A Matriz Solar Fotovoltaica
Se os painéis solares fotovoltaicos são compostos de células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então oMatriz Solar Fotovoltaica, também conhecido simplesmente como umMatriz Solaré um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Uma matriz fotovoltaica é, portanto, vários painéis solares conectados eletricamente para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema fotovoltaico) chamada matriz e, em geral, quanto maior a área total da superfície da matriz, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo utiliza uma matriz fotovoltaica como principal fonte para a geração da fonte de alimentação 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 uma tensão de saída de 12V ou 24V. Ao conectar muitos painéis fotovoltaicos únicos em série (para um requisito de tensão mais alta) e em paralelo (para um requisito de corrente mais alto), a matriz fotovoltaica produzirá a saída de energia desejada.
Um Conjunto Solar Fotovoltaico
Células e painéis fotovoltaicos convertem a energia solar em eletricidade de corrente contínua (CC). A conexão dos painéis solares em uma única matriz fotovoltaica é a mesma que a das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em uma matriz podem ser conectados eletricamente em uma série, um paralelo ou uma mistura dos dois, mas geralmente uma conexão em série é escolhida para fornecer uma tensão de saída aumentada. Por exemplo, quando dois painéis solares são conectados em série, sua tensão é dobrada enquanto a corrente permanece a mesma.
O tamanho de uma matriz fotovoltaica pode consistir em alguns módulos ou painéis fotovoltaicos individuais conectados em um ambiente urbano e montados em um telhado, ou pode consistir em muitas centenas de painéis fotovoltaicos interconectados em um campo para fornecer energia para uma cidade ou bairro inteiro. A flexibilidade da matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar que possam atender a uma ampla variedade de necessidades elétricas, não importa quão grandes ou pequenas.
É importante notar que os painéis fotovoltaicos ou módulos de diferentes fabricantes não devem ser misturados em uma única matriz, mesmo que suas saídas de potência, tensão ou corrente sejam nominalmente semelhantes. Isso ocorre porque as diferenças nas curvas características I-V da célula solar, bem como sua resposta espectral, provavelmente causarão perdas adicionais de incompatibilidade dentro da matriz, reduzindo assim sua eficiência geral.
As características elétricas de uma matriz fotovoltaica
As características elétricas de uma matriz fotovoltaica são resumidas na relação entre a corrente de saída e a tensão. A quantidade e a 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) da matriz fotovoltaica. As curvas do painel fotovoltaico (I-V) que resumem a relação entre a corrente e a tensão são dadas pelos fabricantes e são dadas como:
Parâmetros do Solar Array
VOC = tensão de circuito aberto:– Esta é a tensão máxima que a matriz fornece quando os terminais não estão conectados a qualquer carga (uma condição de circuito aberto). Este valor é muito maior do que Vmax que se relaciona com a 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 pela matriz fotovoltaica quando os conectores de saída estão em curto-circuito juntos (uma condição de curto-circuito). Este valor é muito maior do que o Imax que se relaciona com a corrente normal do circuito de operação.
Pmax = ponto de potência máxima– Isto refere-se ao ponto em que a energia fornecida pela matriz que está conectada à carga (baterias, inversores) está em seu valor máximo, onde Pmax = Imax x Vmax. O ponto de potência máxima de uma matriz fotovoltaica é medido em Watts (W) ou Watts de pico (Wp).
FF = fator de preenchimento –O fator de enchimento é a relação entre a potência máxima que a matriz pode realmente fornecer em condições normais de operação e o produto da tensão de circuito aberto vezes a corrente de curto-circuito, ( Voc x Isc ) Este valor de fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade da matriz e quanto mais próximo o fator de enchimento é de 1 (unidade), quanto mais energia o array puder fornecer. Os valores típicos estão entre 0,7 e 0,8.
% eff = porcentagem de eficiência –A eficiência de uma matriz fotovoltaica é a razão entre a potência elétrica máxima que a matriz pode produzir em comparação com a quantidade de irradiância solar que atinge a matriz. 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) que estão sendo usadas.
