REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7922214
Breno Alves Andrade¹
Murilo Batista Lopes²
RESUMO
O presente trabalho refere-se à avaliação da influência do sombreamento na geração de energia de um sistema solar fotovoltaico, analisando a potência instantânea do sistema. Verificando na prática as tecnologias de otimização de potência. Foram realizadas condições de sombreamento e os resultados encontrados foram comparados entre cada condição de sombreamento projetada. Sendo constatado a eficácia dos módulos Half-cell e a utilização dos diodos de by-pass, analisando a formação de pontos quentes em um módulo fotovoltaico.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica. MPPT. Potência instantânea. Diodos de by-pass.
ABSTRACT
The present work refers to the evaluation of the influence of shading in the energy generation of a photovoltaic solar system, analyzing the instantaneous power of the system. Checking power optimization technologies in practice. Shading conditions were performed and the results found were compared between each projected shading condition. Being verified the effectiveness of the Half-cell modules and the use of by-pass diodes, analyzing the formation of hot spots in a photovoltaic module.
Keywords: Photovoltaic solar energy. MPPT. Instant power. Bypass diodes.
1. INTRODUÇÃO
A eletricidade hoje é muito importante para a realização das atividades dos seres humanos, e hoje ela está presente no nosso dia a dia. Nas residências utiliza-se a energia para o funcionamento dos equipamentos elétricos, iluminação, aquecimento, entre outros; o mundo industrial depende diretamente da eletricidade para seu funcionamento.
Devido ao crescimento acelerado das indústrias e o crescimento populacional, a demanda por energia tem aumentado bruscamente. O Brasil possui um potencial energético especialmente por fontes renováveis, sendo a principal fonte de energia a hidrelétrica, proveniente dos recursos hídricos. Porém essa fonte de energia tem se tornado escassa, devido ao aumento do período de estiagem, que deixa o nível dos reservatórios abaixo do limite, levando a ativação das usinas termoelétricas, que utiliza combustíveis fósseis para geração da eletricidade, porém isso gera um custo muito alto, além de emitir muitos gases poluentes que agridem o meio ambiente.
Por isso, há a necessidade de desenvolver investimentos e pesquisas para diversificar a matriz elétrica, visando minimizar impactos sociais, econômicos e no meio ambiente como, por exemplo, a emissão de poluentes e gases do efeito estufa. Há algumas fontes de energias que causam menos impactos socioambientais como: solar, biomassa e eólica.
No Brasil, a energia advinda da radiação solar começou a ser aproveitada no período em que o Brasil começou a desenvolver programas de atendimento da zona rural, e eram instalados sistemas off-grid, com um banco de baterias e controlador de carga e devido a serem em regiões isoladas, os sistemas fotovoltaicos eram desconectados da rede de energia elétrica. (TOLMASQUIM, 2016).
Com a ampliação das normas reguladoras, a geração de energia descentralizada foi potencializada. O mercado de energia fotovoltaica passou por um crescimento considerável, e hoje soma mais de 3 GW de geração elétrica na matriz elétrica brasileira.
A geração distribuída, nome dado quando a fonte de geração está próxima ou dentro do consumidor, fez com que diminuísse as perdas na transmissão e distribuição de energia, mantendo a estabilidade da rede elétrica. Os sistemas fotovoltaicos podem ser conectados à rede (On Grid) e isolados (Off Grid). Na elaboração do projeto, é de extrema importância dimensionar os cabos corretamente, a quantidade de geração desejada e avaliar estruturas próximas que podem sombrear os módulos fotovoltaicos.
Sistemas fotovoltaicos que sofrem com sombreamento, tem a sua geração totalmente limitada. A corrente das células fotovoltaicas quando afetada pelo sombreamento é quase nula, logo isso afeta toda a corrente da série de módulos, diminuindo a geração total do sistema.
