Um dos primeiros tópicos ensinados em qualquer curso sobre energia solar fotovoltaica é o comportamento elétricos dos seus componentes. Para células e módulos esse comportamento é descrito pela curva IV, ou seja, uma relação gráfica entre corrente e tensão para uma determinada condição de operação.
A Curva IV normalmente é utilizada como um instrumento de aprendizagem em cursos introdutórios, e também para dimensionamento de strings e arranjos fotovoltaicos em softwares. O que pode passar despercebido por muitos é que a curva IV tem o potencial para identificar queda de desempenho ou mesmo problemas nos arranjos fotovoltaicos.
Nesse artigo veremos os princípios para construção da curva IV e como esta pode ser utilizada durante a fase de comissionamento ou no O&M de usinas. Essa é uma ferramenta poderosa, e quando utilizada corretamente pode trazer economia em termos de custo e tempo para as equipes em campo.
O que é a curva IV?
A curva IV é uma representação gráfica da relação entre corrente e tensão nas células ou módulos fotovoltaicos, sendo um dos métodos mais comuns para mostrar como esses componentes funcionam em um circuito elétrico. A partir da forma e dos detalhes dessa curva é possível entender a operação do arranjo com detalhes.
Considerando um módulo genérico, a sua curva IV mostrará a tensão de circuito aberto (Voc), corrente de curto-circuito (Isc), além do seu ponto de máxima potência. Esses parâmetros são exibidos na Figura 1:
Figura 1: Curva IV padrão de uma célula ou módulo fotovoltaico. Fonte: Canal Solar
A Voc do módulo é a tensão entre seus terminais sem nenhuma carga conectada. A Isc é a corrente que circula pelos terminais do módulo quando em curto-circuito. Por fim, o ponto de máxima potência é aquele em que o módulo estará produzindo o máximo de energia para aquela condição de operação.
Também é conhecido que os parâmetros elétricos da curva IV variam ao longo do dia, conforme as condições ambientes do local. A tensão do módulo é inversamente proporcional a temperatura ambiente, ou seja, quanto mais frio maior a tensão de circuito aberto. Já a corrente apresenta comportamento diretamente proporcional a irradiância, ou seja, quanto maior a incidência de raios solares maior a corrente de operação.
A forma padrão da curva IV para um módulo em condições ideias de funcionamento é aquela mostrada na Figura 1. Os fabricantes de módulos fornecem um conjunto de curvas para diferentes condições de irradiância na sua folha de dados, porém o formato da curva é o mesmo. Tomando as curvas fornecidas pelos fabricantes como base e comparando-as com as obtidas em campo é possível identificar defeitos em módulos ou strings.
Quais problemas podem ser detectados através do traçador de curva IV ?
Os módulos fotovoltaicos são submetidos a testes em fábrica para detectar problemas no material utilizado, ocasionados no processo de fabricação ou falhas no controle de qualidade. Além disso, os fabricantes que desejam ter seus produtos comercializados nos principais mercados necessitam submetê-los a certificações internacionais.
São utilizados processos rigorosos de teste de qualidade e desempenho, porém esses não eliminam completamente defeitos nos módulos. Os defeitos podem ser mecânicos ou elétricos. Também, defeitos podem surgir durante o transporte, instalação ou mesmo operação dos módulos.
Em alguns casos é possível identificar defeitos nos módulos através de uma inspeção visual. Rachaduras no vidro, descoloração das células, defeitos no frame metálico entre outros podem ser detectados com uma inspeção individual no módulo. Mas nem sempre é possível identificar visualmente o problema no módulo, exemplo de microfissuras, ou mesmo pode ser inviável realizar esse processo em usinas de grande porte.
São necessárias outras ferramentas para diagnosticar a operação dos módulos em campo de forma confiável e rápida. Dois meios comumente utilizados são a medição da tensão de circuito aberto Voc e ensaio de curto-circuito Isc do módulo.
Os valores medidos de tensão e corrente devem ser comparados com os valores esperados pela análise do datasheet. Por exemplo, tensões significativamente menores que do que o esperado pode indicar que um ou mais módulos estão conectados com polaridade errada ou que há faltas de isolamento nas strings.
As medições de tensão e corrente é um método confiável, porém nem sempre o mais adequado e rápido para análises em usinas. Nesse sentido a NBR 16274 indica outros tipos de ensaios de Categoria 1 e 2, sendo os ensaios de categoria 1 recomendados para aplicação em todos os sistemas.
A categoria 2 da NBR 16274 indica ensaios mais específicos e que devem ser aplicados quando todos da categoria 1 forem aplicados. A medição de curva IV é um ensaio de categoria II.
Segundo a NBR 16274, o ensaio de curva IV de um arranjo fotovoltaico pode fornecer informações como:
Medidas de Voc e Isc o arranjo fotovoltaico;
Medição da potência do arranjo fotovoltaico;
Identificação de defeitos nos módulos/arranjo fotovoltaico ou problemas de sombremaneto.
