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Diodos de bypass e hot spots dos módulos fotovoltaicos

Quando um painel solar é parcialmente sombreado há o risco de aparecimento de hots spots

Autor: 11 de outubro de 2019junho 8th, 2021Artigos técnicos
Diodos de bypass e hot spots dos módulos fotovoltaicos

Quando um módulo fotovoltaico é parcialmente sombreado há o risco de aparecimento de pontos quentes conhecido como hot spots.

O painel solar contém um mecanismo que visa diminuir o impacto negativo que um sombreamento parcial pode causar no módulo. Para tal, utiliza-se um diodo de desvio, também conhecido como diodo de bypass.

Neste artigo, serão mostrados o circuito equivalente de um módulo e seu princípio de geração de energia, a fim de explicar como surge o hot spot e qual o papel do diodo de bypass.

 

Caracterização de um diodo

O diodo é um componente eletrônico cujo funcionamento se assemelha ao de uma válvula – o dispositivo permite a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido e bloqueia a passagem no sentido contrário.

O diodo de junção P-N conduz corrente quando existe uma tensão entre seus terminais positivo e negativo maior do que uma determinado valor limite, tipicamente 0,7 V para diodos de silício cristalino. 

A esta tensão dá-se o nome de tensão de polarização direta. Na polarização direta o diodo se comporta como um bom condutor acima da tensão de 0,7 V.

Enquanto a tensão de polarização não for atingida ou se dispositivo for polarizado de maneira inversa pelos seus terminais, o diodo não conduz corrente.

Figura 1: Curva típica de operação de um diodo de junção P-N

Figura 1: Curva típica de operação de um diodo de junção P-N

Quando a polarização inversa do diodo ultrapassar a tensão de ruptura do diodo o mesmo perde a capacidade de bloquear corrente no sentido inverso, podendo se danificar no processo e permitindo passar uma corrente elevada, chamada de corrente de avalanche. A curva de funcionamento típica de um diodo é mostrada abaixo.

Caracterização das células fotovoltaicas

As células fotovoltaicas têm uma estrutura similar à de um diodo de junção P-N, com o diferencial de serem capazes de gerar eletricidade através do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico explica a geração de tensão e corrente em um material semicondutor exposto a luz. De maneira resumida, os fótons de luz interagem com os elétrons da camada de valência dos semicondutores e causam o aparecimento de uma corrente, que é proporcional à quantidade de interações entre fótons e elétrons da estrutura cristalina. Este fluxo de corrente em um semicondutor do tipo P-N causa o aparecimento de uma tensão interna no material. Quando essa tensão interna atinge certo limite uma parte da corrente gerada pelo efeito fotovoltaico é desviada pela junção P-N da célula, limitando a quantidade de corrente que pode ser fornecida ao circuito. A soma desses dois fenômenos — a geração de corrente pelo efeito fotovoltaico e o desvio de parte dessa corrente pela junção P-N — resulta a curva característica I x V da célula. Para saber mais sobre a curva I x V do módulo, leia nosso artigo: Entendendo as curvas IV e PV dos módulos fotovoltaicos.

Figura 2: Esquerda: comportamento "corrente x tensão" causado pela incidência da luz sobre a célula fotovoltaica, gerando a intensidade de corrente Ipv. Direita: comportamento "corrente x tensão" típico de uma junção P-N. A soma dos dois comportamentos resulta a curva I-V (corrente x tensão) característica de uma célula fotovoltaica que vemos na figura abaixo

Figura 2: Esquerda: comportamento “corrente x tensão” causado pela incidência da luz sobre a célula fotovoltaica, gerando a intensidade de corrente Ipv. Direita: comportamento “corrente x tensão” típico de uma junção P-N. A soma dos dois comportamentos resulta a curva I-V (corrente x tensão) característica de uma célula fotovoltaica que vemos na figura abaixo

Figura 3: Superposição de efeitos culminando na curva I x V de uma célula fotovoltaica

Figura 3: Superposição de efeitos culminando na curva I x V de uma célula fotovoltaica

Podemos modelar uma célula fotovoltaica ideal através do circuito abaixo (Figura 4), onde a fonte de corrente caracteriza o efeito fotovoltaico e depende somente da quantidade fótons de luz que incidem sobre o semicondutor, enquanto o diodo caracteriza a natureza da junção P-N das células.

Dá-se o nome de corrente de geração (Ipv) à corrente gerada pelo efeito fotovoltaico e corrente de escuro (Id) a corrente desviada pela junção P-N interna.

Figura 4: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. Iout representa a corrente disponibilizada pela célula ao circuito externo

Figura 4: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. Iout representa a corrente disponibilizada pela célula ao circuito externo

Para caracterizar um módulo fotovoltaico composto por células ideais devemos conectar os circuitos equivalentes de cada célula em série, conforme mostra a Figura 5 a seguir.