As curvas de características I-V fotovoltaicas fornecem as informações necessárias para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto de potência máxima de pico. O ponto de potência de pico é medido à medida que o módulo fotovoltaico produz sua quantidade máxima de energia quando exposto à radiação solar equivalente a 1000 watts por metro quadrado, 1000 W/m2 ou 1kW/m2. Considere o circuito abaixo.
Conexões de matriz fotovoltaica
Esta matriz fotovoltaica simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos, como mostrado, produzindo dois ramos paralelos nos quais existem dois painéis fotovoltaicos que são conectados eletricamente para produzir um circuito em série. A tensão de saída da matriz será, portanto, igual à conexão em série dos painéis fotovoltaicos e, em nosso exemplo acima, isso é calculado como: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
A corrente de saída será igual à soma das correntes de ramificação paralela. Se assumirmos que cada painel fotovoltaico produz 3,75 amperes a pleno sol, a corrente total (TI) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 Amperes. Em seguida, a potência máxima da matriz fotovoltaica a 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 saída 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 de temperatura, perdas elétricas, etc., a potência de saída máxima real é geralmente muito menor do que os 180 watts calculados. Então podemos apresentar nossas características de matriz fotovoltaica como sendo.
Características da matriz fotovoltaica
Ignorar diodos em matrizes fotovoltaicas
Células fotovoltaicas e diodos são dispositivos semicondutores feitos de um material de silício do tipo P e um material de silício do tipo N fundidos. Ao contrário de uma célula fotovoltaica que gera uma tensão quando exposta à luz, os diodos de junção PN agem como válvula elétrica unidirecional de estado sólido que só permite que a corrente elétrica flua através de si mesma em apenas uma 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 usado em um painel solar fotovoltaico, esses tipos de diodos de silício são geralmente chamados de diodos de bloqueio.
No tutorial anterior sobre painéis fotovoltaicos, vimos que os "diodos de bypass" são usados em paralelo com uma única ou várias células solares fotovoltaicas para evitar que a(s) corrente(s) flua(m) de células fotovoltaicas boas, bem expostas à luz solar, superaquecendo e queimando células fotovoltaicas fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula ruim. Os diodos bloqueadores são usados de forma diferente dos diodos de bypass.
Os diodos de bypass são geralmente conectados em "paralelo" com uma célula ou painel fotovoltaico para desviar a corrente ao seu redor, enquanto os diodos bloqueadores são conectados em "série" com os painéis fotovoltaicos para evitar que a corrente flua de volta para eles. Os diodos bloqueadores são, portanto, diferentes, em seguida, ignorar diodos, embora na maioria dos casos o diodo é fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito diferente. Considere o nosso painel solar fotovoltaico abaixo.
Diodos em Matrizes Fotovoltaicas
Como dissemos anteriormente, os diodos são dispositivos que permitem que a corrente flua em apenas uma direção. Os diodos coloridos de verde são os diodos de bypass familiares, um em paralelo com cada painel fotovoltaico para fornecer um caminho de baixa resistência ao redor do painel. No entanto, os dois diodos coloridos de vermelho são referidos como os "diodos de bloqueio", um em série com cada ramo da série. Esses diodos bloqueadores garantem que a corrente elétrica só flua PARA FORA da matriz de série para a carga externa, controlador ou baterias.
A razão para isso é impedir que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados paralelamente na mesma matriz flua de volta através de uma rede mais fraca (sombreada) e também para evitar que as baterias totalmente carregadas sejam descarregadas ou drenadas de volta através da matriz fotovoltaica à noite. Assim, quando vários painéis fotovoltaicos são conectados em paralelo, os diodos de bloqueio devem ser usados em cada ramificação conectada paralela.
