Células fotovoltaicas,módulos fotovoltaicos e testes e operação

Uma célula fotovoltaica é a unidade básica de um sistema fotovoltaico. É a responsável pela conversão da radiação solar em eletricidade.

Como uma única célula não é suficiente para gerar potências elétricas elevadas, os fabricantes associam várias células, e as encapsulam para proteção, formando assim um módulo fotovoltaico.

Os módulos comerciais diferem entre si por vários fatores, como a capacidade de gerar potencial, chamado de potência-pico, fator de forma, área, etc. E esses valores se alteram de acordo ao ipo de célula fotovoltaica utilizada.

Figura 25 - Representação de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado

A seguir, você vai ver as principais ipos de células fotovoltaicas produzidas em escala comercial e suas principais características.

O silício é o segundo material mais abundante na natureza, perdendo apenas para o oxigênio. Entretanto, o silício está naturalmente combinado a outros materiais, e se apresenta como dióxido de silício e silicatos. A areia e o quartzo são as formas mais comuns. A areia contém demasiado teor de impurezas para ser processada., já os depósitos de quartzito chegam a possuir 99% de Si. É essa areia sílica que é processada para a obtenção da matéria pura.

Para a utilização do silício como matéria prima para a fabricação das células fotovoltaicas, esse deve ser purificado.

São dois, os graus de purificação do silício:

1 – Silício metalúrgico, onde se combina ao quartzito quantidades controladas de carbono a altas temperaturas. O oxigênio presente no quartzito é removido na forma de CO² e, depois de outros processos,serão obtidas barras de silício com pureza de 98%.

2 – Silício grau semicondutor (eletrônico e solar), onde o silício é convertido através de ácido clorídrico (HCl) a triclosano: Si + 3 HCl => Si H Cl3 + H2 . Devido ao seu baixo ponto de ebulição (31,8 °C), este pode ser purificado pelo método de destilação fracionada, processo semelhante ao utilizado em reinarias de petróleo. Com a adição de H2 acontece a seguinte reação química: Si H Cl3 + H2 => Si + 3 HCl.

Após essa purificação,teremos criado um cristal de silício com até 99,9999% de pureza, que é um dos materiais mais puros produzidos pelo homem. É justamente esse processo de purificação que encarece a criação das células fotovoltaicas.

Uma das formas de se obter o cristal único de silício, é através do método Czochralski. Durante esse processo, uma semente de cristal de silício é inserida numa caldeira com silício policristalino e, enquanto o conjunto gira lentamente, essa semente é erguida. A semente de silício orienta os átomos do mosto que se cristaliza em uma única formação cristalina, por isso o nome: monocristal.

Após o corte do cristal em pastilhas, é depositado o fósforo, através de difusão de vapor a temperaturas entre 800-1200°C, e criada a rede de contatos frontais e traseiras que recolherão os elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico. Também é feito um tratamento antirreflexo na parte posterior.

Eiciência: 15 – 18% (Czochralski)

Forma: Geralmente arredondadas, ou em formato de faia de pizza.

Tamanho: geralmente 10x10 cm² ou 12,5x12,5 cm²; diâmetro 10, 12,5 ou 15 cm.

Espessura: 0,3 mm.

Cor: geralmente azul-escuro ou quase preto (com antirreflexo), cinza ou azul-acinzentado (sem antirreflexo).

Um dos processos de criação de silício policristalino mais utilizado é o de fundição de lingotes, onde o silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500°C e depois resfriado até uma temperatura de 800°C.Pode-se aproveitar o processo de purificação do silício, e já adicionar o Boro. Nesse processo é utilizado menos energia. Serão criados blocos de silício de 40 x 40 cm² com altura de 30 cm. O processo segue como o do silício monocristalino, com o corte, tratamento antirreflexo e criação dos contatos frontais.

Eficiência: 13 – 15% (com    antirreflexo)
Forma:Geralmente quadrada.
Tamanho: 10 x 10 cm²,12,5 x 12,5 cm²,15 x 15 cm².
Espessura: 0,3 mm

Estrutura:Durante o resfriamento, formam-se vários cristais de silício com orientações diversas. Essa formação multicristalina é facilmente reconhecida.

