Compatibilidade entre módulos fotovoltaicos bifaciais e otimizadores

Com o surgimento dos módulos fotovoltaicos bifaciais no mercado, muitos usuários questionam a sua compatibilidade com os inversores, microinversores e otimizadores de potência.

Em primeiro lugar, o que é um otimizador de potência? Se você chegou até este artigo e ainda não tem familiaridade com o assunto, recomendo a leitura de dois artigos:

• PVSyst: sistemas fotovoltaicos com otimizadores de potência

• MLPE e otimizadores de potência para módulos fotovoltaicos.

Otimizador de potência

O otimizador de potência é um pequeno aparelho ligado à saída do módulo fotovoltaico. Por suas dimensões, e também pela praticidade, o otimizador é fisicamente alojado atrás do módulo, preso à estrutura de fixação ou à moldura do próprio módulo.

A função do otimizador, como seu próprio nome diz, é otimizar a geração de energia do módulo fotovoltaico. Isso é feito através da individualização do MPPT (maximum power point tracking) de cada um dos módulos que compõem o sistema fotovoltaico.

Assim, os módulos são desacoplados e tornam o sistema fotovoltaico praticamente imune a sombras. Ainda há outras vantagens. Mesmo em situações sem sombreamento os otimizadores reduzem o tão falado “mismatch” de potência, que é a discrepância entre as potências dos módulos ligados em série.

Tipicamente o ganho obtido com a redução do mismatch é em torno de 2%. Parece pouco, mas ao longo da vida útil do sistema fotovoltaico isso pode representar uma quantidade grande de energia.

Além da questão das sombras e do mismatch de potência, ainda há outra vantagem no uso de otimizadores.

Com eles é possível formar strings de módulos instalados em posições diferentes, sujeitos a diferentes irradiações solares e condições operacionais bastante distintas. Isso seria impossível com inversores tradicionais.

Em telhados complexos ou instalações urbanas sujeitas a muitos sombreamentos causados por objetos próximos, o otimizador é uma boa escolha para o projeto de energia solar fotovoltaica.

E os módulos fotovoltaicos bifaciais, o que podemos dizer sobre eles? Como o próprio nome também diz, são módulos que possuem dois lados.

Os módulos fotovoltaicos bifaciais captam luz pelas superfícies frontal e traseira, podendo apresentar potência e geração superiores aos dos módulos convencionais, dependendo da quantidade de luz refletida no local.

Os painéis solares bifaciais são mais úteis nas usinas solares, em que há um distanciamento do módulo em relação ao chão, permitindo que a superfície traseira faça a captação de uma grande quantidade de luz refletida pelo solo.

Nos telhados os módulos bifaciais podem ter algum aumento de desempenho nas instalações com telhas metálicas ou, principalmente, nas estruturas inclinadas sobre laje.

Nas tabelas a seguir encontramos as características elétricas de módulos bifaciais da fabricante Risen Energy, com potências de pico nominais de 435 W a 455 W. Todo módulo fotovoltaico é especificado nas condições STC (25 oC e 1000 W/m2).

Os painéis solares tradicionais sempre terão desempenho igual ou inferior àquele mostrado na tabela de STC da folha de dados.

Os módulos fotovoltaicos bifaciais, por causa da captação adicional de luz refletida pelo solo, podem ter um “ganho de bifacialidade”, segundo o qual a potência, a corrente e a tensão de operação serão maiores que aquelas especificadas na tabela de características STC.

Isso significa que um módulo de potência nominal de 450 W poderá, na prática, operar como um módulo de 585 W se considerarmos um ganho de bifacialidade de 30%, conforme a tabela a seguir demonstra.

Tabelas de características elétricas dos módulos RSM144-7-435BMDG-455BMDG da Risen

A questão da compatibilidade

Com o ganho da bifacialidade as características elétricas dos módulos fotovoltaicos são aumentadas, como comentamos logo acima. Isso requer um cuidado especial na especificação dos demais componentes dos sistemas fotovoltaicos, incluindo os otimizadores de potência.

A SolarEdge, principal fabricante de otimizadores de potência, emitiu a nota técnica “Application Note – Compatibility of bi-facial modules with SolarEdge power optimizers” em janeiro de 2020, onde descreve o método correto de seleção de otimizadores de potência para uso com módulos bifaciais.

