Tecnologia de módulos

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1 Informação técnica Tecnologia de módulos Os inversores da SMA oferecem a solução adequada para qualquer módulo Conteúdo Além dos módulos fotovoltaicos de silício cristalino chegam constantemente ao mercado novas tecnologias celulares e novos desenvolvimentos dos módulos fotovoltaicos convencionais. Nesse sentido, as técnicas inovadoras, como os módulos de camada fina e as células de contacto posterior, oferecem vantagens avançadas, por exemplo, baixos custos de fabrico, tempos curtos de retorno da energia ou graus de rendimento especialmente elevados. Deve ter-se sobretudo em atenção que algumas tecnologias devem ser operadas sob determinadas condições. Por essa razão, a utilização de módulos fotovoltaicos deve respeitar obrigatoriamente as recomendações de instalação do fabricante. Duennschicht-TI-UPT Versão 3.0 PT

2 Degradação induzida do potencial (PID) Devido à ampla oferta de distintas topologias, os inversores da SMA possuem, em combinação com a opção de equipamentos adicionais, uma utilização tão flexível, que permite disponibilizar um aparelho ideal para cada tecnologia de módulos. Esta informação técnica descreve o estado actual dos conhecimentos relativamente à utilização de diferentes tecnologias de células e de módulos. Estas informações são complementadas por recomendações concretas relativas à selecção do inversor adequado. 1 Degradação induzida do potencial (PID) Muitos electricistas qualificados e operadores de sistemas leram ou ouviram falar recentemente sobre uma perda inexplicável de potência. Este fenómeno ocorre sobretudo no módulo fotovoltaico mais próximo do pólo negativo. Aqui, o potencial (tensão contra a terra) das células solares encontra-se tipicamente entre 200 V e 350 V conforme o comprimento de um string e o tipo de inversor utilizado. A armação dos módulos fotovoltaicos apresenta pelo contrário um potencial de 0 V, pelo que deverá ser ligada à terra por motivos de segurança. Devido a esta tensão eléctrica entre células solares e armação pode acontecer que os electrões dos materiais utilizados no módulo fotovoltaico se soltem e escapem pela armação ligada à terra (figura 1). Isso deixa uma carga (polarização), que pode alterar desfavoravelmente a curva característica das células solares (figura 2). Foi salientado que tais polarizações são na sua maioria reversíveis. Por isso se distinguem dos efeitos irreversíveis, tais como corrosão e desgaste normal. L U +/PE N U Rede U FV U -/PE Corte transversal Armação em alumínio Figura 1: Armazenamento de cargas eléctricas através de uma corrente de fuga entre célula solar e armação do módulo Duennschicht-TI-UPT /9

3 Degradação induzida do potencial (PID) Corrente [A] PID após h ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Tensão [V] Figura 2: A curva característica de um módulo fotovoltaico antes e durante o processo de degradação. É representativo um achatamento da curva característica, no qual a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito quase permanecem inalteradas, embora a potência máxima (MPP) apresente uma diminuição até 70 %.* Antigamente as polarizações apenas eram detectadas em alguns tipos de células, em que o fabricante indicava o procedimento adequado. Recentemente outros tipos de células também apresentam o mesmo erro. Distinguem-se dois casos: Desde há bastante tempo que a empresa SunPower salienta o facto de os seus módulos com células A-300 (tipo n) polarizarem durante o funcionamento com potencial eléctrico positivo. Recomendou-se, como solução, a ligação à terra do pólo positivo do gerador. Muitos dos casos ocorridos recentemente também envolvem fabricantes com células de tipo p. É evidente que neste caso a polarização é incitada pelo potencial negativo e pode ser evitada pela ligação à terra do pólo negativo do gerador. Se o gerador não pode ser ligado à terra devido ao inversor utilizado, ou se os módulos fotovoltaicos já tiverem sido polarizados, a solução apenas poderá estar numa neutralização da polarização. Para isso, a SMA Solar Technology AG desenvolveu a chamada PVO-Box, que gera uma tensão inversa ao pólo em questão durante a noite. Poderá encontrar mais informações acerca deste tema na Informação técnica "Potential Induced Degradation" (consulte * de acordo com J. Berghold et al.: "Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels"; 25th EU PVSEC / 5th World Conf. on PV Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain Duennschicht-TI-UPT /9