Cor: azul (com antirreflexo), cinza prateado (sem antirreflexo).

Figura 27 - Células de silício policristalino

O desenvolvimento das células fotovoltaicas de película fina vem desde a década de 90. O material semicondutor é aplicado em um substrato, geralmente vidro, através de deposição por vaporização, deposição catódica ou banho eletrolítico.

Os semicondutores mais utilizados são o silício amorfo (a-Si), o disseleneto de cobre e índio (gálio) (CIS-CIGS) e o telureto de cádmio (CdTe). Devido à alta absorção luminosa, camadas de menor espessura (0,001 mm) são, em teoria, suficientes para converter a luz solar em eletricidade. Além disso, esses materiais são mais facilmente dopados e requerem menores temperaturas (entre 200°C e 500°C) para sua fabricação, o que, combinado com a capacidade de automação para produção em larga escala, pode baratear o preço final dos módulos.

As células de película finam não tem o tamanho e o formato restrito, como as células de silício cristalizado.

Figura 28 - Representação de uma célula de silício amorfo

O silício amorfo (sem forma) não possui uma estrutura cristalina, mas sim uma rede irregular. Por isso se formam ligações livres que absorvem hidrogênio até a saturação. Esse silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) é criando em reatores plasmáticos, através de vaporização química de silano gasoso (SiH4 ), que requer temperaturas relativamente baixas, em torno de 200°C a 250°C.

A grande desvantagem das células de a-Si é a sua baixa eficiência, que diminui nos primeiros 6 a 12 meses de funcionamento, devida à degradação provocada pela luz, pelo chamado Efeito Staebler-Wronski, até atingir um valor estável.

Eficiência: entre 5% a 9% de eficiência do módulo.

Forma: formato livre.

Tamanho: Módulo standard 0,77x2,44 m4; módulos especiais 2x3 m².

Espessura: 1-3 mm para o substrato (plástico, vidro, etc.), com um revestimento de silício amorfo de aproximadamente 0,001 mm.

Cor: castanho avermelhado a azul escuro.

Figura 29 - Módulo de silíco amorfo

Figura 30 - Representação de uma célula CIS

Para se fabricar as células CIS o substrato é revestido com uma fina camada de molibdênio através de deposição catódica, e a camada CIS do ipo P pode ser fabricada através da vaporização simultânea do cobre, índio e selênio, numa câmara de vácuo a 500°C, ou através da deposição camada a camada dos materiais. O óxido de zinco contaminado com alumínio (ZnO:Al) é utilizado como contato frontal transparente. Esse material é do ipo N e é depositada uma camada intermediária de óxido de zinco intrínseco (i-ZnO). Uma camada de sulfato de cádmio (CdS) do ipo N é utilizada para reduzir as perdas causadas combinação inadequada das redes cristalinas das camada de CIS e ZnO.

Diferentemente do silício amorfo, células CIS não são susceptíveis à degradação causada pela luz, mas apresentam problemas de estabilidade em ambientes quentes e húmidos. Por isso, os módulos fabricados com esse ipo de célula tem que ter boa selagem.

Os módulos CIS são os mais eficientes, dentre os mostrados aqui, e é provável que a produção em massa torne os seus preços mais atrativos que os de silício amorfo. Infelizmente as reservas de índio estão cada vez mais reservadas à produção das telas touch-screen dos smartphones e tablets, comprometendo o uso desse material para a indústria fotovoltaica.

Eficiência: 7,5% a 9,5% de eficiência    do    módulo.
Forma: formato livre.
Tamanho: geralmente entre 1,2 x 0,6 m².
Espessura: 3 mm para o substrato com revestimento de 0,003mm.
Cor:Preto.

