O painel solar fotovoltaico
Se os painéis solares fotovoltaicos forem compostos de células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então o Painel solar fotovoltaico, também conhecido simplesmente como Painel Solar é um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Um painel fotovoltaico é, portanto, vários painéis solares eletricamente conectados para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema fotovoltaico) chamada matriz e, em geral, quanto maior a área de superfície total da matriz, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo usa uma matriz fotovoltaica como fonte principal 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 individuais em série (para um requisito de tensão mais alto) e em paralelo (para um requisito de corrente mais alto), o painel fotovoltaico produzirá a saída de energia 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 painel fotovoltaico é a mesma das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em uma matriz podem ser conectados eletricamente em série, 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 um painel fotovoltaico 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 do painel fotovoltaico modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar que podem atender a uma ampla variedade de necessidades elétricas, não importa quão grandes ou pequenas.
É importante observar que painéis ou módulos fotovoltaicos 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 IV 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 um painel fotovoltaico
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) do painel fotovoltaico. As curvas do painel fotovoltaico (IV) que resumem a relação entre a corrente e a tensão são fornecidas pelos fabricantes e são fornecidas como:
Parâmetros do painel solar
VOC = tensão de circuito aberto: – Esta é a tensão máxima que a matriz fornece quando os terminais não estão conectados a nenhuma carga (uma condição de circuito aberto). Este valor é muito maior do que Vmax, que se relaciona com a operação do painel fotovoltaico que é fixado pela carga. Este valor depende do número de painéis fotovoltaicos conectados em série.
ISC = corrente de curto-circuito – A corrente máxima fornecida pelo painel fotovoltaico quando os conectores de saída estão em curto (uma condição de curto-circuito). Este valor é muito maior do que Imax, que se relaciona com a corrente normal do circuito operacional.
Pmax = ponto de potência máxima – Refere-se ao ponto em que a potência 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 um painel 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 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 do fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade da matriz e quanto mais próximo o fator de preenchimento estiver de 1 (unidade), mais energia a matriz pode 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 energia 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 fotovoltaicas IV fornecem as informações de que os projetistas precisam para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto de potência de pico máximo. 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
Este painel fotovoltaico simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos, conforme mostrado, produzindo duas ramificações paralelas nas quais existem dois painéis fotovoltaicos eletricamente conectados 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 em pleno sol, a corrente total (IT) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 Amperes. Em seguida, a potência máxima do painel fotovoltaico a pleno sol pode ser calculada como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
O painel fotovoltaico 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 (12 V x 3.75 A). No entanto, devido a diferentes níveis de radiação solar, efeito de temperatura, perdas elétricas, etc., a potência máxima de saída 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
Diodos de desvio 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 uma válvula elétrica unidirecional de estado sólido que permite que a corrente elétrica flua através de si mesmos 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 usados 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 desvio" 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 e bem expostas à luz solar superaqueçam e queimem células fotovoltaicas fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula defeituosa. Os diodos de bloqueio são usados de forma diferente dos diodos de desvio.
Os diodos de desvio são geralmente conectados em "paralelo" com uma célula ou painel fotovoltaico para desviar a corrente ao seu redor, enquanto os diodos de bloqueio são conectados em "série" com os painéis fotovoltaicos para evitar que a corrente flua de volta para eles. Os diodos de bloqueio são, portanto, diferentes dos diodos de desvio, embora na maioria dos casos o diodo seja fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito diferente. Considere 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 em 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 em vermelho são chamados de "diodos de bloqueio", um em série com cada ramificação da série. Esses diodos de bloqueio garantem que a corrente elétrica flua apenas para fora da matriz em série para a carga externa, controlador ou baterias.
A razão para isso é evitar que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados em paralelo na mesma matriz flua de volta através de uma rede mais fraca (sombreada) e também para evitar que as baterias totalmente carregadas descarreguem ou drenem de volta através da matriz fotovoltaica à noite. Portanto, quando vários painéis fotovoltaicos são conectados em paralelo, diodos de bloqueio devem ser usados em cada ramificação conectada em paralelo.
