22 de outubro de 2021

O efeito PID e sua ação sobre os módulos fotovoltaicos

Saiba o que é o efeito PID e o que ele pode causar nos módulos FV

Autor: 4 de agosto de 2019janeiro 18th, 2021Artigos técnicos
O efeito PID e sua ação sobre os módulos fotovoltaicos

O PID (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

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

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

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

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

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.


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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