4 Corrosão TCO 2 Corrosão TCO No passado, logo após um tempo de funcionamento relativamente curto, detectavam-se danos na chamada camada TCO (TCO: Transparent Conductiv Oxide) em alguns módulos de camada fina. Os danos nesta camada condutora eléctrica no lado interno da cobertura de vidro não podem ser reparados e provocam consideráveis perdas de desempenho. Causas As causas da corrosão TCO têm sido analisadas Estrutura substrato pela Florida Solar Energy Center (FSEC) desde o Cobertura de vidro ano Nesses exames concluiu-se que são TCO / Metalização afectados sobretudo os módulos com células de a-si Película laminada a-si / CIS e CdTe, fabricados com a tecnologia de superstrato. Substrato Segundo o método destes fabricantes as camadas Metalização individuais do módulo são construídas desde o início com a cobertura de vidro. Estrutura superstrato Cobertura de vidro TCO A corrosão TCO ocorre frequentemente no rebordo a-si / CdTe do módulo fotovoltaico pela reacção da humidade Película laminada Metalização com o sódio contido na cobertura de vidro. Cobertura posterior Devido à corrosão o TCO torna-se leitoso e perde as a-si Silício amorfo suas propriedades condutoras. E a capacidade do CIS Cobre-Indio-Diselenido módulo fotovoltaico vai diminuindo constantemente. CdTe Telurio de cádmio Contra-recursos As corrosões dependem directamente de correntes de fuga e estas do potencial do gerador fotovoltaico contra a terra. Ao contrário do que acontece com a tensão fotovoltaica entre o positivo e o negativo, a tensão contra a terra quase não é considerada no planeamento. Ela pode ser muito diferente conforme a topologia do inversor (consulte o capítulo 5 "Potencial contra a terra", página 7). As correntes de fuga diminuem um pouco devido a uma maximização da distância entre os módulos fotovoltaicos e as estruturas ligadas à terra (p. ex. armações dos módulos). No entanto, a selecção de uma determinada topologia de inversor não basta para solucionar o problema. A utilização de inversores isolados galvanicamente e a ligação negativa à terra do gerador fotovoltaico com o kit de ligação à terra (número de encomenda: ESHV-N-NR) provoca um campo eléctrico, no qual os iões de sódio carregados positivamente são puxados, afastando-se da camada de TCO. Desta forma, evita-se seguramente uma corrosão. Deve dar-se preferência a esta medida. Além disso, os fabricantes de módulos têm tomado medidas para impedir este efeito. Por exemplo, uma selagem melhorada dos cantos dos módulos evita a entrada de humidade, retirando à corrosão a sua base de desenvolvimento. Duennschicht-TI-UPT /9

5 Correntes de fuga capacitivas 3 Correntes de fuga capacitivas Um módulo fotovoltaico forma uma superfície carregável electricamente em frente a um suporte ligado à terra. Essa disposição comporta-se como um condensador eléctrico, cuja capacidade é tão grande quanto a sua superfície e tão pequena quanto a sua distância ao pólo contrário ligado à terra (suporte). Como neste caso esta capacidade ocorre como efeito secundário indesejado, fala-se de uma "capacidade parasita". A capacidade depende de 4 factores e calcula-se a partir da seguinte fórmula: C = ε 0 ε r A d Significado dos factores: Factor ε 0 Significado Constante dieléctrica ou permissividade, constante natural: 8, As/Vm ε r N.º de permissividade, conforme o material: ε rar = 1; ε rvidro 5-10 A d Superfície activa do condensador Distância entre as placas do condensador Além disso, durante o funcionamento os módulos fotovoltaicos estão ligados à rede eléctrica pública através do inversor. Conforme o tipo de inversor utilizado, uma parte da amplitude de tensão alternada é transferida para os módulos fotovoltaicos. Em muitos inversores sem transformador trata-se da metade da tensão alternada (115 V/50 Hz). A tensão oscilante altera constantemente o estado de carga do condensador fotovoltaico parasitário e provoca uma corrente de deslocamento, que é proporcional à capacidade e à amplitude de tensão. Para peritos: A corrente de deslocamento (valor efectivo) pode ser deduzida da seguinte forma: I = ΔQ ΔU = C = C 2π f U Δt Δt f = 50 Hz é a frequência de rede e U o valor efectivo da tensão alternada no gerador fotovoltaico (aprox. 115 V em inversores sem transformador). Esta corrente de fuga é uma corrente cega cuja fase está deslocada 90º em relação à tensão de rede. Assim, numa primeira abordagem, não existem perdas. A corrente de fuga descrita anteriormente é de facto uma corrente cega que não representa perigo em si mesma. Abriga, no entanto, uma eventual corrente de defeito, que ocorreria p. ex. no caso de se tocar num cabo condutor de tensão com o isolamento danificado, e pode dificultar consideravelmente a sua detecção. A partir de uma corrente de fuga de 50 ma torna-se quase impossível a detecção de uma corrente de defeito perigosa de 30 ma. O inversor separa-se autonomamente da rede eléctrica pública por motivos de segurança. Em muitos inversores unifásicos sem transformador, estes 50 ma são alcançados no caso de uma capacidade parasita de nf. Poderá encontrar mais informações acerca deste tema na Informação técnica "Correntes de fuga capacitivas" (visite Duennschicht-TI-UPT /9