De um modo geral, os diodos de bloqueio são usados em matrizes fotovoltaicas quando há duas ou mais ramificações paralelas ou existe a possibilidade de que parte da matriz fique parcialmente sombreada durante o dia à medida que o sol se move no 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 de junção PN 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 direta muito menor de cerca de 0,4 volts, em oposição à queda de 0,7 volts dos diodos PN para um dispositivo de silício. Essa queda de tensão mais baixa permite uma economia de uma célula fotovoltaica completa em cada ramificação em série do painel solar, portanto, o painel é mais eficiente, pois menos energia é dissipada no diodo de bloqueio. A maioria dos fabricantes inclui diodos de bloqueio em seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio painel fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores de controle no projeto do painel fotovoltaico e dos sistemas de energia solar. O painel fotovoltaico deve ser dimensionado para atender à demanda de carga e levar em conta quaisquer perdas do sistema, enquanto o sombreamento de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a produção de todo o sistema.
Se os painéis solares estiverem eletricamente conectados 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 energia e resíduos como calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de desvio ajudará a evitar tais problemas, fornecendo um caminho de corrente alternativo.
Os diodos de bloqueio não são necessários em um sistema totalmente conectado em série, 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 os extremos (altos e baixos) quanto as variações sazonais. Além disso, chuva e neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. A carga do 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 forem compostos de células fotovoltaicas individuais conectadas entre si, então o Painel solar fotovoltaico, também conhecido simplesmente como Painel Solar é um sistema composto por um grupo de painéis solares conectados entre si.
Um painel fotovoltaico é, portanto, vários painéis solares eletricamente conectados para formar uma instalação fotovoltaica muito maior (sistema fotovoltaico) chamada matriz e, em geral, quanto maior a área de superfície total da matriz, mais eletricidade solar ela produzirá.
Um sistema fotovoltaico completo usa uma matriz fotovoltaica como fonte principal 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 individuais em série (para um requisito de tensão mais alto) e em paralelo (para um requisito de corrente mais alto), o painel fotovoltaico produzirá a saída de energia 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 painel fotovoltaico é a mesma das células fotovoltaicas em um único painel.
Os painéis em uma matriz podem ser conectados eletricamente em série, 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 um painel fotovoltaico 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 do painel fotovoltaico modular (sistema fotovoltaico) permite que os projetistas criem sistemas de energia solar que podem atender a uma ampla variedade de necessidades elétricas, não importa quão grandes ou pequenas.
É importante observar que painéis ou módulos fotovoltaicos 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 IV 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 um painel fotovoltaico
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) do painel fotovoltaico. As curvas do painel fotovoltaico (IV) que resumem a relação entre a corrente e a tensão são fornecidas pelos fabricantes e são fornecidas como:
Parâmetros do painel solar
VOC = tensão de circuito aberto: – Esta é a tensão máxima que a matriz fornece quando os terminais não estão conectados a nenhuma carga (uma condição de circuito aberto). Este valor é muito maior do que Vmax, que se relaciona com a operação do painel fotovoltaico que é fixado pela carga. Este valor depende do número de painéis fotovoltaicos conectados em série.
ISC = corrente de curto-circuito – A corrente máxima fornecida pelo painel fotovoltaico quando os conectores de saída estão em curto (uma condição de curto-circuito). Este valor é muito maior do que Imax, que se relaciona com a corrente normal do circuito operacional.
