece como opcional a Os 9 modelos da classe A+AA correspondem a um único fabricante (Optosolar), que a oferece como opcional a equipamentos originalmente da classe AAA.
equipamentos originalmente da classe AAA.
Constata-se, porém, que quando a classe A+A+A+ foi introduzida nos levantamentos em 2011, apenas Constata-se, porém, que quando a classe A+A+A+ foi introduzida nos levantamentos em 2011, apenas equipamentos do fabricante Pasan SA atendiam a esta classe, mas agora em 2013 outros 4 fabricantes (Berger equipamentos do fabricante Pasan SA atendiam a esta classe, mas agora em 2013 outros 4 fabricantes (Berger
Lichttechnik GmbH & co KG, Endeas Oy, H.A.L.M. Elektronik GmbH e
Lichttechnik GmbH & co KG, Endeas Oy, H.A.L.M. Elektronik GmbH e Spire Solar Inc.) também já tingiram Spire Solar Inc.) também já tingiram a mesmaa mesma classificação, o que, sem dúvida, representa uma evolução técnica significativa no setor.
classificação, o que, sem dúvida, representa uma evolução técnica significativa no setor. 6.
6. CONSIDERAÇÕES ADICIONAISCONSIDERAÇÕES ADICIONAIS
Uma característica considerada desejável nos simuladores solares é uma carga eletrônica capaz de operar em 3 Uma característica considerada desejável nos simuladores solares é uma carga eletrônica capaz de operar em 3 quadrantes, possibilitando assim traçar a curva I-V reversa no escuro (denominada
quadrantes, possibilitando assim traçar a curva I-V reversa no escuro (denominada dark I-V curvedark I-V curve), o que permite uma), o que permite uma
caracterização adicional do módulo em teste. caracterização adicional do módulo em teste.
A Eletroluminescência (EL) é uma técnica que permite a detecção de diversos tipos de problemas em módulos A Eletroluminescência (EL) é uma técnica que permite a detecção de diversos tipos de problemas em módulos fotovoltaicos, como microtrincas (
fotovoltaicos, como microtrincas (microcracksmicrocracks), defeitos na ), defeitos na metalização e defeitos nas soldas, entre outros. A técnica semetalização e defeitos nas soldas, entre outros. A técnica se
baseia num princípio
baseia num princípio simples: a simples: a polarização direta do polarização direta do módulo no escuro módulo no escuro com uma focom uma fonte de nte de tensão externa e tensão externa e a detecçãoa detecção da imagem da luz emitida por ele através de uma câmara especial de alta sensibilidade e alta resolução. Esta câmara é o da imagem da luz emitida por ele através de uma câmara especial de alta sensibilidade e alta resolução. Esta câmara é o principal componente do sistema E
principal componente do sistema EL. Neste tipo L. Neste tipo de teste, o de teste, o módulo fotovoltaico funciona como módulo fotovoltaico funciona como um conjunto de um conjunto de diodosdiodos em série, condições nas quais o módulo de c-Si emite luz de baixíssima intensidade na faixa de 950nm a 1250nm (IR) em série, condições nas quais o módulo de c-Si emite luz de baixíssima intensidade na faixa de 950nm a 1250nm (IR) devido à recombinação irradiante. Alguns fabricantes já oferecem há algum tempo equipamentos de EL integrados a devido à recombinação irradiante. Alguns fabricantes já oferecem há algum tempo equipamentos de EL integrados a seus simuladores solares (Photon, 2011), tanto de operação pulsada (Berger Lichttechnik) quanto de operação contínua seus simuladores solares (Photon, 2011), tanto de operação pulsada (Berger Lichttechnik) quanto de operação contínua (Solaronix SA).
(Solaronix SA).
As normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) especificam um teste de isolamento (
As normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) especificam um teste de isolamento (insulation testinsulation test – – item 10.3 item 10.3
das normas) para os módulos fotovoltaicos, no qual o módulo é submetido, entre seus terminais (curtocircuitados) e sua das normas) para os módulos fotovoltaicos, no qual o módulo é submetido, entre seus terminais (curtocircuitados) e sua moldura, a uma tensão de 1000Vcc mais duas vezes a tensão máxima no sistema especificada pelo fabricante. A norma moldura, a uma tensão de 1000Vcc mais duas vezes a tensão máxima no sistema especificada pelo fabricante. A norma IEC 61730-2 (2004) especifica outros testes adicionais de isolamento (
IEC 61730-2 (2004) especifica outros testes adicionais de isolamento (acessibility test acessibility test – – MST11) e continuidade de MST11) e continuidade de
terra (
terra ( ground ground continuitycontinuity – – MST 13). Alguns fabricantes (Berger Lichttechnik, Spire Corp.) também já oferecem MST 13). Alguns fabricantes (Berger Lichttechnik, Spire Corp.) também já oferecem
opcionalmente simuladores solares com capacidade de efetuar estes testes. opcionalmente simuladores solares com capacidade de efetuar estes testes. 7.
