Guia Completo do Módulo Fotovoltaico

Estava pensando sobre o que eu gostaria que tivessem me falado a respeito de módulos fotovoltaicos quando comecei no ramo de Energia Solar.

Se eu tivesse lido esse post há alguns anos, teria me poupado muito tombo, erros e artigos de estudo.

Então vem e aproveita esse conteúdo, depois dele você estará em outro nível quando o assunto for módulos fotovoltaicos!

7 itens que você precisa saber

Destaquei 7 itens que considero imprescindíveis para quem está iniciando nesta área:

1. Nomenclatura do Módulo Fotovoltaico
2. Origem e Composição do Módulo Fotovoltaico
3. Características Físicas do Módulo Fotovoltaico
4. Características Elétricas do Módulo Fotovoltaico
5. Influências na Geração do Módulo Fotovoltaico
6. Certificação do Módulo Fotovoltaico
7. Garantias do Módulo Fotovoltaico

1 – NOMENCLATURA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

Antes de trazer os dados mais específicos sobre esse equipamento, que é o coração do Sistema Fotovoltaico, quero trazer uma informação importante.

Fale corretamente!

Olha a definição de Módulo Fotovoltaico, segundo a NBR 16.690:

“Módulo Fotovoltaico é uma unidade formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica”.

Ou seja, “placa” e “painel” são nomes populares dos módulos fotovoltaicos, o certo mesmo é tratar sempre como MÓDULO.
Tá errado falar placa e painel Joi? Não, mas você é profissional, surpreenda seu cliente com essa informação, inclusive.

2 – ORIGEM E COMPOSIÇÃO DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

A parte mais importante em um módulo FV são as Células Fotovoltaicas. Elas são dispositivos semicondutores, compostas por silício dopado com fósforo e boro, capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do Efeito Fotovoltaico.

Essa dopagem, é um processo que faz com que uma camada da célula fique negativa (com sobra de elétrons) e outra positiva (com falta de elétrons).

Ou seja, quando a luz solar incide sobre a superfície da célula, se esta se encontra conectada a uma carga, será produzida uma diferença de potencial nesta carga, proporcionando uma circulação de corrente do terminal positivo ao terminal negativo da célula. Na figura, podemos entender melhor como ocorre esse efeito:

Para você entender melhor o Módulo FV é necessário que antes saiba como é feita uma CÉLULA FOTOVOLTAICA, vamos lá?

• A primeira etapa dá-se pela extração do silício (em forma de quartzo), seguido por uma desoxidação em grandes fornos, purificando e solidificando tal silício, até que chegue em um grau de pureza de 99,9999% (isso mesmo 4 casas decimais).
• Para que haja movimentação dos elétrons é feito o processo de dopagem (que é adicionar ‘impurezas’ no silício).
• A DOPAGEM TIPO-P, é realizada com Boro para que o semicondutor fique positivamente carregado.
• Em seguida o bloco/lingote (depende do tipo de silício) é cortado e fatiado em wafers (sabe aquela parte fininha do biscoito ‘wafer’?).

• Depois ocorre a texturização em solução de NaOH ou KOH, que é para que a célula tenha menos reflexão (olhando no microscópio a superfície da célula fica cheia de “piramedezinhas”).
• Logo ocorre a dopagem com fósforo (DOPAGEM TIPO-N), fazendo com que uma camada do wafer fique negativamente carregado (agora já tá virando célula).

• É realizada a metalização com alumínio na parte posterior da célula (aumenta a eficiência).
• Um spray adiciona uma camada antirefletora na superfície da célula (não queremos reflexão da radiação solar mesmo).
• E por último é feita a união das células através dos contatos metálicos (aquelas listrinhas que tem nas células).

Esse é um dos processos de fabricação das células, mas existem vários hoje no mercado.

Agora uma questão IMPORTANTÍSSIMA é o tipo de células solares.