Figura 31 - Células CIS

As células de CdTe são fabricadas sobre um substrato de vidro, com uma camada de óxido de estanho índio (OTI) como contato frontal, que é revestido com uma camada transparente de sulfato de cádmio (CdS) do ipo N, e depois com a camada de telureto de cádmio (CdTe) do ipo P. Podem ser fabricados por silk screen, deposição galvânica ou pirólise pulverizada.

Figura 32 - Representação de uma célula CdTe

Assim como o CIS, a tecnologia de fabricação do CdTe pode ficar ainda mais barata com o aumento da produção em escala. A desvantagem está na toxicidade do cádmio. O CdTe é um composto atóxico estável, mas pode apresentar um risco para o ambiente e a saúde na condição de gás. Felizmente o estado gasoso só ocorre durante a sua fabricação, em centros de produção controlados.

Eficiência: 6 – 9% de eficiência dos módulos.

Forma:Formato livre.

Espessura:3 mm para o substrato com 0,008 mm de revestimento.

Tamanho: geralmente 1,2 x 0,6 m². Cor: verde-escuro a preto

Figura 33 - Módulo de CdTe

Eficiência dos diferentes ipos de células fotovoltaicas

Uma célula fotovoltaica de silício cristalizado produz uma tensão de aproximadamente 0,46 a 0,56 volts e uma corrente aproximadamente 30 mA/cm². As células comerciais geram em torno de 1 A, 2,5 A, 3 A, 5 A e 7 A.

Para alcançar as potências comerciais, os fabricantes de módulos fotovoltaicos conectam células fotovoltaicas entre si, geralmente em série, em um processo de conexão que é feito soldando os terminais da parte frontal de uma célula à parte traseira da seguinte, e assim por diante. Para construir um módulo de tensão nominal em 12 volts, serão conectadas entre 30 e 40 células (geralmente 33, 36 ou 40).

Figura 34 - Conexão de células fotovoltaicas em série

O processo de montagem do módulo fotovoltaico pode ser feito de maneira automática, através de maquinário especializado, ou por manufatura, onde o processo de produção não permite uma alta produção em escala.

Figura 35 - Máquina para conexão automática de células

Após a conexão, as células serão encapsuladas na seguinte ordem:

Uma lâmina de vidro temperado;

Um material orgânico, como o EVA (eileno-vinil-acetato);

As células conectadas;

Mais uma lâmina de EVA (ou similar)

Uma cobertura, que pode ser vidro, tedlar, PVC, ou outros polímeros

Figura 36 - Máquina de corte dos materiais de encapsulamento

O conjunto será levado a uma máquina laminadora, que finaliza a laminagem, dando estanqueidade ao conjunto.

Figura 37 - Laminadora de módulos fotovoltaicos

Por fim o conjunto será emoldurado (utilizando geralmente alumínio anodizado), serão inseridas as caixas de conexão (e cabos/conectores) e o módulo será levado a um Simulador Solar.

Figura 38 - Máquina de molduragem de módulos fotovoltaicos

Além do simulador solar, os módulos passam por testes mecânicos como:

• Variação de temperatura entre -40°C até + 85°C;
•  Testes de isolamento sob umidade e congelamento;
•  Carga mecânica,resistência a granizo e torções;
• Resistência de terminais, etc.

Figura 39 - Simulador Solar

Os testes mecânicos determinam a capacidade dos módulos resistirem às intempéries, os testes de isolamento são para os elementos condutores e moldura. Os testes de torção detectam defeitos que possam aparecer em caso de montagem de módulos em estrutura inadequada.

Figura 40 - Módulos fotovoltaicos comerciais

Cada tipo de módulo, de acordo com a tecnologia utilizada na célula, tem suas características particulares. Apresentaremos aqui, as características dos módulos de silício cristalizado, pois são os mais utilizados atualmente.

Os módulos são classificados no mercado de acordo à sua potência-pico (Wp), e ao ipo de célula. Mas para um técnico ou projetista, existem outras características a serem consideradas.