A correta seleção do otimizador depende das características elétricas de um determinado módulo. Ao projetar um sistema solar com módulos bi-faciais, é um desafio estimar o ganho de geração adicionado pela parte traseira dos módulos, especialmente devido à natureza de não uniformidade da irradiância refletida pelo solo.

O ganho da luz refletida é altamente influenciado por várias condições, como localização geográfica, temperatura, inclinação dos módulos, área da superfície atrás dos módulos e assim por diante.

A fim de fornecer flexibilidade de design e suporte a uma gama de módulos, os otimizadores de energia SolarEdge incluem um recurso que é capaz de lidar com a ampla faixa de corrente e potência esperada por um módulo bifacial, mesmo em casos extremos como os mencionados acima.

Ao se usar módulos bifaciais, a SolarEdge permite selecionar otimizadores que suportam a potência, a corrente e a tensão máximas dos módulos, considerando os valores elétricos frontais (em STC) informados na folha de dados dos módulos.

É importante observar que a garantia do otimizador pode ser anulada caso a potência, a tensão ou a corrente do módulo selecionado em STC (sem considerar o ganho de bifacialidade) esteja acima das especificações dos otimizadores selecionados.

Ao projetar um sistema (manualmente ou por meio de alguma ferramenta de dimensionamento) é importante sempre compatibilizar as características do otimizador com as características de saída do módulo fotovoltaico em STC declaradas na folha de dados do módulo, sem considerar o ganho de potência originado pela natureza bifacial do módulo.

Em outras palavras, você deve projetar o sistema como sempre projetou, mesmo que o módulo na prática possa exceder os valores de potência, corrente ou tensão nominais devido à captação de luz refletida.

Os otimizadores estarão preparados para lidar com o ganho da bifacialidade desde que a escolha do otimizador seja feita de acordo com esta diretriz básica.

Exemplo de dimensionamento

Especificações do módulo bifacial

• Potência em STC (com 0% de ganho bifacial): 400 W;
• Potência em STC (com 30% de bifacial): 520 W;
• Tensão de circuito aberto em STC: 49,7 V;
• Corrente de curto-circuito em STC: 10,22A;
• Coeficiente térmico de corrente: 0,03 [%/°C];
• Coeficiente térmico de tensão VOC: -0,27 [%/°C].

Otimizador a ser selecionado (considerando dois módulos em série)

• Modelo (família): P850-4xxxxxx, número de série SJ5019A-xxxxxxxx;
• Potência máxima = 850 W (maior do que 2 x 400 W = 800 W);
• Máxima tensão de entrada = 125 VCC (maior do que 2 x 49,7 V = 99,4 V);
• Máxima corrente de entrada = 12,5 ACC (maior do que 10,22 A).

Inversor selecionado

• Potência de saída (CA): 25 kW.

Considerações do projeto

• Máxima potência da string: 15,75 kW (para uma rede de 230 V a 400V);
• Máxima potência de entrada (CC) do inversor em STC (sobredimensionamento de 135%): 33,75 kW;
• Máximo número de módulos na string: 15,75 kW / 400 W = 39 (20 otimizadores de potência);
• Máximo número de módulos conectados ao inversor: 33,750 kW / 400 W = 84 (42 otimizadores de potência).

Observação: O exemplo acima foi retirado do documento “Application Note – Compatibility of bi-facial modules with SolarEdge power optimizers”.

Consulte seu fornecedor local para verificar a disponibilidade no Brasil dos modelos mencionados no exemplo e para verificar a compatibilidade de outros modelos.

Conclusão

O ganho de potência proporcionado pelos módulos bifaciais pode chegar tipicamente a 30% sobre o valor da potência nominal do módulo.

Ao dimensionar um projeto de módulos bifaciais com otimizadores de potência é importante inicialmente garantir o casamento das características do otimizador com as características do módulo fotovoltaico em STC informadas no catálogo (sem considerar o ganho da bifacialidade).

Essa regra básica garante a integridade do projeto e evita a perda de garantia do otimizador. Em seguida à regra básica, como mostrado no estudo de caso exemplificado, o otimizador é dimensionado com uma leve folga de potência.

O mesmo ocorre com a potência total do inversor, que neste exemplo foi dimensionada 35% acima da potência nominal dos módulos em STC.