A determinação do ângulo de inclinação para módulos fotovoltaicos instalados em telhados com estruturas triangulares ou nas usinas de solo não é uma tarefa tão simples como no caso dos módulos instalados em uma única superfície plana. É sobre isso que vamos falar neste artigo.

Sabemos que para cada localidade existe um ângulo de inclinação ótimo para os módulos fotovoltaicos, que proporciona o melhor desempenho na geração de energia ao longo do ano.

Quando não existe qualquer preocupação com sombreamento, a determinação do melhor ângulo de inclinação é um problema relativamente simples, que pode ser resolvido por uma análise geométrica das posições da Terra e do Sol, que resulta na famosa recomendação de inclinação próxima à latitude do local de instalação.

Entretanto, quando os módulos são instalados em fileiras, como nas instalações em laje ou nas usinas de solo, o fato de inclinar os módulos pode produzir sombras nos módulos traseiros (Figura 2).

Dessa forma, o ângulo ótimo de inclinação para uma localidade pode não ser o ângulo ótimo para um determinado projeto. Em usinas de solo e em telhados horizontais (ou lajes) temos então o problema do sombreamento que as próprias fileiras de módulos causam entre si. A captação máxima de luz agora não está relacionada somente com a inclinação e a orientação dos módulos, mas também com o espaçamento entre as fileiras e suas características construtivas.

Como determinar o ângulo de inclinação e a distância entre as fileiras

A resposta sobre a melhor inclinação e a distância adequada entre as fileiras será diferente para cada localização e para cada projeto específico, o que impossibilita que os fabricantes de estruturas apresentem uma tabela de inclinações e distâncias padronizadas – ou mesmo uma fórmula simples que permita resolver este problema de forma direta.

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Como determinar o ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos?

Nas usinas de solo a distância entre as fileiras deve ser determinada prioritariamente em função da necessidade de circulação. Espaçamentos mínimos em torno de 3 metros são necessários para permitir a circulação de máquinas para a limpeza de módulos e para a supressão da vegetação.

Esse espaçamento é necessário também para evitar que as fileiras causem sombras umas nas outras. Uma vez determinado o espaçamento adequado, deve-se proceder à determinação do ângulo de inclinação, como veremos a seguir. Nos sistemas fotovoltaicos montados sobre estruturas triangulares (em lajes ou telhados) a determinação do espaçamento não é tão óbvia. A escolha natural seria um espaçamento grande, que evitasse a ocorrência de sombras.

Entretanto, em lajes planas (ou telhados metálicos com pouca inclinação), a área disponível é limitada. Um grande espaçamento entre fileiras não é desejável em função da limitação da quantidade de painéis na área disponível. É normal encontrar estruturas triangulares com espaçamentos de 1 metro ou menos do que isso.

E aqui temos novamente um problema: com um espaçamento pequeno, podemos inclinar os módulos com qualquer ângulo desejado? A maneira mais prática de quantificar o sombreamento entre as fileiras e decidir o espaçamento e sua inclinação é através de estudos em softwares específicos, como o PVSyst e o SOLergo.

Neste artigo, abordaremos o uso do software PVSyst no apoio à decisão sobre a distância e a inclinação dos módulos fotovoltaicos.

Determinação do ângulo de inclinação com o PVsyst

Como não existe uma fórmula simples ou uma tabela padronizada para a determinação da inclinação e da distância entre fileiras, a melhor opção do projetista fotovoltaico nesses casos é recorrer a uma ferramenta de projeto.

Ferramenta Orientação

A Figura 3 mostra o botão de acesso à ferramenta “Orientação” do PVSyst. Nesta ferramenta temos diversas construções possíveis de módulos. Vamos utilizar a opção “Sheds ilimitados”, mostrada na Figura 4.

A determinação de melhor inclinação e da distância das fileiras é um processo iterativo. A busca do melhor resultado requer um compromisso entre essas duas variáveis (inclinação e distância). Normalmente, a distância é a primeira variável que o projetista escolhe em função da distância mais conveniente para cada projeto (usina ou laje), conforme comentamos anteriormente.

Em seguida, utilizando-se a ferramenta de projeto do PVSyst, determina-se o melhor ângulo de inclinação para aquela condição. Na opção “Sheds ilimitados” da ferramenta “Orientação” primeiramente devemos preencher os dados construtivos das fileiras: número de sheds (mesas ou fileiras), distância entre os sheds, altura dos sheds (que depende da dimensão do módulos fotovoltaico e do número de fileiras dentro da mesma mesa), altura da banda inativa inferior e altura da banda inativa superior (normalmente zero).

Para levar em conta os efeitos elétricos do sombreamento, isto é, a ativação de diodos de bypass causada pelo sombreamento mútuo, devemos marcar a caixa “Use electrical effect in simul”. O “Nb. modules in width” representa quantos módulos “de altura” temos na mesa. Por exemplo: em uma fileira ou mesa com 40 módulos organizados em duas linhas de 20, esse número é 2.

Em seguida, depois dos dados preenchidos, devemos entrar na visualização gráfica clicando em “Ver otimização”, conforme mostra a Figura 5. O gráfico da Figura 5 é muito importante no processo de escolha do ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico. Este gráfico mostra o ganho de captação de energia solar do módulo inclinado em relação à captação na posição horizontal.

