Análise e proposta de aprimoramento do modelo de um diodo para módulos fotovoltaicos

Abstract

O modelo de um diodo é o mais utilizado na simulação de sistemas fotovoltaicos. Contudo, é reconhecido que este possui desempenho inferior em certas situações operativas, em especial na modelagem de condições de baixas irradiâncias, inferiores a 300 W/m². Assim, este trabalho se propõe a estudar o modelo de um diodo, compreendendo as funções de cada um dos parâmetros e avaliando seus comportamentos nas diferentes condições de temperatura e irradiância, a fim de propor aprimoramentos. Primeiramente, são analisados os trabalhos experimentais e os modelos da literatura, a fim de compreender as abordagens tradicionalmente utilizadas. A seguir, com a realização de dois conjuntos de ensaios experimentais em simulador solar com condições controladas, utilizando uma amostra de módulos fotovoltaicos de silício cristalino, extrai-se os parâmetros da curva I-V de cada uma das condições de estudo, e, desses dados, avalia-se possíveis ajustes no modelo de um diodo. Na primeira etapa, a temperatura constante, são propostas equações de variação das resistências série e paralela com a irradiância, e demonstra-se que estas levam a curvas mais adequadas a baixas irradiâncias que o modelo tradicional. Posteriormente, com os dados a diferentes temperaturas, na irradiância de referência avalia-se que o recálculo de I0 a cada condição é a opção mais adequada para esses casos. Na sequência, nas medições com temperaturas e irradiâncias distintas das condições de referências, conclui-se que um ajuste no coeficiente de temperatura da tensão de circuito aberto, β, com a irradiância leva a uma melhora notável nas curvas I-V, especialmente a baixas irradiâncias e altas temperaturas. Por fim, em um ensaio em condições externas, são comparados os resultados de um modelo de um diodo mais simplificado com outro que utiliza as alterações propostas. Os resultados confirmam a tendência verificada nas medições do simulador, de maior adequação às curvas I-V medidas quando aplicados os aprimoramentos propostos.

The single diode model is the most used for the photovoltaic systems modeling. However, it is a known fact that the model presents lower performance in certain conditions, as in the modeling of low irradiance operation, especially for those lower than 300 W/m². So, this work aims to study the single diode model, understanding the function of each parameter and evaluating its behavior on different irradiance and temperature conditions, so that adjustments can be proposed. First, experimental works and proposed models on the literature are analyzed, in order to understand the traditional approaches. Next, two sets of experiments are performed on a solar simulator, with controlled conditions, on a sample of PV crystalline silicon modules. The I-V curves of each studied condition are extracted, and from these data, possible improvements to the single diode model are evaluated. On the first step, using constant temperature, equations for the variation of the series and the parallel resistances are proposed, and it is demonstrated that these lead to more adequate I-V curves than the traditional model. Later, concerning temperature variations, at reference irradiance, it is shown that the recalculation of I0 at each condition is the most adequate option. Following, on measurements with distinct temperature and irradiance conditions, it is concluded that an adjustment on the open circuit thermal coefficient, β, leads to a noticeable improvement of the I-V curves, specially under low irradiance and high temperatures. Finally, on an outdoor test, the results of a simple single diode model are compared with the ones obtained with the improved model. The results confirm the trend seen on the solar simulator measurements, showing better adequacy to the measured I-V curves when the proposed improvements are applied.