Paneles bifaciales con cambios de albedo y temperatura ambiente.

Artículo escrito por varios autores*

El importante aumento de las instalaciones de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica se produjo tras la publicación del Resolución Normativa N° 482/2012 da ANEEL (Agencia Nacional de Energía Eléctrica), que definió lineamientos para la conexión y uso de fuentes fotovoltaicas conectadas a redes convencionales.

Algunos factores pueden contribuir a aumentar la eficiencia de un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica. Entre ellos se encuentran la inclinación de los módulos, la orientación y el uso de tecnología de módulos bifaciales, que producen energía al recoger la radiación solar a través de las caras trasera y frontal.

La llegada de la tecnología de módulos bifaciales contribuye significativamente a reducir el área utilizada para la instalación de plantas en el suelo, ya que aprovecha la luz reflejada (albedo) para generar también energía.

Para la necesidad de realizar simulaciones computacionales de manera confiable, utilizando modelos matemáticos consolidados y validados, se puede utilizar el software SistemaPV. En este estudio, se llevaron a cabo simulaciones en el software PVSyst para investigar el cambio en la energía generada por el sistema fotovoltaico con el cambio en el albedo y la variación en la temperatura ambiente.

Se encontró que el impacto del albedo en las simulaciones realizadas aportó ganancias. Para consolidar las simulaciones con situaciones reales, es recomendable añadir el factor climático estacional, durante largos periodos de observación y recogida de datos.

Módulos bifaciales

Los módulos fotovoltaicos bifaciales tienen la capacidad de recolectar energía solar en ambos lados, ya que pueden absorber luz solar adicional desde la superficie posterior, lo cual es una ventaja significativa en comparación con el módulo fotovoltaico tradicional. La energía generada en la parte trasera del módulo proporciona el llamado ganancia de potencia en la parte trasera (ganancia de potencia con la parte trasera).

La ganancia real obtenida en el módulo bifacial depende de varios parámetros, como el tipo de instalación y el coeficiente de reflexión de la superficie, que conocemos como albedo. Con la radiación solar recogida por la superficie trasera, habrá más generación de energía eléctrica, como se muestra en la Figura 1.

Los módulos bifaciales pueden producir hasta un 30% más de energía en comparación con los módulos convencionales (Yusufoglu et al, 2015), con la misma potencia máxima nominal (Wp). En lugares con poca luz, son capaces de producir un 15% más de energía que los módulos convencionales (Yusufoglu et al, 2014).

El efecto de la incidencia de la radiación solar en la cara posterior sobre la producción de energía eléctrica es definido por el fabricante del módulo a través de un factor denominado “ganancia de energía bifacial”, que depende del posicionamiento de los módulos en la instalación (Grafulha, 2016) .

El uso de módulos fotovoltaicos bifaciales mejora la generación de energía en relación al área ocupada por los módulos, ya que utiliza la luz reflejada para generar más energía por área, según Aguiar Coelho (2020).

Las ganancias obtenidas en los módulos por radiación en la zona trasera pueden verse impactadas por el método de instalación, como la altura entre el suelo y los módulos y la distancia entre filas, como se muestra en la Figura 2.

¿Qué es el albedo?

En su definición, el albedo es la relación entre el flujo de Radiación solar reflejada e incidente., y constituye un parámetro importante en el estudio del cambio climático, la desertificación, los incendios y los impactos ambientales (Silva et al., 2005)

El albedo varía principalmente dependiendo de las características físico-químicas de la superficie, color, ángulo cenital solar, entre otras cosas. Por tanto, para cada tipo de cobertura del suelo existe una respuesta espectral diferente, es decir, el albedo del suelo desnudo, por ejemplo, es diferente al del mismo suelo con cobertura vegetal.

Los módulos bifaciales utilizan células bifaciales encapsuladas con materiales transparentes en ambos lados para una máxima absorción de luz. Esto permite un uso eficaz de la luz reflejada desde la superficie del suelo. Además, también ayuda a reducir la temperatura interna del módulo, mejorando su rendimiento (Waaree Energies Ltd., 2017).

