PAINÉIS FOTOVOLTAICOS: UMA REVISÃO DOS MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO PARA OBTENÇÃO DA CURVA I V

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(1)PAINÉIS FOTOVOLTAICOS: UMA REVISÃO DOS MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO PARA OBTENÇÃO DA CURVA I-V. Amanda Costa Maia 1 Richard Gonçalves Cornerlius 2 Vitor Cristiano Bender 3 José Wagner Maciel Kaehler 4. Resumo: Os painéis fotovoltaicos (FV) têm a função de converter a energia proveniente do sol em energia elétrica. São formados por um conjunto de células FV e a conversão de energia ocorre através do efeito fotovoltaico. O presente artigo tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica dos métodos de caracterização experimental da curva I-V de um painel FV). Visando a importância desta curva é feita uma análise dos métodos mais difundidos, como resistência variável, carga capacitiva, carga eletrônica e conversores CC/CC. Retratando as principais características de cada método separadamente e logo após, comparando-os de acordo com determinados parâmetros e concluindo qual o melhor método ou o método mais adequado para cada necessidade.. Palavras-chave: Painéis fotovoltaicos; revisão bibliográfica; métodos; caracterização; curva I-V.. Modalidade de Participação: Iniciação Científica. PAINÉIS FOTOVOLTAICOS: UMA REVISÃO DOS MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO PARA OBTENÇÃO DA CURVA I-V 1 Aluno de graduação. amanda_maia15@hotmail.com. Autor principal 2 Aluno de graduação. richardgc98@gmail.com. Co-autor 3 Docente. vitorbender@unipampa.edu.br. Orientador 4 Docente. wagnerkaehler@gmail.com. Co-orientador. Anais do 9º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa | Santana do Livramento, 21 a 23 de novembro de 2017.

(2) PAINÉIS FOTOVOLTAICOS: UMA REVISÃO DOS MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO PARA OBTENÇÃO DA CURVA I-V 1. INTRODUÇÃO Os painéis fotovoltaicos (FV) têm a função de converter a energia proveniente do sol em energia elétrica. São formados por um conjunto de células FV e a conversão de energia ocorre através do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico acontece quando os fótons provenientes da radiação solar incidem na célula FV, os elétrons contidos na mesma recebem a energia dos fótons, e se essa energia for maior do que a da banda proibida, os elétrons passam da banda de valência para a banda de condução, esse movimento ordenado dos elétrons denomina-se corrente fotogerada, que é a corrente elétrica gerada pela célula FV (TAVARES, 2015). Os painéis FV possuem características particulares devido a forma de construção e o tipo de material utilizado na construção da célula FV. Em função dessas características é necessário um estudo mais profundo sobre como se comporta a tensão e a corrente e qual a relação entre essas duas grandezas. A curva I-V do painel fotovoltaico relaciona a tensão e a corrente de acordo com a irradiância, temperatura e as resistências elétricas. Esta curva pode ser encontrada teoricamente, porém, uma forma muito eficaz de encontrá-la é medindoa experimentalmente. Existem inúmeros métodos para caracterização experimental da curva I-V. Esse trabalho visa apresentar uma revisão bibliográfica dos principais métodos de caracterização da curva I-V de painéis FV e concluir acerca das vantagens e desvantagens de cada um desses métodos. 2. METODOLOGIA A curva I-V de um painel FV possui três pontos principais: a tensão de circuito aberto (Voc), que corresponde à tensão quando a corrente do módulo fotovoltaico é zero, ou seja, sem carga; a corrente de curto-circuito (Isc), que corresponde a corrente máxima, quando a resistência da carga é idealmente nula; o ponto de máxima potência (Pm), que é o ponto em que o produto da tensão pela corrente na curva característica é máximo, caracterizado pelo maior retângulo que é possível construir no interior da curva. Com o objetivo de encontrar os parâmetros necessários para a construção dos modelos apresentados anteriormente, é importante conhecer métodos experimentais de obtenção da curva I-V. Dentre métodos mais difundidos encontram-se: 2.1.. Caracterização baseada em carga capacitiva O método de caracterização baseado na carga capacitiva consiste na utilização de um capacitor que é alimentado pelo painel FV como mostra a Figura 1. O capacitor armazena energia sem provocar variações abruptas na tensão do circuito. Durante o processo de carga o capacitor é conectado ao painel FV através da chave S1, na etapa de carga a chave S2 permanece aberta. Quando a carga do capacitor estiver completa, a corrente deve ser zero e as condições de circuito aberto são alcançadas. Neste instante, a chave S2 é fechada e S1 torna-se aberta.

