O impacto das sombras na eficiência dos módulos fotovoltaicos
As sombras nos módulos são uma das principais causas de perda de eficiência em módulos fotovoltaicos. Quando uma parte de um painel solar é coberta, mesmo que parcialmente, a geração de energia é afetada significativamente. Além disso, as sombras podem criar hotspots (pontos de aquecimento), que comprometem o desempenho e a durabilidade do sistema.
A AE Solar, pioneira no desenvolvimento de tecnologias fotovoltaicas, apresentou soluções inovadoras para mitigar os problemas causados pelo sombreamento. Entre elas está a criação do primeiro módulo hotspot-free, que utiliza diodos de bypass individuais para reduzir os danos e maximizar a produção de energia.
Como o efeito das sombras nos módulos fotovoltaicos se manifesta?
O que são hotspots e como eles surgem?
Os hotspots ocorrem quando uma célula sombreada em um módulo fotovoltaico recebe corrente elétrica das células vizinhas. Essa corrente excessiva provoca aquecimento localizado, danificando a célula. Obstáculos como chaminés, postes e até mesmo sujeira acumulada por pássaros são as principais causas de sombreamento parcial em placas solares.
Diodos de bypass: a solução tradicional
Para mitigar o problema, fabricantes adicionam diodos de bypass em paralelo com strings de células fotovoltaicas. Esses componentes permitem que a corrente bypass passe pelas células sombreadas, protegendo-as contra superaquecimento. Normalmente, cada módulo fotovoltaico possui três diodos, cobrindo grupos de 20 células.
No entanto, quando a sombra atinge menos de uma string completa, os diodos coletivos podem não ser eficazes. Nesses casos, o módulo continua vulnerável à formação de hotspots.
A inovação dos módulos hotspot-free
Por que usar diodos individuais?
A tecnologia hotspot-free emprega diodos de bypass dedicados a cada célula do módulo fotovoltaico. Isso reduz significativamente as perdas de potência, mesmo em condições de sombreamento parcial. Embora esta solução represente um desafio técnico e econômico, os benefícios superam os custos, especialmente em situações onde as sombras são frequentes.
Estudo experimental conduzido pelo Instituto Fraunhofer
Um estudo realizado pelo Instituto Fraunhofer comparou o desempenho de módulos tradicionais e hotspot-free sob três condições distintas de sombreamento:
- Condição 1: Sombreamento de uma única célula.
- Condição 2: Sombreamento de uma fileira de células.
- Condição 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: como otimizar a eficiência?
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 as sombras nos módulos avançarem na direção horizontal (da direita para a esquerda ou vice-versa) a perda de potência no módulo convencional poderá ser ainda maior.
Recomendações para minimizar o efeito das sombras nas placas solares
- Posicionamento estratégico: Instale os painéis solares em áreas com menor incidência de sombras durante o dia.
- Manutenção regular: Realize limpezas periódicas para evitar o acúmulo de sujeira que possa bloquear a luz solar.
- Uso de tecnologias avançadas: Considere módulos com diodos individuais ou otimizadores de potência para reduzir os impactos do sombreamento.
- Monitoramento constante: Utilize sistemas de monitoramento para identificar rapidamente perdas de eficiência e corrigir problemas.
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