Dezembro 02, 2020

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Avaliação do desempenho das telhas fotovoltaicas de filme CIGS

A tecnologia de filmes finos não é novidade no mercado solar brasileiro. Porém, ela ainda é pouco conhecida e foi muito pouco explorada. Uma das aplicações interessantes para os filmes finos é a fabricação de telhas fotovoltaicas. Um exemplo disso é a Hantile, telha fotovoltaica fabricada com a tecnologia CIGS (cobre, índio, gálio e selênio) e distribuída no Brasil pela L8 Energy.

As telhas de filme CIGS têm vantagens sobre outros tipos de telhas introduzidas no mercado, que são baseadas em células cristalinas convencionais. A tecnologia de filme permite melhor aproveitamento da área de telha, proporciona imunidade contra sombras, apresenta melhor estética e ainda tem a vantagem do reduzido coeficiente térmico dos filmes finos em relação ao silício cristalino, entre outras vantagens que vamos citar abaixo. 

O uso de telhas fotovoltaicas com filme CIGS é uma evolução que se apresenta como uma melhor solução para algumas aplicações do que os módulos tradicionais de silício. Como principais vantagens do filme CIGS podemos citar:

  • Sua aparência é homogênea e esteticamente atraente.
  • É muito leve e fácil de instalar.
  • É flexível: adequa-se a superfícies curvas, permitindo a geração de energia solar em superfícies não adequadas aos tradicionais painéis rígidos de silício.
  • Altas temperaturas e sombreamento de árvores e outras obstruções têm menos impacto sobre o desempenho do filme fino.
  • Não possui grande perda na produção de energia devido ao ângulo de incidência dos raios solares.
  • As telhas fabricadas com filmes são resistentes a desastres naturais (ventos, chuvas de granizo e choques por detritos).
  • Não sofrem com as microfissuras, um problema comum que afeta as células cristalinas.

Apesar de seu maior custo e sua eficiência reduzida, os módulos fotovoltaicos e as telhas de filme CIGS estão ganhando mercado por sua versatilidade e por seu desempenho superior em algumas situações. Módulos de silício cristalino não apresentam bom desempenho em locais com muita irradiação difusa (onde não há incidência direta de luz), em fachadas de prédios e em telhados muito afetados por sombras.

Além disso, o custo relativamente mais elevado dos dispositivos CIGS pode ser compensado pelo uso de telhas e módulos integrados à arquitetura, dispensando o uso e coberturas e elementos arquiteturais convencionais. 

Por ser um produto ainda novo no Brasil, há muitas dúvidas sobre o desempenho das telhas fotovoltaicas de filme CIGS. Até que ponto a eficiência é realmente inferior à de um módulo cristalino? Como é a geração de energia de um telhado coberto de filme CIGS em comparação a um telhado com módulos convencionais? E as vantagens que a telha CIGS traz, como o baixo impacto a altas temperaturas e a questão do sombreamento? Em geral, como é o desempenho de uma telha CIGS?

Para responder muitos desses questionamentos construímos dois carports (coberturas de estacionamento) com as mesmas dimensões, cada qual com duas vagas para veículos. Um deles foi coberto com módulos tradicionais de silício cristalino, enquanto o outro recebeu telhas fotovoltaicas de filme CIGS.

O carport 1 denominaremos como sendo aquele com os módulos tradicionais. Nele foram utilizados 15 módulos monocristalinos de 375 kWp do fabricante QCELLS e um inversor UNO DM 5.0 do fabricante ABB. A potência total é de 5,625 kWp. O carport 2 é aquele que recebeu as telhas solares CIGS. Foram utilizadas 98 telhas solares de 30 Wp cada e um inversor UNO DM 3.3 do fabricante ABB. A potência total deste é de 2,94 kWp. 

A priori não há nenhuma interferência em relação à potência de corte dos inversores na produção de energia. Nenhum dos dois conjuntos de módulos ou telhas atinge o limite de potência do inversor. As duas coberturas estão voltadas para o noroeste, com inclinação de 10 graus.

O que podemos observar inicialmente é que o filme fino possui potência por área reduzida. Esse é um reflexo da menor eficiência, ou seja, é preciso muito mais área para ter a mesma potência com filme CIGS do que com dispositivos cristalinos. Ao mesmo tempo, podemos ressaltar uma das vantagens do filme fino: a estética.

Sem dúvida alguma a cobertura de telhas é muito bonita, além de proporcionar perfeita estanqueidade à água da chuva. Contudo, o que mais nos interessa nesse estudo é a produção de energia. Nesse ponto queremos avaliar o desempenho de um telhado fotovoltaico com filme CIGS em condições reais de operação, sobretudo com relação à influência do ângulo de incidência dos raios solares e a questão do sombreamento. 