Dentre as células FV mais conhecidas temos as Monocristalinas, as Policristalinas e as de Filme Fino.

Fonte: Sunflower

As MONOCRISTALINAS são formadas por um único cristal de silício proporcionando ao módulo uma eficiência entre 15 à 23%.

As células FV POLICRISTALINAS são formadas pela união de vários monocristais de silício proporcionando aos módulos fotovoltaicos uma eficiência entre 14 à 20%.

Já as células de FILME FINO podem ter diferentes materiais fotovoltaicos depositado sobre o substrato (Silício amorfo (a-Si), Telureto de cádmio (CdTe), Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS) ou podem ser as células solares fotovoltaicas orgânicas (OPV)). Independente da composição, essas células de filme fino possuem eficiências médias entre 7-13%, e uma taxa de degradação maior.

Bom, você já entendeu qual a origem, fabricação e o funcionamento da célula fotovoltaica, você viu que estamos falando de um equipamento bem complexo, não é?

Agora vamos voltar para o MÓDULO FV.

Vamos conhecer as 5 principais partes do módulo solar fotovoltaico.

São elas:

• Células FV e Conectores: As células fotovoltaicas são conectadas por dois condutores de cobre ou prata (essas duas ‘listras’ maiores na célula).

Fonte: Portal Solar

• Cobertura frontal: Tal cobertura deve possuir alta transparência, estabilidade, impermeabilidade, resistência e ótimas propriedades de auto limpeza, como por exemplo matérias feitos de acrílicos, polímeros e vidros. Ela tem cerca de 3 mm, bem grossinha né?

Fonte: Portal Solar

• Encapsulamento: Este material faz a adesão e isolamento entre as células FV e a superfície frontal e posterior. Ou seja, um tipo de ‘sanduíche’, onde a célula fica no meio das duas camadas do encapsulante.
  Um dos materiais mais utilizados neste processo é o EVA (Etileno-Vinil-Acetato).

Fonte: Portal Solar

• Cobertura Posterior ou Backsheet: Deve ser impermeável e com baixa resistência térmica. Geralmente o material mais utilizado para a cobertura dos módulos fotovoltaicos é o Tedlar. Geralmente você vai olhar para a camada posterior do módulo e ver um tipo de polímero branco, esse é o Tedlar.

Fonte: Portal Solar

• Caixa de Junção/Conectores: Fica na parte de trás do módulo fotovoltaico, onde as células fotovoltaicas interconectadas em série estão conectados eletricamente. Elas já vem com os cabos e conectores especiais para interconectar os módulos fotovoltaicos quando instalados.
  Os conectores geralmente são do tipo MC4.

Fonte: Portal Solar

Resumindo, fica assim:

Fonte: Sol Central

3 – CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Um dos pontos básicos são as Características Físicas do Módulo Solar Fotovoltaico.

Tomamos por exemplo um módulo FV de 370 Wp.

As características sempre vão estar no “datasheet” do módulo, ou seja, na sua ficha técnica.

Abaixo conseguimos analisar as principais peculiaridades deste ‘painel’.

As principais características são referentes à composição, de 144 células monocristalinas, o peso, sendo este de 22,6 kg e às dimensões, neste caso 2000x992x40mm (quase um 2×1 não é?).

Além disso temos outras especificações, como a característica da cobertura frontal, da proteção em alumínio, da caixa de junção, conectores e até da quantidade de módulos fotovoltaicos por pallet e contêiner.

4 – CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS

Destaco esse item como sendo um dos MAIS ESSENCIAIS para o entendimento dos Módulos Fotovoltaicos.

A compreensão das características técnicas e elétricas é também pela análise do datasheet.