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Geração Distribuída no Brasil
No ano de 2011, houve grandes avanços no setor de energia fotovoltaica no Brasil, o Grupo Setorial de Energia Fotovoltaica da Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (ABINEE) se juntou em discussões com o Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações (COBEI), gerando grandes resultados. O objetivo da discussão era promover a energia fotovoltaica, elaborar uma norma de conexão de inversores fotovoltaicos à rede elétrica e discutir regras para a entrada dessa fonte renovável na matriz elétrica brasileira (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Em abril de 2012, foi elaborada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) a Resolução Normativa nº 482, permitindo aos consumidores o acesso à microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica. Dessa forma, todo consumidor que estiver ativamente cadastrado no Ministério da Fazenda, por um CPF ou CNPJ, tem concessão para conectar um sistema gerador de energia elétrica próprio, advindo de fontes renováveis, às redes de distribuição das concessionárias de energia, garantindo a compensação do consumidor do excedente de energia injetado na rede (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
[…] a resolução 482/2012 definiu a microgeração distribuída como uma central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada. Tratou também da minigeração distribuída, definindo-a como uma central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada. (AGUIAR JUNIOR; PINTO, 2017, p. 3).
A geração centralizada se caracteriza pela geração longe do consumo, havendo que transmitir grande quantidade de energia até o consumidor, o que pode levar a grandes perdas de energia durante esse processo. Um estudo feito pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), afirma que a média de perdas de energia da geração na usina até a casa do consumidor, é em média 16%. A geração distribuída descentraliza a produção de energia, gerando energia próximo do local de consumo, permitindo aliviar as linhas de transmissão e redes de distribuição, já que a geração será próxima ao consumo, e consequentemente não terá perdas de energia (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
O sistema de compensação de crédito das concessionárias, garante que a energia que o sistema estiver gerando não for toda consumida instantaneamente pela residência, esse excedente será injetado na rede elétrica da concessionária, assim, gerando créditos. Mais tarde, esses créditos são gastos ao receber energia elétrica pela noite, ou em dias chuvosos ou nublados, quando a geração do sistema fotovoltaico não é suficiente para atender a demanda da residência (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
A Resolução Normativa nº 482 foi um grande marco regulatório, porém, a utilização dos créditos não atendia como esperado, o tempo de consumo era de 3 meses, porém as regras não eram muito claras e muita das vezes esses créditos nem eram contabilizados pela concessionária. Somente em 2015 com a Resolução Normativa nº 687 (ANEEL), definindo novas regras para a geração distribuída, aumentando o prazo de até 60 meses para utilizar os créditos do sistema de compensação (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Foram permitidas também sistemas de até 5MW, que se encaixam em minigeração. A microgeração continuou sendo definida em sistemas de até 75 kW. A principal mudança imposta pela RN 689 foi a inclusão de novas modalidades para a geração distribuída, uma delas é o Autoconsumo Remoto, que permite o compartilhamento dos créditos para outras unidades consumidoras pertencentes ao mesmo titular. Devido a incentivos do governo, com a isenção de tributos PIS/COFINS e ICMS sobre a energia compensada na rede pela unidade consumidora, tornou-se a geração distribuída mais acessível e mais vantajosa (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Nessa contextura, o Brasil com um extenso território e abundância de recurso de radiação solar, se mostra como um grande país para proveito da energia solar fotovoltaica.
2.3. Potência Solarímetro no Brasil
O Brasil possui um enorme potencial para geração de energia solar, em razão da sua localização geográfica, com altos índices de irradiação solar que propicia a geração de energia através do sol em todo o país. Um fator que influencia na quantidade de radiação solar em um local é a latitude, ou seja, quanto mais perto estiver da linha do Equador, maior será a quantidade de luz naquele local. Por isso o Brasil é muito abundante em irradiação solar, pois grande parte do seu território está na região tropical (PINHO; GALDINO, 2014).