Os módulos fotovoltaicos comerciais tem forma quadrada ou retangular. A espessura, sem a moldura, não costuma ultrapassar 4 cm. Não são muito pesados e, apesar da aparência rígida, suportam ligeiras deformações, adaptando-se a esforços mecânicos.

Figura 41 - Corte transversal de um módulo fotovoltaico

As caixas de conexão possuem o isolamento necessário para a conexão dos cabos e a outros módulos. Além disso, os módulos têm um ponto de aterramento, para os casos em que as conexões entre módulos cheguem a tensões maiores.

Figura 42 - Caixas de conexões de módulos fotovoltaicos

As dimensões e o peso dos módulos variam de acordo ao fabricante e à potência-pico, mas seguem padrões gerais seguidos por todos. Módulos para sistemas on-grid costumam vir de fábrica com os conectores especiais para conexão rápida. Os mais comuns são os modelos MC3 e MC4, desenvolvidos pela empresa Mulicontact, mas que são fabricados por diversos outros fabricantes no mesmo padrão.

Figura 43 - Conectores MC3 e MC4

Outro modelo de conector para sistemas fotovoltaicos é desenvolvido pela empresa Tyco Eletronics.

Figura 44 - Conectores Tyco

Os modelos não são compatíveis entre si, e alguns fabricantes usam diferentes modelos de conector em seus diferentes modelos de módulo. A falta de compatibilidade entre os conectores serve como o indicativo da recomendação de não se agrupar módulos de características distintas.

Tenha bastante atenção quanto ao conector utilizado pelo fabricante, na fase de projeto do sistema PV, pois a remoção e/ou troca do conector, em muitos casos, invalida a garantia contra defeitos de fabricação do módulo. É possível contornar a incompatibilidade entre os conectores dos módulos e os conectores dos dispositivos de condicionamento de potência (como os inversores) através das caixas de junção de fileira e painéis (visto abaixo).

Nem todos os modelos de módulos fotovoltaicos vêm com conectores. Os modelos de menor potência geralmente não os têm. Mesmo módulos de maior potência, mas com foco em sistemas fotovoltaicos isolados, também não costuma ter os conectores. Possuem apenas a caixa de conexão.

Tensão Nominal:é a tensão padrão para a qual o módulo foi desenvolvido para trabalhar. A quanidade células fotovoltaicas determina esse parâmetro, segundo a tabela abaixo:

Tensões nominais e Voc de módulos Standard

A tabela anterior se aplica aos módulos Standard que são os mais adequados para sistemas fotovoltaicos isolados. Há, no mercado, módulos non-standard, que possuem variados números de células (ex.: 40 ou 60) e só são adequados para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, assim como os módulos standard. Em circunstâncias especiais, os módulos non-standard pode ser uilizados em sistemas isolados.

Tensão de Máxima Potência (Vmpp): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu ponto de máxima potência, sob as condições padrão de teste (STC)

Tensão em Circuito Aberto (Voc): tensão máxima que o modulo fornece em seus terminais, sem a presença de uma carga (em vazio). É uma tensão de teste. Podemos medi-la com um mulímetro.

Corrente em Máxima Potência (Imp): corrente máxima que um módulo fotovoltaico pode fornecer a uma carga, em condições padrão de teste.

Corrente de Curto Circuito (Isc): corrente máxima que o módulo fotovoltaico fornece, quando seus terminais estão em curto circuito, sob as condições padrão de teste. Diferente das baterias e outras fontes de energia, podemos medir a corrente em curto circuito de um módulo fotovoltaico. A corrente em curto circuito, geralmente é 5% superior à corrente máxima.

Potência Máxima:a corrente elétrica gerada por um módulo varia de zero ao Isc, enquanto a tensão entre os terminais varia de zero até o Voc sob diferentes condições de Irradiância e temperatura. Como a potência é o produto da tensão pela corrente, essa só será a máxima para uma única combinação de tensão e corrente. Um módulo fotovoltaico estará fornecendo a máxima potência, quando o circuito externo possuir uma resistência tal, que determine os valores máximos de tensão e corrente e, portanto o seu produto será o máximo.