Portanto, o ensaio de curva IV fornece um meio para medir não só os parâmetros elétricos das strings, mas também o desempenho do arranjo fotovoltaico. Caso haja divergências entre os valores medidos e a placa do módulo então devem ser tomadas medidas em campo.
Ainda segundo a NBR 16274 as medições de potência das séries e arranjos fotovoltaicos deve ser realizada em condições de irradiância de pelo menos 700W/m2, medida no plano dos módulos. Se a medição de curva IV for apenas para obter a sua forma então a NBR 16274 permite que o nível de irradiância seja mais baixo. Após as medições, o valor de máxima potência medido deve ser corrigido para as condições de ensaio em STC (standard test conditions) e comparado com o valor nominal de placa do arranjo fotovoltaico em ensaio.
A forma da curva IV medida pode indicar defeitos nos módulos ou strings que de outra forma não seriam identificados. Os principais itens que podem ser identificados são:
Células ou módulos danificados;
Diodos de by-pass curto-circuitados;
Sombreamento;
Descasamento entre strings;
Sujidade nos módulos;
Degradação nos módulos;
As curvas IV registradas devem ser comparadas com os valores esperados pela folha de dados do fabricante. Desvios não esperados devem ter atenção especial pois podem significar defeitos nos módulos e strings – Figura 2.
Figura 2: Comportamento da curva IV para diferentes defeitos nas strings e arranjo fotovoltaico. Fonte: NBR 16274
Por exemplo, uma corrente de curto-circuito abaixo do valor esperado pode significar que o arranjo está sujo ou obstruído e até mesmo degradação dos módulos. Outras formas de curva IV anormais pode ser consultada no anexo C da NBR 16274.
Equipamentos utilizados para traçar a curva IV
No mercado brasileiro existem equipamentos específicos para medição de curva I/V. Em geral, são equipamentos integrados no comissionamento e O&M de usinas de médio a grande porte, onde são utilizadas uma grande quantidade de módulos fotovoltaicos.
Esses equipamentos podem ser utilizados para realização de testes, verificação de segurança e desempenho de módulos em usinas de 1000V ou 1500V. O traçado da curva IV é integrado em equipamentos que permitem análise de um ou mais módulos, além de incorporarem uma vasta biblioteca de componentes e seus respectivos parâmetros. Novos módulos também podem ser adicionados no equipamento.
Figura 3: Traçador de Curva IV. Fonte HT Instruments
Para o funcionamento do traçado de curva IV é necessário que as strings sejam desconectadas do arranjo fotovoltaico e conectas ao medidor. Além disso, são necessários medidores auxiliares de irradiância e de temperatura. Esses medidores devem ser instalados de acordo com as recomendações da NBR 16274 para que as medições possam ser normalizadas segundo as condições de STC.
Uma grande vantagem desses medidores especializados é que eles permitem uma análise rápida e completa mesmo de sistema de grande porte. Outro ponto positivo é a possibilidade de visualizar os resultados de parâmetros elétricos e da curva IV na tela do equipamento, sendo que os principais dados podem ser transferidos para um HD externo via USB ou Wifi.
Os inversores fotovoltaicos modernos também permitem realizar o traçado da curva IV sem a necessidade de equipamentos adicionais ou da desconexão das strings. Em geral os fabricantes desses equipamentos indicam em seu datasheet se há a função de traçador de curva IV – Figura 4.
Figura 4: Datasheet do fabricante de inversores indica a função de digitalização de curva IV. Fonte: Solis
Muitos desses equipamentos permitem que os resultados da curva IV possam ser visualizados na tela do equipamento ou através do sistema de monitoramento do fabricante. Outra vantagem de utilizar o inversor fotovoltaicos para fazer o exame de curva IV é a possibilidade de realizar esse processo remotamente, onde o exame de curva IV é realizado desde que haja conexão de internet com o inversor e as condições mínimas de exame sejam atendidas.
Conclusões
O traçador de curva IV é uma ferramenta útil para análise de um ou mais módulos na instalação fotovoltaica, sendo encontrado em equipamentos especializados e também nos inversores fotovoltaicos mais modernos. A partir dessa medição é possível detectar defeitos em módulos individuais ou mesmo em todo o arranjo fotovoltaico, além de mensurar o desempenho das strings quando comparadas com seus parâmetros nominais ou outras strings do mesmo sistema.
O investimento nesse tipo de solução pode ser elevado, porém seu custo é dissolvido com as economias resultantes do uso do equipamento durante as fases de comissionamento ou O&M. Um único traçador de curva IV pode ser utilizado para analisar usinas com milhares de módulos conectados em poucos minutos, reduzindo o tempo de análise e custo com equipes em campo.