O Conjunto Solar Fotovoltaico
Se os painéis solares fotovoltaicos forem compostos por células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então oMatriz Fotovoltaica Solar, também conhecido simplesmente como umPainel Solaré um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Um conjunto fotovoltaico é, portanto, múltiplos painéis solares eletricamente ligados para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema PV) chamada matriz, e, em geral, quanto maior a área total de superfície do conjunto, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo utiliza um conjunto fotovoltaico como principal fonte para a geração do fornecimento de energia elétrica. A quantidade de energia solar produzida por um único painel ou módulo fotovoltaico não é suficiente para uso geral.
A maioria dos fabricantes produz um painel fotovoltaico padrão com tensão de saída de 12V ou 24V. Ao conectar muitos painéis fotovoltaicos individuais em série (para maior necessidade de tensão) e em paralelo (para maior demanda de corrente), o conjunto fotovoltaico produzirá a potência desejada.
Um Painel Solar Fotovoltaico
Células e painéis fotovoltaicos convertem a energia solar em eletricidade de corrente contínua (DC). A conexão dos painéis solares em um único conjunto fotovoltaico é a mesma das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em um arranjo podem ser conectados eletricamente entre si em série, em paralelo ou em uma mistura dos dois, mas geralmente uma conexão em série é escolhida para aumentar a tensão de saída. Por exemplo, quando dois painéis solares estão conectados em série, sua tensão é dobrada enquanto a corrente permanece a mesma.
O tamanho de um conjunto fotovoltaico pode consistir em alguns módulos ou painéis fotovoltaicos individuais conectados em um ambiente urbano e montados em um telhado, ou pode consistir em centenas de painéis fotovoltaicos interligados em um campo para fornecer energia a toda uma cidade ou bairro. A flexibilidade do sistema fotovoltaico modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar capazes de atender a uma grande variedade de necessidades elétricas, não importa o tamanho ou menor do tamanho.
É importante notar que painéis ou módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes não devem ser misturados em um único conjunto, mesmo que suas saídas de potência, tensão ou corrente sejam nominalmente semelhantes. Isso ocorre porque diferenças nas curvas características I-V das células solares, bem como sua resposta espectral, provavelmente causarão perdas adicionais por desajuste dentro do conjunto, reduzindo assim sua eficiência geral.
As Características Elétricas de um Conjunto Fotovoltaico
As características elétricas de um conjunto fotovoltaico são resumidas na relação entre a corrente de saída e a tensão. A quantidade e intensidade da insolação solar (irradiância solar) controlam a quantidade de corrente de saída (I), e a temperatura de operação das células solares afeta a tensão de saída (V) do conjunto fotovoltaico. As curvas de painéis fotovoltaicos (I-V) que resumem a relação entre corrente e tensão são dadas pelos fabricantes e são apresentadas como:
Parâmetros do Painel Solar
VOC = tensão em circuito aberto:– Esta é a tensão máxima que o conjunto fornece quando os terminais não estão conectados a nenhuma carga (uma condição de circuito aberto). Esse valor é muito maior que o Vmax, que se relaciona à operação da matriz PV, que é fixada pela carga. Esse valor depende do número de painéis fotovoltaicos conectados em série.
ISC = corrente de curto-circuito– A corrente máxima fornecida pelo conjunto fotovoltaico quando os conectores de saída estão em curto-circuito (condição de curto-circuito). Esse valor é muito maior que o do Imax, que se relaciona à corrente normal do circuito de operação.
Pmax = ponto de poder máximo– Isso se refere ao ponto em que a energia fornecida pelo conjunto conectado à carga (baterias, inversores) está em seu valor máximo, onde Pmax = Imax x Vmax. O ponto máximo de potência de um conjunto fotovoltaico é medido em Watts (W) ou Watts de pico (Wp).
FF = fator de preenchimento –O fator de preenchimento é a relação entre a potência máxima que o conjunto pode realmente fornecer em condições normais de operação e o produto da tensão em circuito aberto multiplicada pela corrente de curto-circuito ( Voc x Isc ). Esse valor do fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade do array e quanto mais próximo estiver o fator de preenchimento de 1 (unidade), mais energia a matriz pode fornecer. Os valores típicos ficam entre 0,7 e 0,8.
% eff = % eficiência –A eficiência de um conjunto fotovoltaico é a razão entre a potência elétrica máxima que o conjunto pode produzir e a quantidade de irradiância solar atingindo o conjunto. A eficiência de um painel solar típico é normalmente baixa, em torno de 10-12%, dependendo do tipo de células (monocristalinas, policristalinas, amorfas ou de filme fino) utilizadas.
