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Influência do número de diodos de bypass no desempenho de painéis FV com sombras

Embora a principal função do diodo de bypass seja a prevenção do hotspot, existe um efeito sobre o desempenho do módulo

Autor: 30 de julho de 2021agosto 6th, 2021Artigos técnicos
Influência do número de diodos de bypass no desempenho de painéis FV com sombras

O problema do sombreamento parcial em módulos fotovoltaicos, além de causar perda de geração, é muitas vezes responsável pelo aparecimento de hotspots (pontos de aquecimento) nas células fotovoltaicas, como ilustrado na Figura 1.

Para evitar o efeito do hotspot, os fabricantes adicionam diodos de bypass em paralelo com um conjunto de células fotovoltaicas. Na maior parte dos módulos comercialmente disponíveis existem três diodos de bypass.

Tipicamente as sombras cobrem um certo número de células do módulo fotovoltaico.

Entretanto, em situações extremas é possível que ocorram sombras localizadas em um pequeno número de células – no pior caso, em apenas uma célula – o que pode impedir o funcionamento do diodo de bypass, levando à ocorrência do hotspot. 

Figura 1: Efeito de uma sombra localizada sobre um módulo fotovoltaico convencional

Sombras localizadas podem ser causadas por obstáculos como chaminés, postes, cabos de distribuição de energia ou sujeira de pássaros, como ilustra a Figura 2.

Figura 2: Causa frequente de sombra localizada em módulo fotovoltaico

A prevenção total do hotspot pode ser realizada com a adição de um diodo de bypass para cada célula do módulo fotovoltaico. 

Embora a maior parte dos fabricantes prefira a solução de diodo de bypass coletivo (para um grupo de células fotovoltaicas), a solução do diodo de bypass individual (como ilustram as Figuras 3 e 4) já existe comercialmente, tendo sido introduzida com exclusividade no mercado pela AE Solar, fabricante de módulos fotovoltaicos sediada na Alemanha.

Figura 3: O diodo de bypass dedicado pode ser aplicado individualmente às células de um módulo fotovoltaico. Fonte: AE SOlar/reprodução

Figura 4: Módulo fotovoltaico hotspot-free da linha AE Smart, da fabricante alemã AE Solar, que possui um diodo de bypass para cada célula. Fonte: AE SOlar/reprodução

Estudo experimental

Um estudo conduzido pelo Instituto Fraunhofer (Alemanha) com módulos da AE Solar, validou a solução de diodo individual a partir de um experimento com dois módulos fotovoltaicos, um tradicional (com diodo coletivo) e outro com diodo dedicado, do tipo hotspot-free. 

Saiba mais: AE Solar desenvolve módulo livre de hot-spot e resistente a sombreamento

O experimento foi realizado com a aplicação de sombras parciais sobre os módulos através da adição de anteparos opacos sobre células ou grupos de células, como mostra a Figura 5.

Figura 5: Experimento com sombreamento parcial conduzido pelo Instituto Fraunhofer com um módulo fotovoltaico hotspot-free da AE Solar. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

No experimento foram empregadas três condições, aplicadas aos dois tipos de módulos analisados:

  • Condição de teste 1: Sombreamento de apenas uma célula;
  • Condição de teste 2: Sombreamento de uma fileira de células;
  • Condição de teste 3: Sombreamento de várias fileiras de células.

Uma fileira de células é definida como um grupo de células alinhadas horizontalmente (considerando-se o módulo na posição retrato), mas não pertencentes à mesma string, como mostra a Figura 6.

Figura 6: Condições de sombreamento parcial empregadas no estudo. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Resultados do estudo

A seguir são mostrados resultados do estudo experimental realizado. Os resultados mostram a influência do efeito dos diodos de bypass sobre a potência gerada pelo módulo fotovoltaico. 

Embora a principal função do diodo de bypass seja a proteção contra a ocorrência do hotspot, existe um efeito colateral (desejável) do diodo sobre o desempenho do módulo fotovoltaico.

No módulo tradicional, a ativação de um diodo de bypass ocasiona a perda de uma string completa de células. No módulo hotspot-free, por outro lado, a perda é gradual, proporcional ao número de células sombreadas, como mostra a Figura 7.

