As células solares transformam a energia da luz em energia elétrica. Uma única célula produz uma tensão relativamente baixa e, por isso, várias células podem ser combinadas para alcançar a tensão e a corrente necessárias para determinada aplicação.
Neste artigo, veremos como funcionam as ligações de células solares em série e paralelo, quais grandezas são somadas em cada configuração e como realizar as medições na prática.
Célula solar, placa solar e painel solar
Embora esses termos sejam frequentemente utilizados como sinônimos, eles representam elementos diferentes.
Célula solar
A célula fotovoltaica é a unidade responsável pela conversão da luz em eletricidade. Uma célula de silício normalmente produz uma tensão relativamente baixa, cujo valor exato depende da tecnologia e das condições de funcionamento.
Módulo solar
O módulo reúne diversas células conectadas em série, paralelo ou em uma combinação das duas configurações. As células são protegidas por vidro, encapsulamento e uma estrutura.
Painel solar
No uso cotidiano, painel e placa solar geralmente designam o módulo completo. Tecnicamente, um painel também pode representar um conjunto de módulos.
Neste projeto prático, os mesmos princípios elétricos podem ser observados utilizando pequenas células ou placas solares.
Como uma célula solar gera energia?
Quando a luz atinge o material semicondutor da célula, sua energia permite a movimentação de cargas elétricas. A estrutura interna da junção cria um campo elétrico que direciona essas cargas e produz uma diferença de potencial entre os terminais.
Ao conectar uma carga, surge uma corrente elétrica.
A quantidade de energia disponível depende de fatores como:
- Intensidade da luz;
- Área da célula;
- Ângulo de incidência;
- Temperatura;
- Tecnologia utilizada;
- Condições da superfície;
- Características da carga;
- Sombras sobre a célula.
Uma célula não fornece sempre a mesma tensão e corrente. Seus valores variam de acordo com as condições de operação.
Identificação da polaridade
Antes de fazer as associações, identifique os terminais positivo e negativo de cada placa.
Se eles não estiverem marcados, utilize um multímetro na escala de tensão contínua:
- Posicione a célula sob uma fonte de luz;
- Encoste a ponta vermelha em um terminal;
- Encoste a ponta preta no outro;
- Observe o valor indicado;
- Se o valor for positivo, a ponta vermelha está no positivo;
- Se aparecer um sinal negativo, as pontas estão invertidas.
Realize essa verificação em todas as células antes da montagem.
Ligação de células solares em série
Na ligação em série, o terminal positivo de uma célula é conectado ao terminal negativo da célula seguinte.
Permanecem disponíveis para a carga o negativo da primeira célula e o positivo da última.
Quando células semelhantes são ligadas em série:
- As tensões são somadas;
- A corrente disponível permanece aproximadamente igual à de uma célula;
- A potência total pode aumentar;
- Uma célula sombreada pode limitar o conjunto.
A tensão total pode ser representada por:
Vtotal = V1 + V2 + V3 + …
Se três pequenas placas produzirem 2 V cada, a tensão do conjunto será, em condições semelhantes:
Vtotal = 2 + 2 + 2 = 6 V
A corrente máxima da série não corresponde à soma das correntes. Ela será limitada pela célula que apresentar a menor capacidade naquele momento.
Quando utilizar a ligação em série?
A ligação em série é utilizada quando o projeto necessita de uma tensão superior àquela fornecida por uma única célula.
Ela pode ser aplicada para:
- Carregar uma bateria por meio de controlador adequado;
- Alimentar um conversor eletrônico;
- Acender LEDs com tensão mais elevada;
- Operar pequenos motores;
- Formar módulos solares;
- Compensar quedas de tensão em reguladores.
A tensão produzida precisa ser compatível com a carga. Somar muitas células pode ultrapassar a tensão máxima do equipamento conectado.
Efeito de sombras na associação em série
Em uma sequência em série, a mesma corrente precisa atravessar todas as células.
Se uma delas receber menos luz, sua corrente disponível diminuirá e poderá limitar todo o conjunto. É semelhante ao que acontece quando um componente de menor capacidade restringe o funcionamento de uma corrente em série.
Em módulos maiores, diodos de bypass podem ser utilizados para permitir que a corrente contorne grupos de células sombreadas. Esses diodos precisam ser selecionados e instalados corretamente.
Mesmo uma sombra pequena pode reduzir significativamente o desempenho de uma associação em série.
Ligação de células solares em paralelo
Na ligação em paralelo, todos os terminais positivos são conectados entre si. O mesmo é feito com os terminais negativos.
Quando células semelhantes trabalham em paralelo:
- A tensão permanece aproximadamente igual à de uma célula;
- As correntes disponíveis são somadas;
- A capacidade de alimentar cargas de maior consumo aumenta;
- As células devem possuir tensões compatíveis.