De um modo geral, os diodos de bloqueio são usados em matrizes fotovoltaicas quando há dois ou mais ramos paralelos ou há uma possibilidade de que parte da matriz se torne parcialmente sombreada durante o dia à medida que o sol se move pelo céu. O tamanho e o tipo de diodo de bloqueio usado dependem do tipo de matriz fotovoltaica. Dois tipos de diodos estão disponíveis para matrizes de energia solar: o diodo de silício PN-junction e o diodo de barreira Schottky. Ambos estão disponíveis com uma ampla gama de classificações atuais.
O diodo de barreira Schottky tem uma queda de tensão frontal muito menor de cerca de 0,4 volts, em oposição aos diodos PN de 0,7 volts para um dispositivo de silício. Esta queda de tensão mais baixa permite uma economia de uma célula fotovoltaica completa em cada ramo de série do painel solar, portanto, a matriz é mais eficiente, uma vez que menos energia é dissipada no diodo de bloqueio. A maioria dos fabricantes inclui diodos de bloqueio dentro de seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio Array Fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores de controle no projeto da matriz fotovoltaica e dos sistemas de energia solar. A matriz fotovoltaica deve ser dimensionada para atender à demanda de carga e contabilizar quaisquer perdas do sistema, enquanto o sombreamento de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a saída 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 estiverem parcialmente sombreados, eles não poderão produzir a mesma quantidade de corrente. Além disso, os painéis fotovoltaicos sombreados dissiparão a energia e o desperdício como calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de bypass ajudará a prevenir esses problemas, fornecendo um caminho de corrente alternativo.
Os diodos de bloqueio não são necessários em um sistema conectado em série completa, mas devem ser usados para evitar um fluxo de corrente reversa das baterias de volta para a matriz durante a noite ou quando a irradiância solar é 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 ciente das temperaturas diárias predominantes, tanto extremas (altas e baixas) quanto variações sazonais. Além disso, a chuva e a queda de neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. O carregamento de vento é especialmente importante em instalações no topo da montanha.
Em nosso próximo tutorial sobre "Energia Solar", veremos como podemos usar matrizes fotovoltaicas semicondutoras e painéis solares como parte de um Sistema Fotovoltaico Autônomo para gerar energia para aplicações fora da rede.
Se os painéis solares fotovoltaicos são compostos de células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então oMatriz Solar Fotovoltaica, também conhecido simplesmente como umMatriz Solaré um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Uma matriz fotovoltaica é, portanto, vários painéis solares conectados eletricamente para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema fotovoltaico) chamada matriz e, em geral, quanto maior a área total da superfície da matriz, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo utiliza uma matriz fotovoltaica como principal fonte para a geração da fonte de alimentação 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 uma tensão de saída de 12V ou 24V. Ao conectar muitos painéis fotovoltaicos únicos em série (para um requisito de tensão mais alta) e em paralelo (para um requisito de corrente mais alto), a matriz fotovoltaica produzirá a saída de energia desejada.
Um Conjunto Solar Fotovoltaico
Células e painéis fotovoltaicos convertem a energia solar em eletricidade de corrente contínua (CC). A conexão dos painéis solares em uma única matriz fotovoltaica é a mesma que a das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em uma matriz podem ser conectados eletricamente em uma série, um paralelo ou uma mistura dos dois, mas geralmente uma conexão em série é escolhida para fornecer uma tensão de saída aumentada. Por exemplo, quando dois painéis solares são conectados em série, sua tensão é dobrada enquanto a corrente permanece a mesma.
O tamanho de uma matriz fotovoltaica pode consistir em alguns módulos ou painéis fotovoltaicos individuais conectados em um ambiente urbano e montados em um telhado, ou pode consistir em muitas centenas de painéis fotovoltaicos interconectados em um campo para fornecer energia para uma cidade ou bairro inteiro. A flexibilidade da matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar que possam atender a uma ampla variedade de necessidades elétricas, não importa quão grandes ou pequenas.
É importante notar que os painéis fotovoltaicos ou módulos de diferentes fabricantes não devem ser misturados em uma única matriz, mesmo que suas saídas de potência, tensão ou corrente sejam nominalmente semelhantes. Isso ocorre porque as diferenças nas curvas características I-V da célula solar, bem como sua resposta espectral, provavelmente causarão perdas adicionais de incompatibilidade dentro da matriz, reduzindo assim sua eficiência geral.