As curvas de características fotovoltaicas I-V fornecem as informações necessárias para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto máximo de potência máxima. O ponto de potência máxima é medido à medida que o módulo fotovoltaico produz sua quantidade máxima de potência quando exposto à radiação solar, equivalente a 1000 watts por metro quadrado, 1000 W/m² ou 1kW/m². Considere o circuito abaixo.
Conexões de Redes Fotovoltaicas
Esse conjunto fotovoltaico simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos como mostrado, produzindo dois ramos paralelos nos quais há dois painéis fotovoltaicos que são eletricamente conectados para formar um circuito em série. A tensão de saída do conjunto será, portanto, igual à conexão em série dos painéis PV, e no nosso exemplo acima, isso é calculado como: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
A corrente de saída será igual à soma das correntes paralelas do ramo. Se assumirmos que cada painel fotovoltaico produz 3,75 amperes sob sol pleno, a corrente total ( IT ) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 ampères. Então, a potência máxima do conjunto fotovoltaico em pleno sol pode ser calculada como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
A matriz fotovoltaica atinge seu máximo de 180 watts em pleno sol porque a potência máxima de cada painel ou módulo fotovoltaico é igual a 45 watts (12V x 3,75A). No entanto, devido a diferentes níveis de radiação solar, efeito da temperatura, perdas elétricas etc., a potência máxima real geralmente é muito menor que os 180 watts calculados. Então podemos apresentar as características do nosso conjunto fotovoltaico como estando.
Características do Conjunto Fotovoltaico
Diodos de desvio em matrizes fotovoltaicas
Células fotovoltaicas e diodos são ambos dispositivos semicondutores feitos de um material de silício do tipo P e um material de silício do tipo N fundidos juntos. Diferente de uma célula fotovoltaica, que gera uma voltagem quando exposta à luz, os diodos de junção PN agem como uma válvula elétrica unidirecional de estado sólido que só permite que a corrente elétrica flua por si mesma em uma única direção.
A vantagem disso é que os diodos podem ser usados para bloquear o fluxo de corrente elétrica de outras partes de um circuito solar elétrico. Quando usados em um conjunto solar fotovoltaico, esses tipos de diodos de silício são geralmente chamados de Diodos de Bloqueio.
No tutorial anterior sobre painéis fotovoltaicos, vimos que "diodos de bypass" são usados em paralelo com uma ou várias células solares fotovoltaicas para evitar que a(s) corrente(s) flui, de células PV boas e bem expostas à luz solar, superaqueçam e queimem células PV fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula ruim. Diodos bloqueadores são usados de forma diferente dos diodos de bypass.
Diodos de bypass geralmente são conectados "em paralelo" a uma célula ou painel PV para desviar a corrente ao redor dele, enquanto os diodos de bloqueio são conectados em "série" com os painéis PV para evitar que a corrente volte para eles. Portanto, os diodos de bloqueio são diferentes dos diodos de bypass, embora na maioria dos casos o diodo seja fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito distinto. Considere nosso conjunto solar fotovoltaico abaixo.
Diodos em Matrizes Fotovoltaicas
Como dissemos antes, diodos são dispositivos que permitem que a corrente flua em apenas uma direção. Os diodos coloridos de verde são os familiares diodos de bypass, um em paralelo a cada painel PV para fornecer um caminho de baixa resistência ao redor do painel. No entanto, os dois diodos coloridos de vermelho são chamados de "diodos bloqueadores", um em série com cada ramo de série. Esses diodos bloqueadores garantem que a corrente elétrica flua apenas PARA fora do conjunto em série para a carga externa, controlador ou baterias.
O motivo disso é evitar que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados em paralelo na mesma matriz flua de volta por uma rede mais fraca (sombreada) e também evitar que as baterias totalmente carregadas descarreguem ou drenem de volta pelo conjunto fotovoltaico à noite. Assim, quando múltiplos painéis fotovoltaicos estão conectados em paralelo, diodos bloqueadores devem ser usados em cada ramo paralelo conectado.