(3) iniciando o processo de descarga. A curva I-V é traçada a partir da condição de circuito aberto (Voc) até a condição de curto-circuito (Isc) (DURÁN, 2008). Esta curva pode ser traçada utilizando, por exemplo, um multímetro ou osciloscópio, obtendo-se os pontos de tensão e corrente medidos no resistor. Após a coleta dos dados, deve ser utilizado um software para plotar o gráfico da curva característica I-V (BRITO, 2014).. Figura 1. Método da carga capacitiva. Um fator importante para o aumento da precisão do gráfico obtido por este método é o dimensionamento do tempo de carga do capacitor que influencia diretamente na quantidade de pontos do gráfico. As vantagens deste método são o baixo custo e a precisão significativa em relação a outros métodos utilizados. Entretanto, contém desvantagens como a necessidade de descarregar o capacitor toda vez que uma nova aquisição é realizada, deste modo, têm-se um baixo tempo de resposta. 2.2.. Caracterização empregando uma resistência variável Esse método é mostrado na Figura 2 e tem por característica ser simples e de baixo custo. Para sua realização, é necessário variar em passos a resistência do zero até infinito, medindo os valores de tensão e corrente fornecidos pelo painel FV. Assim como no método da carga capacitiva, deve ser utilizado um software para traçar a curva I-V. Porém, é importante ressaltar que nem o valor nulo e nem o infinito de resistência conseguem ser atingidos na prática. Além disso, este método é preferivelmente aplicável para painéis de baixa potência, uma vez que resistores para alta potência não são facilmente acessíveis (CAMPOS, 2013).. Painel FV. Figura 2. Método do resistor variável. 2.3.. Caracterização empregando uma carga eletrônica O método consiste na utilização de uma carga eletrônica, conectada ao painel como mostra a Figura 3. O circuito funciona como uma carga variável, onde a corrente drenada do painel FV é dependente da corrente de entrada do amplificador operacional, que é fornecida pela fonte triangular, funcionando como uma carga.

(4) resistiva controlável (CARVALHO, 2014). Esses valores de tensão e corrente podem ser medidos utilizando um osciloscópio, resultando em um maior número de pontos, aumentando a precisão do sistema. Como todo o método é feito de forma eletrônica, possui uma alta flexibilidade, possibilitando variar o valor da resistência eletricamente. Em contrapartida, para executar o método, é preciso maior investimento, e sua aplicação é limitada para no máximo painéis de média potência (CAMPOS, 2013). R2 Pain el FV. R1. -. R3. OPA. Q1. + +. R4. Q2 R5. -. Figura 3. Método da carga eletrônica. 2.4.. Caracterização empregando conversores estáticos CC/CC Esse sistema baseia-se em conversores estáticos CC/CC conectados nos terminais do painel FV, como mostra a Figura 4. Os conversores recebem um nível de tensão ou de corrente contínua nos seus terminais de entrada e ajustam para outro valor de tensão ou de corrente contínua nos terminais de saída de acordo com as exigências do sistema. Tal método de caracterização pode utilizar conversores estáticos, abaixadores ou elevadores de tensão, os quais fazem variar a resistência de um valor nulo até um elevado valor (CAMPOS, 2013). Iin +. Painel FV. Vin. Conversor CC-CC. Rin. + Iout. Vout. Rout. -. -. Duty-cycle Variável. Figura 4. Método do conversor estático CC/CC. 3. RESULTADOS e DISCUSSÃO Com base nos métodos de caracterização citados acima, realizou-se uma análise de cada método em relação a alguns parâmetros, como mostra a Tabela 1..

(5) Tabela 1: Avaliação de Métodos de Caracterização Capacidade de Método de Conhecimentos Processamento Desempenho Custo Precisão Caracterização Específicos de Potência Carga Capacitiva. Baixo. Média. Médio. Alta. Baixo. Resistência Variável. Baixo. Baixa. Baixo. Baixa. Médio. Carga Eletrônica. Médio. Alta. Alto. Média. Alto. Conversor CCCC. Alto. Alta. Alto. Média. Alto. Da Tabela 1, conclui-se que, para a aplicação desejada, o método mais adequado é a carga eletrônica, apresentando as características balanceadas entre os métodos avaliados. Portanto, a carga eletrônica será empregada nos trabalhos futuros oriundos desta revisão bibliográfica. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Após o estudo dos métodos de caracterização da curva I-V e da comparação de cada um em relação ao custo, precisão, conhecimentos necessários para aplicação do método, capacidade de potência e o desempenho foi possível concluir de forma sucinta qual o método que mais se adequa a cada aplicação de um determinado painel FV. Para perspectivas futuras de estudo a curva I-V será obtida através do método da carga eletrônica. Enfim, logo após a obtenção da curva I-V, esta será comparada com a curva disponível na folha de especificação do fabricante (datasheet), realizando a análise de erros entre as duas curvas, para validação do método de caracterização experimental. 5. REFERÊNCIAS A. L. C. CARVALHO. Metodologia para análise, caracterização e simulação de células fotovoltaicas, Belo Horizonte 2014, pp.35-38. E. DURÁN. Different methods to obtain the I-V curve of PV modules: A review, Spain 2008, pp.2. E. L. F. CAMPOS. Construção de um caracterizador de curvas de painéis solares utilizando um Conversor Boost, Viçosa 2013, pp.30–33. E. M. S. BRITO. Construção de um Caracterizador Solar Baseado em Carga Capacitiva, Viçosa 2014, pp.24–27. J. P. TAVARES E M. A. GALDINHO. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos CEPEL – CRESESB, Edição Revisada e Atualizada Rio de Janeiro, Março 2015, pp. 50-52..

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