Dezembro 14, 2019

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Efeito da temperatura nos módulos mono e policristalinos

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Ad Retang Trina (Início: 10/11/2019)

Introdução

Em artigo anterior falei do predomínio do silício monocristalino sobre o policristalino no mercado fotovoltaico, uma tendência que começou por volta do ano de 2018 e deve se acentuar nos próximos anos, de acordo com projeções dos principais fabricantes mundiais de células e módulos fotovoltaicos (como Jinko, Trina, Longi) e análises encontradas no mercado. Veja mais sobre o avanço do silício monocristalino neste artigo: Módulos monocristalinos vão dominar o mercado de energia solar.

O silício policristalino teria um comportamento térmico superior ao do monocristalino nas condições climáticas brasileiras quando analisamos apenas o material semicondutor. Mas quando analisamos as características das células e dos módulos fotovoltaicos comerciais isso nem sempre é verdade. Diante do cenário de possível desaparecimento do silício policristalino do mercado, é importante esclarecer para o mercado brasileiro que os módulos monocristalinos em nosso clima quente terão desempenho semelhante ao dos módulos policristalinos, podendo inclusive ser superior em alguns casos, conforme veremos a seguir.

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Ad Retangular Aldo (Início: 05/09/2019

Comportamento térmico dos módulos fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos cristalinos comerciais (mono e poli) apresentam coeficientes térmicos que determinam o seu desempenho em relação à temperatura de operação. Em algumas referências encontramos resultados que apontam que o policristalino apresenta melhor desempenho (menor redução de potência) com o aumento da temperatura, enquanto outros trabalhos dizem exatamente o contrário.

Diante da dúvida vale destacar que os coeficientes térmicos das células e dos módulos fotovoltaicos, sejam mono ou policristalinos, são muito parecidos. Os coeficientes térmicos (sobre os quais vamos falar logo à frente) dependem de vários fatores, desde o tipo de material empregado na célula até o modo como o módulo é construído.

O coeficiente que determina a variação da potência com a temperatura depende de fatores que afetam a condução da corrente elétrica, incluindo características construtivas das células, como as resistências dos contatos elétricos. Então não podemos dizer que um tipo de silício é melhor do que o outro sob o ponto de vista do comportamento térmico. Para efeitos práticos o  que importa são as características térmicas dos módulos disponíveis comercialmente.

Em consulta ao departamento técnico da Jinko Solar, obtive as seguintes informações quando questionei a origem dos baixos coeficientes térmicos de alguns módulos monocristalinos: “com a inovação na fabricação das células fotovoltaicas (como a camada de passivação para o aumento da eficiência e as novas células com maior área) e a inovação na fabricação de módulos (como a técnica half-cell) os coeficientes de temperatura têm diminuído drasticamente. As famílias Cheetah e Swan da Jinko apresentam os menores coeficientes térmicos dentre o portfólio de produtos, com valores iguais a -0,36%/°C. Isso proporciona bom desempenho mesmo em altas temperaturas.”

A figura abaixo mostra resultados de medições de eficiência realizadas com três tipos de módulos fotovoltaicos em diferentes pontos operacionais. Os resultados mostram como as eficiências das diferentes tecnologias são impactadas com o aumento da temperatura. O resultado do estudo, realizado em um país de clima tropical, mostra que na família dos cristalinos o melhor desempenho foi alcançado pelo silício monocristalino, enquanto o silício policristalino apresentou redução levemente mais acentuada de eficiência com a elevação da temperatura.

Compare na figura as nuvens de pontos vermelhos e verdes e observe como os pontos são rebaixados conforme a temperatura (no eixo horizontal) vai aumentando. No gráfico também encontramos uma nuvem de pontos azuis, que se refere à tecnologia de filmes finos -- que não estamos abordando neste artigo. A conclusão é que os comportamentos térmicos dos dois tipos de módulos cristalinos (mono e poli) são muito parecidos. Neste estudo em particular o silício monocristalino teve melhor desempenho, já que os pontos vermelhos são rebaixados numa taxa menor do que os verdes conforme a temperatura se eleva.


Figura 1: Resultado de estudo comparativo da redução de eficiência de três tipos de módulos fotovoltaicos de silício (filme-fino, monocristalino e policristalino) em função da temperatura de operação em um país de clima tropical. Fonte: https://doi.org/10.1063/1.4941865

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Ad Retangular Staubli (Início: 10/09/2019)

Coeficientes térmicos dos módulos fotovoltaicos

Vamos agora realizar uma análise das características técnicas dos módulos fotovoltaicos comerciais, com informações obtidas nas folhas de dados dos fabricantes. Dentre as características que podemos encontrar nas folhas de dados, as mais importantes sob o ponto de vista da temperatura são os coeficientes térmicos.