De modo geral, diodos bloqueadores são usados em matrizes PV quando há dois ou mais ramos paralelos ou existe a possibilidade de que parte do conjunto fique parcialmente sombreado durante o dia à medida que o sol se move pelo céu. O tamanho e o tipo de diodo de bloqueio utilizado dependem do tipo de matriz fotovoltaica. Dois tipos de diodos estão disponíveis para matrizes de energia solar: o diodo de silício de junção PN e o diodo de barreira Schottky. Ambos estão disponíveis com uma ampla faixa de classificações de corrente.
O diodo barreira Schottky tem uma queda de tensão direta muito menor, cerca de 0,4 volts, em comparação com a queda de 0,7 volt dos diodos PN para um dispositivo de silício. Essa queda de tensão menor permite uma economia de uma célula PV completa em cada ramo em série do painel solar, portanto, o conjunto é mais eficiente, pois menos energia é dissipada no diodo bloqueador. A maioria dos fabricantes inclui diodos bloqueadores em seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio Conjunto Fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores que controlam o projeto do conjunto fotovoltaico e dos sistemas solares. O conjunto fotovoltaico deve ser dimensionado para atender à demanda de carga e considerar quaisquer perdas do sistema, enquanto a sombra de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a produção de todo o sistema.
Se os painéis solares estiverem conectados eletricamente em série, a corrente será a mesma em cada painel e, se os painéis forem parcialmente sombreados, não podem produzir a mesma quantidade de corrente. Além disso, painéis fotovoltaicos sombreados dissipam energia e desperdício em forma de calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de bypass ajuda a prevenir esses problemas ao fornecer um caminho alternativo de corrente.
Diodos bloqueadores não são necessários em um sistema totalmente conectado em série, mas devem ser usados para evitar um fluxo inverso de corrente das baterias de volta para o conjunto durante a noite ou quando a irradiância solar está baixa. Outras condições climáticas, além da luz solar, devem ser consideradas em qualquer projeto.
Como a tensão de saída da célula solar de silício é um parâmetro relacionado à temperatura, o projetista deve estar atento às temperaturas diárias predominantes, tanto extremos (alta e baixa) quanto variações sazonais. Além disso, chuva e neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. A carga de vento é especialmente importante em instalações no topo de montanhas.
No nosso próximo tutorial sobre "Energia Solar", veremos como podemos usar matrizes fotovoltaicas semicondutoras e painéis solares como parte de um Sistema Fotovoltaico Independente para gerar energia para aplicações fora da rede.
Se os painéis solares fotovoltaicos forem compostos por células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então oMatriz Fotovoltaica Solar, também conhecido simplesmente como umPainel Solaré um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Um conjunto fotovoltaico é, portanto, múltiplos painéis solares eletricamente ligados para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema PV) chamada matriz, e, em geral, quanto maior a área total de superfície do conjunto, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo utiliza um conjunto fotovoltaico como principal fonte para a geração do fornecimento de energia elétrica. A quantidade de energia solar produzida por um único painel ou módulo fotovoltaico não é suficiente para uso geral.
A maioria dos fabricantes produz um painel fotovoltaico padrão com tensão de saída de 12V ou 24V. Ao conectar muitos painéis fotovoltaicos individuais em série (para maior necessidade de tensão) e em paralelo (para maior demanda de corrente), o conjunto fotovoltaico produzirá a potência desejada.
Um Painel Solar Fotovoltaico
Células e painéis fotovoltaicos convertem a energia solar em eletricidade de corrente contínua (DC). A conexão dos painéis solares em um único conjunto fotovoltaico é a mesma das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em um arranjo podem ser conectados eletricamente entre si em série, em paralelo ou em uma mistura dos dois, mas geralmente uma conexão em série é escolhida para aumentar a tensão de saída. Por exemplo, quando dois painéis solares estão conectados em série, sua tensão é dobrada enquanto a corrente permanece a mesma.
O tamanho de um conjunto fotovoltaico pode consistir em alguns módulos ou painéis fotovoltaicos individuais conectados em um ambiente urbano e montados em um telhado, ou pode consistir em centenas de painéis fotovoltaicos interligados em um campo para fornecer energia a toda uma cidade ou bairro. A flexibilidade do sistema fotovoltaico modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar capazes de atender a uma grande variedade de necessidades elétricas, não importa o tamanho ou menor do tamanho.
É importante notar que painéis ou módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes não devem ser misturados em um único conjunto, mesmo que suas saídas de potência, tensão ou corrente sejam nominalmente semelhantes. Isso ocorre porque diferenças nas curvas características I-V das células solares, bem como sua resposta espectral, provavelmente causarão perdas adicionais por desajuste dentro do conjunto, reduzindo assim sua eficiência geral.
