Desenvolvimento de metodologia e bancada para ensaio de exposição solar prolongada de módulos fotovoltaicos de filmes finos

Abstract

A geração de energia fotovoltaica continua em crescimento e por isso estudos relacionados à aplicação de diferentes tecnologias fotovoltaicas se tornam muito importantes. A tecnologia de células fotovoltaicas de silício cristalino representa a maior parte da aplicação de energia solar fotovoltaica atualmente. Os módulos com tecnologias de filmes finos foram apresentados ao mercado como uma nova geração de módulos e atualmente são referenciados como módulos fotovoltaicos de segunda geração. As tecnologias de filmes finos possuem algumas vantagens em relação ao silício cristalino, como por exemplo: menor quantidade de material, menor custo de produção e possibilidade de se produzir células e módulos flexíveis, embora em geral apresentem eficiências menores. Existem tecnologias de filmes finos aplicadas à geração fotovoltaica que apresentam instabilidade quando expostas à radiação solar, variando a potência gerada do módulo nas primeiras horas de exposição. Esses efeitos motivaram a padronização de um ensaio de exposição solar, do inglês light-soaking, que atualmente é previsto por uma norma internacional de qualificação de módulos fotovoltaicos (IEC 61646). Neste trabalho, desenvolveu-se uma metodologia para realizar o ensaio lightsoaking e construiu-se uma bancada de testes para obter resultados experimentais a partir de módulos expostos na cobertura do prédio anexo do LABSOL. Para isso, foi realizada uma análise de área livre de sombra disponível, bem como montada a estrutura metálica de sustentação para os módulos. Também foram instaladas resistências elétricas para dissipação de potência dos módulos e montado painel elétrico dentro do prédio centralizando as conexões necessárias. O experimento também contou com o desenvolvimento de um programa em linguagem Visual Basic® para interagir com os instrumentos de medição e realizar o monitoramento do ensaio. Neste trabalho foram ensaiados quatro módulos com diferentes tecnologias de filmes finos, as quais: silício amorfo com tripla junção, silício amorfo com uma junção, CIGS (Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio) e por último dupla junção de silício amorfo com silício microcristalino. O experimento foi conduzido por 55 dias, sendo que a cada minuto o programa registrou dados de irradiância, irradiação acumulada e temperatura dos módulos. Ao final do experimento, os módulos receberam no total 347 kWh/m2 de irradiação e, durante o ensaio, foram realizadas ao todo 8 medições de curva característica corrente versus tensão para verificar o desempenho dos módulos. Antes e após a exposição, também foram realizadas medições em um simulador solar a fim de se obter medidas em condições controladas de temperatura e irradiância. Ao aplicar o critério de estabilização previsto na norma IEC 61646, verificou-se que todos os módulos o atenderam. Contudo, os módulos com tecnologia de uma junção de silício amorfo e com tecnologia de tripla junção de silício amorfo voltaram a apresentar degradação acima do máximo estabelecido pela norma IEC 61646 após continuarem expostos à radiação solar. Sendo assim, pode ser necessário alterar o critério para um maior valor de irradiação acumulada entre cada avaliação de degradação destes módulos, principalmente quando o ensaio é realizado com temperatura externa elevada. A metodologia mostrou que esse ensaio pode ser realizado em ambiente externo com luz natural de maneira prática e econômica, porém realizar as medições de curva característica com luz natural e temperatura não controlada implica em adicionar algumas incertezas ao ensaio.

The photovoltaic (PV) power generation continues to grow and so studies related to the application of different photovoltaic technologies become very important. The crystalline silicon solar cells technology is the most current application of PV power generation. The photovoltaic modules with thin film technologies were presented to the market as a new generation of modules and are currently referred to as second generation PV modules. The thin film technologies have some advantages compared to crystalline silicon, for example, less material, lower cost of production and ability to produce flexible cells and modules, although generally have lower efficiencies. There are thin film technologies for photovoltaic conversion that show instability when exposed to the sun, varying the power generated in the early hours of sun exposure. These effects led to the standardization of a sun exposure test, the light-soaking test, which is currently standardized by an international standard of qualification of photovoltaic modules (IEC 61646). In this study, we developed a methodology to perform the light-soaking test and built a workbench to obtain experimental results from PV modules set out in the LABSOL building. For this purpose, a shadow analysis was performed as well as the metal structure mounted to support the photovoltaic modules. Resistive loads were also installed in order to dissipate the power of the modules. An electrical panel was mounted inside the building to centralize the necessary connections. The workbench also included the development of a program in Visual Basic® to interact with the measuring instruments and carry out the monitoring of the experiment. In this work we tested four modules with different thin film technologies, including: triple junction amorphous silicon, single junction amorphous silicon, CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide) and tandem junction of amorphous silicon and microcrystalline silicon. The experiment was conducted over 55 days, and every minute the program recorded irradiance data, accumulated irradiation and module temperature. At the end of the experiment, the modules received 347 kWh/m2 of irradiation. During the test, there were a total of 8 characteristic curve (I x V) measurements to verify the performance of the modules. Before and after exposure, were also performed measurements in a solar simulator. By applying the stabilization criteria presented in IEC 61646 it was found that all the modules have been considered stabilized. However, after being exposed to more hours of sunlight, the single junction amorphous silicon module and the triple junction amorphous silicon module presented degradation above the maximum established by IEC 61646 standard. Thus, it may be necessary to change the criteria for a higher value of accumulated irradiation between assessments of degradation of these modules, especially when the test is performed with high external temperature. The methodology showed that this test may be performed outdoors under natural light in a practical and economical way, but the characteristic curve measurements with natural light and uncontrolled temperature add some uncertainty to the test.