Os coeficientes térmicos determinam o comportamento das variáveis de saída dos módulos fotovoltaicos (potência, tensão e corrente) em função da temperatura. Nas folhas de dados encontramos três coeficientes:

Alfa: Coeficiente que mostra a variação da corrente de curto-circuito do módulo Isc com a temperatura. Esse coeficiente é muito pequeno, praticamente desprezível, e positivo. O fato de ser positivo indica que a corrente do módulo aumenta com a temperatura. Mas como esse coeficiente é muito pequeno, ele tem pouca ou nenhuma influência sobre os resultados práticos dos módulos fotovoltaicos.

Beta: Coeficiente que mostra a variação da tensão de circuito aberto do módulo Voc com a temperatura. Esse coeficiente é sempre um número negativo, o que indica que a tensão de saída do módulo diminui com o aumento da temperatura.

Gama: Coeficiente que mostra a variação da potência de pico do módulo PMPP com a temperatura. Esse coeficiente também é um número negativo, o que significa que a potência do módulo diminui quando a temperatura aumenta. Esse coeficiente revela um dos principais problemas práticos que afetam os resultados obtidos com os módulos fotovoltaicos. Em temperaturas altas alguns módulos podem sofrer uma redução maior ou menor de potência dependendo do valor desse coeficiente. Esse coeficiente pode ser utilizado como meio de comparação entre módulos de diferentes modelos e diferentes fabricantes. Quanto menor o coeficiente, menor será a influência da temperatura sobre o desempenho do módulo fotovoltaico (e mais energia elétrica será gerada).

Como explicamos acima, os coeficientes Alfa, Beta e Gama atuam sobre as variáveis de saída dos módulos fotovoltaicos: ISC, VOC, PMPP. Se você ainda tem dúvidas sobre o que são essas variáveis, leia este outro artigo: Entendendo as curvas IV e PV dos módulos fotovoltaicos.

Os coeficientes térmicos são expressos em percentual por grau Celsius (%/oC ) ou percentual por Kelvin (%/K), o que é a mesma coisa. Ou seja, os coeficientes revelam a variação percentual de alguma variável (corrente, tensão ou potência) do módulo em relação à variação da temperatura. Trocando em miúdos, os coeficientes mostram qual é a diminuição (no caso da tensão e da potência) ou o aumento percentual que a variável sofre para cada aumento ou diminuição de 1oC. Vamos analisar a seguir um exemplo de aplicação do coeficiente térmico de potência (Gama).

Exemplo:

Um determinado módulo fotovoltaico possui um coeficiente Gama = -0,37%/oC. Isso significa que a potência de pico do módulo vai diminuir 0,37% (em relação à potência PMPP nominal) para cada aumento de 1oC na temperatura de operação das células fotovoltaicas.

Considerando que a temperatura padrão de especificação dos módulos é 25oC, um módulo fotovoltaico com potência nominal de 330W, por exemplo, operando a uma temperatura de 60oC teria uma redução de potência calculada da seguinte forma:

Variação de potência = (60 – 25) x -0,37% x 330W = -42,735W

De acordo com o resultado acima esse módulo de silício cristalino vai perder 42,735W de sua potência nominal, uma redução em torno de 12%, quando operar na temperatura de 60oC. Esse valor de temperatura foi usado no exemplo pois a temperatura de operação das células fotovoltaicas é tipicamente em torno de 30oC acima da temperatura ambiente. Esse é um bom valor para exemplificar uma operação típica no clima brasileiro.

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Ad Retang - Fronius (Início: 18/09/2019)

Comparação dos módulos mono e policristalinos comerciais

Módulos fotovoltaicos cristalinos operando em elevadas temperaturas sofrem redução de eficiência e de potência. Isso é inevitável e faz parte do comportamento do silício somado a efeitos das características construtivas das células e dos módulos. Esse fenômeno da redução da temperatura ocorre tanto nos módulos policristalinos como nos monocristalinos.

Ao analisar a tabela a seguir percebemos que os módulos monocristalinos disponíveis no mercado atualmente possuem coeficientes térmicos Gama menores do que os coeficientes dos seus rivais policristalinos. Portanto os módulos de silício monocristalino vão trabalhar muito bem nas condições climáticas brasileiras, com desempenho levemente superior ao do silício policristalino em alguns casos.

Tabela 1: Características técnicas de alguns módulos fotovoltaicos comerciais.

