Setembro 22, 2020

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Entendendo o traçador de curva I-V para comissionamento de sistemas FV

Elson Yoiti Sakô
Graduado em Engenharia Elétrica (UNICAMP). Mestrando em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas Fotovoltaicos (UNICAMP)


Este artigo tem como finalidade apresentar as funcionalidades do traçador de curva I-V, um equipamento empregado na análise e no diagnóstico de módulos e strings fotovoltaicos. Vamos também demonstrar a importância desse instrumento para o sucesso de um projeto fotovoltaico através de um estudo de caso.

A curva I-V, que já foi abordada em outros artigos do Canal Solar, é a curva elétrica que relaciona a tensão e a corrente na saída de um módulo ou de um conjunto de módulos fotovoltaicos. A análise desta curva permite saber se os módulos estão em bom funcionamento ou se apresentam problemas.

O traçador de curva I-V é também capaz de realizar medidas de tensão e corrente nos sistemas fotovoltaicos, informado ao usuário os valores de corrente de curto-circuito, tensão de circuito aberto e máxima potência do módulo ou do conjunto de módulos analisado.

Com este equipamento, aliado a sensores de temperatura e irradiância, é possível mensurar os principais parâmetros elétricos de um módulo ou de uma string fotovoltaica em duas parametrizações diferentes, em OPC (operation conditions, ou seja, as condições ambientes de operação do elemento sob medida) e também em STC (standard test conditions, ou seja, irradiância de 1000 W/m2 e temperatura operacional de 25 ºC).

Para apresentar resultados de medição em STC o equipamento realiza a normalização dos valores de corrente, tensão e potência medidos nas condições operacionais. Isso significa que os valores de corrente e tensão obtidos experimentalmente são corrigidos a partir dos valores de irradiância e temperatura registrados no momento em que as medições elétricas são realizadas.

O escopo de utilidade deste equipamento é voltado para atividades de comissionamento de usinas e sistemas fotovoltaicos. O traçador possui a função de realizar o ensaio de desempenho dos módulos fotovoltaicos. Segundo a norma ABNT NBR 16274:2014, o ensaio com o traçador só se faz necessário em “sistemas de maior complexidade”, por se tratar a curva I-V de uma informação complementar no diagnóstico global de um conjunto de módulos fotovoltaicos.

Muitas vezes o traçado da curva I-V é descartado pelos integradores (empresas que constroem sistemas fotovoltaicos), seja pelo alto custo de aquisição do equipamento ou porque simplesmente a avaliação mais minuciosa do sistema é negligenciada.

Diante de tantos problemas e falhas encontrados nas instalações fotovoltaicas a curva I-V acaba sendo enquadrada por muitas pessoas como um preciosismo, principalmente por ser um item opcional da norma NBR 16274. Ou seja, haveria outros testes mais importantes a serem feitos antes.

Mas é justamente aí que se justifica a maior necessidade de se obter a curva I-V das strings nos sistemas fotovoltaicos: a obtenção da curva I-V, além do desenho da curva propriamente dita, oferece um rico conjunto de informações sobre o estado de saúde das strings: corrente de curto circuito, tensão de circuito aberto e potência de pico. O uso do traçador de curva no comissionamento dos sistemas fotovoltaicos evitaria muitos dos problemas encontrados nas instalações.

A curva I-V pode revelar não somente falhas na instalação do sistema fotovoltaico, mas também defeitos nos módulos fotovoltaicos. Embora os módulos fotovoltaicos possuam certificação compulsória do INMETRO no Brasil, a qualidade do equipamento pode sofrer alterações a partir do momento em que sai da fábrica. Seja durante o transporte da fábrica, da transferência da distribuidora até a instalação ou durante o içamento dos módulos aos telhados, os módulos fotovoltaicos estão sujeitos a impactos mecânicos que podem causar danos irreversíveis, como microfissuras e danos nas caixas de junção, comprometendo a geração ao longo dos anos.

Além disso, os módulos, como qualquer outra manufatura, estão sujeitos a defeitos de fábrica, como eventuais falhas nos diodos de by-pass que contribuem significantemente com a queda de rendimento energético. Ainda existe o fato de que muitos instaladores despreparados pisam e apoiam-se sobre os módulos durante a instalação, o que causa a quebra das células fotovoltaicas. Os defeitos nas células são imperceptíveis através da inspeção visual, mas podem ser detectados pelo traçador de curva I-V.

Analisando esta conjuntura de fatos, aliada ao fato de que uma instalação gerando menos do que o esperado pode gerar uma grande insatisfação do cliente, parece razoável despender um tempo e investimento para se resguardar de eventuais desgastes. Se você acredita que um multímetro convencional é suficiente para suprir esta necessidade, talvez você esteja correto.

