Como determinar o ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos?

Qual é o ângulo correto para a inclinação dos módulos fotovoltaicos? Esta é uma pergunta simples e ao mesmo tempo um mistério que permeia o mundo da energia solar.

Se você tem um telhado a resposta não poderia ser mais direta: o ângulo de inclinação é o mesmo do seu telhado. Se você não está satisfeito com seu telhado ou vai fazer uma instalação fotovoltaica em laje, ou em solo, então vai ter que continuar buscando a resposta. Afinal, qual é o melhor ângulo de inclinação para o módulo fotovoltaico? Como calcular?

Primeiramente, vamos ter em mente uma coisa: nós gostaríamos que a superfície frontal do painel solar pudesse ficar sempre de frente para os raios solares (ou seja, perpendicular à direção dos raios).

Obviamente, isso requer um sistema de rastreamento, pois a posição e a trajetória do Sol no céu mudam durante as horas, os dias e os meses do ano. Mas neste caso estamos falando dos sistemas fixos, nos quais devemos escolher um ângulo de inclinação fixo, que não pode ser alterado.

Vamos usar um pouco de geometria básica na figura a seguir. A situação ilustrada mostra o que ocorre no solstício de verão no hemisfério sul (dia 21/12). Neste dia, a declinação solar é máxima e o Sol descreve sua trajetória mais elevada no céu.

Em um ponto qualquer na latitude L o módulo solar precisa ser inclinado com ângulo L-23,45°. Seguindo raciocínio análogo, podemos concluir que no solstício de inverno (dia 21/06) o módulo deve ser inclinado com ângulo L+23,45°.

O ângulo 23,45° corresponde à declinação do eixo de rotação da terra (eixo Norte-Sul) em relação ao eixo do movimento de translação em torno do Sol. Essa declinação é responsável pelas estações do ano e também tem como consequência a variação da altura da trajetória solar em diferentes dias do ano.

Em resumo, para uma dada latitude L o melhor ângulo de inclinação no solstício de verão (quando a altura solar é máxima) seria L-23,45°. No solstício de inverno (quando a altura solar é mínima) o ângulo deveria ser L+23,45°. Para privilegiar a geração de energia em todo o verão (e não somente no solstício) o ângulo de inclinação recomendado é L-15°, ao passo que no inverno é L+15°.

O número 15°, somado ou subtraído do ângulo de latitude L, é recomendado por muitos autores por ser aproximadamente o valor médio entre os ângulos de declinação Solar mínimo e máximo, entre os equinócios e os solstícios. Nos sistemas fixos, para não privilegiar qualquer dia, mês ou estação do ano, a regra geral é inclinar os módulos com o próprio ângulo de latitude L.

Essa regra, entretanto, não substitui a análise da geração realizada por meio de softwares como o PVSyst com base em dados solarimétricos históricos. Há fatores climáticos, e não somente geométricos, que afetam a escolha correta do ângulo de inclinação nos sistemas fotovoltaicos.

As figuras a seguir mostram ângulos de inclinação sugeridos pelo software PVSyst na cidade de Campinas-SP, com latitude Sul de aproximadamente 23°. As seguintes situações foram consideradas: geração de energia constante ao longo do ano (inclinação = 23°), maior geração no verão (inclinação = 23°-15°) e maior geração no inverno (inclinação = 23°+15°).

A regra geral sempre é orientar os módulos para o Norte (no hemisfério Sul) e inclinar com o ângulo da latitude, mas a regra geral nem sempre se aplica e gráficos como o mostrado abaixo podem ser obtidos com uma análise de otimização avançada no PVSyst para o local em que se pretende instalar a usina solar.

Os ângulos ideais de instalação de um módulo fotovoltaico podem variar em função do clima e do relevo do local. O gráfico a seguir, elaborado com a ferramenta de otimização avançada do PVSyst, relaciona inclinação, azimute e produção de energia. A terceira dimensão do gráfico é representada pelo mapa de cores.

O gráfico mostra que o melhor modo de instalação de um módulo fotovoltaico nesta localidade é com azimute de 7,5° (Leste) e inclinação de 23,8°. O ângulo de inclinação sugerido é muito próximo do ângulo de latitude.

Um fato interessante neste gráfico é que a orientação azimutal sugerida não é zero, ou seja, os painéis solares não deveriam ser voltados exatamente para o Norte geográfico em Campinas.

Conclusão

Uma boa regra a ser seguida é inclinar os módulos com o mesmo ângulo de latitude do local para garantir o melhor desempenho do sistema fotovoltaico, com uma produção de energia aproximadamente constante ao longo do ano, sem privilegiar nenhuma época do ano em particular.

Ou seja, se a sua cidade tem um ângulo de latitude de 23°, uma boa ideia é inclinar o módulo fotovoltaico com este mesmo ângulo em relação ao plano horizontal. Não se preocupe com precisão: alguns graus a mais ou a menos não vão fazer a diferença. Nem sempre é possível inclinar os módulos com um ângulo exato desejado, dependo da solução de inclinação que você vai utilizar.

Se você deseja produzir mais energia no verão, uma boa ideia é subtrair 15 graus da sua latitude. Por exemplo, em Campinas (latitude = 23°) seria recomendável inclinar os módulos a 8°. Se você deseja produzir mais energia no inverno, uma opção seria somar 15 graus da sua latitude (ou seja, inclinação de 38° em Campinas).

Mas a regra nem sempre é válida, pois o ângulo de inclinação correto para os módulos solares depende de fatores climáticos e geográficos. Além disso, a regra não vale para módulos que não estejam orientados para o Norte geográfico.

A regra geral também não é válida para usinas solares com módulos dispostos em fileiras muito próximas, pois neste caso o fator de sombreamento mútuo das fileiras deve ser considerado.

O melhor desempenho da usina solar não depende apenas do ângulo de inclinação dos módulos, mas também do espaçamento existente entre eles. A despeito de qualquer regra seguida, o correto ângulo de instalação dos módulo fotovoltaicos de um sistema fotovoltaico só pode ser determinado com exatidão a partir de uma simulação avançada em softwares como o PVSyst.