6 Resistência de isolamento R iso 4 Resistência de isolamento R iso A maioria das células de um sistema fotovoltaico encontra-se constantemente num potencial diferente de zero. Os módulos fotovoltaicos devem estar bem isolados, pois não são permitidas grandes correntes de fuga por motivos de segurança pessoal e de protecção contra incêndio. Por outras palavras, a resistência de isolamento R iso não permite que um determinado valor diminua além do permitido. Os inversores sem transformador não conseguem medir continuamente a R iso durante o funcionamento devido à ligação directa à rede eléctrica pública ligada à terra. O isolamento do gerador fotovoltaico é, por isso, monitorizado constantemente antes do acoplamento na rede através da medição da resistência de isolamento e durante o modo de alimentação através do controlo da corrente de fuga. Para a R iso existem as seguintes prescrições: Para módulos fotovoltaicos é necessário que a R iso seja de pelo menos 40 M Ω m². Isso significa que um módulo fotovoltaico com uma superfície de 1 m² deve ter uma resistência de isolamento mínima de 40 M Ω e um módulo fotovoltaico com uma superfície de 2 m² apenas uma resistência mínima de 20 M Ω. Para sistemas fotovoltaicos sem separação galvânica (sem transformador), a R iso deve ser de pelo menos k Ω por kw da potência de entrada do inversor. O cumprimento deste valor limite deve ser controlado pelo inversor. Até ao final de 2010 os valores limite eram ainda mais rígidos, de tal forma que as duas prescrições entravam frequentemente em conflito em sistemas fotovoltaicos de grandes dimensões. Hoje isto é menos frequente mas ainda possível. Aqui está um exemplo disso: Conflito de normas Um sistema fotovoltaico de 17 kw composto por módulos fotovoltaicos com um grau de rendimento de 8,5 % necessita de uma superfície de módulo de 200 m². De acordo com a norma estes devem possuir uma resistência de isolamento de 40 M Ω / 200 m² = 200 k Ω. Isso não deixa qualquer margem de segurança para a norma existente e pode, por isso, trazer problemas na conjugação do inversor na rede eléctrica pública. Os módulos fotovoltaicos com um grau de rendimento ainda mais pequeno (p. ex. a-si) ou geradores fotovoltaicos em desenvolvimento serão em breve afectados pelo mesmo problema. Poderá encontrar mais informações acerca deste tema na informação técnica "Resistência de isolamento" (visite Duennschicht-TI-UPT /9