Pmax = ponto de potência máxima – Refere-se ao ponto em que a potência 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 um painel 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 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 do fator de preenchimento dá uma ideia da qualidade da matriz e quanto mais próximo o fator de preenchimento estiver de 1 (unidade), mais energia a matriz pode 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 energia 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 fotovoltaicas IV fornecem as informações de que os projetistas precisam para configurar sistemas que possam operar o mais próximo possível do ponto de potência de pico máximo. 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
Este painel fotovoltaico simples acima consiste em quatro módulos fotovoltaicos, conforme mostrado, produzindo duas ramificações paralelas nas quais existem dois painéis fotovoltaicos eletricamente conectados 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 em pleno sol, a corrente total (IT) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 Amperes. Em seguida, a potência máxima do painel fotovoltaico a pleno sol pode ser calculada como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
O painel fotovoltaico 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 (12 V x 3.75 A). No entanto, devido a diferentes níveis de radiação solar, efeito de temperatura, perdas elétricas, etc., a potência máxima de saída 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
Diodos de desvio 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 uma válvula elétrica unidirecional de estado sólido que permite que a corrente elétrica flua através de si mesmos 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 usados 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 desvio" 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 e bem expostas à luz solar superaqueçam e queimem células fotovoltaicas fracas ou parcialmente sombreadas, fornecendo um caminho de corrente ao redor da célula defeituosa. Os diodos de bloqueio são usados de forma diferente dos diodos de desvio.
Os diodos de desvio são geralmente conectados em "paralelo" com uma célula ou painel fotovoltaico para desviar a corrente ao seu redor, enquanto os diodos de bloqueio são conectados em "série" com os painéis fotovoltaicos para evitar que a corrente flua de volta para eles. Os diodos de bloqueio são, portanto, diferentes dos diodos de desvio, embora na maioria dos casos o diodo seja fisicamente o mesmo, mas eles são instalados de forma diferente e servem a um propósito diferente. Considere 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 em 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 em vermelho são chamados de "diodos de bloqueio", um em série com cada ramificação da série. Esses diodos de bloqueio garantem que a corrente elétrica flua apenas para fora da matriz em série para a carga externa, controlador ou baterias.
A razão para isso é evitar que a corrente gerada pelos outros painéis fotovoltaicos conectados em paralelo na mesma matriz flua de volta através de uma rede mais fraca (sombreada) e também para evitar que as baterias totalmente carregadas descarreguem ou drenem de volta através da matriz fotovoltaica à noite. Portanto, quando vários painéis fotovoltaicos são conectados em paralelo, diodos de bloqueio devem ser usados em cada ramificação conectada em paralelo.
De um modo geral, os diodos de bloqueio são usados em matrizes fotovoltaicas quando há duas ou mais ramificações paralelas ou existe a possibilidade de que parte da matriz fique parcialmente sombreada durante o dia à medida que o sol se move no 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 de junção PN 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 direta muito menor de cerca de 0,4 volts, em oposição à queda de 0,7 volts dos diodos PN para um dispositivo de silício. Essa queda de tensão mais baixa permite uma economia de uma célula fotovoltaica completa em cada ramificação em série do painel solar, portanto, o painel é mais eficiente, pois menos energia é dissipada no diodo de bloqueio. A maioria dos fabricantes inclui diodos de bloqueio em seus módulos fotovoltaicos, simplificando o projeto.
Construa seu próprio painel fotovoltaico
A quantidade de radiação solar recebida e a demanda diária de energia são os dois fatores de controle no projeto do painel fotovoltaico e dos sistemas de energia solar. O painel fotovoltaico deve ser dimensionado para atender à demanda de carga e levar em conta quaisquer perdas do sistema, enquanto o sombreamento de qualquer parte do painel solar reduzirá significativamente a produção de todo o sistema.
Se os painéis solares estiverem eletricamente conectados 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 energia e resíduos como calor, em vez de gerá-lo, e o uso de diodos de desvio ajudará a evitar tais problemas, fornecendo um caminho de corrente alternativo.
Os diodos de bloqueio não são necessários em um sistema totalmente conectado em série, 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 os extremos (altos e baixos) quanto as variações sazonais. Além disso, chuva e neve devem ser consideradas no projeto da estrutura de montagem. A carga do 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.