A escala numérica no eixo Y (vertical) mostra o ganho (ou a perda) percentual de energia em relação à instalação dos módulos na horizontal. O valor “1.00” no gráfico corresponde à posição horizontal. Um valor como “1.10” (veja a Figura 5) mostra que temos 10% a mais de captação de luz em relação à situação de instalação do módulo na horizontal.

Nós observamos três curvas na Figura 5: verde, preta e laranja. A primeira curva (verde) representa a quantidade de energia luminosa que os módulos receberiam caso estivessem infinitamente separados, isto é, sem considerar sombreamento mútuo entre as fileiras. Seria o caso da instalação dos módulos em uma área plana única, sem a formação de fileiras.

A linha preta mostra o ganho na captação de energia luminosa do módulo inclinado já considerando o efeito do sombreamento mútuo, porém, desconsiderando os efeitos elétricos, isto é, a ativação dos diodos de bypass. Já a curva laranja, que é a curva mais importante para o dimensionamento, representa o ganho de captação de energia dos módulos fotovoltaicos já levando em conta o efeito dos sombreamentos mútuos entre fileiras e também da ativação dos diodos de bypass.

As curvas preta e laranja são muito próximas e em alguns casos, quando a distância entre as fileiras é grande, elas podem aparecer sobrepostas. A informação “Perdas devido a sombra” (veja a Figura 5) indica percentualmente a perda de energia luminosa (não de energia elétrica gerada!) em função da geometria escolhida (espaçamento entre as fileiras e inclinação).

Neste primeiro exemplo (Figura 5), temos uma perda de 2,8%. As porcentagens nas caixas em azul representam o “GCR – Ground Coverage Ratio”, que é a medida relativa de área ocupada pelos módulos. Um GCR de 100% significa que na vista superior da usina solar não “veríamos o chão” atrás dos módulos – ou seja, o chão estaria totalmente coberto por módulos instalados na horizontal.

As Figuras 6 e 7 abaixo mostram o comportamento das sombras mútuas com a variação do espaçamento entre os módulos. É importante notar que na ferramenta “Orientação” do PVSyst o distanciamento é a medida entre o início de uma estrutura e o início da outra – e não o distanciamento (ou corredor) entre as fileiras. Precisamos sempre nos lembrar disso, pois essa medida pode causar alguma confusão.

Vamos interpretar as figuras acima. Olhe inicialmente para a Figura 6, na qual as fileiras têm distância de 5 metros. A inclinação é a mesma nos dois casos, mas na Figura 6 observamos uma perda grande, de 6,8%. Essa perda é mostrada no gráfico, indicada como a distância entre as linhas verde e preta.

Se considerarmos a linha cor de laranja (efeito elétrico) a perda é ainda maior. Definitivamente não é uma boa escolha manter tão próximos os módulos fotovoltaicos inclinados com este ângulo (de 30 graus, no exemplo). Agora vamos olhar para a Figura 7, na qual mantemos o ângulo de 30 graus, porém com um espaçamento maior.

O fato de espaçar os módulos (para um mesmo ângulo) reduz o efeito das sombras entre eles. Vemos que as linhas preta e laranja estão quase sobrepostas e aproximam-se da linha verde. E a perda é de apenas 2,2%. Ou seja, nesta geometria escolhida perde-se 2,2% da energia captada em relação a uma situação em que os módulos estariam todos na mesma superfície, não organizados em fileiras, com a mesma inclinação de 30 graus.

Regra geral para o projeto

Ao se fazer a análise de uma estrutura do tipo shed no PVSyst, devem ser usadas duas abordagens:

1. Para uma dada inclinação, deve-se escolher a distância que proporciona a menor perda;
2. Para uma dada distância entre os sheds, deve-se escolhar o ângulo que proporciona a menor perda.

Nos dois casos acima, a regra geral é sempre buscar, durante a análise gráfica, posicionar a bolinha roxa no topo das linhas preta e laranja. Idealmente as linhas preta e laranja estão muito próximas ou mesmo sobrepostas.

Ao se posicionar a bolinha roxa no topo da linha preta (ou laranja, se estiverem sobrepostas) o projetista consegue encontrar a melhor inclinação dos módulo para aquele projeto, já considerando o efeito das sombras causadas entre as diversas fileiras. Observe com mais atenção a Figura 8 para compreender o posicionamento da bolinha roxa.

Neste exemplo os módulos estão inclinados a 30 graus e a perda de sombreamento é de 2,1%. A linha preta não aparece, pois está sobreposta com a linha laranja. Isso normalmente acontece quando o espaçamento entre as fileiras é suficientemente grande para que o efeito elétrico das sombras seja desprezível.

Pela leitura do gráfico da Figura 8 vemos que o melhor ângulo de instalação, considerando que o distanciamento entre as fileiras permanece inalterado, seria de aproximadamente 20 graus. Esse ponto corresponde ao topo das linhas preta e laranja.

No mesmo exemplo, mantendo-se inalterada a distância entre os sheds, optamos então pela inclinação de 20 graus. O resultado é mostrado na Figura 9, onde vemos a bolinha roxa posicionada no topo da linha cor de laranja. Neste caso, temos a melhor inclinação possível para este projeto, considerando o distanciamento entre os sheds (ou as fileiras) que foi escolhido pelo projetista.