Figura 5: Circuito elétrico equivalente de um módulo fotovoltaico, com células em série. O fluxo de corrente está representado pelas linhas em azul. A associação possui tensão equivalente ao número de células vezes a tensão de cada célula Vcell

Figura 5: Circuito elétrico equivalente de um módulo fotovoltaico, com células em série. O fluxo de corrente está representado pelas linhas em azul. A associação possui tensão equivalente ao número de células vezes a tensão de cada célula Vcell

Causas e prevenção de hot spots

Quando o módulo estiver operando sem sombreamento, a corrente de geração de cada célula é igual, e a tensão em que se encontra o diodo que representa a junção P-N é tal que há somente um pequeno fluxo de corrente de escuro pelo mesmo. Quando há o sombreamento de uma célula, a fonte que representa o efeito fotovoltaico cessa, fazendo com que o único caminho para a corrente gerada pelas outras células seja a junção P-N da célula afetada. A tensão a que a junção P-N da célula afetada fica submetida faz com que o diodo equivalente opere na região de polarização reversa, permitindo a circulação de uma corrente igual à corrente de geração das outras células, porém dissipando uma grande quantidade de energia. A potência dissipada na junção (ou célula) reversamente polarizada equivale ao produto da corrente de geração das outras células e da tensão reversa negativa. Para um arranjo típico de módulos, 20 células de 0,5 V cada e 9 A de corrente de geração, a potência dissipada seria da ordem de 80 W, suficiente para danificar a célula sombreada e causar um aumento de temperatura localizado, conhecido como hot spot.

Figura 6: A curva de operação normal do módulo está representada pela linha azul. Quando há o sombreamento de uma célula surge uma tensão reversa de valor -Vc (cujo valor depende da quantidade de células em série) que causará a operação do diodo equivalente em polarização reversa e o aparecimento de pontos quentes (hot spots)

Figura 6: A curva de operação normal do módulo está representada pela linha azul. Quando há o sombreamento de uma célula surge uma tensão reversa de valor -Vc (cujo valor depende da quantidade de células em série) que causará a operação do diodo equivalente em polarização reversa e o aparecimento de pontos quentes (hot spots)

Para evitar o surgimento de um hot spot deve haver um mecanismo que, quando uma ou mais células de uma série estiverem sombreadas, haja um caminho de menor resistência para a corrente das outras células ou séries fluir.

O dispositivo que desvia a corrente e evita o hotspot é o diodo de bypass. Quando a célula ou módulo estão operando sem sombreamentos parciais, o diodo de bypass está polarizado reversamente e não conduz corrente.

Quando ocorre sombreamento é suficiente para a ativação do diodo de bypass, a corrente é desviada do circuito afetado.

Figura 7: (a) Células em série durante funcionamento normal. A corrente circula pela fonte de corrente e não há ativação do diodo de bypass. (b) Célula sombreada afetando a circulação de corrente do restante da série. A corrente é desviada pelo diodo de bypass para evitar o aquecimento do diodo da célula afetada

Figura 7: (a) Células em série durante funcionamento normal. A corrente circula pela fonte de corrente e não há ativação do diodo de bypass. (b) Célula sombreada afetando a circulação de corrente do restante da série. A corrente é desviada pelo diodo de bypass para evitar o aquecimento do diodo da célula afetada

A ativação do diodo de bypass faz com que a corrente da série afetada circule somente na própria série, não podendo ser exportada para o restante do circuito. Isto causa uma queda de produção do módulo afetado.

Para evitar que pequenas sombras causem a queda de produção total de um módulo, os fabricantes organizam a série de células do módulo de tal forma que haja tipicamente 3 diodos de bypass, que são alocados na caixa de junção.

Desta forma, um sombreamento em uma célula desvia do circuito a corrente de  somente ⅓ do módulo afetado.

Figura 8: Ilustração de um módulo fotovoltaico de 60 células, com 3 diodos de bypass alocados na caixa de junção. O sombreamento de uma célula causa o desvio da corrente em ⅓ do módulo

Figura 8: Ilustração de um módulo fotovoltaico de 60 células, com 3 diodos de bypass alocados na caixa de junção. O sombreamento de uma célula causa o desvio da corrente em ⅓ do módulo

Figura 9: Módulo afetado por sombreamento. Não há pontos quentes na porção totalmente sombreada pois o diodo de bypass desviou a corrente. Porém, há uma pequena porção de sombra que não é suficiente para ativar o segundo diodo de bypass. Nessa região ocorreu um hot spot com temperatura de 110,5 ºC

Figura 9: Módulo afetado por sombreamento. Não há pontos quentes na porção totalmente sombreada pois o diodo de bypass desviou a corrente. Porém, há uma pequena porção de sombra que não é suficiente para ativar o segundo diodo de bypass. Nessa região ocorreu um hot spot com temperatura de 110,5 ºC

Como o sombreamento é a causa do surgimento de hot spots e da ativação do diodo de bypass, o mesmo deve ser evitado durante a etapa de projeto do sistema e em campo pela limpeza de eventuais dejetos animais ou sujeiras.

 

Mateus Vinturini

Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas). Entusiasta de ciências e tecnologia, com experiência no ramo da energia solar, tanto no âmbito comercial como em projeto, dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos. 

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