Qual significado de fotovoltaica – Glauco Diniz Duarte

Uma dúvida frequente quando se fala em sistemas de geração de energia solar fotovoltaica diz respeito à relação entre a quantidade de placas utilizadas e a quantidade de energia gerada pelo sistema. Se você já leu sobre sistemas solares fotovoltaicos ou já recebeu algum orçamento desse tipo de sistema deve ter ouvido falar em unidades como kWp, kWh ou kW, mas talvez não entenda bem o que elas significam ou como estão relacionadas.

Este post se dedica a esclarecer um pouco melhor alguns conceitos-chave que permitam que entendamos melhor o que significa quando uma placa fotovoltaica é especificada como 250 kWp. Ainda, entenderemos que fatores determinam quanta energia cada placa (ou conjunto de placas) poderá gerar para sua residência ou empresa.

CONCEITOS INICIAIS

Antes de seguir adiante, façamos uma pausa para um rápida distinção entre os conceitos de potência, potência de pico e energia.De forma simples, a energia (elétrica) que compramos da concessionária pode ser entendida como o “combustível” de nossos eletrodomésticos, a potência destes equipamentos diz respeito à rapidez com que equipamentos elétricos consomem esse combustível e por fim a potência de pico é o valor máximo que a potência atinge ao longo de um intervalo de tempo específico.

De forma ligeiramente mais técnica, a potência de um equipamento diz respeito à taxa com que ele consome ou gera energia e é descrita em unidade de energia/unidade de tempo, como por exemplo o Watt (W, equivalente a joule/segundo) ou o BTU/hora. A energia consumida ou gerada por um equipamento é o acumulado da potência ao longo de um determinado espaço de tempo e é descrita em unidade de energia como o Wh (watt-hora, equivalente a 1 watt operando por 1 hora). A potência de pico pode, assim como potência instantânea, ser descrita por W mas comumente é utilizado o Wp (watt-pico) para melhor compreensão.

Vamos utilizar a figura abaixo como exemplo. Digamos que um equipamento com potência constante de 300 W opere ao longo de 24 horas (gráfico em laranja), a energia gerada/consumida por ele é dada pelo produto entre os dois valores totalizando 300 W x 24 h = 7200 Wh (watt-hora), que corresponde à área em laranja.O gráfico em azul, por sua vez, mostra o caso de um equipamento com potência variável. Para esses casos o cálculo se torna um pouco mais complicado, mas a energia continua correspondendo à área sob a curva, que é a mesma nos dois casos descritos. Por fim, o valor de pico pode ser visto em cinza, e no nosso exemplo é igual a 1000 W.

Portanto, temos a distinção: W é unidade de potência, Wh é unidade de energia e para nos referirmos à potência de pico utilizamos o Wp. Agora que entendemos um pouco melhor estes conceitos, podemos seguir adiante.

POTÊNCIA E GERAÇÃO

Afinal, quanta energia uma placa fotovoltaica pode gerar? Os principais fatores que influenciam a geração serão divididos neste post em:

• Potência dos painéis fotovoltaicos

• Níveis de radiação solar do local de instalação

• Fatores de perda na geração

• Fatores de ganho na geração

A POTÊNCIA DOS PAINÉS FOTOVOLTAICOS

Quando adquirimos um painel fotovoltaico, o principal parâmetro a ser especificado é a sua potência, que na sua folha de dados vai aparecer como potência de pico. Os painéis mais utilizados hoje para instalação de sistemas de geração solar, por exemplo, são painéis com potência de pico entre 245 Wp e 260 Wp. Mas o que significa esse valor? O painel vai fornecer essa potência durante todo o dia?

O valor da potência de pico de um painel consiste da potência elétrica que pode ser extraída dele, quande este é testado em uma condição de operação específica denominada STC (do inglês Standard Test Conditions – Condições padrão de teste). Durante o teste, o equipamento é submetido a uma luz com intensidade de 1000W/m² (nível de luz considerado bastante alto), com temperatura controlada em 25°C e uma atmosfera com coeficiente de massa de 1,5 e ventos de 1m/s.Na prática, essas condições de operação dificilmente são atingidas no dia a dia. Isso se dá tanto pelo fato de que 1000 W/m² é uma irradiação somente atingida em momentos especias quanto por alguns fatores que serão mencionados mais adiante. Por este motivo as folhas de dados normalmente trazem dados de teste em outras condições mais realistas, sob a denominação de NOCT (do inglês Normal Operating Cell Temperature – Temperatura normal de operação da célula).

O fato é que dificilmente um painel fornecerá sua potencia de pico durante operação real. A figura abaixo traz o gráfico da irradiação solar em um dia bastante ensolarado, juntamente com a potência de saída de painéis de potências de 250Wp e 140Wp.

