Como substituir com segurança um módulo fotovoltaico defeituoso?

A situação não é incomum e ocorre com mais frequência do que gostaríamos. Um módulo fotovoltaico defeituoso no meio de uma string precisa ser substituído. Vidro quebrado, delaminação e células trincadas são alguns dos motivos que podem levar à substituição de um módulo fotovoltaico.

Muitas vezes demora-se até que o defeito seja percebido. Normalmente, o problema vai ser descoberto durante uma inspeção termográfica rotineira ou porque alguma irregularidade no gráfico de geração foi percebida na plataforma de monitoramento.

Mesmo que alguma irregularidade seja detectada, nem sempre é evidente onde ela se encontra. No meio de várias strings, é preciso de alguma forma identificar o módulo defeituoso.

O problema pode ser localizado pela inspeção elétrica das strings, traçando-se a curva I-V de todas as strings que se encontram ligadas em paralelo ou, pelo menos, medindo-se a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito de todas elas.

Em alguns casos o problema é identificado apenas por uma inspeção visual (é o caso de um vidro quebrado ou módulo com bolhas) ou uma inspeção termográfica, que aponta a existência de um ponto quente no módulo defeituoso.

Mesmo que o módulo fotovoltaico defeituoso esteja em perfeito funcionamento, com suas características elétricas ainda preservadas, vai ser uma fonte de dor de cabeça no futuro e precisa ser substituído o mais rápido possível.

O assunto que queremos abordar neste artigo é como substituir módulo fotovoltaico defeituoso por outro

A primeira ação que vem à mente é buscar um módulo idêntico no fornecedor. Nós sabemos que isso quase nunca vai ser possível. Com a rápida evolução da indústria fotovoltaica, um módulo que hoje está disponível nos fornecedores pode ser um produto obsoleto daqui a seis meses, já desbancado por produtos de maior potência ou maior eficiência.

A situação que enfrentamos é ilustrada na figura abaixo. O número de strings ou o número de módulos em cada string pode ser qualquer um. O problema é o mesmo: como remover um módulo defeituoso e substituí-lo por outro com segurança?

Substituir módulo fotovoltaico: é permitido misturar módulos diferentes na mesma string?

A resposta para a pergunta acima é não. Em projetos de sistemas fotovoltaicos não se deve misturar módulos distintos, seja em série ou paralelo. Módulos de diferentes modelos e fabricantes podem ter diferentes números de células e tensões de circuito aberto distintas, o que pode originar um fenômeno potencialmente perigoso: a corrente reversa.

Na prática só vamos nos deparar com uma situação real de mistura de módulos se houver a necessidade de substituir módulos quebrados ou defeituosos.

É possível trocar o módulo antigo por um módulo diferente do modelo original? Sim, você pode substituir um módulo defeituoso por outro diferente, mas alguns cuidados devem ser tomados.

No gráfico abaixo, mostramos o que pode acontecer quando dois módulos com correntes de curto-circuito (Isc) diferentes são ligados em série. O módulo A possui corrente superior à do módulo B e ambos têm o mesmo número de células e tensões de circuito aberto (Voc) idênticas.

Em uma faixa de tensão superior a 7 V, a string tem sua corrente limitada pelo módulo B , de menor corrente (Isc = 5 A). Abaixo de um determinado valor de tensão (em torno de 7 V), o diodo de bypass do módulo B vai ser ativado e a corrente máxima (do módulo A, com Isc = 10 A) poderá fluir.

Nós traçamos estes gráficos e tiramos essas conclusões a partir de uma string com apenas dois módulos (com correntes de curto-circuito de 10 A e 5 A), para ilustrar os fenômenos que ocorrem nessa composição.

Agora vamos olhar para o que acontece quando uma string com vários módulos tem um módulo diferente. Realizamos simulações de um sistema que possui strings com 12 módulos de 72 células, todos com Isc = 9.

O último módulo (No. 12) de uma das strings foi substituído por outro de corrente diferente. Inicialmente colocamos 2 strings no arranjo e posteriormente realizamos simulações com 4 strings. As simulações foram realizadas no software PSIM.

Dois casos foram analisados inicialmente (em um arranjo com apenas 2 strings):

• Caso I: um dos módulos da string tem Isc = 12 A (maior do que a dos módulos originais);
• Caso II: um dos módulos da string tem Isc = 6 A (menor do que a dos módulos originais).

Os resultados apresentados mostram que a substituição do módulo defeituoso por um de maior corrente de curto-circuito (que é o caso I) não gera qualquer tipo de problema. O único fato decorrente dessa mistura é que o módulo de maior corrente vai operar com uma tensão ligeiramente maior do que as dos demais módulos.

Do ponto de vista da string, tudo funciona normalmente. A string tem uma curva I-V perfeita e apresenta um ponto de máxima potência que pode ser facilmente rastreado pelo inversor. Já no caso II, observamos que a mistura de módulos produz na string uma curva I-V com dois pontos de máxima potência (MPP).

No MPP1 destacado no gráfico (d) do caso II o módulo de menor corrente limita a corrente dos demais. É muito provável que a grande maioria dos inversores vai colocar a string e o arranjo todo para operar neste ponto, o que representa uma considerável perda de geração para o sistema.

Supondo que o inversor tenha a capacidade de rastrear o ponto de máxima potência global (alguns inversores fazem isto), o MPP2 destacado no gráfico (d) do caso II vai ser alcançado. Neste caso o diodo de bypass do módulo de menor corrente vai estar ativado e a string vai alcançar uma corrente maior.