Observando a tabela, vamos comparar os coeficientes Gama dos módulos mono e policristalinos de cada um dos três fabricantes investigados, lembrando que quanto menor o coeficiente, melhor é o desempenho do módulo.

Trina

Os módulos monocristalino (TSM-DE14A) e policristalino (TSM-PD14) convencionais têm desempenhos parecidos, com coeficientes Gama de -0,39%/oC e -0,41%/oC respectivamente. Neste caso o monocristalino é um pouco superior sob esse ponto de vista, pois possui coeficiente térmico inferior. Já quando  comparamos a família half-cell percebemos uma leve redução nos coeficientes térmicos, tanto nos módulos mono como nos policristalinos. Os menores coeficientes térmicos Gama são encontrados nos módulos monocristalinos half-cell com a tecnologia de fabricação multi-bus-bar (MBB), que reduz as resistências elétricas internas.

Parêntese: Esses assuntos serão abordados em outros artigos, mas já que falamos deles, vamos explicar. Os módulos multi-bus-bar usam conexões elétricas formadas por um número grande de fios condutores. São fios de pequeno diâmetro, que não impedem a exposição da célula à luz. A grande quantidade de fios reduz as resistências elétricas nas conexões entre as células dos módulos. Já os módulos half-cell são aqueles fabricados com células cortadas ao meio. Esse tipo de módulo tem se tornado muito comum e está entre os últimos lançamentos da maior parte dos fabricantes. O fato de ter células cortadas ao meio também reduz as resistências elétricas internas dos módulos, um assunto que será melhor explicado em outra publicação.

Jinko

Nesta tabela não encontramos um comparativo entre os módulos mono e policristalino convencionais, mas podemos ver que o módulo de menor desempenho já possui um coeficiente Gama considerado baixo, de -0,38%/oC. Quando olhamos para as células mono-PERC encontramos coeficientes que vão de -0,37%/oC a -0,36%/oC nos módulos half-cell.

Canadian

Novamente conseguimos aqui fazer uma comparação entre os módulos mono e policristalino tradicionais. O coeficiente Gama do monocristalino é  -0,38%/oC e o do policristalino é  -0,40%/oC. A diferença é pequena e deve surtir pouca diferença na prática mas, rigorosamente falando, o desempenho térmico do monocristalino é superior.

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Ad Retangular BYD (Início: 07/05/2019)

Conclusões

Os módulos monocristalinos são tão adequados para as condições climáticas brasileiras como os policristalinos. São vários os fatores que afetam o desempenho de um módulo fotovoltaico em função da temperatura e as diferenças práticas entre mono e poli são pequenas. Analisando as características de módulos atualmente disponíveis comercialmente, pode-se observar que os módulos monocristalinos investigados apresentam menores coeficientes térmicos Gama,  portanto terão melhor desempenho em climas quentes do que o seus semelhantes policristalinos. Essa é uma boa notícia, pois módulos monocristalinos vão predominar no mercado e a tendência para os próximos anos é o desaparecimento da tecnologia policristalina.

Para saber mais

The effect of temperature on the power drop in crystalline silicon solar cells, Renewable Energy, Volume 28, Issue 1, January 2003, Pages 1-12

Physics of the temperature coefficients of solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 140, September 2015, Pages 92-100

Comparative Performance Testing of Photovoltaic Modules in Tropical Climates of Indonesia, AIP Conference Proceedings 1712, 020004 (2016); https://doi.org/10.1063/1.4941865

Experimental investigation of monocrystalline and polycrystalline solar modules at diferent inclination angles, Journal of Thermal Engineering, Vol. 4, No. 4, Special Issue 8, pp. 2137-2148, June, 2018

Voltage-Dependent Temperature Coefficient of the I–V Curves of Crystalline Silicon Photovoltaic Modules, IEEE Journal of Photovoltaics (Volume: 8 , Issue: 1 , Jan. 2018)

Experimental assessment of temperature coefficient theories for silicon solar cells, IEEE Journal of Photovoltaics (Volume: 6 , Issue: 1 , Jan. 2016)

The effect of temperature on a mono-crystalline solar PV panel, 2015 IEEE Conference on Energy Conversion (CENCON)

Reducing Operating Temperature in Photovoltaic Modules, IEEE Journal of Photovoltaics ( Volume: 8 , Issue: 2 , March 2018 )

Performance analysis of photovoltaic system under thermal conditions, 2016 IEEE 1st International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES)

Influence of ambient temperature on the amount of electric energy produced by solar modules, 2009 MIXDES-16th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits & Systems


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Ad Retang - Risen (Início: 18/10/2019)

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Last modified on Sábado, 23 Novembro 2019 10:44
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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