Lembrando que o que mais nos importa, a energia gerada pelos painéis, é dada pela área sob a curva da potência, fica fácil ver a influência do “tamanho dos painéis” no desempenho dos sistemas solares. Também fica nítida a importância do perfil de irradiação solar a qual o painel é submetido e isso nos leva ao próximo tópico.

A IRRADIAÇÃO SOLAR DA LOCALIDADE

Duas perguntas surgem do gráfico da Figura 2. Como calculo de fato a energia que posso gerar? Trata-se de uma dia ensolarado, como sei a energia gerada ao longo do ano?

A energia gerada pode ser calculada muito mais facilmente se o gráfico da irradiação for ligeiramente modificado. A Figura 3 mostra o gráfico diário da irradiação próximo a um gráfico equivalente, em que as curvas apresentam a mesma área (e mesma energia disponível). Entretanto, o gráfico da direita traz uma irradiação constante e igual a 1000 W/m² durante uma certa quantidade de horas (no caso 7,2 horas).

E = Horas de sol equivalentes x Potência de pico do painel x Eficiência do sistema

Tipicamente, os sistemas fotovoltaicos conectados à rede apresentam uma eficiência elétrica entre 75% e 85%. Usando como exemplo um painel de 250Wp, temos para o caso da Figura 3:

E = 7,2h x 250Wp x 80% = 1440 Wh ou 1,44 kWh

Essa quantidade de energia vai ser gerada todo dia? A resposta é não. Dias ensolarados e sem núvens ocorrem com frequências diferentes para localidades diferentes. Existem bases de dados que trazem a irradiação média por localidade, baseada em medições ao longo do ano. A Tabela 1 traz esses valores para as capitais do Brasil de acordo com a base de dados da CRESESB .

De posse destes dados, a energia gerada ao longo do ano pode ser calculada da seguinte forma:

E = Média de Horas de sol x Potência de pico do painel x Eficiência do sistema x N° de dias

A Tabela 2, traz a quantidade média mensal de energia gerada por um painél de 250Wp em diferentes capitais em kWh.

Fica claro que a localidade influencia e muito na geração. Se tomarmos por exemplo os extremos da tabela, Natal e Curitiba, temos que o mesmo sistema gera aproximadamente 50% a mais de energia em Natal!

Vale lembrar que esses valores são médios. Ao longo do ano o potencial de geração varia. A Figura 4 mostra como varia essa geração em três diferentes localidades.

FATORES DE PERDA

Uma pergunta interessante é: Quais os principais fatores que influenciam negativamente o desempenho de um sistema fotovoltaico?

O Sombreamento é um dos principais problemas pois afeta diretamente a energia disponível no local, tanto sombreamento por árvores, prédio ou qualquer outro obstáculo quanto o sombreamento ocasionado por sujeira como poeira, folhas, dejetos de aves, etc. Para avaliar o impacto de obstáculos grandes no sombreamento normalmente são utilizados softwares específicos como o SOLERGO e o PVSYST, e as perdas podem ser tais que tornem o sistema inviável em um dado local.

Outro fator importante é a Temperatura de operação das placas. Ao contrário do que se pode pensar, o calor atrapalha as placas fotovoltaicas e os fabricantes quantificam esse efeito através de um parâmetro conhecido como Coeficiente de potência. Ele indica qual o percentual da potência que se perde para cada °C a mais de temperatura no painel. Em casos extremos, as placas podem chegar a 70°C dependendo da hora e lugar, o que pode ter um impacto instantâneo de quase 30% na geração!

Um fator de impacto mais moderado diz respeito às diferenças de fabricaçãoentre os módulos. Painéis de um mesmo modelo, com mesma potência e de um mesmo fabricante podem apresentar pequenas diferenças que geram as chamadas perdas por desacoplamento, que chegam a representar até 5% a menos de geração.

Outras perdas ocorrem nos cabeamentos e no inversor, sendo bem mais discretas, dificilmente ultrapassando 2% e 3%, repectivamente.

Mas calma, existem também pontos de melhoria.

FATORES DE GANHO

Como posso melhorar o desempenho do meu sistema fotovoltaico?

A principal forma de fazer isso é utilizando os chamados rastreadores ou seguidores solares. Rastreadores solares são estruturas mecânicas que posicionam os painéis na direção do sol, para que estes recebam radiação o mais diretamente possível. Estudos dos mais variados apontam aumento na geração de até 40%. Na prática, verifica-se aumentos entre 20% e 35% dependendo da localidade e da estrutura do rastreador (número de eixos).

Adicionalmente, quaisquer medidas que contraponham os fatores de perda mencionados anteriormente contam de forma positiva. Limpeza das placas é um ponto, muito embora em algumas regiões a própria chuva dê conta do recado. Outro ponto é o resfriamento dos paineis. Neste quesito existem por exemplo estudos com paineis flutuantes para redução da temperatura de operação.