É interessante notar que um único módulo problemático em apenas uma string de um arranjo fotovoltaico pode perturbar o funcionamento de todo o arranjo. Os gráficos dos casos I e II mostrados na figura anterior foram produzidos com dois arranjos em paralelo.

Abaixo são ilustradas as curvas I-V de arranjos com diferentes números de strings (de 1 a 4), sendo que uma das strings possui um módulo com corrente menor. A string problemática perturba todo o arranjo, como já era esperado. A contribuição dessa string vai sendo reduzida conforme o número de strings do arranjo aumenta.

Em um sistema com um grande número de strings, a substituição de um módulo por outro de menor corrente de curto-circuito em uma das strings pode não causar problemas perceptíveis.

Obviamente, aquela string vai operar fora do seu ponto de máxima potência – como é possível observar nos gráficos (a) e (b) do caso II, na figura anterior – mas o arranjo todo não vai sofrer muito.

Entretanto, esta não é uma situação desejável, de qualquer modo. Por outro lado, em sistemas com poucas strings a contribuição da string problemática pode causar uma perturbação considerável em todo o arranjo.

Em uma situação real, o módulo substituto deve ter suas características próximas das características do módulo original. O primeiro critério de escolha para a reposição de um módulo quebrado deve ser a busca de um módulo de potência próxima e com o mesmo número de células. Em seguida deve-se observar a corrente de curto-circuito. A corrente Isc do módulo substituto deve ser superior à corrente do módulo original.

Para elaborar os gráficos anteriores nós intencionalmente escolhemos módulos com 3 A de diferença (Isc = 12 A e Isc = 6 A) em relação aos módulos originais (Isc = 9 A), para produzir situações extremas. Na prática as diferenças entre as correntes serão sempre menores. Veja, por exemplo, as características de alguns módulos mostradas na tabela a seguir.

A tabela mostra as características de módulos fotovoltaicos que foram analisados para um caso real de substituição de um módulo defeituoso. O módulo original tem potência de 335 W e os modelos inicialmente sugeridos para a troca têm potências de 365 W e 345 W.

Além das potências, as tensões de circuito aberto (Voc) de todos eles são muito próximas, indicando que todos têm o mesmo número de células. O principal e último critério a ser analisado para a escolha do módulo substituto é a corrente de curto-circuito.

As duas sugestões de troca mostradas na tabela são adequadas, pois ambas têm corrente de curto-circuito superior à do módulo original, embora a diferença entre as correntes seja pequena. Esta é a regra que devemos seguir para a reposição de módulos defeituosos em sistemas fotovoltaicos.

E quando não encontramos um módulo de potência muito próxima? Podemos realizar a substituição mesmo assim?

Vamos analisar uma outra situação, na qual um módulo de 390 W é proposto em substituição ao módulo original de 335 W. Existe uma discrepância não desprezível entre as duas potências, mas será que isso é um problema?

Ambos os módulos possuem 72 células e têm tensões de circuito aberto relativamente próximas (45,8 V e 49,3 V). A corrente de curto-circuito do módulo novo é maior (10,12 A) do que a do módulo original (9,54 A), então por este critério poderíamos fazer a substituição com segurança.

A dúvida ainda reside na discrepância de potência. Embora seja recomendada a substituição por um módulo de potência próxima, para garantir a máxima compatibilidade entre os módulos, os resultados de simulações mostrados a seguir mostram que podemos, sim, adotar na substituição um módulo de potência diferente, respeitando-se sempre o critério da corrente de curto-circuito.

Finalmente, um último questionamento que poderíamos fazer é sobre o comportamento da string com a variação da temperatura, sobretudo neste caso em que estamos utilizando módulos com uma grande discrepância de potência.

Os gráficos mostrados até agora consideram uma temperatura de operação das células de 25 ºC. Nós sabemos que em nenhuma situação prática um módulo vai operar nesta temperatura.

A figura a seguir ilustra o resultado de uma simulação com a temperatura de 60 ºC. A situação se repete, sem qualquer surpresa: o módulo substituto opera com tensão ligeiramente superior à dos demais e a reposição do módulo danificado pode ser realizada com segurança.

Conclusões

A substituição de um módulo de uma string por outro de menor corrente de curto-circuito (Isc) não é recomendável, pois isto causa perturbação à string e ao arranjo fotovoltaico como um todo. Neste caso surgem múltiplos pontos de máxima potência, que podem dificultar a operação do sistema fotovoltaico.

Por outro lado, a substituição de um módulo de uma string por outro de maior corrente de curto-circuito (Isc) não causa problemas. Preferencialmente, na substituição deve-se utilizar um módulo com potência e tensão de circuito aberto (Voc) próximas às do módulo original, para preservar as características da string.

Entretanto, alguma discrepância de potência é permitida desde que as demais características dos módulos sejam semelhantes (número de células, tensão de circuito aberto) e o módulo substituto tenha maior corrente de curto-circuito.

Em resumo, a substituição de um módulo defeituoso de uma string deve seguir os seguintes critérios. O módulo substituto deve ter (em relação ao módulo original):

• Potência de pico compatível;
• Mesmo número de células;
• Tensão de circuito aberto (Voc) similar;
• Corrente de curto-circuito (Isc) superior.

A observância dos quatro critérios listados acima, especialmente o último, garante que a substituição de um módulo defeituoso de uma string possa ser feita com absoluta segurança.