Operação sob radiação difusa e sombreamento

Conseguimos ver bem a questão do sombreamento quando verificamos a produção de energia nos dias nublados ou em locais com muitas sombras. Em sistemas de mesma tecnologia e com potências diferentes esperamos que o sombreamento seja sentido proporcionalmente nos dois.

Os resultados obtidos revelam, entretanto, que os módulos cristalinos sofrem impacto muito maior quando não há incidência de irradiação solar direta. 

Nos gráficos abaixo observamos que, apesar de ter quase o dobro da potência nominal, nas condições do estudo os módulos cristalinos apresentaram praticamente o mesmo desempenho das telhas CIGS, de potência muito menor.

Figura 6 Gráficos de potência no dia 12042020 com forte nebulosidade durante todo o dia pouca irradiação direta e muita irradiação difusa. Linha roxa sistema de 5625 kWp com módulos cristalinos. Linha rosa sistema dFigura 1: Gráficos de potência no dia 12/04/2020 com forte nebulosidade durante todo o dia (pouca irradiação direta e muita irradiação difusa). Linha roxa: sistema de 5,625 kWp com módulos cristalinos. Linha rosa: sistema de 2,94 kWp com telhas CIGS

Figura 7 Gráficos de potência no dia 17 07 2020 com forte nebulosidade na parte da tarde. Linha roxa sistema de 5625 kWp com módulos cristalinos. Linha rosa sistema de 294 kWp com telhas CIGSFigura 2: Gráficos de potência no dia 17/07/2020 com forte nebulosidade na parte da tarde. Linha roxa: sistema de 5,625 kWp com módulos cristalinos. Linha rosa: sistema de 2,94 kWp com telhas CIGS

Nos gráficos apresentados é possível observar que as telhas de filmes CIGS mantêm seu desempenho em qualquer tipo de condição de nebulosidade ou horário do dia. Houve redução significativa da incidência de irradiação solar devido a fortes nebulosidades nos dias 12/04 e 17/07.

As telhas CIGS tiveram sua potência reduzida proporcionalmente à intensidade da luz solar, enquanto os módulos cristalinos sofreram redução brutal e tiveram sua potência de operação praticamente igualada à potência das telhas. 

Conclusões

Este estudo, apesar de não ter cunho científico, demonstrou resultados muito interessantes sobre o comportamento das telhas fotovoltaicas de filme CIGS. 

A principal observação deste estudo é que um conjunto de telhas CIGS de 2,94 kWp pode gerar tanta energia quanto um conjunto de módulos cristalinos de 5,625 kWp em determinadas condições. Ter um sistema fotovoltaico cristalino de alta potência nem sempre é garantia de ótimo desempenho.

Telhas fotovoltaicas de filme CIGS, apesar de sua reduzida eficiência (que se traduz em menor potência por área) podem apresentar elevada geração ao longo do tempo. Isso é mais verdade em telhados sujeitos sombras, fachadas que não recebem luz direta ou sistemas instalados em localidades com grande nebulosidade ao longo do ano. 

Não podemos esquecer que a temperatura também é um ponto que deve ser levado em conta na produção de energia, o que não foi avaliado neste estudo. É sabido que os módulos de filmes finos apresentam melhor desempenho em altas temperaturas em relação aos módulos cristalinos. Isso pode explicar parcialmente os desempenhos superiores das telhas fotovoltaicas observados nos gráficos apresentados, especialmente no período da tarde. 

Nosso intuito neste estudo foi mostrar que existem vantagens na utilização dos filmes finos e que essas vantagens são verdadeiras. Embora tenham potência e eficiência nominais reduzidas, seu desempenho real pode surpreender.

Os módulos fotovoltaicos, assim como as telhas, são testados e especificados em condições laboratoriais que não refletem a infinidade de condições operacionais reais de temperatura, irradiação solar e ângulo de incidência dos raios solares. 

Não podemos afirmar, contudo, que as vantagens das telhas CIGS sejam suficientes para proporcionar superioridade no retorno financeiro quando comparamos as tecnologias de filmes finos e de silício cristalino.

O que temos que ter em mente é que o filme fino traz vantagens enormes em alguns tipos de sistemas cuja utilização dos módulos tradicionais se mostra inviável, como é o caso das telhas fotovoltaicas.

O filme fino não veio para substituir o módulo cristalino de silício, mas para ser uma opção a mais para o mercado, provando-se atraente para muitas aplicações em que os módulos cristalinos podem não ser a melhor escolha dos pontos de vista estético e arquitetônico.



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Última modificação em Segunda, 05 Outubro 2020 14:41
Francisco Carlos Vendramel

Graduação em engenharia elétrica ênfase em eletrotécnica no CEFET-PR (Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná). Gerente de Engenharia da L8 Energy

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