Universidade Ritsumeikan do Japão desenvolve modelo de circuito para prever hotspots espelhados em módulos HJT de meia-célula

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipe de pesquisa da Universidade Ritsumeikan, no Japão, por meio de experimentos ao ar livre e simulação em nível de circuito, identificou o mecanismo que impulsiona o fenômeno de hotspots espelhados em módulos fotovoltaicos comerciais de silício heterojunção (HJT) de 120 meias-células sob condições de sombreamento parcial, e desenvolveu um modelo em nível de circuito capaz de prever a formação de hotspots nas células afetadas.

Hotspot espelhado refere-se ao seguinte: quando o sombreamento parcial em um módulo de meia-célula ativa o diodo de bypass, as células não sombreadas no substrings espelhado paralelo entram em estado de polarização reversa e, devido ao descasamento de corrente, podem sofrer superaquecimento local semelhante ao das células sombreadas. A equipe de pesquisa explicou que estudos anteriores já haviam confirmado a ocorrência desse fenômeno tanto em condições controladas de laboratório quanto em ambientes externos reais, mas não haviam realizado uma atribuição quantitativa em nível de circuito da dissipação e dos parâmetros de controle no substring espelhado, nem incorporado o feedback de temperatura-potência que regula a dissipação em condições reais de operação a uma estrutura preditiva validada.

O módulo experimental contém seis substrings, cada um composto por 20 meias-células em série, com dois substrings conectados em paralelo formando uma unidade protegida por diodo de bypass, e três unidades conectadas em série no nível do módulo. O protótipo foi instalado ao ar livre sob luz solar natural e conectado a uma carga eletrônica. Os pesquisadores usaram placas de sombreamento para bloquear seletivamente uma única meia-célula, enquanto monitoravam a distribuição de temperatura com uma câmera termográfica infravermelha. As medições foram mantidas por 10 minutos em cada uma das duas tensões de operação fixas, 36,5 V e 22,7 V, e então as imagens térmicas foram coletadas.

Os resultados mostraram que, somente quando a tensão de operação era baixa, ou seja, quando o diodo de bypass estava ativado, as células não sombreadas no substring espelhado apresentavam aquecimento significativo. Sob a condição de 22,7 V, a célula espelhada atingiu 44,4 °C, 15,2 °C acima da temperatura ambiente; a 36,5 V, nenhum aquecimento semelhante foi observado.

Para analisar o mecanismo, a equipe de pesquisa construiu um modelo de circuito equivalente usando LTspice, com base nos parâmetros de células coupon HJT encapsuladas. O modelo reproduziu as características de corrente-tensão medidas do módulo, foi usado para simular a distribuição de tensão em nível de célula e o consumo de energia sob sombreamento parcial, e investigou os efeitos do descasamento de corrente de curto-circuito (ΔIsc), da resistência de derivação e da temperatura na formação de hotspots. A simulação em nível de célula mostrou que a ativação do bypass é uma condição necessária, mas não suficiente, para a formação de hotspots espelhados locais: se as células do substring espelhado forem idênticas, a tensão negativa da unidade se distribui amplamente; um leve ΔIsc força uma célula espelhada a entrar em polarização reversa profunda, tornando-a o principal ponto de dissipação. Na análise de parâmetros, o ΔIsc teve o maior impacto no consumo de energia do hotspot, seguido pelas variações na resistência de derivação.

Os pesquisadores concluíram que este estudo fornece orientação em nível de circuito, validada ao ar livre, para mitigar hotspots em módulos de meia-célula, com aplicabilidade que vai além da avaliação apenas de células sombreadas. Os resultados foram publicados na revista Solar Energy sob o título "Outdoor validated mismatch driven mirror-cell hotspots in half-cell silicon heterojunction modules".