Causas e efeitos da corrente reversa nos módulos fotovoltaicos

A corrente reversa é um efeito indesejado e perigoso que pode ocorrer numa string de painéis fotovoltaicos. A corrente reversa é o fluxo de corrente no sentido contrário ao fluxo de corrente de operação normal de um módulo fotovoltaico.

Esse fenômeno pode ocorrer em conjuntos de módulos com strings em paralelo quando a tensão de circuito aberto (Voc) de uma string é menor do que a tensão de circuito aberto das outras strings.

Quando isto ocorre a string afetada se comporta de forma análoga a uma carga do sistema, dissipando o calor gerado por essa passagem de corrente reversa. Em um gerador fotovoltaico devidamente dimensionado e operando sem defeitos não há corrente reversa significativa.

O sombreamento total ou parcial dos módulos não tem influência significativa na ocorrência de corrente reversa nos sistemas de micro e minigeração, uma vez que o efeito que o sombreamento causa na tensão de circuito aberto do módulo não é expressivo [1] quando existe uma quantidade pequena de strings paralelas. Por essa razão a corrente reversa não é um fenômeno que ocorre com facilidade durante a operação normal (sem falhas ou defeitos) na maior parte dos sistemas.

Por outro lado, em grandes centrais geradoras, com um grande número de strings paralelas, a corrente reversa pode ocorrer por diferenças de tensão de circuito-aberto causadas por sombras [2], por desigualdades entre módulos ou por defeitos (como o curto-circuito de alguma célula ou algum módulo da string). 

Figura 1. Efeito do sombreamento na tensão do módulo.

Em casos de defeitos no gerador fotovoltaico (p.ex. curto circuito em um ou mais módulos) a tensão de circuito aberto dos módulos da string afetada é significativamente menor do que a tensão de circuito aberto das strings em paralelo, portanto há surgimento de corrente reversa. A célula fotovoltaica se comporta como um diodo nessas situações e isso faz com que a corrente reversa flua para a string com a falha. Dependendo da intensidade dessa corrente o módulo poderá superaquecer, oferecendo riscos de incêndio e degradação acelerada dos componentes.

Caso a diferença de tensão seja suficiente para o surgimento da corrente reversa mas não alta o suficiente para forçar um desligamento do sistema, o inversor ainda poderá continuar operando, porém com eficiência significativamente reduzida e segurança comprometida.

Outros tipos de falhas elétricas e de instalação podem levar à redução da tensão do circuito aberto de uma string e subsequente surgimento de corrente reversa em sistemas conectados em paralelo. As falhas mais comuns são:

• Curto-circuito em um dos módulos
• Curto-circuito entre as células dos módulos
• Falhas de aterramento do módulo
• Erros de instalação causando strings em paralelo com quantidade diferente de módulos

Um exemplo da gravidade do erro e dos riscos de se instalar strings em paralelo de tamanhos diferentes foi mostrado no artigo Estudo de Caso - Incêndio em inversor solar fotovoltaico, publicado no Canal Solar.

Embora as falhas elétricas que levam à diferença de tensão de circuito aberto das strings não ocorram com frequência, devem-se tomar medidas preventivas apropriadas a fim de reduzir os riscos. Essas falhas elétricas são perigosas e têm alto potencial de causar danos, uma vez que todos os módulos da string afetada podem ser danificados. O superaquecimento dos módulos e cabos pode causar degradação acelerada dos equipamentos e pode inclusive causar incêndios. 

Figura 2. Fluxo de corrente reversa em situação de curto-circuito a nível de módulo. A corrente reversa na string com falha é a soma das corrente das strings em paralelo.

É comum ouvirmos que o diodo de bypass (presente na junction box do módulo fotovoltaico) pode auxiliar na prevenção de corrente reversa, porém essa informação está equivocada. O diodo de bypass somente atua reduzindo o efeito que o sombreamento produz no módulo e tem pouca relação com a variação de tensão de circuito aberto da string. Para prevenir ou limitar a corrente reversa nas strings devemos buscar outras soluções, como as discutidas a seguir.

Diodos em série com as strings

Os diodos em série com as strings são instalados em série com os módulos e têm como objetivo barrar qualquer fluxo de corrente contrário. Isso impossibilita a ocorrência de corrente reversa. Porém, essa solução conta com uma desvantagem: o diodo está sempre conectado e conduzindo corrente e isso leva a perdas contínuas por dissipação de calor no componente. Além do mais, o defeito ou a falha em um diodo pode causar a perda da sua função de segurança (p.ex, se for curto-circuitado ou algum surto de energia tenha danificado sua estrutura interna) ou a desconexão da string.

Figura 3. Módulo contendo um diodo de bloqueio que pode ser usado em série com strings fotovoltaicas.

Fusíveis em série com as strings

Os fusíveis de string são conectados em série e podem limitar a corrente reversa quando essa atingir o valor de atuação do fusível. Por exemplo, num circuito com 4 strings em paralelo onde a corrente normal de operação não ultrapasse 10 A por string instala-se um fusível de 15 A por string. O fusível irá queimar e interromper a corrente caso essa atinja 15 A ou mais em uma string, o que não deve ocorrer em funcionamento normal, mas pode ocorrer com as falhas que causam a corrente reversa. Caso esse circuito não possuísse esse fusível, a corrente reversa poderia alcançar valores de até 30 A (10 A por string em paralelo), causando um alto risco de incêndio e danos. 

Figura 4. Exemplo de fusível e porta-fusível específico para sistemas fotovoltaicos.

Os fusíveis em série são a solução padrão dos sistemas fotovoltaicos e obrigatória por norma para arranjos com três ou mais strings paralelas. As perdas de condução que os fusíveis de string causam são muito menores do que as perdas com diodos de string. Alguns inversores inclusive possuem caixas de fusíveis acoplados em sua carcaça e dispositivos eletrônicos capazes de detectar se o funcionamento dos fusíveis está normal.

Os componentes do sistema fotovoltaico (módulos, cabos e conectores) devem ser escolhidos levando em conta qual a corrente reversa máxima que uma falha pode causar nas strings e qual o nível de proteção à corrente reversa que o sistema possui. Nos dados técnicos do módulo podemos inclusive encontrar a corrente reversa máxima que um módulo pode suportar com segurança. A maior parte dos módulos fotovoltaicos do mercado suporta correntes reversas em torno de 15 A a 20 A -- mesmo assim essa corrente deve ser evitada e as strings devem ser devidamente protegidas por fusíveis com correntes de ruptura abaixo de 15 A.

Figura 5. Trecho de folheto técnico da família de módulos BYD P6D, no qual se destaca a corrente reversa (ou inversa) de 15 A suportada pelo módulo.

Referências

[1] Reverse Current Advice on generator configuration for PV systems using Sunny Mini Central, SMA

[2] Large scale PV systems under non-uniform and fault conditions, Solar Energy, Volume 116, June 2015, Pages 303-313

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