Porém, se você já mediu uma tensão de circuito aberto de uma string e se perguntou se aquele valor, embora abaixo do esperado, fazia sentido, talvez seja hora de expandir os seus horizontes e sanar as suas dúvidas com um equipamento de medição de qualidade.

Sobre o teste da curva I-V

Para uma visão geral de como trabalhar com um traçador de curva I-V, será demonstrado um breve passo a passo suficiente para realizar um apropriado teste de desempenho fotovoltaico, utilizando-se um equipamento genérico disponível no mercado, cuja marca não será divulgada pelo caráter educativo deste artigo, sem a intenção de promover qualquer fabricante específico.

Traçador de curvas I VFigura 1: Traçador de curvas I-V

Antes de qualquer iniciativa de utilizar o traçador de curva I-V é necessário avaliar as condições climáticas do dia planejado para as atividades. Segundo a norma, existe o pré-requisito de que as medições devem ocorrer em condições de céu limpo, além de apresentar irradiância mínima de 700 W/m², medida no mesmo plano dos módulos. Por fim, os parâmetros de corrente e tensão do arranjo medido devem ser condizentes com as limitações do aparato de medição - afinal de contas, não queremos danificar o nosso traçador de curva.

Respeitando as condições climáticas estipuladas pela norma e os limites de medição sendo compatíveis com o elemento em teste, já podemos nos preocupar com os procedimentos que deverão ser executados para o teste. Inicialmente é necessário cessar a geração pela abertura da chave seccionadora dos inversores ou da stringbox. Isso vai evitar a ocorrência de arcos elétricos e incêndios, permitindo realizar os testes de forma segura.

Os circuitos fotovoltaicos nunca devem ser seccionados sob carga sem que a chave seccionadora seja usada. Em outras palavras, não podemos abrir um conector ou uma caixa de fusível enquanto há corrente elétrica circulando pelo sistema. A interrupção do circuito só pode ser realizada de forma segura pela chave seccionadora, um item obrigatório nos circuitos CC pela norma ABNT NBR 16690 (exceto nas instalações com microinversores).

Em seguida é necessário instalar os sensores auxiliares no local de teste. O traçador de curva I-V geralmente conta com dois sensores auxiliares. Uma célula fotovoltaica de precisão é usada para medir a irradiância à qual os módulos fotovoltaicos estão sujeitos e um termômetro de contato é usado para medir a temperatura da superfície do módulo fotovoltaico. A partir dessas medidas é possível normalizar os dados para as condições STC.

  • Sensor de irradiância

Sensor de irradiânciaFigura 2: Sensor de irradiância baseado em células mono e policristalinas de referência

O sensor de irradiância deve ser obrigatoriamente instalado de forma coplanar aos módulos fotovoltaicos em teste, de forma que esteja sujeito às mesmas condições de irradiância em relação ao elemento em teste. Usualmente, o sensor pode ser instalado utilizando o furo de aterramento dos módulos fotovoltaicos. O sensor mostrado neste exemplo possui duas células de referência, uma de silício policristalino e outra de silício monocristalino. O usuário do equipamento deve checar a tecnologia dos módulos para realizar a devida escolha.

  • Sensor de temperatura

Independentemente de o teste ser feito com módulos ou strings, o sensor de temperatura deve ser conectado em um módulo que seja a referência para a medição. O sensor deve ser conectado na região central de um módulo fotovoltaico em módulos em que a caixa de junção se encontra próximo ao frame superior. Caso a caixa de junção se encontre no meio do módulo, o sensor deve ser posicionado entre a caixa de junção e o frame da região inferior do módulo.

O sensor deve passar por um processo de estabilização de temperatura, ou seja, o teste deve se iniciar após um período mínimo de 30 minutos após a instalação do equipamento. A conexão com o traçador de curvas deve ser feita através de conectores apropriados, que se encaixam nas entradas auxiliares do traçador de curva I-V, conforme mostra a figura 5.

Sensor de temperaturaFigura 3: Sensor de temperatura por contato e conector para acoplamento ao traçador de curva I-V

Configuração dos parâmetros de teste

O traçador exige que o usuário informe inicialmente os parâmetros do módulo fotovoltaico em teste. Para isso, basta cadastrar o módulo com os dados de tensão, corrente, potência, coeficientes de temperatura e as resistências internas do módulo fotovoltaico, que podem ser informadas manualmente ou apenas coletadas automaticamente pelo equipamento.

Na Figura 4, é possível configurar a quantidade de módulos que serão analisados, o método de inserção da resistência Rs (resistência série do módulo fotovoltaico), o tempo de operação do seu sistema (em anos) e a temperatura de operação dos módulos e o intervalo mínimo entre dois testes.

