Curso básico para instaladores: Tecnologia fotovoltaica e módulos

1. A Composição da Irradiação

Antes de nos debruçarmos sobre a tecnologia em si precisamos entender melhor nossa fonte energética, a radiação solar. Ela chega por três caminhos:

• A irradiação direta vem em linha reta e é reduzida pela atmosfera e eventuais nuvens;
• A irradiação difusa é aquela refletida por partículas na atmosfera;
• O albedo é a radiação refletida pelos arredores da instalação;
• Os módulos aproveitam a irradiação total, que é a soma da irradiação direta, difusa e do albedo

A norma NBR 10899:2006 define a terminologia da energia solar fotovoltaica. Importante é diferenciar entre os seguintes termos:

• A Irradiância solar G é a potência incidente em uma área num determinado instante, medida em W/m²;

A Irradiação I ou H é o integral da irradiância, portanto é a energia que incide num certo intervalo, acumulado por hora, dia, mês ou ano [Wh/m²].

2. A Tecnologia Fotovoltaica

Base da tecnologia fotovoltaica é um material semicondutor (Figura acima: massa azul) que contém elétrons com baixa ligação aos átomos. Quando um raio de luz, na forma de um fóton (raio amarelo na figura) alcança um desses elétrons (bolinha laranja), este consegue se liberar e escapar aos condutores (trilhos cinzas na superfície).

Um fio elétrico conduz o elétron a uma carga (a lâmpada, na figura), de onde um segundo fio o leva de volta até o condutor inferior da célula fotovoltaica, fechando assim o circuito elétrico. As bolinhas azuis na imagem representam “buracos”, cargas positivas à espera de elétrons.

Durante o processo ocorrem diversas perdas, cujo detalhamento extrapola o presente capítulo.

3. Materiais fotovoltaicos

O material mais usado na fabricação de células fotovoltaicas é silício cristalino ultra purificado.

Há dois processos distintos de fabricação:

• O silício monocristalino é produzido em cristais uniformes, no formato de cilindros, que são cortados em lâminas quadradas (wafer);
• O silício policristalino (também chamado de multicristalino) não apresenta a uniformidade cristalina, o que causa perdas na geração da energia.

Nos últimos anos, a tecnologia monocristalina passou a dominar o mercado, na medida que seu custo caiu drasticamente.

Há ainda outros materiais, como filme fino ou orgânicos, usados apenas em aplicações de nicho, como telhas ou fachadas fotovoltaicas.

Por causa dessa predominância, os capítulos a seguir se concentram em módulos cristalinos.

4. Combinação de Células Fotovoltaicos

A unidade básica é a célula fotovoltaica, que produz uma tensão de aproximadamente 0,5 V.

Para formar um módulo, as células são combinadas por ligação em série.

O tamanho dos módulos varia conforme potência e tamanho das células.

Vários módulos então são combinados em arranjos fotovoltaicos.

Normas aplicáveis:

• ABNT NBR 10899:2006 — Energia solar fotovoltaica – Terminologia
• ABNT NBR 11876:2010 — Módulos fotovoltaicos — Especificação
• IEC 61215 — Módulos fotovoltaicos em silício cristalino para aplicações terrestres – qualificação do design e aprovação do tipo.
• IEC 61730 — qualificação de segurança de módulos fotovoltaicos

5. A Tecnologia Half cell

As células fotovoltaicas são fabricadas no formato quadrado, como vimos na figura acima, e foram aplicadas nesse formato nos módulos, até pouco tempo atrás.

Hoje em dia, a maioria dos módulos usa células cortadas ao meio, devido às suas vantagens quando ocorre sombreamento parcial na sua superfície. Leia mais no capítulo 6.

5.1 Módulos Bifaciais

Tradicionalmente, as células captam luz somente pelo lado frontal. Módulos bifaciais geram energia adicional pela irradiação que eles recebem no verso (figura acima). Para isso, eles têm aspecto similar dos dois lados.

A geração adicional depende da forma como o módulo é instalado e do albedo da superfície onde ele é instalado.

Leia mais em bifacial.solarize.com.br.

6. Características Elétricas de Módulos Fotovoltaicos

A célula fotovoltaica gera energia em corrente contínua (c.c.), com um polo positivo e um negativo. Outras fontes em c.c. que conhecemos são baterias, mas com características completamente diferentes, como veremos a seguir.

Na figura acima, a curva roxa apresenta a corrente I gerada pelo módulo em determinação da tensão V na saída, com as seguintes características:

• I_sc determina a corrente de curto circuito (do inglês short circuit = SC). Ela ocorre quando os conectores do módulo são interligados diretamente. Vale observar que o módulo, sob curto-circuito, não é danificado. Ele simplesmente mantém uma certa corrente passando pelos condutores, de acordo com a incidência de luz;
• V_oc determina a tensão de circuito aberto (do inglês open circuit = OC) que ocorre quando o módulo está desconectado;
• Na faixa inferior da tensão observamos um longo trecho quase constante, e uma brusca queda após o ponto V_PMP, que é deduzido da segunda curva;
• O módulo, portanto, é um gerador de corrente.