Outros fatores que influenciam na quantidade de radiação solar em um local é a época do ano, no verão os dias costumam ser mais longos, consequentemente a quantidade de luz será maior. Já no inverno, os dias são mais curtos, e consequentemente a quantidade de luz será menor. Portanto, a época do ano influencia na quantidade de radiação solar em um local. Outro fator que determina a radiação solar, é o clima da região, lugares secos geralmente chove menos, e tem uma quantidade maior de radiação solar em relação com lugares chuvosos (PINHO; GALDINO, 2014).
Segundo o Atlas Solar Brasileiro (2019), incide diariamente no Brasil entre 4.444 Wh/m² à 5.483 Wh/m².
O Brasil possui potencial de destaque no cenário de energia solar mundial e aumenta ainda mais quando leva em consideração sua reserva de silício, que também é uma das maiores do mundo. A partir de iniciativas governamentais, o Brasil vem aumentando a participação da energia solar em seu espectro energético, a matriz elétrica dominada pelas fontes hidrelétricas e termelétricas.
2.4 Sistema Solar Fotovoltaico
A radiação solar, energia emitida pelo sol é transmitida em forma de ondas eletromagnéticas, em que é composta em 53% de radiação invisível, composta por luz ultravioleta e luz infravermelho, e em 47% de luz visível. Aproximadamente 25% da radiação solar emitida pelo sol penetra na superfície terrestre de forma direta, enquanto o restante da radiação é refletido de volta para o espaço (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
O Efeito Fotovoltaico ocorre nas células fotovoltaicas, e é a base da geração de energia elétrica a partir da radiação solar. Esse fenômeno físico consiste em uma célula conseguir converter a radiação eletromagnética emitida pelo sol em energia elétrica por meio de semicondutores.
O efeito fotovoltaico, que é a base dos sistemas de energia solar fotovoltaica para a produção de eletricidade, consiste na transformação da radiação eletromagnética do Sol em energia elétrica através da criação de uma diferença de potencial, ou uma tensão elétrica, sobre uma célula formada por um sanduíche de materiais semicondutores (VILLALVA; GAZOLI, 2012, p.41).
A radiação solar faz com que os elétrons que compõem o semicondutor silício da célula fotovoltaica se excitem e se desloquem pelo circuito elétrico do painel fotovoltaico formando a corrente elétrica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
O módulo fotovoltaico é constituído por fileiras de células ligadas em série, e geralmente essas células possuem uma tensão bem baixa, em torno de 0,5V, e para obter níveis de tensão considerável, elas são ligadas em série, somando-se o valor de tensão de cada. As células fotovoltaicas são bem finas e frágeis, por isso elas são moldadas em uma estrutura de alumínio, dando rigidez na estrutura do módulo (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Os módulos geram energia em corrente contínua, porém o formato padrão da distribuição da rede elétrica é a corrente alternada. O inversor fotovoltaico é um equipamento eletrônico conectado à rede capaz de converter a tensão e corrente contínua em tensão e corrente alternada, sendo assim, permite que essa energia gerada seja utilizada (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
O inversor mais utilizado é o inversor string, que possui sistemas MPPT, que tem o objetivo de rastrear o ponto de máxima potência dos módulos, permitindo que eles operem no seu ponto de máxima potência. Cada MPPT trabalha de forma independente para cada string (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Seria mais interessante que um inversor tivesse várias entradas MPPT, pois isso torna o inversor mais eficiente, assim o inversor teria mais entradas, como menos módulos em cada string, e caso uma das strings seja afetada por sombreamento, os demais módulos que estão conectados na outra entrada MPPT não serão afetados. (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
3. ESTUDO DO SOMBREAMENTO EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
A geração de energia elétrica fotovoltaica se dá a partir da incidência de radiação solar sobre os módulos, porém, devido à ocorrência de sombreamento sobre uma ou mais células fotovoltaicas, pode prejudicar a geração de todo o sistema de geração de energia. A corrente elétrica de uma célula fornece ao módulo é proporcional a quantidade de radiação solar que ela recebe, então se a mesma recebe pouca ou nenhuma radiação solar devido ao sombreamento, a corrente elétrica gerada pela célula será bem pequena, diminuindo a geração do sistema solar fotovoltaico (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
As células são ligadas em série no módulo fotovoltaico, quando a corrente produzida por essa célula é baixa ou nula, todas as outras células do mesmo módulo que estão em série serão afetadas. Caso haja outros módulos em série, toda a geração dessa string será afetada, ocasionando perdas na produção de energia elétrica do sistema (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Dentre o pior de caso de sombreamento, pode-se citar o sombreamento parcial, é quando as sombras se incidem somente em uma parte dos módulos do sistema, fazendo com que apenas alguns módulos da string sejam afetados e a causa está relacionada por meio de nuvens e objetos próximos aos módulos fotovoltaicos. Por outro lado, o sombreamento uniforme é aquele em que todos os módulos são sombreados da mesma forma, recebendo a mesma quantidade de luz (PINHO; GALDINO, 2014).
