Abril 03, 2020

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Análise das causas de baixo desempenho nos sistemas fotovoltaicos

Durante as negociações para a aquisição de um sistema fotovoltaico é comum o cliente criar grande  expectativa em relação a sua nova aquisição, principalmente considerando-se a promessa de economia financeira proveniente da “energia do Sol”.

Infelizmente é possível que o sistema não atenda as expectativas devido ao baixo desempenho do gerador solar fotovoltaico, ou seja, não será gerada a quantidade de energia que foi “prevista” ou prometida ao cliente durante a etapa de negociação comercial.

Sabe-se que para atingir o sucesso em um projeto fotovoltaico é necessário um estudo minucioso do perfil de consumo do cliente, além de todos os cuidados técnicos no projeto e na execução do sistema fotovoltaico.

Em resumo, o desempenho final do sistema fotovoltaico pode ser afetado por uma das seguintes fases que compõem um projeto:

  • Dimensionamento: Durante a fase de negociação com o cliente e elaboração da proposta comercial, o dimensionamento deve ser realizado com premissas corretas, por meio de uma análise minuciosa das faturas de energia do cliente e com o auxílio de ferramentas de dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos (como o PVSyst).

  • Projeto: O projeto técnico do gerador solar fotovoltaico deve ser feito de acordo com as boas práticas de engenharia fotovoltaica, respeitando-se as normas técnicas pertinentes. Erros na estrutura do cabeamento elétrico, na organização dos strings e arrays e outros aspectos podem colocar tudo a perder. Normalmente a falta de capacitação das empresas do setor solar é o que mais afeta essa fase de projeto.

  • Instalação: Não basta ter um projeto bem feito – ele precisa ser bem executado. Cabos mal organizados, conectores mal feitos e instaladores que pisam sobre os módulos são apenas alguns dos problemas encontrados nas instalações solares. Aqui também a capacitação da empresa fornecedora é fundamental para o sucesso do projeto.

Dimensionamento do sistema fotovoltaico

Nesta fase definem-se o tamanho (potência) do sistema que será instalado e os recursos a serem utilizados – inversores, microinversores, otimizadores, tipo e quantidade de módulos etc.

Nesta fase  é necessário analisar a média de consumo mensal do consumidor com base, pelo menos, nos 12 meses anteriores, a fim de se dimensionar um sistema adequado para que o cliente pague o menor valor possível em suas próximas faturas de energia.

Muita calma nessa hora! Muitas empresas de energia solar, ansiosas pelo fechamento do negócio, prometem o mundo aos clientes. Alguns clientes vão fechar o negócio sem questionamentos, mas a dor de cabeça pode vir depois, caso a promessa realizada não se concretize.

O melhor a ser feito é realizar a análise do consumo histórico do cliente e empregar ferramentas (como o PVSyst) para se fazer o dimensionamento do correto do sistema. Mesmo assim é importante informar ao cliente (e preferivelmente estabelecer isso em contrato) que, apesar das melhores práticas de engenharia utilizadas no dimensionamento do sistema solar, o resultado poderá variar em função das condições climáticas do local.

Certeza absoluta da geração, mesmo, nunca será possível. O importante é que o sistema seja corretamente dimensionado, com embasamentos técnicos corretos, e que o cliente receba informações com a máxima transparência possível. 

 
Figura 1: É importante analisar o histórico de consumo do cliente para o correto dimensionamento do gerador solar fotovoltaico.

Projeto técnico

Após a fase de negociação comercial terá início a etapa de projeto técnico. Neste momento é necessário atentar às características do local de instalação como área disponível, inclinação e azimute, possíveis interferências com potencial de projeção de sombras, além das informações solarimétricas da região onde o sistema será instalado.

Ao analisar todas as áreas disponíveis para instalação deve-se identificar quais regiões do telhado possuem melhor resultado de geração, algo que pode ser verificado com ferramentas de dimensionamento e simulação como o PVSyst.

Também se deve levar em conta a melhor forma de interligação dos módulos a fim de maximizar a geração do sistema fotovoltaico. Um erro muito comum das empresas de energia solar, por falta de conhecimento técnico, é a interligação de módulos localizados em diferentes águas do telhado dentro de um mesmo string (conjunto de módulos em série). Essa prática, além de não obedecer as normas de projeto de sistemas fotovoltaicos, compromete a geração de energia e também a segurança dos sistemas fotovoltaicos.

Com posse do máximo número informações e atentando-se aos detalhes, com o apoio de ferramentas de projeto, é possível dimensionar um sistema capaz de suprir a demanda de consumo do cliente com boa margem de acerto, com o melhor custo-benefício para o cliente. 

Figura 2: Exemplo de imagem obtida com um software para estudos de sistemas fotovoltaicos. Quanto mais próximo da cor amarela, melhor será a geração. As cores mais escuras indicam a incidência de sombras e de outros fatores (como a inclinação do telhado para o Sul) que reduzem a coleta de energia da radiação solar.

Instalação do gerador solar fotovoltaico

A instalação do sistema deve obedecer rigorosamente o projeto técnico. Um projeto mal feito (ou a ausência total de projeto, que não é rara) vai comprometer a qualidade e a segurança do sistema instalado.