As características elétricas de uma matriz fotovoltaica
As características elétricas de uma matriz fotovoltaica são resumidas na relação entre a corrente de saída e a tensão. A quantidade e a 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) da matriz fotovoltaica. As curvas do painel fotovoltaico (I-V) que resumem a relação entre a corrente e a tensão são dadas pelos fabricantes e são dadas como:
Parâmetros do Solar Array
VOC = tensão de circuito aberto:– Esta é a tensão máxima que a matriz fornece quando os terminais não estão conectados a qualquer carga (uma condição de circuito aberto). Este valor é muito maior do que Vmax que se relaciona com a 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 pela matriz fotovoltaica quando os conectores de saída estão em curto-circuito juntos (uma condição de curto-circuito). Este valor é muito maior do que o Imax que se relaciona com a corrente normal do circuito de operação.
Pmax = ponto de potência máxima– Isto refere-se ao ponto em que a energia fornecida pela matriz que está conectada à carga (baterias, inversores) está em seu valor máximo, onde Pmax = Imax x Vmax. O ponto de potência máxima de uma matriz fotovoltaica é medido em Watts (W) ou Watts de pico (Wp).
FF = fator de preenchimento –O fator de enchimento é a relação entre a potência máxima que a matriz pode realmente fornecer em condições normais de operação e o produto da tensão de circuito aberto vezes a corrente de curto-circuito, ( Voc x Isc ) Este valor de fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade da matriz e quanto mais próximo o fator de enchimento é de 1 (unidade), quanto mais energia o array puder fornecer. Os valores típicos estão entre 0,7 e 0,8.
% eff = porcentagem de eficiência –A eficiência de uma matriz fotovoltaica é a razão entre a potência elétrica máxima que a matriz pode produzir em comparação com a quantidade de irradiância solar que atinge a matriz. 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) que estão sendo usadas.
As curvas de características I-V fotovoltaicas fornecem as informações necessárias para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto de potência máxima de pico. O ponto de potência de pico é medido à medida que o módulo fotovoltaico produz sua quantidade máxima de energia quando exposto à radiação solar equivalente a 1000 watts por metro quadrado, 1000 W/m2 ou 1kW/m2. Considere o circuito abaixo.
Conexões de matriz fotovoltaica
Esta matriz fotovoltaica simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos, como mostrado, produzindo dois ramos paralelos nos quais existem dois painéis fotovoltaicos que são conectados eletricamente para produzir um circuito em série. A tensão de saída da matriz será, portanto, igual à conexão em série dos painéis fotovoltaicos e, em nosso exemplo acima, isso é calculado como: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
A corrente de saída será igual à soma das correntes de ramificação paralela. Se assumirmos que cada painel fotovoltaico produz 3,75 amperes a pleno sol, a corrente total (TI) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 Amperes. Em seguida, a potência máxima da matriz fotovoltaica a 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 saída 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 de temperatura, perdas elétricas, etc., a potência de saída máxima real é geralmente muito menor do que os 180 watts calculados. Então podemos apresentar nossas características de matriz fotovoltaica como sendo.
Características da matriz fotovoltaica
Ignorar diodos em matrizes fotovoltaicas
Células fotovoltaicas e diodos são dispositivos semicondutores feitos de um material de silício do tipo P e um material de silício do tipo N fundidos. Ao contrário de uma célula fotovoltaica que gera uma tensão quando exposta à luz, os diodos de junção PN agem como válvula elétrica unidirecional de estado sólido que só permite que a corrente elétrica flua através de si mesma em apenas uma 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 usado em um painel solar fotovoltaico, esses tipos de diodos de silício são geralmente chamados de diodos de bloqueio.