A corrente total pode ser representada por:
Itotal = I1 + I2 + I3 + …
Se três placas semelhantes fornecerem 100 mA cada, o conjunto poderá oferecer teoricamente:
Itotal = 100 + 100 + 100 = 300 mA
Na prática, o valor dependerá da iluminação, das perdas e da carga utilizada.
Quando utilizar a ligação em paralelo?
A associação em paralelo é utilizada quando a tensão de uma placa já é suficiente, mas o projeto precisa de mais corrente.
Ela pode ser útil para:
- Alimentar cargas de maior consumo;
- Aumentar a capacidade de carregamento;
- Reduzir a sobrecarga sobre cada célula;
- Formar conjuntos com maior área de captação;
- Manter a tensão nominal do sistema.
As células colocadas em paralelo devem possuir características semelhantes e estar expostas a condições parecidas de iluminação.
Associação série-paralelo
Também é possível combinar as duas configurações.
Primeiro são formados grupos de células em série para obter a tensão desejada. Depois, grupos equivalentes são ligados em paralelo para aumentar a corrente disponível.
Por exemplo, um conjunto pode ser formado por:
- Três células em série em cada grupo;
- Dois grupos idênticos em paralelo.
Nesse caso, a tensão será aproximadamente três vezes a tensão de uma célula, enquanto a corrente disponível será aproximadamente duas vezes a corrente de um grupo.
Os grupos colocados em paralelo precisam possuir a mesma quantidade e o mesmo tipo de células em série.
Tensão de circuito aberto
Quando a célula é medida sem carga, o multímetro indica a tensão de circuito aberto.
Esse valor é útil para verificar a polaridade e comparar as placas, mas não representa necessariamente a tensão que estará disponível durante o funcionamento.
Quando uma carga é conectada:
- A corrente começa a circular;
- A tensão pode diminuir;
- A célula passa a fornecer potência;
- As perdas tornam-se mais perceptíveis.
Por isso, uma placa pode apresentar uma tensão aparentemente correta no multímetro e, ainda assim, não conseguir alimentar uma carga de maior consumo.
Corrente de curto-circuito
A corrente de curto-circuito é a corrente medida quando os terminais da célula são ligados através do amperímetro em condições específicas.
Esse teste deve ser feito somente em pequenas células e quando se conhece a capacidade do instrumento e do conjunto.
Para medir:
- Selecione a entrada correta do multímetro;
- Escolha uma escala de corrente adequada;
- Confirme a posição das pontas;
- Faça a conexão por um período curto;
- Observe a leitura;
- Retire as pontas;
- Retorne o multímetro à entrada de tensão.
Nunca tente medir a corrente de curto-circuito de um painel de potência sem equipamento e procedimento adequados. Correntes elevadas podem danificar o multímetro, aquecer cabos e provocar arco elétrico.
Como medir as células em série
Para verificar uma associação em série:
- Meça individualmente cada célula;
- Confirme a polaridade;
- Ligue o positivo da primeira ao negativo da segunda;
- Continue o processo com as demais;
- Coloque o multímetro nos dois terminais livres;
- Compare a tensão total com a soma das medições individuais.
Se a tensão total estiver muito baixa, verifique se alguma célula foi instalada com polaridade invertida.
Células ligadas em oposição podem fazer com que suas tensões sejam subtraídas.
Como medir as células em paralelo
Para testar a ligação em paralelo:
- Confirme se as células possuem tensões semelhantes;
- Conecte todos os terminais positivos;
- Conecte todos os terminais negativos;
- Meça a tensão do conjunto;
- Utilize uma carga apropriada para avaliar a corrente;
- Observe se alguma célula apresenta aquecimento.
A tensão medida deverá permanecer próxima da tensão individual. O aumento será percebido principalmente na capacidade de fornecer corrente à carga.
Potência produzida pelas células
A potência elétrica é calculada pela relação:
P = V × I
Uma placa que fornece 6 V e 200 mA apresenta, naquele ponto de operação:
P = 6 × 0,2 = 1,2 W
A potência máxima informada pelo fabricante é obtida em condições padronizadas. No uso real, o resultado pode ser menor devido ao ângulo da luz, temperatura, sombras, sujeira e perdas elétricas.
Não basta medir somente a tensão. Para conhecer o desempenho do conjunto, também é necessário avaliar a corrente sob carga.
Efeito da iluminação
A luz incidente interfere principalmente na corrente fornecida pela célula. Em baixa iluminação, pode existir tensão no multímetro, mas pouca capacidade para alimentar uma carga.
Durante a experiência:
- Posicione todas as células no mesmo ângulo;
- Evite sombras provocadas pelas mãos;
- Não compare medições feitas em momentos muito diferentes;
- Mantenha a mesma distância da fonte de luz;
- Utilize uma carga conhecida;
- Registre tensão e corrente.
Em testes ao ar livre, a passagem de nuvens pode modificar rapidamente as leituras.