7. CONCLUSÃOCONCLUSÃO
Com base nas considerações apresentadas no texto do
Com base nas considerações apresentadas no texto do artigo, entendemos que as características recomendadas paraartigo, entendemos que as características recomendadas para um equipamento simulador solar no estado-da-arte da tecnologia, destinado ao ensaio de módulos fotovoltaicos de um equipamento simulador solar no estado-da-arte da tecnologia, destinado ao ensaio de módulos fotovoltaicos de acordo com as normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646
acordo com as normas IEC 61215 (2005) e IEC 61646 (2008) são as seguintes:(2008) são as seguintes:
Lâmpada de Xe em operação monopulsoLâmpada de Xe em operação monopulso
Montagem em câmara escura, com área de teste mínima de 2m x 2mMontagem em câmara escura, com área de teste mínima de 2m x 2m
Classe A+A+A+, certificada por laboratório independente reconhecidoClasse A+A+A+, certificada por laboratório independente reconhecido
Operação com irradiâncias de 1000W/mOperação com irradiâncias de 1000W/m22, 800W/m, 800W/m22 e 200W/m e 200W/m22, com distribuição espectral AM1,5, com distribuição espectral AM1,5
Carga eletrônica com operação em 3 quadrantes, adequada às Carga eletrônica com operação em 3 quadrantes, adequada às faixas de tensão, corrente e potência qfaixas de tensão, corrente e potência que seue se
deseja medir deseja medir
Entendemos que há disponibilidade de equipamentos comerciais que atendem a tais características no mercado Entendemos que há disponibilidade de equipamentos comerciais que atendem a tais características no mercado atual.
atual.
Adicionalmente, consideramos ainda desejável que o equipamento também seja capaz de operar na técnica de Adicionalmente, consideramos ainda desejável que o equipamento também seja capaz de operar na técnica de eletroluminescência (EL), bem como de efetuar testes de isolamento de acordo com as normas IEC 61215 (2005)/ IEC eletroluminescência (EL), bem como de efetuar testes de isolamento de acordo com as normas IEC 61215 (2005)/ IEC 61646 (2008) e IEC 61730-2 (2004), proporcionando assim uma importante caracterização adicional dos módulos 61646 (2008) e IEC 61730-2 (2004), proporcionando assim uma importante caracterização adicional dos módulos fotovoltaicos.
fotovoltaicos.
Caso se faça necessário um simulador do tipo contínuo, então deve-se observar que os melhores equipamentos Caso se faça necessário um simulador do tipo contínuo, então deve-se observar que os melhores equipamentos disponíveis atualmente ainda são da classe AAA, e entendemos que, neste caso, a melhor opção é a de lâmpadas de disponíveis atualmente ainda são da classe AAA, e entendemos que, neste caso, a melhor opção é a de lâmpadas de vapores metálicos.
vapores metálicos.
Quanto à evolução da tecnologia, acreditamos que os simuladores a LEDs apresentam grande potencial para Quanto à evolução da tecnologia, acreditamos que os simuladores a LEDs apresentam grande potencial para desenvolvimento técnico e econômico e para aumentar sua participação no mercado a curto/médio prazo, muito embora, desenvolvimento técnico e econômico e para aumentar sua participação no mercado a curto/médio prazo, muito embora, no momento exista apenas um fornecedor, cujo
no momento exista apenas um fornecedor, cujo equipamento é certificado ainda na classe AAA pelo laboratório Tequipamento é certificado ainda na classe AAA pelo laboratório TÜV.ÜV. REFERÊNCIAS
REFERÊNCIAS
ABNT NBR 10899; Energia solar fotovoltaica
ABNT NBR 10899; Energia solar fotovoltaica – – Terminologia; 2006. Terminologia; 2006.
All Real Technology;
All Real Technology; Datasheet Datasheet do simulador solar apollo ( do simulador solar apollo ( Large Large Area Area Steady Steady State State Solar Solar SimulatorSimulator – – Apollo Apollo););
diponível em www.allreal.com.tw; nov/2013. diponível em www.allreal.com.tw; nov/2013. Endeas Oy;
Endeas Oy; Datasheets Datasheets de simuladores solares da família de simuladores solares da família QuickSunQuickSun®; 2004.®; 2004.
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IEC 61215; Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules
IEC 61215; Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules – – Design qualification and type approval; Edition Design qualification and type approval; Edition
2.0; International Electrotechnical Commission; 2005. 2.0; International Electrotechnical Commission; 2005. IEC 60904-9; Photovoltaic devices
IEC 60904-9; Photovoltaic devices – – Part 9: Solar Simulator performance requirements; Edition 2.0; International Part 9: Solar Simulator performance requirements; Edition 2.0; International
Electrotechnical Commission; 2007. Electrotechnical Commission; 2007.