As Características Elétricas de um Conjunto Fotovoltaico
As características elétricas de um conjunto fotovoltaico são resumidas na relação entre a corrente de saída e a tensão. A quantidade e intensidade da insolação solar (irradiância solar) controlam a quantidade de corrente de saída (I), e a temperatura de operação das células solares afeta a tensão de saída (V) do conjunto fotovoltaico. As curvas de painéis fotovoltaicos (I-V) que resumem a relação entre corrente e tensão são dadas pelos fabricantes e são apresentadas como:
Parâmetros do Painel Solar
VOC = tensão em circuito aberto:– Esta é a tensão máxima que o conjunto fornece quando os terminais não estão conectados a nenhuma carga (uma condição de circuito aberto). Esse valor é muito maior que o Vmax, que se relaciona à operação da matriz PV, que é fixada pela carga. Esse valor depende do número de painéis fotovoltaicos conectados em série.
ISC = corrente de curto-circuito– A corrente máxima fornecida pelo conjunto fotovoltaico quando os conectores de saída estão em curto-circuito (condição de curto-circuito). Esse valor é muito maior que o do Imax, que se relaciona à corrente normal do circuito de operação.
Pmax = ponto de poder máximo– Isso se refere ao ponto em que a energia fornecida pelo conjunto conectado à carga (baterias, inversores) está em seu valor máximo, onde Pmax = Imax x Vmax. O ponto máximo de potência de um conjunto fotovoltaico é medido em Watts (W) ou Watts de pico (Wp).
FF = fator de preenchimento –O fator de preenchimento é a relação entre a potência máxima que o conjunto pode realmente fornecer em condições normais de operação e o produto da tensão em circuito aberto multiplicada pela corrente de curto-circuito ( Voc x Isc ). Esse valor do fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade do array e quanto mais próximo estiver o fator de preenchimento de 1 (unidade), mais energia a matriz pode fornecer. Os valores típicos ficam entre 0,7 e 0,8.
% eff = % eficiência –A eficiência de um conjunto fotovoltaico é a razão entre a potência elétrica máxima que o conjunto pode produzir e a quantidade de irradiância solar atingindo o conjunto. A eficiência de um painel solar típico é normalmente baixa, em torno de 10-12%, dependendo do tipo de células (monocristalinas, policristalinas, amorfas ou de filme fino) utilizadas.
As curvas de características fotovoltaicas I-V fornecem as informações necessárias para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto máximo de potência máxima. O ponto de potência máxima é medido à medida que o módulo fotovoltaico produz sua quantidade máxima de potência quando exposto à radiação solar, equivalente a 1000 watts por metro quadrado, 1000 W/m² ou 1kW/m². Considere o circuito abaixo.
Conexões de Redes Fotovoltaicas
Esse conjunto fotovoltaico simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos como mostrado, produzindo dois ramos paralelos nos quais há dois painéis fotovoltaicos que são eletricamente conectados para formar um circuito em série. A tensão de saída do conjunto será, portanto, igual à conexão em série dos painéis PV, e no nosso exemplo acima, isso é calculado como: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
A corrente de saída será igual à soma das correntes paralelas do ramo. Se assumirmos que cada painel fotovoltaico produz 3,75 amperes sob sol pleno, a corrente total ( IT ) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 ampères. Então, a potência máxima do conjunto fotovoltaico em pleno sol pode ser calculada como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
A matriz fotovoltaica atinge seu máximo de 180 watts em pleno sol porque a potência máxima de cada painel ou módulo fotovoltaico é igual a 45 watts (12V x 3,75A). No entanto, devido a diferentes níveis de radiação solar, efeito da temperatura, perdas elétricas etc., a potência máxima real geralmente é muito menor que os 180 watts calculados. Então podemos apresentar as características do nosso conjunto fotovoltaico como estando.
Características do Conjunto Fotovoltaico
Diodos de desvio em matrizes fotovoltaicas
Células fotovoltaicas e diodos são ambos dispositivos semicondutores feitos de um material de silício do tipo P e um material de silício do tipo N fundidos juntos. Diferente de uma célula fotovoltaica, que gera uma voltagem quando exposta à luz, os diodos de junção PN agem como uma válvula elétrica unidirecional de estado sólido que só permite que a corrente elétrica flua por si mesma em uma única direção.