Cuanto más oscura es la superficie, menor es la reflectividad de los rayos solares incidentes, lo que se traduce en una mayor absorción de luz y una menor reflexión en el entorno y en el interior de la planta fotovoltaica. Dependiendo del material que constituya la superficie o del tipo de paisaje, existe un valor de albedo predefinido.

El software PVSyst tiene valores de albedo de referencia, como se muestra en la Tabla I. Los autores VELOSO y ROSA (2013) encontraron valores en la caatinga de 20 a 30%, correspondiendo los valores más altos a suelos sin vegetación. Según los autores antes mencionados, estos valores corresponden a los observados por OKE (1987), quien encontró un albedo superficial del 40% en regiones desérticas.

Para una mayor precisión en los valores de albedo, es necesario realizar mediciones anuales en las ubicaciones de cada proyecto solar.

El aumento de temperatura provocado por la cobertura del suelo puede incidir en las pérdidas de generación. Es necesario elegir una cobertura de suelo que favorezca la reducción de pérdidas. 

Simulaciones de sistemas bifaciales con PVSyst

Según (RAMPINELLI; KRENZINGER, 2009), a diferencia de las dificultades del seguimiento experimental, que dependen de equipos y mediciones, el análisis de un sistema fotovoltaico se puede realizar mediante software. El software permite la simulación de sistemas que aún no existen y permite cambiar parámetros y topologías de forma simplificada. 

Para que una simulación por computadora tenga resultados confiables es esencial que los modelos matemáticos estén consolidados y validados, por lo que se eligió el software PVSYST para las simulaciones de este trabajo.

En este estudio, se consideraron dos simulaciones en PVSYST, cuyo objetivo era mostrar posibles ganancias en la generación de energía eléctrica derivadas de variaciones en el albedo y la temperatura ambiente.

En la primera simulación utilizamos un sistema de 236 kWp, en la ubicación: Latitud: -22,82 grados S y Longitud -47,07 grados W, con una altitud de 582 m. La instalación se realizó en una estructura fija, orientada al norte geográfico, con los módulos fotovoltaicos inclinados 20 grados. 

El sistema se diseñó con 468 módulos fotovoltaicos de 505 Wp, modelo TSM-DEG18MC-20-(II)-505-Bifacial, del fabricante Trina Solar, conteniendo 5 filas idénticas y una separación entre filas (paso) de 7 metros. 

Se utilizó un inversor de 1 kWac modelo SUN175-2000KTL-H175, del fabricante Huawei. Se consideró un coeficiente de reflexión (albedo) del 15% y se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla II. 

En la segunda simulación se consideraron las mismas características del sistema: potencia máxima del sistema, ubicación, estructura, instalaciones y equipos. En este caso, sin embargo, se consideró un coeficiente de albedo del 30%. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla III.

En la tercera simulación nuevamente se consideraron las mismas condiciones, pero con un aumento de la temperatura ambiente de 10º C (Figura 3). Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla IV.

En la cuarta simulación consideramos la misma potencia pico del sistema, ubicación, estructura, instalaciones y el mismo equipo, con el mismo albedo que en la segunda simulación. La diferencia fue el aumento de la temperatura ambiente en 10º C. Los resultados se muestran en la Tabla V.

Conclusiones

El impacto del albedo de la superficie terrestre se comprobó mediante simulaciones realizadas con el software PVSyst.

Para validar las simulaciones, lo ideal sería complementar el estudio con mediciones en entornos reales, que consideren una ganancia de albedo y variaciones en la temperatura ambiente que proporcionen una indicación real de cómo las ganancias de albedo varían y posiblemente se deterioran con el tiempo (ver Figura 4). .

En simulaciones realizadas con albedos del 15% y 30%, las ganancias de energía eléctrica generada por año fueron del orden de aproximadamente el 1,77%.