O inversor fotovoltaico através da tecnologia MPPT, vai sempre com o objetivo de buscar a máxima potência de operação. Porém no caso do sombreamento parcial, a curva de geração dos módulos irá apresentar dois ou mais pontos de máxima potência, ocasionando uma confusão no inversor e sua operação pode convergir para um ponto de pequena potência, diminuindo drasticamente a geração de energia (PINTO, 2015).
Em contrapartida, o sombreamento uniforme apresenta somente um ponto de máxima potência de geração. Nesse caso, embora a potência do sistema fotovoltaico seja menor do que a projetada, a curva de geração dos módulos irá tender a atingir a um único ponto, através da tecnologia MPPT do inversor fotovoltaico (PINTO, 2015).
O sombreamento além de comprometer a eficiência da geração do sistema fotovoltaico, há ainda riscos de causar danos as células fotovoltaicas. O hotspot, chamado de ponto quente, é um fenômeno que ocorre em pequenas áreas dos módulos onde a incidência solar foi bloqueada; a área sombreada irá funcionar como um resistor, fazendo com que a potência elétrica que está sendo gerada se transforma em energia dissipada, produzindo calor e aquecendo as células (PINHO; GALDINO, 2014).
3.1 Tecnologia para minimização dos efeitos causados pelo sombreamento
Algumas tecnologias já foram desenvolvidas para minimizar os efeitos causados pelo sombreamento. Dentre elas está o diodo de by-pass, em que sua funcionabilidade está em desviar o fluxo de corrente elétrica da célula fotovoltaica que está sombreada, assim evitando que ela aqueça e forme pontos quentes. Em casos de sombreamentos muito pequenos com menos de 20% do tamanho da célula fotovoltaica, o diodo não consegue identificar e assim ele não entrar em trabalho, podendo causar pontos quentes no módulo que será identificado à partir de uma câmera termográfica (PINHO; GALDINO, 2014).
Outra tecnologia que é bastante utilizada é a utilização de um inversor fotovoltaico com múltiplas entradas MPPT. Cada MPPT(Segmento do ponto de máxima potência) trabalham de forma independente uma da outra, caso ocorra um sombreamento em um módulo, os outros módulos que estão conectados nas outras entradas não serão afetados (MICHELETTI, 2020).
Outra tecnologia mais recente é o módulo half-cell, que consiste na construção de módulos fotovoltaicos com células cortadas ao meio, o chamado “módulo 2 em 1”, o que o torna mais eficiente e com dimensões menores. Caso haja o sombreamento em uma parte do módulo, ele desconecta essas partes sombreamento e irá funcionar somente com partes que estão sobre radiação solar. No entanto irá trabalhar com uma geração menor, porém sem o risco de ocorrer um ponto quente e danificar as células (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
4. MÉTODO DE PESQUISA
No presente trabalho os experimentos foram realizados em um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica para a realização do experimento em campo, que ainda estava em processo de finalização da instalação, a fim de garantir que não ocorressem falhas que pudessem prejudicar os resultados.
