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A tecnologia half-cell

A tecnologia half-cell consiste na construção de módulos fotovoltaicos com células cortadas ao meio. No lugar das tradicionais células quadradas, utilizam-se células retangulares. O que se consegue com isso são módulos mais eficientes e com aproximadamente as mesmas dimensões e o mesmo custo de um módulo comum. Além disso, as células de dimensões reduzidas sofrem menos estresse mecânico, estando menos sujeitas à originação de microfissuras (micro cracks), uma das principais causas da redução da eficiência e da vida útil dos módulos fotovoltaicos.

Figura 1: Módulo fotovoltaico com células cortadas ao meio (half-cell) com as mesmas dimensões de um módulo comum. Fonte: Vikram Solar

As células já são fornecidas cortadas ao meio pelos fabricantes de células. Para os fabricantes de módulos o processo produtivo com células half-cell é muito parecido com o das células comuns, sendo necessários apenas pequenos ajustes para a alimentação das linhas de produção com um ou outro tipo de célula.  

Células solares retangulares (em vez de quadradas) não são uma novidade na família dos módulos policristalinos. A "inovação" que só agora chegou ao mercado são os módulos baseados em células monocristalinas half-cell.

Enquanto as células policristalinas já podem ser fabricadas no formato retangular, as células monocristalinas (por causa do processo de fabricação do lingote cristalino) só podem ser fabricadas no formato quadrado (ou originalmente circular).

Para produzir half-cells retangulares é necessário utilizar um processo para o corte da célula quadrada, o que não é tão simples. O corte pode ser feito por processos mecânicos ou a laser. O método de corte a laser TLS (Laser Termal Separation) permite a divisão das células sem praticamente nenhum dano mecânico. 

Figura 2: Módulos poli e monocristalinos half-cell.

Vários fabricantes estão ofertando módulos com 144 células, que são a versão half-cell dos tradicionais módulos de 72 células. Os módulos mais eficientes hoje encontrados comercialmente, ultrapassando 20%, são os mono-PERC com células half-cell bifaciais. Módulos de 144 ou 72 células são muito similares, com características mecânicas e elétricas muito parecidas. O que se ganha com as half -cells é um aumento da eficiência do módulo, como explicaremos a seguir.

Aumento da eficiência

Células cortadas ao meio produzem metade da corrente elétrica de uma célula convencional, já que a potência elétrica depende do quadrado da corrente. Com a metade da corrente circulando em cada célula, as perdas ôhmicas nos terminais e contatos elétricos e nas próprias células são reduzidas a 1/4 das perdas originais, pois a perda ôhmica do módulo torna-se P = R (i/2)2 = Ri2/4, ao passo que originalmente as perdas seriam P = Ri2, assumindo que as resistências ôhmicas presentes nos módulos são aproximadamente as mesmas para os dois tipos de células.

O aumento da eficiência do módulo half-cell também é mais elevado devido ao espaçamento existente entre as células, que eleva a eficiência óptica ao permitir maior espalhamento da luz que incide sobre as células.

Figura 3: A corrente elétrica é reduzida à metade nas células half-cell, possibilitando menores perdas ôhmicas.

Tolerância a sombras

Módulos half-cell têm maior tolerância a sombras do que os módulos tradicionais. A figura abaixo mostra o que pode acontecer em dois módulos diferentes (half-cell e padrão) quando sujeitos a uma mesma sombra. A divisão das células em um maior número de grupos, como ocorre nos módulos half-cell, permite desacoplar o efeito das sobras quando incidem em apenas determinadas partes dos módulos (sombras parciais). 

Figura 4: O efeito das sombras parciais é menos impactante nos módulos half-cell. Fonte: Abisolar

Desempenho térmico

Nos módulos fotovoltaicos convencionais existe uma única caixa de junção que contém diversas conexões elétricas e aloja tipicamente três diodos de bypass. Com a distribuição de circuitos de um módulo half-cell, conforme vemos na figura abaixo, é necessário distribuir os diodos de bypass em vez de confiná-los a uma única caixa. A presença de múltiplas caixas de junção (junction box) acaba sendo também um aspecto positivo, pois isso reduz o aquecimento localizado causado pela presença da junction box. Experimentos apontam que a temperatura das caixas de junção dos módulos half-cell pode ser de 15oC a 20oC menor do que a encontrada na caixa de junção única dos módulos convencionais. 

Figura 5: Módulo half-cell com três caixas de junção na parte traseira. Isso é necessário para alojar os diodos de bypass, que devem ficar nessas posições por serem compartilhados pelos circuitos das duas metades dos módulos. Essa distribuição de caixas de junção tem um impacto positivo no comportamento térmico do módulo.

A redução da corrente que circula pelas resistências ôhmicas, também reduzidas à metade em cada meia célula, faz com que a dissipação de calor seja reduzida. Na ocorrência de hot spots, fenômeno que surge quando existe corrente reversa circulando pelos módulos, a elevação de temperatura será reduzida, reduzindo o risco de danos aos módulos ou incêndios. De um modo geral a circulação de correntes de intensidade reduzida melhora o desempenho térmico do módulo de forma global, não somente no que diz respeito à corrente reversa, mas também durante a operação normal.

Figura 6: O uso de células half-cell possibilita a redução da temperatura global de operação do módulo, o que consequentemente aumenta a eficiência da conversão fotovoltaica. Fonte: Trina DuoMax Twin Brochure

Características dos módulos comerciais

Na tabela abaixo vemos as características STC (Stardard Test Condition) e NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) de um módulo fotovoltaico comercial. As tensões e correntes de saída são aproximadamente as mesmas (ou seja, da mesma ordem de grandeza) que seriam encontradas em um módulo convencional.

Se todas as meias células estivessem em série, o módulo teria o dobro da tensão de um módulo comum, com metade da corrente. Entretanto, como vimos anteriormente, as células cortadas pela metade são agrupadas em dois conjuntos paralelos dentro do módulo, cada um com 72 meias células em série (no módulo de 144 células) o que faz com que a tensão e a corrente total (obtida nos terminais do módulo) sejam compatíveis com as dos módulos convencionais. 

A tabela também revela o baixo coeficiente térmico do módulo (-0,36%/oC) em comparação com módulos convencionais (tipicamente acima de -0,38%/oC).

Tabela 1: Características STC e NOCT dos módulos Cheetah HC 72M da Jinko.

Para saber mais

Mechanical damage of half-cell cutting technologies in solar cells and module laminates, AIP Conference Proceedings 1999, 020013 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5049252


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Last modified on Sábado, 16 Novembro 2019 16:52
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. É docente e pesquisador do quadro permanente da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introduçao à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

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