Embora a principal função do diodo de bypass seja a prevenção do hotspot, existe um efeito sobre o desempenho do módulo fotovoltaico.
O problema do sombreamento parcial em módulos fotovoltaicos, além de causar perda de geração, é muitas vezes responsável pelo aparecimento de hotspots (pontos de aquecimento) nas células fotovoltaicas, como o ilustrado acima:
A AE Solar uma empresa inovadora alemã na indústria de energia solar com sua equipe de P&D está sempre focada em novas inovações e tecnologias emergentes em fotovoltaica. Seu esforço e pesquisa contínuos permitem que a AE Solar forneça seus produtos com a mais alta qualidade. Como resultado, a AE Solar desenvolveu com sucesso o primeiro módulo livre de pontos quentes resistente ao sombreamento do mundo para produção em massa.
Para evitar o efeito do hotspot os fabricantes adicionam diodos de bypass em paralelo com um conjunto de células fotovoltaicas. Na maior parte dos módulos comercialmente disponíveis existem três diodos de bypass.
Tipicamente as sombras cobrem um certo número de células do módulo fotovoltaico. Entretanto, em situações extremas é possível que ocorram sombras localizadas em um pequeno número de células – no pior caso, em apenas uma célula – o que pode impedir o funcionamento do diodo de bypass, levando à ocorrência do hotspot.
Sombras localizadas podem ser causadas por obstáculos como chaminés, postes, cabos de distribuição de energia ou sujeira de pássaros, etc.
A prevenção total do hotspot pode ser realizada com a adição de um diodo de bypass para cada célula do módulo fotovoltaico. Esta é uma solução que envolve um desafio técnico-econômico, pois a solução não pode elevar demasiadamente o custo do módulo fotovoltaico.
Embora a maior parte dos fabricantes prefira a solução de diodo de bypass coletivo (dedicado a um grupo de células fotovoltaicas), a solução do diodo de bypass individual já existe comercialmente. Módulos com esta tecnologia são denominados “hotspot-free”.
Estudo experimental
Um estudo conduzido pelo Instituto Fraunhofer (Alemanha) validou a solução de diodo individual a partir de um experimento com dois módulos fotovoltaicos, um tradicional (com diodo coletivo) e outro com diodo dedicado, do tipo hotspot-free.
O experimento foi realizado com a aplicação de sombras parciais sobre os módulos através da adição de anteparos opacos sobre células ou grupos de células, como mostrado no experimento.
No experimento foram empregadas três condições, aplicadas aos dois tipos de módulos analisados:
- Condição de teste 1: Sombreamento de apenas uma célula
- Condição de teste 2: Sombreamento de uma fileira de células
- Condição de teste 3: Sombreamento de várias fileiras de células
Uma fileira de células é definida como um grupo de células alinhadas horizontalmente (considerando-se o módulo na posição retrato), mas não pertencentes à mesma string, como mostra a Figura 6.
Resultados do estudo
A seguir são mostrados resultados do estudo experimental realizado. Os resultados mostram a influência do efeito dos diodos de bypass sobre a potência gerada pelo módulo fotovoltaico.
Embora a principal função do diodo de bypass seja a proteção contra a ocorrência do hotspot, existe um efeito colateral (desejável) do diodo sobre o desempenho do módulo fotovoltaico.
No módulo tradicional, a ativação de um diodo de bypass ocasiona a perda de uma string completa de células. No módulo hotspot-free, por outro lado, a perda é gradual, proporcional ao número de células sombreadas, como mostra a Figura 7.
O gráfico da Figura 7 mostra que o sombreamento de apenas 60% de uma célula ocasiona a perda de 1/3 da potência de saída do módulo fotovoltaico convencional. Isso se explica pela remoção de uma string inteira (20 células) quando um dos diodos de bypass é ativado.
Por outro lado, conforme mostra também a Figura 7, no módulo hotspot-free a potência se mantém em torno de 97% na mesma condição de teste.
Um fato interessante que pode ser observado na Figura 6 é que existe uma relação quase linear entre o percentual de sombreamento e a redução de potência do módulo hotspot-free.
No caso mostrado, apenas 1 célula (dentre as 60) do módulo fotovoltaico é sombreada, o que corresponderia a um sombreamento de 98,3% – considerando apenas a área ativa do módulo, ou seja, a área correspondente à superfície das células fotovoltaicas.
Os resultados da Figura 7 se explicam a partir das curvas I-V dos módulos fotovoltaicos, mostradas na Figura 8, quando submetidos às condições descritas anteriormente.
As Figuras 9 a 12 mostram os resultados obtidos com as demais condições de teste, ou seja, com o sombreamento de 1 fileira e de várias fileiras dos módulos fotovoltaicos.
Análise dos resultados e conclusão
Realizou-se um experimento para avaliar o desempenho de um módulo fotovoltaico hotspot-free em comparação com um módulo convencional sob condições de sombreamento parcial.
No experimento conduzido pelo Instituto Fraunhofer foram realizados testes com diferentes condições de sombreamento, de acordo com três padrões aplicados igualmente aos dois tipos de módulos avaliados: sombreamento de apenas uma célula, sombreamento de uma fileira e sombreamento de várias fileiras.
Com o sombreamento de apenas uma célula o módulo hotspot-free apresentou perdas de apenas 3%, enquanto o módulo convencional perdeu 35% da potência.
Com o sombreamento de uma fileira o módulo padrão perde 100% da sua potência, tendo seus três diodos de bypass ativados. Na mesma condição, o módulo hotspot-free perde apenas 20% da potência total.
Com o sombreamento de várias fileiras a potência do módulo hotspot-free diminui linearmente com o aumento da área sombreada do módulo. Por outro lado, o módulo convencional perde totalmente sua potência quando tem 50% das fileiras sombreadas.
É importante salientar que o resultado obtido com o teste na condição 3 é válido apenas quando o sombreamento ocorre de baixo para cima. Se a sombra avançar na direção horizontal (da direita para a esquerda ou vice-versa) a perda de potência no módulo convencional poderá ser ainda maior.
Este artigo focou no problema da perda de potência com sombras parciais. Este problema pode ser amenizado com o uso de um maior número de diodos de bypass no módulo fotovoltaico – idealmente, um diodo para cada célula, como é o caso dos módulos hotspot-free.
Referências
Electrical Characterization of hotspot-free and standard module. Hamed Hanifi, Frank Wenger, Jens Schneider, Report No. 389/2018, Fraunhofer
Smart AE Hot-Spot Free
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