O sistema fotovoltaico é a lanchonete do Sindicato dos Trabalhadores em Saúde do Estado do Tocantins (SINTRAS), localizado na cidade de Palmas – TO, com as seguintes coordenadas -10.158266, -48.342807, possui 80 módulos fotovoltaicos policristalino de 460W de 60 células, do modelo JKM460M-60HL4-V da marca Jinko Solar, o datasheet do módulo está disponível no Anexo 1 e o diagrama da disposição dos módulos sobre o telhado está disponível no Anexo 2. Cada módulo fotovoltaico possui 3 diodos de bypass e todos possuem a tecnologia half-cell. A figura 26 apresenta a vista de cima do sistema fotovoltaico em que os módulos se encontram em relação ao telhado.
Figura (1) – Disposição dos módulos sobre o telhado.
Fonte: (Autor Próprio,2022).
O Inversor que compõe esse sistema fotovoltaico é trifásico de potência 36 kW, modelo MID 36KTL3-X da marca Growatt, e tem sua folha de dados apresentada no anexo 3. Esse sistema possui a seguinte configuração de módulos, 2 strings de 8 módulos conectados no MPPT1, 2 strings de 8 módulos conectados no MPPT1, 2 strings de 12 módulos conectados no MPPT3, 2 strings de 12 módulos conectados no MPPT4
Figura (2) – Arranjo Fotovoltaico.
Fonte: (Autor Próprio, 2022).
Na imagem acima possui 32 módulos, sendo 4 séries de 8 módulos, na qual utilizou-se para teste a string delimitada. A parte que está grifada em amarelo representada os módulos que serão utilizados para teste, são 2 séries de 8 módulos cada, ligados no MPPT 1 e MPPT 2 respectivamente.
Os testes feitos consistiram em analisar as variações de tensão, corrente e potência através de medições com um multímetro e análise no painel de informações do inversor. Foram feitos o sombreamento artificial e a análise da variação de tensão de um série sombreada e uma séria não sombreada.
Foi analisado a questão dos pontos quentes (hotspots), através de uma câmera de termografia. O teste foi feito de forma artificial, utilizando uma pequena pedra sobre um módulo fotovoltaico, a fim de testar a ativação do diodo de by-pass. Abaixo está a tabela com as condições de sombreamento que foram feitas nos testes.
Tabela (1) – Condições de Sombreamento.
Fonte: (O Autor, 2022).
A figura abaixo (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) mostra a ilustração das condições de sombreamento 1,2,3,4,5,6,7,8, respectivamente apresentadas na Tabela 1.
Figura (3) – Demonstração das Condições de Sombreamento.
(A) Condição 1 (B) Condição 2 (C) Condição 3
(D) Condição 4 (E) Condição 5 (F) Condição 6
(G) Condição 8 (H) Condição 9
Para realizar as projeções de sombreamento sobre os módulos, foram utilizados alguns pedaços de papelão como pode ser observado nas imagens acima. Para a simulação de pontos quentes, utilizou-se uma pequena pedra de tamanho 0,5 cm, como pode ser observado na figura 5, e foi deixada sobre uma célula de um módulo fotovoltaico.
Figura (4) – Pedra sobre a célula fotovoltaica.
Fonte: (O Autor, 2022).
A partir de uma câmera termográfica analisa-se os pontos quentes e suas proporções.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Estudo de Caso
A coleta dos dados ocorreu na tela digital do Inversor Fotovoltaico GROWATT modelo MID 36KTL3-X antes e após o sombreamento e em seguida foi utilizado um multímetro para medição da tensão das séries fotovoltaicas das MPPT´S 1 e 2, antes e após o sombreamento artificial. A partir da análise dos valores de corrente, tensão e potência, foi realizada a análise do comportamento da corrente elétrica em cada caso de sombreamento.
Foi realizada uma análise de geração do telhado sul e do telhado norte, conectados na MPPT 1 e MPPT 2 respectivamente
A realização do teste ocorreu em um dia bastante ensolarado, sem presença de nuvens ou intempéries, onde a geração de energia estava próxima no pico. Isso permitiu que a coleta de dados da geração não fosse prejudicada, e fosse feita a análise da perda de geração de séries que estavam sombreadas com séries de módulos que não estavam sombreadas e estavam no seu pico de geração.