A vantagem disso é que os diodos podem ser usados para bloquear o fluxo de corrente elétrica de outras partes de um circuito solar elétrico. Quando usados em um conjunto solar fotovoltaico, esses tipos de diodos de silício são geralmente chamados de Diodos de Bloqueio.
No tutorial anterior sobre painéis fotovoltaicos, vimos que "diodos de bypass" são usados em paralelo com uma ou várias células solares fotovoltaicas para evitar que a(s) corrente(s) flui, de células PV boas e bem expostas à luz solar, superaqueçam e queimem células PV fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula ruim. Diodos bloqueadores são usados de forma diferente dos diodos de bypass.
Diodos de bypass geralmente são conectados "em paralelo" a uma célula ou painel PV para desviar a corrente ao redor dele, enquanto os diodos de bloqueio são conectados em "série" com os painéis PV para evitar que a corrente volte para eles. Portanto, os diodos de bloqueio são diferentes dos diodos de bypass, embora na maioria dos casos o diodo seja fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito distinto. Considere nosso conjunto solar fotovoltaico abaixo.
Diodos em Matrizes Fotovoltaicas
Como dissemos antes, diodos são dispositivos que permitem que a corrente flua em apenas uma direção. Os diodos coloridos de verde são os familiares diodos de bypass, um em paralelo a cada painel PV para fornecer um caminho de baixa resistência ao redor do painel. No entanto, os dois diodos coloridos de vermelho são chamados de "diodos bloqueadores", um em série com cada ramo de série. Esses diodos bloqueadores garantem que a corrente elétrica flua apenas PARA fora do conjunto em série para a carga externa, controlador ou baterias.
O motivo disso é evitar que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados em paralelo na mesma matriz flua de volta por uma rede mais fraca (sombreada) e também evitar que as baterias totalmente carregadas descarreguem ou drenem de volta pelo conjunto fotovoltaico à noite. Assim, quando múltiplos painéis fotovoltaicos estão conectados em paralelo, diodos bloqueadores devem ser usados em cada ramo paralelo conectado.
De modo geral, diodos bloqueadores são usados em matrizes PV quando há dois ou mais ramos paralelos ou existe a possibilidade de que parte do conjunto fique parcialmente sombreado durante o dia à medida que o sol se move pelo céu. O tamanho e o tipo de diodo de bloqueio utilizado dependem do tipo de matriz fotovoltaica. Dois tipos de diodos estão disponíveis para matrizes de energia solar: o diodo de silício de junção PN e o diodo de barreira Schottky. Ambos estão disponíveis com uma ampla faixa de classificações de corrente.
O diodo barreira Schottky tem uma queda de tensão direta muito menor, cerca de 0,4 volts, em comparação com a queda de 0,7 volt dos diodos PN para um dispositivo de silício. Essa queda de tensão menor permite uma economia de uma célula PV completa em cada ramo em série do painel solar, portanto, o conjunto é mais eficiente, pois menos energia é dissipada no diodo bloqueador. A maioria dos fabricantes inclui diodos bloqueadores em seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio Conjunto Fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores que controlam o projeto do conjunto fotovoltaico e dos sistemas solares. O conjunto fotovoltaico deve ser dimensionado para atender à demanda de carga e considerar quaisquer perdas do sistema, enquanto a sombra de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a produção de todo o sistema.
Se os painéis solares estiverem conectados eletricamente em série, a corrente será a mesma em cada painel e, se os painéis forem parcialmente sombreados, não podem produzir a mesma quantidade de corrente. Além disso, painéis fotovoltaicos sombreados dissipam energia e desperdício em forma de calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de bypass ajuda a prevenir esses problemas ao fornecer um caminho alternativo de corrente.
Diodos bloqueadores não são necessários em um sistema totalmente conectado em série, mas devem ser usados para evitar um fluxo inverso de corrente das baterias de volta para o conjunto durante a noite ou quando a irradiância solar está baixa. Outras condições climáticas, além da luz solar, devem ser consideradas em qualquer projeto.
Como a tensão de saída da célula solar de silício é um parâmetro relacionado à temperatura, o projetista deve estar atento às temperaturas diárias predominantes, tanto extremos (alta e baixa) quanto variações sazonais. Além disso, chuva e neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. A carga de vento é especialmente importante em instalações no topo de montanhas.
No nosso próximo tutorial sobre "Energia Solar", veremos como podemos usar matrizes fotovoltaicas semicondutoras e painéis solares como parte de um Sistema Fotovoltaico Independente para gerar energia para aplicações fora da rede.