A segunda curva (em azul) apresenta a potência P do módulo sobre a tensão V. Vejamos as características:

• Como a potência é o produto de tensão com corrente P = I x V, e a corrente é praticamente constante em grande parte da faixa, a curva ascende de forma quase linear.
• Ela alcança o Ponto de Máxima Potência P_PMP (em inglês seria P_MPP = máximum power point) para depois cair fortemente. A potência nominal do módulo é aquela determinada no ponto P_PMP.
• A tensão V_PMP e a corrente I_PMP são deduzidos do ponto P_PMP.

7. Características Elétricas sob Influências Climáticas

As curvas apresentadas no item anterior e as características informadas na ficha técnica do produto são obtidas em laboratório, sobre as seguintes condições padrão de teste (STC = standard test conditions):

• Irradiância de 1000 W/m², o que corresponde ao sol ao meio-dia durante o verão tropical;
• Temperatura de 25° C (na célula);
• Espectro solar conforme AM = 1,5 (Air mass factor).

Numa instalação real, essa combinação de condições raramente é alcançada. As condições climáticas variam constantemente e, com elas, as características elétricas do módulo.

7.1 A Influência da Irradiância

A figura acima mostra a influência da irradiância sobre as características elétricas:

• A irradiância determina a corrente, já que são os fótons que impulsionam os elétrons criando assim a corrente elétrica;
• A tensão é pouco afetada pela irradiância e alcança um valor alto já com uma luz crepuscular;
• A potência segue a irradiância, sendo o produto de tensão e corrente.

7.2 A Influência da Temperatura

O impacto da temperatura é apresentado na figura acima:

• A tensão cai de forma significativa com aumento da temperatura. A ficha técnica do módulo informa o coeficiente, na faixa de 0,3% / °C;
• Com a tensão, a potência é reduzida também, numa proporção de aproximadamente 0,4% / °C;
• A corrente aumenta, mas de forma insignificante;

O resultado é uma perda que pode chegar a 20% em relação à potência nominal, quando o módulo alcança 75°C.

O efeito inverso ocorre quando a temperatura do módulo cai abaixo de 25°C: a tensão aumenta acima dos valores informados na ficha técnica, o que precisa ser levado em consideração na hora de compor módulos com um inversor, como veremos no capítulo 5.

7.3 A Variação Climática e o Seguidor do Ponto de Máxima Potência

Em dias de céu aberto, as condições climáticas mudam de forma gradativa, como mostra a curva vermelha na figura 9, obtida através de um monitoramento de um sistema solar ao longo de um dia.

Já com a passagem de nuvens (curva azul, gravada em outro dia), as mudanças são abruptas. A irradiância chega a superar o máximo teórico de 1000 W/m² quando a irradiação direta se soma com irradiação refletida por nuvens.

Com as condições climáticas oscilam também os parâmetros elétricos dos módulos. É tarefa do inversor assegurar que a potência máxima seja extraída dos módulos a qualquer instante, e ele conta com um elemento chamado seguidor do ponto de máxima potência (SPMP, em inglês Maximum Power Point Tracker = MPPT).  O SPMP ajusta a tensão continuamente com objetivo de sempre puxar a máxima potência dos módulos.

8. A Estrutura Física do Módulo

A figura acima mostra a estrutura física do módulo:

• A célula é envolvida entre dois filmes transparentes de EVA;
• Por cima, ela é protegida por um vidro especial, de baixo teor de ferro, o que garante maior transparência;
• Por baixo (backsheet), um filme Tedlar protege o conjunto.
• As camadas são laminadas em forno, para garantir a proteção contra umidade e oxigênio;
• A moldura em alumínio anodizado permite fixação e aterramento, e contém uma vedação de silicone.

Opcionalmente, os módulos são fornecidos com moldura e filme Tedlar pretos, para formar uma superfície de cor uniforme.

8.1 Módulos vidro-vidro

Módulos vidro-vidro (figura acima) eliminam a moldura e estabilizam a célula, por causa da construção simétrica. Eles são usados preferencialmente em usinas de grande porte.

O primeiro capítulo do curso, Curso básico para instaladores: Fundamentos da energia fotovoltaica, está disponível neste link. O segundo, Curso básico para instaladores: o projeto do sistema fotovoltaico conectado à rede, está disponível aqui.

Hans Rauschmayer é um reconhecido especialista e pioneiro em energia solar no Brasil. Ele criou a grade educacional da Solarize Treinamentos Profissionais Ltda., da qual é sócio-gerente. Foi convidado a ministrar aulas em instituições como Sebrae e Senai, como também em diversas universidades e é frequente palestrante em eventos nacionais e internacionais.

A Solarize fez história quando conectou o primeiro sistema ongrid do Rio de Janeiro, com ampla repercussão na mídia. Ela oferece capacitação profissional desde 2008, consultoria e serviços de instalação. Além disso, trouxe para o Brasil a software PV*SOL para planejamento de projetos fotovoltaicos, que virou líder entre os integradores. Também atua em projetos sociais levando capacitação e geração de energia a comunidades carentes.

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