Efeito da temperatura
O aquecimento também altera o desempenho das células solares.
Em geral, quando a temperatura aumenta, a tensão tende a diminuir. Isso significa que uma placa exposta ao sol forte pode apresentar temperatura elevada e produzir uma tensão diferente daquela medida em condições mais amenas.
A luz solar intensa pode aumentar a corrente disponível, mas o aquecimento reduz parte do ganho esperado na tensão.
Células diferentes podem ser combinadas?
O ideal é utilizar células do mesmo modelo, com características elétricas semelhantes.
Em série, uma célula com menor corrente pode limitar todo o conjunto. Em paralelo, diferenças de tensão podem fazer com que uma célula envie corrente para outra.
Ao combinar placas diferentes, é necessário analisar:
- Tensão de circuito aberto;
- Corrente de curto-circuito;
- Tensão no ponto de máxima potência;
- Corrente no ponto de máxima potência;
- Potência nominal;
- Necessidade de diodos;
- Características da carga.
Para uma experiência didática, utilize peças equivalentes e submetidas à mesma iluminação.
Diodo de bloqueio e diodo de bypass
Os diodos podem exercer funções diferentes em um sistema fotovoltaico.
Diodo de bloqueio
O diodo de bloqueio ajuda a impedir o retorno de corrente da bateria ou de outra fonte para a placa solar quando não existe iluminação suficiente.
Como o diodo apresenta uma queda de tensão, sua escolha precisa considerar a pequena tensão produzida pelas células.
Diodo de bypass
O diodo de bypass é instalado em paralelo com uma célula ou grupo de células. Sua função é criar um caminho alternativo quando determinada parte do conjunto em série está sombreada ou apresenta uma falha.
Os dois diodos não devem ser confundidos. Sua necessidade e dimensionamento dependem do circuito completo.
Carregamento de baterias
Uma placa solar não deve ser conectada diretamente a qualquer bateria sem considerar o processo de carga.
O sistema pode precisar de:
- Controlador de carga;
- Limitação de corrente;
- Controle de tensão;
- Proteção contra descarga;
- Proteção contra inversão;
- Monitoramento de temperatura;
- Conversor DC-DC.
Baterias de lítio exigem cuidados especiais e circuitos específicos. Tensão excessiva, corrente incorreta ou ausência de proteção pode provocar superaquecimento, incêndio ou danos permanentes.
A associação das células deve fornecer condições adequadas para a entrada do controlador, e não necessariamente para uma ligação direta à bateria.
Erros comuns nas ligações
Entre os erros mais frequentes estão:
- Inverter a polaridade de uma célula;
- Esperar aumento de corrente em série;
- Esperar aumento de tensão em paralelo;
- Combinar células muito diferentes;
- Fazer medições com iluminação desigual;
- Avaliar o sistema apenas pela tensão sem carga;
- Utilizar fios excessivamente finos;
- Ignorar quedas de tensão;
- Conectar diretamente uma bateria sem controlador;
- Deixar uma célula parcialmente sombreada;
- Ultrapassar a tensão permitida pela carga.
Realizar as medições individualmente antes da associação facilita a identificação de problemas.
Aplicações práticas
As associações em série e paralelo podem ser utilizadas em projetos como:
- Carregadores solares;
- Iluminação autônoma;
- Sistemas de monitoramento;
- Estações meteorológicas;
- Pequenos ventiladores;
- Projetos com Arduino;
- Sistemas de emergência;
- Sensores instalados em áreas externas;
- Fontes experimentais;
- Equipamentos portáteis.
O dimensionamento deve considerar não apenas a potência da carga, mas também o número de horas de funcionamento, a disponibilidade de luz e o armazenamento de energia.
Segurança durante os testes
Pequenas células solares normalmente trabalham com tensões e correntes reduzidas. Entretanto, associações maiores podem alcançar valores perigosos.
Alguns cuidados são:
- Não provoque curtos em painéis de alta potência;
- Utilize cabos e conectores adequados;
- Proteja os terminais expostos;
- Confirme a polaridade;
- Utilize fusíveis quando necessário;
- Não conecte baterias sem proteção;
- Evite trabalhar com fios molhados;
- Cubra as placas antes de alterar sistemas maiores;
- Utilize instrumentos compatíveis com a tensão e a corrente.
Uma placa solar produz energia sempre que recebe luz. Portanto, não basta desligar uma chave para garantir que seus terminais estejam sem tensão.
Resultado da experiência
As ligações de células solares em série e paralelo permitem adaptar a tensão e a corrente para diferentes projetos.
Na ligação em série, as tensões são somadas e a corrente fica limitada pela célula de menor capacidade. Na ligação em paralelo, a tensão permanece aproximadamente a mesma e as correntes são somadas.
No vídeo, você acompanha as medições e observa na prática o comportamento das placas solares em cada configuração: