Setembro 22, 2020

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Diodos de bypass e de bloqueio nos sistemas de energia solar fotovoltaica

Hugo Soeiro Moreira
Engenheiro eletricista e especialista em sistemas fotovoltaicos


Sistemas fotovoltaicos podem apresentar dois tipos de diodo: o diodo de bypass e o diodo de bloqueio. Apesar de ambos serem o mesmo dispositivo, eles cumprem funções bem distintas.

Os dois diodos resolvem problemas comuns em quase todos os tipos de instalação. O diodo de bypass (também conhecido com o diodo de passagem) tem como objetivo evitar a formação de hotspots (pontos quentes) nos módulos fotovoltaicos, enquanto que o diodo de bloqueio tem o objetivo de evitar a corrente reversa em strings conectadas em paralelo.

O diodo de bypass e o problema dos hotspots

Módulos fotovoltaicos são compostos basicamente de células ligadas em série. Esses módulos também são conectados em série para a formação de strings. Logo, temos em uma string centenas de células conectadas em série. Isso faz com que, independentemente da situação de sombreamento, a corrente que flui pelas células seja a mesma em todos os momentos.

Entretanto, quando apenas uma parte das células da string é sombreada, o nível da corrente de curto-circuito dessas células sombreadas cai. Qualquer corrente que passe por uma célula a um nível acima de sua corrente de curto-circuito causa o sobreaquecimento da célula. Esse sobreaquecimento localizado (hotspot) pode danificar a célula permanentemente.

Figura 1 Hotspot causado pelo sombreamento de uma célula solarFigura 1: Hotspot causado pelo sombreamento de uma célula solar

Para evitar a formação desses pontos quentes, que danificam a célula e comprometem o desempenho do sistema permanentemente, ainda no processo de fabricação os diodos de bypass são acrescentados aos módulos. Geralmente são 3 ou 4 por módulo. Cada diodo de bypass fica em paralelo com um certo número de células. Por exemplo, nos módulos de 72 células existe um diodo de bypass para cada grupo de 24 células.

Figura 2 Módulo de 72 células com 3 diodos de bypass. 24 células em paralelo com cada diodo de bypassFigura 2: Módulo de 72 células com 3 diodos de bypass. 24 células em paralelo com cada diodo de bypass [1]

Como visto na Figura 2, os diodos de bypass ficam em paralelo com uma certa quantidade de células. Essa sequência de células em paralelo com um diodo de bypass é como um sub-módulo. Em condições normais, a corrente da string do sistema de energia solar fotovoltaica flui pelo módulo todo, passando por todas a células e por nenhum diodo de bypass.

Caso uma pequena quantidade de células sofra sombreamento e uma corrente superior à suportada por elas célula tente fluir, o diodo de bypass em paralelo aquele sub-módulo onde ocorreu o sombreamento é acionado, e a corrente começa a passar por ele em vez de passar pelo sub módulo. Entretanto, ainda flui pelos outros sub-módulos, permitindo que 2/3 do módulo original (neste exemplo) ainda continuem funcionando e gerando energia normalmente.

É importante destacar que em casos de sombreamento muito localizado, como o mostrado na Figura 1, onde apenas um número pequeno de células sofre sombreamento, o diodo de bypass pode não entrar em atuação. Como vemos na Figura 1, o diodo de bypass não atuou e ocorreu o sobreaquecimento de uma célula, detectado através de uma termografia (imagem térmica realizada com uma câmera de luz infravermelha). Na maior parte das situações reais o sombreamento localizado é raro ou momentâneo, pois a sombra move-se ao longo do tempo. Situações agressivas de hotspots são mais comuns em casos de sujeira ou defeito nas células.

Figura 3 Corrente fluindo por um módulo com um diodo de bypass acionadoFigura 3: Corrente fluindo por um módulo com um diodo de bypass acionado

O diodo de bloqueio e o problema da corrente reversa

A corrente reversa é aquela que flui no sentido oposto do fornecimento de energia do módulo fotovoltaico. Quando sujeito a corrente reversa, o módulo solar deixa de ser um gerador e passa a ser um receptor de energia. Apesar de raro, esse efeito pode ocorrer em sistemas com muitas strings conectadas em paralelo.

Quando temos um arranjo com strings em paralelo e uma das strings sofre um forte sombreamento ou possui algum defeito, as outras strings podem ver a string sombreada como carga e injetar sua corrente reversamente por ela. Essa corrente reversa danifica o módulo fotovoltaico permanentemente se ultrapassar o máximo valor especificado no catálogo.

Figura 4 Surgimento da corrente reversa em uma string sombreada em paralelo com outras strings operando sob condições perfeitasFigura 4: Surgimento da corrente reversa em uma string sombreada em paralelo com outras strings operando sob condições perfeitas

Para evitar que os módulos se danifiquem, poderiam ser conectados diodos de bloqueio, como mostra a Figura 5. Esses diodos têm o objetivo de garantir que a corrente flua apenas no sentido correto, e nunca de forma reversa nos módulos.

Figura 5 Sistema imune a corrente reversa devido à utilização de diodos de bloqueioFigura 5: Sistema imune a corrente reversa devido à utilização de diodos de bloqueio

É importante para o leitor entender o funcionamento e a função do diodo de bloqueio. Para pessoas que estão começando a aprender sobre sistemas fotovoltaicos é comum a confusão entre o diodo de bloqueio e o diodo de bypass. São diodos com funções totalmente distintas. Enquanto o diodo de bypass protege o módulo contra hotspots durante seu funcionamento normal (ou seja, quando o módulo está fornecendo energia), o diodo de bloqueio é acrescentado externamente ao módulo, com a função de protegê-lo contra a corrente reversa.

Embora possa ser uma solução eficaz contra a corrente reversa, a presença do diodo de bloqueio encarece e aumenta a complexidade das instalações fotovoltaicas. Além disso, devido à queda de tensão existente no diodo, esses dispositivos ocasionam perdas de condução que acompanham o sistema fotovoltaico durante todo o seu tempo de funcionamento. Em resumo, o diodo de bloqueio reduz a eficiência global do sistema fotovoltaico e seu uso deve ser evitado.

Os diodos de bloqueio foram substituídos por fusíveis nos sistemas fotovoltaicos modernos. As stringboxes dos sistemas fotovoltaicos são dotadas de fusíveis ligados em série com cada string. No lugar de um diodo bloqueando a corrente existe um fusível que pode se queimar se ocorrer uma corrente reversa. Essa solução é mais barata e apresenta menos perdas, com o único inconveniente da necessidade de reposição do fusível quando uma situação de reversão ocorre. Felizmente, essas situações são raras e ocorrem somente em situações de anormalidade.

Para dimensionar o fusível contra corrente reversa o projetista deve se atentar para o datasheet do módulo fotovoltaico. Nele é possível saber a máxima corrente reversa suportada ou o valor máximo do fusível que deve ser utilizado.

Como exemplo, temos a família monocristalina de 360 Wp a 385 Wp da BYD (M6K-36-SÉRIE-5BB), onde a corrente de curto-circuito varia de 9,73 A a 9,86 A. E o valor nominal da corrente máxima do fusível é 15 A.

Figura 6 Datasheet dos módulos M6k 36 de 360 a 385 Wp da BYD 3Figura 6: Datasheet dos módulos M6k-36 de 360 a 385 Wp da BYD [3]

Referências

[1] MELO, K. B. ; MOREIRA, H. S. ; MOREIRA, A. V. S. ; WALLIN, F. ; VILLALVA, M. G. Influence of Backtracking at Solar-Tracking Photovoltaic Power Plants for Generation and Protection. In: 11th International Conference on Applied Energy, 2019, Västerås. 11th International Conference on Applied Energy, 2019.
[2] MOREIRA, A. V. S. Desempenho do Método Perturba e Observa com Passo Adaptativo e Agrupamento de Pontos em Módulo Fotovoltaico com Diodo de Passagem Inteligente Perante o Sombreamento Parcial. Dissertação de Mestrado, UFRN, Natal, 2019.
[3] BYD. MONOCRISTALINO M6K-36-SÉRIE-5BB. Versão 1.0.2019. http://www.byd.ind.br/wp-content/uploads/2020/03/M6K_36_SERIE_5BB_pnl_solar_byd_01_0203202.pdf. Acessado em 28/08/2020.



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Última modificação em Terça, 08 Setembro 2020 16:06
Hugo Soeiro Moreira

Especialista em sistemas fotovoltaicos, doutorando e mestre em engenharia elétrica pela Universidade Estadual de Campinas.  Atualmente dedica-se ao estudo dos tópicos: Sombreamento de módulos, Técnicas de MPPT, e Otimizadores de Potência para Sistemas de Geração Fotovoltaica. É pesquisador do Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos (LESF) e do Laboratório de Eletrônica de Potência (LEPO) da UNICAMP.

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