Em regra, temos as seguintes expressões:

• Corrente de curto-circuito (Icc ou Isc): É a máxima corrente em condições definidas de radiação e temperatura, correspondentes a uma tensão igual a zero.
• Tensão de circuito aberto (Vca ou Voc): É a máxima tensão sob condições determinadas de radiação e temperatura, correspondentes a uma corrente igual a zero.
• Potência máxima (Pmax): É a máxima potência que produzida em condições determinadas de radiação e temperatura, correspondente ao par máximo VxI.
• Corrente em o ponto de máxima potência (Imax): É o valor da corrente para Pmax em condições determinadas de iluminação e temperatura.
• Tensão no ponto de máxima potência (Vmax): É o valor de tensão para Pmax em condições determinadas de iluminação e temperatura.

Abaixo conseguimos visualizar melhor tais atributos no gráfico IxV (Corrente versus Tensão), onde o eixo x representa a tensão e o eixo y a corrente:

Fonte: Energês

Os parâmetros elétricos do módulo solar fotovoltaico são apresentados sob Condições Padrão (STC – Standard Test Conditions), onde a temperatura da célula é de 25ºC e irradiância de 1000 W/m².

Mas sabemos que isso essas condições não são usuais na realidade.

Por este motivo, encontramos também nos datasheets a Condição de Temperatura Nominal de Funcionamento (NOCT – Nominal Operating Cell Temperature), onde a temperatura ambiente é de 20°C, irradiância de 800 W/m², velocidade do vento = 1m/s.

Vale lembrar que a temperatura da célula pode variar de 20 a 40°C a mais do que a temperatura ambiente.

Abaixo conseguimos identificar as diferenças entre os dados STC e NOCT do módulo FV de 370 Wp.

5 – INFLUÊNCIAS NA GERAÇÃO DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

Agora é necessário que você entenda que a potência instantânea dos módulos fotovoltaicos varia com a temperatura.

A tensão diminui com o aumento da temperatura (menos de meio por cento, mas já é considerável). A corrente aumenta de forma insignificante.

Esse aumento de temperatura que leva à diminuição da tensão, automaticamente acarreta na diminuição no ponto de máxima potência. Ou seja, quando a temperatura aumenta diminui-se a potência, prejudicando a geração de energia.

O primeiro passo para entender isso é localizar na folha de especificações do módulo as características de temperatura (ou coeficientes de temperatura), conforme abaixo.

Já que os módulos fotovoltaicos perdem tensão quando têm aumento de temperatura, mas ganham um pouco de corrente, é o Coeficiente de Temperatura Pmax, que nos diz quantos Watts o módulo perde ao ultrapassar cada grau acima de 25°C (temperatura em condição padrão “STC”).

Na verdade, ele fornece o percentual de perda (por grau a mais que os 25°C padrão), e aí você transforma e potência.

Para você compreender melhor seguimos com o exemplo do datasheet demostrado acima.

Com a Temperatura Nominal de Operação do Módulo, de 42°C, o Pmax é de -0,37%/°C. Assim o percentual de perda de eficiência do módulo será de 6,29%, conforme o cálculo abaixo:

42°C-25°C=17°C  ≫ 17*0,37 = 6,29%

Ou seja, a potência máxima deste módulo, quando a sua temperatura estiver em 42ºC (temperatura ambiente na faixa dos 20º), ficará em média de 6,29% abaixo daquela informada na ficha técnica (considerando que a radiação é constante).

Seguindo o modelo analisado, o módulo com potência nominal de 370 Wp nessas condições terá uma potência por volta de 346 Wp, relativo à perda de eficiência.

Por isso, quase sempre, adicionamos perdas por temperatura na ordem de 15%.

Outra influência na geração do módulo é a radiação, ou irradiância quando falamos em W/m².

Para ter um conhecimento sobre essas duas influências os fabricantes fornecem a variação da Curva IxV.

Cada módulo FV apresenta suas próprias curvas e continuando com o nosso exemplo temos as curvas abaixo.

A primeira com variação de irradiância (que afeta mais a corrente) e a segunda com a variação de temperatura (que, como já vimos, afeta mais a tensão).

A radiação incidente é o fator que mais afeta no rendimento de um módulo FV, afinal sem luz solar, perdemos geração!

