Fatores que influenciam na eficiência de módulos solares

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Os módulos solares são projetados para fornecerem certa potência elétrica dentro de alguns parâmetros, considerados ideais (condições de laboratório), em que a temperatura e luminosidade são controlados (25° C e 1000W/m²), assim fazendo com que os módulos trabalhem com praticamente 100% de eficiência. Na realidade não é possível conseguir tal eficiência continuamente pois existem diversos fatores que influenciam na perda da capacidade de geração de energia dos módulos solares.

Como a fonte primária de energia é o Sol, então vamos tratar primeiro dos fatores relacionados ao clima:

  • Irradiação solar: a irradiação solar é praticamente a mesma para verão e inverno, isso se o sistema estiver posicionado para o Norte, caso esteja em Leste ou Oeste, a inclinação do movimento da Terra no inverno pode reduzir a geração de energia. Na posição Sul não é recomendado pois no inverno o Sol fica volt
  • Condições meteorológicas: dias nublados/chuvosos são um obstáculo para a irradiação chegar aos módulos solares, reduzindo a geração de energia em até 40%;
  • Variação do espectro na massa de ar: a massa de ar atmosférico, do espaço até a superfície terrestre tem média de 1.5, mas isso varia conforme posicionamento do Sol em relação a Terra e pode gerar uma redução de até 2% na geração de energia;

Outro fator importante é a temperatura, mais precisamente a temperatura dos módulos, que tem operação nominal de 43 a 47° C, e podem chegar até 85° C, e esse aumento de temperatura reduz a eficiência na potência dos módulos. Como a temperatura baixa ajuda no aumento da eficiência, então para regiões quentes, a incidência de ventos auxilia nessa redução da temperatura, porém, cuidados devem ser tomados para que a carga mecânica do vento não cause danos às estruturas de apoio dos módulos. Outros sistemas, instalados flutuantes em açudes, lagos ou até nos mares tem demonstrado redução da temperatura dos módulos por contato com a água, o que aumentou a eficiência destes.

Os demais fatores de influência são físicos, sendo de fabricação, instalação e manejo dos módulos solares. Em questão de fabricação temos:

  • Matéria prima: os módulos são feitos de material semicondutor, sendo mais comum o uso de silício (Si) pela grande quantidade encontrada no planeta. O arranjo das moléculas de Si pode resultar em células solares monocristalinas (com média de capacidade de 150Wp/m²) ou policristalinas (com média de capacidade de 135Wp/m²);
  • Espessura: é necessário um ponto ótimo de espessura, tendo em vista que células muito espessas reduzem a eficiência pela recombinação em função dos comprimentos de difusão no material dos elétrons fotogerados, ou espessuras muito finas também reduzem a eficiência devido ao coeficiente de absorção óptica do material;
  • Cor das células: As cores usuais são do azul escuro ao preto, pois estas apresentam maior eficiência, os painéis de cor preta normalmente são monocristalinos porém o custo é elevado, os painéis com cores azuis tem o custo beneficio elevado. Para fins arquitetônicos, existem demais cores, que tem sua eficiência reduzida; (conforme tabela)
  • Reflexão: A incidência dos raios solares pode sofrer um desvio ao atravessarem as camadas de proteção (vidro e EVA) até atingir as células fotovoltaicas assim reduzindo a potência gerada em até 5%.

Quando tratamos de instalação, os fatores são:

  • Posicionamento e inclinação: é recomendada a instalação das placas, voltadas para o Norte, podendo ser instalado nas orientações Leste e Oeste, porém com certa redução de eficiência, e não sendo recomendada a orientação Sul. A inclinação dos módulos solares deve seguir a latitude do local instalado;
  • Arranjos: Quando dispostos em série, a voltagem tende a aumentar, principalmente sob alta irradiação solar, o que deve ser previsto em projeto para que o sistema não perca eficiência com a corrosão de componentes internos por uma corrente de fuga. Se dispostos em paralelo de forma também não planejada, o sistema, sob baixa irradiação não terá corrente suficiente para o funcionamento adequado, prejudicando a potência elétrica. O ideal é trabalhar com o ponto ótimo de corrente e tensão que deverá ser repassado para as MPPTs;
  • Sombreamento: deve-se evitar sombreamento de estruturas ou vegetação nos arranjos de módulos solares, pois pode causar uma redução de até 5% da potência de geração de energia;
  • Mismatch: incompatibilidade dos módulos solares, que pode ser causado por demais fatores ou por instalação de módulos diferentes, que gera variação de energia para cada módulo assim, resultando em arranjos com diferentes correntes elétricas, que devem se regularizar para seguirem para as MPPTs, assim podendo reduzir a eficiência em até 2,5%.

Após instalado o sistema solar necessita de manejo adequado, ou pode ocorrer perda da geração de energia por:

  • Sujidade: materiais podem aderir aos módulos como poeira e excrementos de aves, que podem não sair com a água da chuva, criando uma camada que impede parte da irradiação de chegar até as células solares. Essa redução da potência pode chegar a 3%, e pode ser evitado com limpeza adequada, fornecida pela empresa de instalação do sistema solar;
  • Degradação do encapsulante (EVA): O EVA é uma membrana de proteção dos módulos solares que pode ser degradada pela radiação UV, deixando as células solares expostas as intempéries como por exemplo granizo, que pode deixar pequenas trincas nas células reduzindo sua capacidade de geração de energia;
  • Tempo: Em tese, os módulos solares tem vida útil de 25 anos, após esse tempo sua eficiência começa a ser reduzida, mas não comprometendo o sistema.

Ainda são necessários estudos de eficácia para viabilizar o tempo de uso após a vida útil, mas nesse tempo é provável que outras tecnologias superiores já tenham sido desenvolvidas para a substituição do antigo sistema solar por um ainda melhor, com maior potência de geração de energia, menor custo de implantação e maior durabilidade.

Escrito por Floriano Luiz Suszek, Doutor em Engenharia Agrícola, Engenheiro na inVolt Energia Solar.

Fontes:

CAMPOS, M. S.ALCANTARA, L. D. S. Interpretação dos Efeitos de Tempo Nublado e Chuvoso Sobre a Radiação Solar em Belém/PA Para Uso em Sistemas Fotovoltaicos. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 31, n. 4, 570-579, 2016.

EVELYN THIARA DIETER. Avaliação do impacto das perdas de potência por sombreamento, contaminação, incompatibilidade e reflexão em módulos fotovoltaicos. Monografia. Universidade de Brasília – UnB. 2018.

PINHO, J. T., GALDINO, M. A. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: Cepel-Cresesb, 2014.