Figura 7: Perda de potência dos módulos fotovoltaicos com a condição de teste 1 – sombreamento de apenas uma célula. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

O gráfico da Figura 7 mostra que o sombreamento de apenas 60% de uma célula ocasiona a perda de 1/3 da potência de saída do módulo fotovoltaico convencional. Isso se explica pela remoção de uma string inteira (20 células) quando um dos diodos de bypass é ativado. 

Por outro lado, conforme mostra também a Figura 7, no módulo hotspot-free da AE Solar a potência se mantém em torno de 97% na mesma condição de teste.

Um fato interessante que pode ser observado na Figura 6 é que existe uma relação quase linear entre o percentual de sombreamento e a redução de potência do módulo hotspot-free. 

No caso mostrado, apenas 1 célula (dentre as 60) do módulo fotovoltaico é sombreada, o que corresponderia a um sombreamento de 98,3% – considerando apenas a área ativa do módulo, ou seja, a área correspondente à superfície das células fotovoltaicas.

Os resultados da Figura 7 se explicam a partir das curvas I-V dos módulos fotovoltaicos, mostradas na Figura 8, quando submetidos às condições descritas anteriormente.

As Figuras 9 a 12 mostram os resultados obtidos com as demais condições de teste, ou seja, com o sombreamento de 1 fileira e de várias fileiras dos módulos fotovoltaicos.

Figura 8: Curvas I-V dos módulos na condição de teste 1. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Figura 9: Perda de potência dos módulos fotovoltaicos com a condição de teste 2 – sombreamento de apenas uma fileira. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Figura 10: Curvas I-V dos módulos na condição de teste 2. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Figura 11: Perda de potência dos módulos fotovoltaicos com a condição de teste 3 – sombreamento de várias fileiras. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Figura 12: Curvas I-V dos módulos na condição de teste 3. Fonte: Fraunhofer/AE Solar/reprodução

Análise dos resultados e conclusão

Realizou-se um experimento para avaliar o desempenho de um módulo fotovoltaico hotspot-free da AE Solar em comparação com um módulo convencional sob condições de sombreamento parcial.

No experimento conduzido pelo Instituto Fraunhofer foram realizados testes com diferentes condições de sombreamento, de acordo com três padrões aplicados igualmente aos dois tipos de módulos avaliados: sombreamento de apenas uma célula, sombreamento de uma fileira e sombreamento de várias fileiras.

Com o sombreamento de apenas uma célula o módulo hotspot-free da AE Solar apresentou perdas de apenas 3%, enquanto o módulo convencional perdeu 35% da potência.

Com o sombreamento de uma fileira o módulo padrão perde 100% da sua potência, tendo seus três diodos de bypass ativados. Na mesma condição, o módulo hotspot-free da AE Solar perde apenas 20% da potência total.

Com o sombreamento de várias fileiras a potência do módulo hotspot-free da AE Solar diminui linearmente com o aumento da área sombreada do módulo. Por outro lado, o módulo convencional perde totalmente sua potência quando tem 50% das fileiras sombreadas.

É importante salientar que o resultado obtido com o teste na condição 3 é válido apenas quando o sombreamento ocorre de baixo para cima. Se a sombra avançar na direção horizontal (da direita para a esquerda ou vice-versa) a perda de potência no módulo convencional poderá ser ainda maior.

Este artigo focou no problema da perda de potência com sombras parciais. Este problema pode ser amenizado com o uso de um maior número de diodos de bypass no módulo fotovoltaico – idealmente, um diodo para cada célula, como é o caso dos módulos hotspot-free da AE Solar.

Referências

Electrical Characterization of hotspot-free and standard module. Hamed Hanifi, Frank Wenger, Jens Schneider, Report No. 389/2018, Fraunhofer
https://hsfsolar.com/smart-hot-spot-free-modules/ – acessado em 28/07/2021
Termografia aérea de usinas solares fotovoltaicas https://canalsolar.com.br/termografia-aerea-de-usinas-solares-fotovoltaicas/ – acessado em 28/07/2021

Canal Solar

Canal Solar

Equipe de Engenharia do Canal Solar

Um comentário

  • Ramon Souza disse:

    Isso significa que o uso do diodo por célula e altamente eficaz, artigo de alta qualidade de informações, espero que o próximo artigo seja sobre o uso de mppt por celula em painéis, para solução do sombreamento, pois já estão sendo aplicados pela Jinko Solar.

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