7 Potencial contra a terra 5 Potencial contra a terra Para encontrar o inversor adequado a todos os requisitos descritos nos módulos fotovoltaicos, deve conhecerse que potencial do gerador se encontra definido durante o modo de alimentação no pólo positivo e negativo. Isto encontra-se representado no diagrama que se segue: Tensão contra a terra [V] Potencial do gerador SB TL / SMC TL STP TL SB com transformador SB com transformador e kit de ligação à terra negativo Figura 3: O potencial do módulo fotovoltaico mais reduzido (azul) ou mais elevado (vermelho) (confronte também a figura 1) de um string depende do inversor utilizado e de estar ou não ligado à terra um pólo do gerador. Exemplo de uma tensão MPP de 400 V. SB = Sunny Boy, SMC = Sunny Mini Central, STP = Sunny Tripower, TL = Transformerless (sem transformador) Os potenciais do gerador distinguem-se pelo tipo de construção (topologia) do inversor. Além disso, há a opção de ligação à terra rígida (inversores com transformador) e de ligação à terra suave através do deslocamento do potencial (inversores sem transformador). No total, os inversores da SMA oferecem as seguintes opções: Kit de ligação à terra clássico; este tipo de ligação à terra apenas é possível no caso de inversores SMA com transformador. A ligação à terra para o pólo positivo e negativo realiza-se através de um fusível interno, oferecendo uma segurança adicional (protecção contra fogo). O fusível é monitorizado de forma que a monitorização do isolamento permaneça inalterada. O kit de ligação à terra pode ser obtido para a ligação à terra positiva ou negativa. Os inversores da SMA SB xxxxhf possuem uma chamada ficha de ligação à terra, que pode ser encaixada em diferentes posições nos inversores. Com a mesma ficha é possível efectuar uma ligação à terra positiva ou negativa. No caso de inversores certificados UL para os EUA e Canada, a função do kit de ligação à terra está integrada no inversor, pois este deve estar equipado com um GFDI (Ground Fault Detection Interrupter - Dispositivo de protecção contra erro de terra). Duennschicht-TI-UPT /9

8 Lista de verificação TL-Grounding Solution: no caso de inversores sem transformador o potencial do gerador fotovoltaico está acoplado na rede eléctrica pública. Uma ligação rígida não é de facto possível, mas o potencial do ponto neutro do sistema trifásico pode ser deslocado de forma que no gerador fotovoltaico até o pólo negativo permaneça sempre na zona positiva. Esta, uma medida vantajosa para uma ligação simples à terra, é designada por "TL-Grounding Solution" e está limitada até hoje a sistemas fotovoltaicos com Sunny Tripower, que alimentam na rede de média tensão através de um transformador próprio. Além disso, há a possibilidade de reverter o potencial durante a noite, para neutralizar eventuais portadores de carga acumulados. Para isso é usada a PVO-Box, que se destina à regeneração de módulos fotovoltaicos reversíveis (consulte o capítulo 1: "Degradação induzida do potencial"). 6 Lista de verificação Para facilitar a escolha do inversor correcto para cada tipo de módulo, foram aqui reunidas as recomendações mais importantes no momento: 1. Comprove se o fabricante dos módulos fotovoltaicos faz recomendações relativas à ligação à terra do gerador ou à topologia do inversor a ser utilizado. 2. Se o fabricante dos módulos não impuser prescrições relativas à utilização dos seus produtos, a selecção do inversor deve fazer-se em função das características dos módulos fotovoltaicos mencionados na tabela. Se estas recomendações não coincidirem com as do fabricante do módulo, baseie-se nas recomendações do fabricante do módulo. Tecnologia de células / Estrutura do módulo c-si* Película fina** Si monocristalino (A-300)* Flexível ou com parte traseira metalizada*** Inversores sem transformadores SB xxxxtl STP xxxxtl SMC xxxxtl Inversores com transformadores Sem kit de ligação à terra Aparelho de série SB xxxx SMC xxxx Com kit de ligação à terra neg. * consulte o capítulo 1 "Degradação induzida do potencial (PID)", página 2 ** consulte o capítulo 2 "Corrosão TCO", página 4 e o capítulo 4 "Resistência de isolamento R iso ", página 6 *** consulte o capítulo 3 "Correntes de fuga capacitivas", página 5 Com kit de ligação à terra pos. Legenda: recomendado; recomendado com restrições; não recomendado Duennschicht-TI-UPT /9

9 Lista de verificação Exemplo: em geradores fotovoltaicos, a empresa SunPower recomenda conectar a ligação positiva à terra em caso de módulos com células do tipo A-300. A escolha ideal: Sunny Boy com transformador e um kit de ligação à terra positivo (consulte o capítulo 1 "Degradação induzida do potencial (PID)", página 2). Exemplo: módulos de película fina com células de CdTe ou silício amorfo utilizam frequentemente um vidro revestido de TCO como substrato para a estruturação das células. A escolha ideal: Sunny Boy com transformador e um kit de ligação à terra negativo (consulte o capítulo 2 "Corrosão TCO", página 4). Exemplo: para células de película fina flexíveis, usa-se frequentemente uma película de aço inoxidável como substrato de suporte. A escolha ideal: Sunny Boy com transformador (consulte o capítulo 3 "Correntes de fuga capacitivas", página 5). Duennschicht-TI-UPT /9