Caracterização Experimental das Placas Fotovoltaicas

1. Introdução

1. Introdução

A energia solar fotovoltaica tem ampliado significativamente sua participação na geração mundial de eletricidade. Em 2024, a capacidade fotovoltaica acumulada ultrapassou 2,2 TW, com a instalação de mais de 600 GW em um único ano, e a geração fotovoltaica passou a representar mais de 10% do consumo global de eletricidade (IEA PVPS, 2025). Essa expansão abrange sistemas de diferentes escalas, desde grandes instalações conectadas à rede elétrica até sistemas distribuídos, equipamentos autônomos e aplicações experimentais.

Independentemente da potência instalada, a avaliação do desempenho de um sistema fotovoltaico depende do conhecimento das características elétricas dos módulos utilizados, especialmente de sua resposta de tensão, corrente e potência diante das condições de irradiância, temperatura e carga elétrica. As curvas corrente–tensão (I–V) e potência–tensão (P–V) permitem descrever esse comportamento e identificar parâmetros como a tensão de circuito aberto, a corrente de curto-circuito e o ponto de máxima potência. A forma dessas curvas e os valores dos parâmetros associados variam principalmente em função da radiação incidente e da temperatura das células fotovoltaicas (DE SOTO; KLEIN; BECKMAN, 2006).

Na prática, pequenos painéis fotovoltaicos comercializados para projetos experimentais são frequentemente fornecidos apenas com informações nominais simplificadas. Os dois painéis investigados neste estudo foram adquiridos conjuntamente e anunciados como módulos de 5 V e 5 W, porém sem uma folha de dados completa que informasse parâmetros como tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito, tensão e corrente no ponto de máxima potência, fator de forma, tolerâncias de fabricação e condições padronizadas de ensaio. A ausência dessas informações impede que as especificações anunciadas sejam tomadas, sem verificação experimental, como representação suficiente do comportamento elétrico efetivo dos módulos.

A caracterização desses painéis é necessária porque eles serão empregados posteriormente em uma investigação destinada a comparar a energia elétrica produzida por duas estratégias de captação solar: uma baseada em um painel mantido em posição fixa e outra formada por um painel instalado em um sistema de rastreamento solar. Para que uma diferença de geração possa ser atribuída ao rastreamento, é preciso determinar previamente se os dois painéis apresentam comportamentos elétricos equivalentes ou identificar a magnitude das diferenças existentes entre eles. Caso contrário, uma característica própria de determinado painel poderia ser interpretada indevidamente como ganho ou perda provocada pelo sistema de posicionamento.

Entretanto, as diferenças observadas durante uma medição não dependem exclusivamente dos painéis. Os instrumentos utilizados, as resistências de carga, as conexões elétricas, os intervalos de amostragem e as condições ambientais também podem influenciar os resultados. O Guia para a Expressão da Incerteza de Medição estabelece que efeitos sistemáticos reconhecidos devem ser identificados, avaliados e, quando significativos, considerados na interpretação e na expressão dos resultados experimentais (JCGM, 2008).

Neste trabalho, a aquisição das grandezas elétricas é realizada por dois módulos INA219. Esse dispositivo monitora a queda de tensão sobre um resistor shunt e a tensão do barramento, fornecendo registros de tensão, corrente e potência por meio de comunicação I²C. O fabricante informa limites de resolução, erros de medição, tensão de offset, erro de ganho e dependência com a temperatura, demonstrando que dispositivos do mesmo modelo não devem ser considerados perfeitamente idênticos sem uma verificação experimental (TEXAS INSTRUMENTS, 2015). Consequentemente, uma diferença registrada entre os canais não deve ser imediatamente atribuída aos painéis sem que a influência dos próprios instrumentos seja investigada.

Para separar essas duas possíveis fontes de variação, será adotada uma estratégia de medição cruzada. Na configuração M1, cada painel será associado inicialmente a um dos módulos INA219; na configuração M2, essas associações serão invertidas. A comparação entre as duas configurações permitirá verificar se uma diferença acompanha o painel fotovoltaico ou o canal de medição. Se o comportamento permanecer associado ao mesmo painel após a inversão, haverá evidência de uma diferença entre os módulos fotovoltaicos. Se a diferença acompanhar o INA219, sua origem estará provavelmente relacionada ao sistema de instrumentação. Essa estratégia está de acordo com a necessidade de identificar efeitos sistemáticos e realizar determinações independentes de uma mesma grandeza como parte da avaliação da confiabilidade de um sistema de medição (JCGM, 2008).

A caracterização elétrica compreenderá medições de tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito controlado e respostas sob diferentes cargas resistivas. A partir das medições simultâneas de tensão e corrente, será calculada a potência elétrica de cada amostra, permitindo a construção das curvas I–V e P–V e a estimativa do ponto de máxima potência. A energia elétrica será determinada pela integração trapezoidal das potências instantâneas em função dos intervalos reais entre as amostras. A resistência elétrica observada será estimada pela relação entre tensão e corrente e comparada com os valores das cargas aferidos por multímetros, oferecendo uma verificação independente da coerência das medições.

O sistema experimental utiliza duas placas ESP32 com funções distintas. A ESP32 principal é responsável pela aquisição e pelo processamento das medições, pelo armazenamento prioritário dos registros em cartão microSD e pela transmissão dos dados para um banco de dados remoto. A ESP32 controladora executa a comutação automática dos painéis entre os dois canais de medição, possibilitando as configurações M1 e M2 sem a necessidade de troca manual das conexões. O armazenamento local e o mecanismo de reenvio dos registros foram implementados para preservar os dados diante de falhas temporárias de comunicação com a rede ou com o servidor.

Além das grandezas elétricas, serão acompanhadas a temperatura dos painéis, a temperatura e a umidade do ambiente e as variações relativas de iluminação. O acompanhamento dessas condições é necessário porque alterações na irradiância e na temperatura modificam o comportamento elétrico e o ponto de operação dos módulos fotovoltaicos (DE SOTO; KLEIN; BECKMAN, 2006). Os sensores LDR serão utilizados apenas como indicadores relativos das mudanças de iluminação, não sendo tratados como instrumentos calibrados para a determinação da irradiância solar.

Diante desse contexto, este estudo tem como objetivo caracterizar experimentalmente os painéis fotovoltaicos A e B e avaliar a confiabilidade do sistema utilizado na aquisição das grandezas elétricas. Pretende-se distinguir as diferenças próprias dos painéis daquelas introduzidas pelos módulos INA219, verificar a coerência das grandezas medidas e calculadas e estabelecer parâmetros experimentais e incertezas de referência. Essa caracterização constituirá a base necessária para que a comparação posterior entre um painel fixo e outro instalado em um rastreador solar seja realizada de maneira tecnicamente fundamentada, evitando que diferenças preexistentes nos painéis ou nos canais de medição sejam interpretadas como efeitos do rastreamento.