Além da análise do sombreamento, foi feito um teste de ponto quente, que foi realizado no dia 01/09/2022 em torno de 14:00, ou seja, a geração estava próxima ao pico, com alta incidência solar, com isso, a nível de testes e para não correr risco de danificar as células e os módulos fotovoltaicos, a pedra foi deixada sobre a célula por 30 minutos, e com isso foi retirada e foi feito a aferimento com a câmera termográfica
O teste foi realizado no mês de setembro, isso porque o Estado do Tocantins se encontra em latitudes baixas, em torno de 10°. Durante esse período o sol está em uma posição mais inclinado ao Norte, tornando maior a possiblidade de sombreamento advindas de estruturas próximas as instalações. Sem contar que segundo dados do CRESESB (Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito) a irradiação solar diária média [kWh/m2.dia] no mês de setembro na cidade de Palmas é 5,72 kWh/m². dia.
O equipamento indicado para medir níveis de radiação solar é um piranômetro, mas devido ao alto custo desse aparelho, acabou se tornando inviável, por isso para essa pesquisa utilizou-se os dados do CRESESB. As temperaturas nos dias dos testes estão expostas na tabela 5.
Antes de iniciar os testes, foi feita uma análise no painel digital do inversor fotovoltaico, levando em consideração a produção de energia entre a String 1 da MPPT1 que estava orientada para a direção Sul, e a String 1 da MPPT2 que estava orientada para o Norte. Concluindo-se a análise foi notado uma diferença na geração de energia entre os painéis do telhado Norte para os painéis do telhado Sul de 47%.
Figura (5) – Geração da MPPT1 (PV1) e MPPT2 (PV2).
Fonte: (O Autor, 2022).
Analisando as imagens acima, na MPPT1 (PV1) é composta por 16 módulos de 460W, dividida em 2 séries e que estão inclinadas para a direção Sul, atingindo uma geração de 3400W de potência. Na MPPT2 (PV2) também composta por 16 módulos de 460W e dividida em 2 séries, estando inclinadas para a direção Norte, atingindo uma geração superior de 5000W de potência. Isso se deve a trajetória do Sol, que se move no horizonte, fazendo com que a posição do poente e da nascente varie ao longo do ano. Portando como o Brasil
está no Hemisfério Sul, para uma melhor geração dos módulos fotovoltaicos, eles devem estar orientados para o Norte, assim tendo maior aproveitamento da radiação solar e uma melhor eficiência da geração de energia.
5.2. Análise da Geração de Energia
As tabelas abaixo fornecem os dados coletados nos dias dos testes, são apresentados os valores de tensão, corrente potência com e sem influência de sombreamento.
Tabela (2) – Coleta de dados dia: 01/09/2022.
Fonte: (O autor, 2022).
Tabela (3) – Coleta de dados dia: 02/09/2022.
Fonte: (O autor, 2022).
Tabela (4) – Coleta de dados dia: 03/09/2022.
Fonte: (O autor, 2022).
Analisando-se as tabelas, verifica-se que a tensão não variou muito em cada condição de sombreamento. No caso da corrente elétrica houve uma variação mais significativa do que a tensão, principalmente nas condições D, E, F, G e H onde o sombreamento foi maior. Nas condições A, B e C onde teve menores áreas sombreadas, a variação de corrente foi menor.
Os testes foram realizados em 3 dias consecutivos, e o valor da radiação solar não poderia alterar de formar significativa ao ponto de interferir os resultados, já que os dias estavam dentro do mesmo mês, e o CRESESB (Centro de Referência de Energia Solar e Eólica) fornece a radiação solar média dentro de cada mês.
Na tabela abaixo, consta as temperaturas medidas nos dias dos testes. A temperatura no primeiro dia estava bem alta em relação aos outros dias dos testes,
Tabela (5): Temperatura nos dias dos testes.
