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O efeito PID e sua ação sobre os módulos solares

O que é o efeito PID?

O PID (do inglês Potential Induced Degradation - degradação induzida por potencial) é um efeito indesejado de degradação do módulo fotovoltaico que pode causar perdas significativas de potência ao longo do tempo.

Um arranjo de módulos fotovoltaicos conectados em série apresenta tensão total igual à soma das tensões dos módulos individuais. Como as células dentro do módulo estão conectadas em série, podemos enxergar esse arranjo como um circuito série contendo todas as células.  A tensão elevada a que cada célula está submetida pode dar origem a correntes de fuga indesejadas entre as células e outras partes dos módulos. A carcaça metálica dos módulos é sempre aterrada, portanto em topologias de inversores que não permitem o aterramento do pólo positivo ou negativo do arranjo fotovoltaico existe uma diferença de potencial entre as células e as carcaças ou entre as células e o vidro.

Por exemplo, um módulo fotovoltaico possui cerca de 35 V de tensão durante a sua operação. Se este módulo estiver conectado em série com mais 20 módulos, tem-se uma tensão de string de 700 V. Idealmente as tensões dos polos positivo e negativo devem ser simétricas em relação à tensão de aterramento. Caso isso seja verdade, as células mais próximas do pólo negativo estarão a uma diferença de potencial de -350 V em relação à carcaça metálica do módulo. A figura abaixo ilustra a distribuição de tensão de um arranjo fotovoltaico.

Figura 1. Distribuição de tensão em um arranjo com simetria em relação ao aterramento.

Essa diferença de potencial negativa pode induzir uma corrente de fuga entre as células e os outros elementos do módulo, causando uma mobilidade de íons que é prejudicial à geração de energia. Essa mobilidade diminui a eficiência de geração da célula pois perturba o equilíbrio de cargas do semicondutor necessário para a geração de corrente. A mobilidade também pode causar corrosão interna dos componentes do módulo.

Figura 2. Vista em corte mostrando o fluxo de cargas positivas e negativas entre os componentes do módulo durante a ocorrência de PID.

O efeito de PID é mais proeminente quando há tensão negativa entre a célula e o aterramento. A distribuição das células mais afetadas em um arranjo é mostrada abaixo.

Figura 3. Distribuição de células afetadas pelo PID em um arranjo de módulos. Quanto mais escura a célula, maior o efeito do PID.

Fatores ambientais externos também têm influência na intensidade do efeito de PID no módulo. A alta umidade diminui a resistência entre a carcaça metálica do módulo e o aterramento, e a alta temperatura ambiente eleva a mobilidade dos íons aumentando assim as correntes de fuga entre as células afetadas e os componentes do módulo. Uma fonte importante dos íons indesejados vem da própria construção dos módulos. Vidros de baixa qualidade podem liberar íons de sódio durante o surgimento dessa corrente de fuga e encapsulantes de baixa qualidade permitem maior permeabilidade de umidade no módulo, agravando os efeitos do PID.

Figura 4. Eletroluminescência de módulo submetido a um teste acelerado de PID. O módulo é capaz de produzir somente 60% da sua potência após um período de testes de 15h. O teste foi realizado com temperatura ambiente de 85°C, 85% de umidade relativa do ar e tensão de -1000 V. As áreas mais escuras representam as células afetadas.

A relação entre inversores e o PID

Existem duas topologias de inversores disponíveis para o mercado solar: com ou sem transformador interno. Inversores com transformador interno possuem um transformador responsável pela transmissão de energia de um circuito do inversor para o outro através do meio magnético, isto é, a entrada e a saída de energia são eletricamente separadas pelo transformador. Esses inversores também podem ser chamados de galvanicamente isolados. Nesse tipo de inversor é possível conectar o aterramento ao polo negativo do arranjo, diminuindo assim a tensão negativa que influencia o surgimento do PID.

Os inversores do tipo sem transformador são os mais comuns do mercado, pois possuem algumas vantagens como menores custo, tamanho e peso e maior eficiência. Porém, nesse tipo de inversor não é possível conectar o aterramento aos polos do arranjo fotovoltaico. Caso isso ocorra o inversor se desligará para evitar danos. Nesse tipo de topologia as tensões positiva e negativa do arranjo tipicamente são simétricas à tensão do aterramento. Portanto, esse tipo de inversor favorece o aparecimento da tensão negativa que aumenta o efeito PID.

Como mitigar o efeito PID

Existem algumas ações que podem ser tomadas para se mitigar o efeito PID. A principal delas é selecionar módulos de qualidade, nos quais os fabricantes tenham utilizado materiais que diminuem o efeito do PID para próximo de zero, aumentando a resistência elétrica entre a célula e a carcaça metálica, diminuindo a entrada de umidade e diminuindo a disponibilidade de íons cedidos pelos materiais do módulo com o emprego de vidros de boa qualidade.

Caso seja uma opção compatível com o projeto, podem-se também utilizar inversores com transformador interno, uma vez que essa topologia permite o aterramento do condutor negativo do arranjo, o que ajuda a reduzir o efeito PID.

Existem ainda algumas tecnologias que podem ser integradas aos inversores ou aplicadas em outros equipamentos que diminuem o efeito PID. Durante a noite o inversor ou o equipamento fornece uma tensão contrária à tensão de funcionamento do arranjo. Como o PID surge da polarização entre as células e o painel, a aplicação de uma tensão contrária reverte a polarização que ocorreu durante o dia. Uma parte dos efeitos negativos do PID pode ser revertida com a aplicação dessa tensão reversa.

Figura 5. Exemplo de dispositivo anti-PID que aplica uma tensão reversa no arranjo durante a noite.

Em geral os projetos fotovoltaicos já instalados podem operar com tensões de string de 1000 V e, com o avanço das tecnologias de módulos e inversores, já estão se popularizando sistemas que operam em 1500 V. O movimento da indústria em migrar para sistemas de maior tensão de operação tornará as medidas anti-PID cada vez mais necessárias.


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Last modified on Terça, 06 Agosto 2019 17:27
Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP. 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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