Existem aparelhos que conseguem alcançar o ponto de máxima potência (MPP ฀ Maximum Power Point) em diversas condições de irradiância e temperatura. São os Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPP Trackers).

Figura 45 - Curva I V de um módulo fotovoltaico comercial

Eficiência: é o quociente entre a potência gerada e a irradiância incidente sobre o módulo.

Fator de Forma (Preenchimento): é um conceito teórico que mede a forma da curva deinida pelas variáveis I e V na seguinte equação:

Figura 46 - Fator de forma de um módulo comercial

Para os teste de performance e rotulagem dos módulos fotovoltaicos, é utilizado um padrão de irradiância, massa de ar e temperatura. Esse padrão, chamado de Condições Padrão de Teste (STC – Standard Test Condiions) é conseguido em laboratório através do simulador solar. Em situações práticas, não temos as mesmas condições para o trabalho dos módulos fotovoltaicos.

Veja abaixo os valores comparativos em três condições:

Tabela 4 - Condições de teste e operação dos módulos fotovoltaicos

Todos os módulos comerciais têm em suas fichas de dados os resultados dos testes em STC. É recomentado aos fabricantes, pela norma DIN EM 50380, que os fabricantes acrescentem as informações dos testes em Condições Normais de Operação, inclusive em baixas irradiâncias, como mostrado na tabela acima.

A grande importância disso está no fato de a potência máxima de um módulo comercial ser diferente da nominal quando este está recebendo Irradiâncias menores, ou quando suas células estão submetidas a temperaturas diferentes de 25°C. Abaixo a variação de tensão em circuito aberto e corrente de curto circuito de acordo à Irradiância.

Figura 47 - Variação de Voc e Isc de acordo à Irradiância

Segundo o gráfico acima, podemos ver que a tensão varia menos que a corrente. Isto porque um fóton (com energia suiciente) energiza um elétron. Com maior irradiância, maior a quantidade de fótons, e maior a corrente elétrica gerada.

As variações de temperatura também influenciam o desempenho das células fotovoltaicas. Com o aumento da temperatura, a tensão de circuito aberto cai e a corrente de curto circuito aumenta.

Figura 48 - Variação da tensão e corrente de um módulo em função da temperatura

A queda de tensão é maior que o incremento de corrente, portanto o aumento da temperatura reduz significativamente a potência dos módulos.

A temperatura das células fotovoltaicas não é a mesma do ambiente, pois as células sofrem um aumento de temperatura ao receber a radiação solar, por conta do efeito fotovoltaico. A diferença de temperatura varia de acordo às características construtivas da célula (a-Si, p-Si, m-Si, etc.) e do módulo. Podemos estimar essa diferença de temperatura através da seguinte equação:

Onde:

G: é a irradiância em w/m²

Nas folhas de dados dos fabricantes encontramos os coeficientes de temperatura, pois esse dado é de extrema importância, principalmente para o cálculo de sistemas conectados à rede, pois esses, geralmente, utilizam grandes quantidades de módulos associados em série, e as tensões são altas. Com a variação da temperatura a diferença de tensão pode não ser suficiente para o trabalho de um inversor on-grid durante os dias quentes de verão, mas pode alcançar valores capazes de danificar um inversor subdimensionado em um dia frio de inverno.

Figura 49 - Coeicientes de temperatura de um módulo comercial

Em geral temos os seguintes valores médios, caso o fabricante não forneça os dados, para cada 1°C acima de 25°C:

Tabela 5 - Coeficientes de temperatura de módulos fotovoltaicos

Dificilmente um único módulo fotovoltaico será suficiente para constituir o painel fotovoltaico de um sistema fotovoltaico. Um painel fotovoltaico é um conjunto de módulos fotovoltaicos eletricamente ligados entre si, que fornecem determinado potencial, e geralmente estarão ligados a um dispositivo de condicionamento de potência e/ou controle.

Na associação em série, chamada de fileira, os módulos terão suas tensões somadas, e a tensão do painel será a soma das tensões individuais de cada módulo. A corrente será a média das correntes de cada módulo, por isso não é aconselhável a associação de módulos de capacidades distintas.