Fonte: (O autor, 2022).
Fazendo a análise da tabela acima, nota-se a temperatura bem elevada no primeiro dia de teste, o que pode ter interferido nos resultados, visto que no dia 1 os valores estão discrepantes em relação aos outros dias.
5.3. Análise de Ponto Quente
O teste de hotspots foi realizado no dia 01/09/2022 em torno de 14:00, à uma temperatura média de 42°C. O Sistema Fotovoltaico era recém-instalado e não possuía sujeiras sobre os módulos que pudessem causar um ponto quente. No entanto, para simular um ponto quente foi utilizado uma pedra pequena, que foi posta sobre o painel. Com uma câmera termográfica foi possível visualizar o ponto quente formado no módulo, conforme mostra a figura abaixo.
Figura (6): Ponto quente em módulo fotovoltaico.
Fonte: (O Autor, 2022).
Observando a imagem acima, nota-se o ponto quente identificado pelo circula preto. Como geração de energia através de um módulo fotovoltaico se dá diretamente a quantidade de radiação solar que ela recebe. A temperatura é um fator que influência o desempenho do sistema fotovoltaico, com uma temperatura alta, a tensão tende a cair e corrente elétrica tende a aumentar (PINHO; GALDINO, 2014).
Concluindo que, uma pequena pedra sobre uma célula ocasionou a queda da tensão e aumento da corrente naquele ponto, com isso, essa pequena parte da célula passou a consumir corrente, provocando um superaquecimento devido ao efeito joule. O diodo de by-pass só é ativado em caso de um sombreamento que ocupe 20% ou mais em uma única célula fotovoltaica. Como no teste realizado a pedra era muito pequena, o sombreamento não foi detectado, e com isso se deu a formação de um pequeno ponto quente.
5.4. Análise da Potência
Na tabela abaixo tem-se os valores da potência obtida nas condições de sombreamento.
Tabela (6): Comportamento da potência nas condições de sombreamento.
Fonte: (O Autor, 2022).
Através dos dados obtidos da potência medidas, abaixo é apresentado o gráfico da perda dela nas condições de sombreamento propostas.
Tabela (7): Perda de potência em %
Fonte: (O Autor, 2022).
Nas condições A, B, C, D e E tiveram a menor perda de potência instantânea. As condições A, B e D os resultados obtidos foram próximos ao esperado. A sombra estava somente sobre uma fileira que estava ligada a um diodo de by-pass, e a variação de corrente nesses casos foi pequena. Na condição H esperava-se uma variação de corrente maior, como no caso da condição F em que teve uma área menor sombreada e uma variação de corrente maior.
É possível que uma das possíveis causas para essas discrepâncias seja correspondente ao comportamento da corrente e tensão dos módulos durante o processamento de MPPT do inversor. Para o inversor fotovoltaico extrair o ponto de máxima potência do MPPT, ele leva em consideração o comportamento elétrico dos módulos. Conforme (PINHO; GALDINO, 2014) o inversor fotovoltaico pode extrair o ponto de máxima potência de formas diferentes quando os módulos estão sombreados, e isso indica que a perda de geração de energia não é proporcional a área sombreada, e essas perdas podem estar relacionadas a ativação dos diodos de by-pass, da configuração do arranjo fotovoltaico e das características elétricas.
Analisando as condições G e H, ambas tendo a mesma quantidade de sombreamento, tiveram uma diferença na perda de potência, isso se deu devido aos módulos da condição H estarem orientados para o Sul, onde a radiação solar era menor, e na condição G os módulos estavam orientados ao Norte, onde a radiação solar era superior.
Concluiu-se através dos dados obtido que quando um painel é sombreado sua potência não é nula devido aos diodos de by-pass, que fizeram o desvio da corrente das células sombreadas, evitando também que todos os outros painéis daquela string tivessem sua potência zerada. A tensão ela variou bem pouco em cada condição de sombreamento, já a corrente teve uma variação mais significativa, isso se deu, pois, a corrente ela é proporcional a quantidade de radiação solar que a célula recebe. Já a tensão quando a célula recebe uma quantidade mínima de luz, ela já gera 0,7 V, e como as células estão ligadas em série, essa tensão vai se somando, chegando em torno de 35 V (MALVINO; BATES, 2016).