Configuração do equipamento antes dos testesFigura 4: Configuração do equipamento antes dos testes

Conexão do equipamento com o elemento de teste

A conexão do traçador de curva I-V com a amostra é feita a partir de quatro cabos (verde, azul, vermelho e preto, neste exemplo) que possuem dois terminais MC4. A conexão é feita de forma muito intuitiva. Basta seguir os padrões de cores e as inscrições encontradas no equipamento ou no seu manual. A finalização deste procedimento é mostrada na Figura 6. As terminações do MC4 (Figura 7), por conseguinte, devem ser conectadas nos terminais do módulo ou string a ser testada.

Terminais MC4Figura 5: Conexão dos terminais de medição com o equipamento de teste

Terminais MC4Figura 6: Terminais MC4 do equipamento a serem conectados com o elemento de teste

A partir destes procedimentos você estará perfeitamente habilitado para desempenhar a coleta de dados I-V (de tensão e corrente) do arranjo fotovoltaico.

Os resultados obtidos demonstram com clareza os parâmetros elétricos medidos, bem como as curvas I-V e P-V em OPC e STC, além de demonstrar a degradação do módulo em relação à potência nominal do mesmo. Os dados podem ser extraídos do equipamento através de uma simples comunicação via USB com um computador, viabilizando uma análise mais sucinta dos dados coletados e permitindo agregar as curvas a relatórios de comissionamento fotovoltaico.

Estudo de caso com o traçador de curvas I-V

Para abstrairmos melhor os conceitos abordados até aqui, nada melhor do que um estudo de caso para nos aprofundarmos no assunto. Este estudo foi realizado durante o comissionamento de um sistema fotovoltaico composto por duas strings de 20 módulos de 320 Wp (12,8 kWp no total), divididas em dois MPPTs diferentes de um inversor de 15 kW.

De início, os módulos foram higienizados visando mitigar os efeitos da deposição de sujeira sobre os módulos. Em seguida, realizamos o traçado da curva I-V de uma das strings, e o equipamento acusou perdas consideráveis. Mediante a esta situação, buscamos evidências nos módulos que nos levassem a conclusões suficientes para tomar atitudes de operação e manutenção.

Dentre as medições coletadas na string, notou-se um comportamento incomum em um dos módulos. Embora o módulo estivesse higienizado e isento de sombreamento, as curvas I-V e P-V características apresentaram um comportamento anômalo em relação aos demais.

Curvas I V e P VFigura 7: Curvas I-V e P-V do módulo fotovoltaico em teste. Em verde, as curvas nominais, e em vermelho, as curvas reais

A Figura 7 mostra as curvas segundo as condições nominais do módulo (verde), além das condições reais do módulo (vermelho), ambas normalizadas para as condições STC. Com os dados coletados com o traçador de curvas e através de uma inspeção visual do módulo, foi possível concluir que o módulo teve o seu diodo de bypass danificado a ponto de se manter sempre ativado, configurando uma situação de diodo queimado em curto-circuito. A clara evidência desse ocorrido baseia-se no fato de a tensão de circuito aberto praticamente ter se reduzido a um terço do seu valor nominal. Os dados nominais e os coletados em campo são comparados na Tabela 1 a seguir.

Dados comparativosTabela 1: Dados comparativos entre os parâmetros fornecidos no datasheet e os coletados em campo com o traçador de curvas

Durante os comissionamentos fotovoltaicos é muito comum realizarem-se medidas de Voc de strings, no lugar de medições a nível de módulo. Isso é até compreensível, visto que as estruturas nem sempre favorecem as medições e dependendo da dimensão do sistema, seria um completo devaneio realizar medições de módulo em módulo. Porém, em um sistema de 40 módulos foi possível encontrar um módulo com geração visivelmente abaixo da sua potência nominal, representando cerca 1,5% de queda na geração total do sistema.

Supondo que este módulo pertencesse a uma string com módulos operando em condições nominais, a tensão deixaria de ser 927,8V (20 módulos com tensão de circuito aberto em STC de 46,39 V) para 910,26 V - uma variação de aproximadamente 1% na tensão de circuito aberta total. Provavelmente esse problema não seria percebido em um comissionamento feito no nível do string.

Provavelmente a variação de tensão seria interpretada como alguma sujeira ou um erro de medição. Mas na verdade, como se demonstrou neste caso, um módulo pode possuir um defeito de fábrica ou uma avaria causada por um instalador não atuou com diligência.

Conclusão

O traçador de curva I-V é um equipamento de alto custo de aquisição no mercado, o que acaba inviabilizando a sua disseminação, especialmente entre os pequenos e médios integradores. Entretanto, o traçador de curva mostra-se um equipamento importante e poderoso nas atividades de comissionamento de sistemas fotovoltaicos, permitindo identificar erros de instalação ou defeitos nos módulos fotovoltaicos e nas strings.



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Última modificação em Segunda, 24 Agosto 2020 12:38
Elson Yoiti Sakô

Graduado em Engenharia Elétrica (UNICAMP). Mestrando em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas Fotovoltaicos (UNICAMP)

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