En simulaciones realizadas con albedos del 15% y 30%, pero con un aumento de 10 grados centígrados respecto a casos anteriores, a temperatura ambiente, la ganancia en la generación de energía eléctrica generada anualmente fue del orden de aproximadamente 1,73% (ver Tabla VI).

Las pérdidas de energía eléctrica por el aumento de la temperatura ambiente tienen un impacto significativo, independientemente del albedo, como se puede observar en la Tabla VII.

Por lo tanto, de acuerdo con los resultados presentados, es muy importante establecer criterios en la elección de los materiales utilizados para el tratamiento del suelo con el objetivo de aumentar el albedo, ya que hay casos en los que la elección de estos materiales provoca un aumento en la temperatura circundante. los módulos fotovoltaicos, generando impactos negativos en la generación de energía, como se muestra en la Tabla VIII.

Los resultados de la simulación muestran que existen impactos del albedo y la temperatura en la energía generada, como se esperaba. Los resultados deben validarse mediante mediciones de campo, para verificar la precisión de las simulaciones realizadas por PVSyst.

En cualquier caso, se llegó a una conclusión importante: la búsqueda del aumento del albedo debe ir acompañada de la observación del aumento de la temperatura ambiente de la planta fotovoltaica. Por eso, es importante buscar formas de tratar el suelo sin elevar demasiado la temperatura.

Sin duda, este tema debería ser objeto de estudios más profundos, especialmente con plantas experimentales y largos períodos de observación y recopilación de datos.

También sería necesario realizar trabajos adicionales para comprender el proceso de envejecimiento de diferentes materiales y el nivel de mantenimiento que esto implica. Por ejemplo, se puede estudiar cómo la luz reflejada desde el suelo afecta la durabilidad de los módulos bifaciales con hoja posterior transparente, en comparación con los módulos equipados con cristal trasero.

Referencias

• [1] Aguiar Coelho, G.; Miotto, JL Análisis comparativo de la reducción del área de generación de energía fotovoltaica proporcionada por módulos bifaciales. Revista Tecnológica, v. 29, núm. 1, pág. 242–258, 24 de enero. 2020;
• [2] Cassa, CVL et al. Análisis de la expansión de la energía solar fotovoltaica en Brasil. [sl:sn];
• [3] Moreira Júnior, O.; Souza, CCDE. Utilización fotovoltaica, análisis comparativo entre Brasil y Alemania. Interações (Campo Grande), v. 21, núm. 2, pág. 379–387, 2020;
• [4] Rampinelli, GA; Krenzinger, A. Descripción de un programa informático para la simulación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red de distribución eléctrica. [sl:sn];
• [5] Valpecovski Urbanetz, I. et al. Panorama actual y escenario 2025 de la energía solar fotovoltaica en Brasil. [sl:sn];
• [6] Grafulha, MF, Zanesco, I. Comparación de un sistema fotovoltaico con módulos bifaciales y convencionales en un condominio residencial. PUCRS. Acta de la XXXIX Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 4, págs. 04.145-04.155, 2016;
• [7] Yusufoglu, UA; Pletzer, TM; Koduvelikulathu, LJ; Comparotto, C.; Kopeček, R.; Kurz, H. (2015). Análisis del desempeño anual de módulos bifaciales y métodos de optimización;
• [8] OKE, TR Climas de capa límite. Londres: Routledge, 1987. 435p;
• [9] PVSYST, Software fotovoltaico (2021). Valores de Albedo;
• [10] Silva, BB; Lopes, gerente general; Azevedo, PV de. Determinación del albedo de áreas irrigadas a partir de imágenes LANDSAT5 – TM. RevistaBrasileira de Agrometeorologia, v.13, p.201-211, 2005.

Autores

• Bruno Souza Rocha, brunorocha_6@hotmail.com
• Julio César Bento, juliobento9131@gmail.com
• Lindomar Santana de Melo, lsmelo@chesf.gov.br
• Lucas Valosio Rebelo, lucasrebelo@hotmail.com
• Víctor Soares, victorklg@gmail.com