A tabela 8 apresenta a média de cada resultado encontrado dos 3 testes e o desvio padrão.
Tabela (8): Média e Desvio Padrão dos resultados obtidos.
Fonte: (O Autor, 2022).
A condição A foi a com menor perda de potência, o que já se esperava devido somente uma célula estar sombreada. As condições B, C e D tiveram áreas semelhantes sombreadas e tiveram uma variação de potência semelhante. A condição H foi a que teve a maior perda de potência, a string utilizada nessa condição estava virada para o Sul, onde a radiação solar era inferior a orientação Norte, em que a string que foi utilizada nas condições F e G estavam orientadas.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os testes foram realizados com êxito, ocorreram em dias ensolarados, sem nuvens e intempéries. Através de estudos teóricos e revisão bibliográfica foi possível encontrar embasamento para definir as possíveis condições de sombreamento e o funcionamento elétrico e comportamento das células fotovoltaicas, compreendendo os resultados encontrados.
Através da realização deste trabalho e verificação dos resultados nota-se a importância das tecnologias half-cell diodos de by-pass para uma melhor otimização da geração do sistema fotovoltaico. Como observado em casos de sombreamentos, a ativação dessas tecnologias evita maiores perdas na geração e danos causados as células fotovoltaicas. Embora módulos com essas tecnologias custem mais caro, os benefícios são bem vantajosos.
A orientação dos painéis também influência a produtividade do sistema fotovoltaico, como o Brasil está no Hemisfério Sul, o ideal é que os painéis estejam orientados para o Norte para um melhor aproveitamento dos raios solares. Nos testes realizados verificou-se como a orientação influência a geração dos painéis fotovoltaicos.
A importância de manter os módulos fotovoltaicos limpos é relevante para a integridade do sistema, pois evita formação de pequenos pontos quentes, que como realizado nos testes, pequenos sombreamentos acabam tornando imperceptível pelos diodos de by-pass, podendo danificar as células fotovoltaicas. No teste o ponto quente formado não foi capaz de prejudicar a geração nem danificar a célula fotovoltaicas, pois em vista de ser um teste rápido, o sombreamento ficou por um curto período de tempo.
Em vista disso, essa pesquisa pode ser considerada relevante na elaboração de projetos de sistemas fotovoltaicos, em casos de interrupção da radiação solar sobre os módulos fotovoltaicos e formação de pontos quentes. Como descrito no início deste trabalho, ressalvo mais uma vez a importância de em instalações novas, a importância de realizar a análise do local, observando possíveis sombreamentos.
REFERÊNCIAS
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CANAL SOLAR. Entendendo os efeitos das sombras parciais nos sistemas fotovoltaicos, 6 de março de 2020. Disponível em: https://canalsolar.com.br/efeito-das-sombras-parciais-nos-sistemas-fv/#:~:text=Sombras%20no%20sistema%20fotovoltaico,que%20chamamos%20de%20sombreamento%20parcial. Acesso em: 28 de maio de 2022.
CANAL SOLAR. Diodo de by-pass e de bloqueio nos sistemas de energia solar fotovoltaica, 8 de setembro de 2020. Disponível em: https://canalsolar.com.br/diodos-de-bypass-e-de-bloqueio-nos-sistemas-de-energia-solar-fotovoltaica/. Acesso em: 30 de maio de 2022.
¹UniCatólica. Aluno da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso II, turma 2018, do Curso de Engenharia Elétrica. E-mail breno.aandrade@a.catolica-to.edu.br
²UniCatólica. Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho, Professor da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso II, turma 2018, do Curso de Engenharia Elétrica. E-mail murilo.lopes@catolica-to.edu.br