A potência elétrica gerada é proporcional a quantidade de radiação incidente sobre o plano da célula. Assim, quando se aumenta a irradiância, aumenta a corrente, aumentando a geração de energia.

Outras influências na geração podem ser decorrentes do próprio processo de fabricação e do material utilizado, como também podem ser das resistências série e paralelo e seletividade de absorção do semicondutor, ou até sombreamento, mismatch… Além de fatores alheios aos módulos fotovoltaicos, como de cabeamento, inversor e outros, mas isso é assunto para os próximos artigos.

As duas causas mais influentes na geração são mesmo a irradiância e a temperatura.

6 – CERTIFICAÇÃO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Outro ponto IMPORTANTE que fui entender com o meu estágio e com o passar do tempo é em relação as certificações.
Os testes do Inmetro não atendem todos padrões de segurança e qualidade necessários. Pois são apenas 4, dos 18 ensaios que constam na norma internacional – IEC.

A certificação da IEC 61215 é a mais confiável para módulos fotovoltaicos de silício cristalino, apresentando alta credibilidade nos resultados.

São 18 ensaios com níveis altíssimos de controle. Eles garantem durabilidade, desempenho e segurança necessária para um módulo FV ser comercializado em países de primeiro mundo, como os da Europa, Japão, China, EUA e outros.

Então temos que exigir esse nível de qualidade também, certo?

Os testes realizados são:

1. Inspeção Visual (Inmetro também faz);
2. Determinação de potência máxima (Pmax) (Inmetro também faz);
3. Resistência de isolamento (Inmetro também faz);
4. Teste molhado de fuga de corrente (Inmetro também faz);
5. Medição dos coeficientes de temperatura;
6. Medição da Temperatura Nominal de Funcionamento da Célula (NOCT);
7. Desempenho do painel solar na STC e NOCT;
8. Desempenho do painel solar em baixa irradiância;
9. Teste de exposição ao ar livre;
10. Teste de resistência de Hot-Spot;
11. Teste de resistência UV (Ultra Violeta);
12. Ensaio de ciclagem térmica;
13. Teste de Umidade & Congelamento;
14. Teste Damp-heat;
15. Robustez de teste terminações;
16. Teste de carga mecânica;
17. Teste de resistência contra Granizo;
18. Ensaio térmico diodo Bypass

Caso você adquira um módulo desses que não se enquadre no padrão IEC você corre um sério risco ter um equipamento com baixa durabilidade e que pode causar perigo como incêndios em casos mais graves.

Seguindo com nosso exemplo, as certificações do módulo de 370 Wp escolhido é verificado na imagem abaixo, enquadrando-se também em outras certificações.

7 – GARANTIAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Existem diferenças nas garantias dadas pelos fabricantes. Geralmente o módulo solar fotovoltaico é fabricado para durar ao menos 25 anos com eficiência de até 80% de geração. Essa garantia é chamada de Garantia de Performance.

Porém existe a Garantia Contra Defeitos de Fabricação que é usualmente de 10 anos. Seguindo com nosso exemplo, as garantias citadas anteriormente são localizadas normalmente na ficha técnica do módulo.

Resumo

Quanta coisa não é mesmo?

Vamos retomar! Estes são os 7 itens imprescindíveis no conhecimento de módulos fotovoltaicos:

1. Nomenclatura do Módulo Fotovoltaico
2. Fabricação e Composição do Módulo Fotovoltaico
3. Características Físicas do Módulo Fotovoltaico
4. Características Elétricas do Módulo Fotovoltaico
5. Influências na Geração do Módulo Fotovoltaico
6. Certificação do Módulo Fotovoltaico
7. Garantias do Módulo Fotovoltaico

Se você sabe isso, você sabe muito mais do que a maioria, PARABÉNS.

Mas ainda não acabou.

Veja o vídeo com o resumo do que você já viu até aqui.