No tutorial anterior sobre painéis fotovoltaicos, vimos que os "diodos de bypass" são usados em paralelo com uma única ou várias células solares fotovoltaicas para evitar que a(s) corrente(s) flua(m) de células fotovoltaicas boas, bem expostas à luz solar, superaquecendo e queimando células fotovoltaicas fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula ruim. Os diodos bloqueadores são usados de forma diferente dos diodos de bypass.
Os diodos de bypass são geralmente conectados em "paralelo" com uma célula ou painel fotovoltaico para desviar a corrente ao seu redor, enquanto os diodos bloqueadores são conectados em "série" com os painéis fotovoltaicos para evitar que a corrente flua de volta para eles. Os diodos bloqueadores são, portanto, diferentes, em seguida, ignorar diodos, embora na maioria dos casos o diodo é fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito diferente. Considere o nosso painel solar fotovoltaico abaixo.
Diodos em Matrizes Fotovoltaicas
Como dissemos anteriormente, os diodos são dispositivos que permitem que a corrente flua em apenas uma direção. Os diodos coloridos de verde são os diodos de bypass familiares, um em paralelo com cada painel fotovoltaico para fornecer um caminho de baixa resistência ao redor do painel. No entanto, os dois diodos coloridos de vermelho são referidos como os "diodos de bloqueio", um em série com cada ramo da série. Esses diodos bloqueadores garantem que a corrente elétrica só flua PARA FORA da matriz de série para a carga externa, controlador ou baterias.
A razão para isso é impedir que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados paralelamente na mesma matriz flua de volta através de uma rede mais fraca (sombreada) e também para evitar que as baterias totalmente carregadas sejam descarregadas ou drenadas de volta através da matriz fotovoltaica à noite. Assim, quando vários painéis fotovoltaicos são conectados em paralelo, os diodos de bloqueio devem ser usados em cada ramificação conectada paralela.
De um modo geral, os diodos de bloqueio são usados em matrizes fotovoltaicas quando há dois ou mais ramos paralelos ou há uma possibilidade de que parte da matriz se torne parcialmente sombreada durante o dia à medida que o sol se move pelo céu. O tamanho e o tipo de diodo de bloqueio usado dependem do tipo de matriz fotovoltaica. Dois tipos de diodos estão disponíveis para matrizes de energia solar: o diodo de silício PN-junction e o diodo de barreira Schottky. Ambos estão disponíveis com uma ampla gama de classificações atuais.
O diodo de barreira Schottky tem uma queda de tensão frontal muito menor de cerca de 0,4 volts, em oposição aos diodos PN de 0,7 volts para um dispositivo de silício. Esta queda de tensão mais baixa permite uma economia de uma célula fotovoltaica completa em cada ramo de série do painel solar, portanto, a matriz é mais eficiente, uma vez que menos energia é dissipada no diodo de bloqueio. A maioria dos fabricantes inclui diodos de bloqueio dentro de seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio Array Fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores de controle no projeto da matriz fotovoltaica e dos sistemas de energia solar. A matriz fotovoltaica deve ser dimensionada para atender à demanda de carga e contabilizar quaisquer perdas do sistema, enquanto o sombreamento de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a saída 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 estiverem parcialmente sombreados, eles não poderão produzir a mesma quantidade de corrente. Além disso, os painéis fotovoltaicos sombreados dissiparão a energia e o desperdício como calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de bypass ajudará a prevenir esses problemas, fornecendo um caminho de corrente alternativo.
Os diodos de bloqueio não são necessários em um sistema conectado em série completa, mas devem ser usados para evitar um fluxo de corrente reversa das baterias de volta para a matriz durante a noite ou quando a irradiância solar é 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 ciente das temperaturas diárias predominantes, tanto extremas (altas e baixas) quanto variações sazonais. Além disso, a chuva e a queda de neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. O carregamento de vento é especialmente importante em instalações no topo da montanha.
Em nosso próximo tutorial sobre "Energia Solar", veremos como podemos usar matrizes fotovoltaicas semicondutoras e painéis solares como parte de um Sistema Fotovoltaico Autônomo para gerar energia para aplicações fora da rede.