Figura 50 - Comportamento de uma associação em série de módulos fotovoltaicos

Na associação em paralelo teremos o aumento direto da corrente que será, no painel, a soma das correntes individuais de cada módulo. A tensão será a média das tensões geradas.

Figura 51 - Comportamento de uma associação de módulos em paralelo

Na maioria dos casos, será necessário associar os módulos em série, para alcançar a tensão nominal do sistema, e também em paralelo, para alcançar a potência-pico calculada no projeto. Nesses casos, temos as características das duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar módulos de características diferentes.

Figura 52 - Associação mista de módulos fotovoltaicos

Sob determinadas condições de operação, uma célula fotovoltaica, ao receber uma sombra, pode aquecer tanto, que o material semicondutor pode ser danificado pelo calor. Aparecem os chamados pontos quentes (hot-spots), que danificam o módulo permanentemente. Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe corrente.

Figura 53 - Ponto-quente em uma célula fotovoltaica

Vejamos as circunstâncias que levam ao aparecimento dos hot-spots e, em seguida, as formas de evitá-los. Quando operando normalmente, a corrente elétrica gerada por uma célula fotovoltaica é consumida por uma carga.

Figura 54 - Funcionamento normal de um conjunto de células fotovoltaicas

Se uma folha cai sobre o módulo, de forma a cobrir uma célula, esta estará inversamente polarizada e passará a agir como uma carga, convertendo eletricidade em calor. Se a corrente que atravessa a célula for alta o suficiente, teremos a formação do hot-spot. A maior corrente que uma célula, nessas condições pode receber, é a corrente de curto circuito, o que acontece frequentemente em sistemas fotovoltaicos com controladores shunt (vistos abaixo).

Figura 55 - Célula sombreada convertendo eletricidade em calor

Um conjunto de 18 a 20 células em série pode gerar uma tensão em torno de 12 V, e a tensão de bloqueio de uma célula fotovoltaica está entre 12 V e 50 V. Com uma associação de quatro módulos em série teremos a faixa de tensão onde é possível que a corrente inversa atravesse as células sombreadas. Para evitar a formação dos hot-spots, a corrente deve ser desviada das células, através de um diodo de derivação – também chamado de diodo de by-pass – conectado de maneira inversamente polarizada em relação a um conjunto de células. Os diodos são conectados a grupos de 18 ou 20 células, de maneira que um módulo de 36 células tem 2 diodos e um módulo de 72 células tem 4 diodos.

Figura 58 - Fileiras de módulos com diodos de bloqueio

Como os diodos de bloqueio fazem parte da instalação elétrica do sistema, serão instalados pelo técnico responsável, geralmente no quadro de conexão dos módulos, juntamente com os fusíveis de fileiras que protegem o cabeamento contra correntes excessivas.

Figura 59 - Diodos de bloqueio e fusíveis de proteção na caixa de conexão dos módulos

Figura 56 - Diodos de derivação desviando a corrente reversa

Os diodos de derivação são, geralmente, montados nas caixas de conexão, mas os fabricantes só costumam usar os diodos em módulos com potência superior a 40 Wp.

Figura 57 - Diodos de by-pass nas caixas de conexão dos módulos

Os diodos de bloqueio são utilizados nas fileiras de módulos em série, para evitar que um módulo sombreado transforme a fileira inteira em uma carga. Em alguns sistemas autorregulados, os diodos são utilizados para evitar que a bateria se descarregue sobre o painel fotovoltaico. Nos sistemas que utilizam controladores não é necessário, sendo até desencorajado o seu uso, pois o diodo provoca uma queda de tensão, que em sistemas menores pode ser significativa.

De acordo com a norma IEC 6036-7-712, os diodos de bloqueio não são necessários se forem utilizados módulos do mesmo tipo, com proteção Classe II e certificados para funcionar com 50% da corrente nominal de curto-circuito, quando polarizados inversamente.