Um erro muito comum durante a instalação, mesmo quando há um projeto detalhado, é a inversão da polaridade de módulos em série. Como isso é possível? – podemos nos perguntar. A figura abaixo ilustra uma situação muito comum nos projetos fotovoltaicos em telhados residenciais, que pode levar a esse erro.

  

Figura 3: Módulos de um mesmo string (ligados em série) fisicamente distanciados sobre um telhado residencial.

A imagem acima ilustra uma situação na qual 11 módulos devem ser ligados em série, formando uma string, porém 3 módulos estarão afastados dos demais. Neste caso existe a necessidade de confeccionar um cabo de extensão para ligar um grupo ao outro. Se o esquema de ligação for do tipo leapfrog (veja neste artigo o que é leapfrog), será necessário confeccionar dois cabos de extensão.

Para que o tamanho da extensão seja o menor possível, porém o suficiente para atender à necessidade,  e também porque os projetos (quando existem) em geral não são suficientemente detalhados, a crimpagem dos conectores costuma acontecer após a passagem dos cabos durante a montagem da obra. Justamente por isso existe a possibilidade de se crimpar em ambas as extremidades conectores iguais, ou seja, macho-macho ou fêmea-fêmea.  Com isso ocorrerá a inversão de polaridade de um dos conjuntos quando os módulos forem conectados.

Além da redução da energia gerada, a exposição do módulo invertido à corrente reversa é potencialmente perigosa e pode originar incêndios. Felizmente, a inversão de módulos pode ser facilmente identificada ao medir se medir a tensão de circuito aberto da string após a execução da montagem. Ou seja: isso poderia ser facilmente percebido se os profissionais envolvidos nas montagens fotovoltaicas pelo menos soubessem o que é uma tensão de circuito aberto e estivessem instruídos a medi-la na etapa do comissionamento, que é a fase de testes realizada após a execução das montagens. Frequentemente a necessidade do comissionamento simplesmente tem sido negligenciada pelos profissionais e pelas empresas instaladoras.

Comissionamento do sistema

Um bom projeto fotovoltaico deve passar pela fase final de comissionamento, durante a qual pelo menos duas coisas devem ser medidas:

  • VOC – Tensão de circuito aberto da string
  • ISC – Corrente de curto-circuito da string

Veja este artigo para entender os parâmetros da curva I-V de um módulo ou string fotovoltaico. Dois desses parâmetros (VOC e ISC) podem facilmente ser medidos com um multímetro comum de baixo custo. Qualquer instalador de sistemas fotovoltaicos com o mínimo de instrução deveria ser capaz de realizar esses dois testes básicos.

Por exemplo, ao se considerar um módulo com tensão de circuito aberto 40 V, numa string com 11 módulos em série estima-se que a tensão VOC  estará próxima de 440 V. Mesmo com a variação da intensidade da luz solar, a tensão de saída dos módulos sofre pouca (praticamente nenhuma) alteração, o que torna o resultado do teste de tensão de circuito aberto muito confiável.

A figura abaixo ilustra o resultado da medição da tensão e da potência gerada em um sistema fotovoltaico já em operação. O gráfico verde mostra a tensão de operação de uma string fotovoltaica, que se mantém constante durante boa parte do dia, sofrendo reduções ou variações apenas no início ou bem no final do dia, quando a intensidade da radiação solar é muito reduzida. O melhor horário para se fazer testes de comissionamento de sistemas fotovoltaicos é sempre próximo do meio-dia, quando a tensão de circuito aberto (ou a tensão operacional, que é mostrada no gráfico da figura abaixo) mantém-se aproximadamente constante independentemente de variações da irradiância solar. 

Figura 4: Resultado do monitoramento da tensão de operação e da potência de um sistema fotovoltaico real. Enquanto a potência (em azul) oscila durante todo o dia, a tensão de saída das strings (em verde) permanece em uma faixa aproximadamente constante. O gráfico verde mostra a tensão operacional dos módulos, mas um perfil semelhante (praticamente constante) aplica-se à tensão de circuito aberto.

Orientações divergentes no paralelismo de strings

Na instalação do sistema também é possível ocorrer problemas relacionados ao paralelismo de strings com orientação ou número divergente de módulos, o que vai impactar negativamente a geração e potencializar as possibilidades de incêndio.

Na realidade, analisando rigorosamente esses fatos, esse tipo de situação deveria ser evitado já na fase de projeto. Misturar módulos com orientações e inclinações diferentes na mesma string revela o despreparo de muitos “projetistas” fotovoltaicos em atuação no mercado brasileiro.

Com relação à associação paralela de strings com diferentes números de módulos, isso além de falta de preparo revela uma grande falta de responsabilidade. Qualquer profissional do setor solar minimamente preparado sabe que é proibido paralelar strings com números diferentes de módulos. O que pode acontecer se essa regra não for seguida? Veja neste artigo o resultado dessa mistura “explosiva” de strings diferentes ligadas à mesma entrada de um inversor.

Figura 5: Monitoramento da tensão de operação de 4 strings em um sistema fotovoltaico, estando as strings organizadas em 2 grupos com 2 strings em paralelo.

Na Figura 5 vemos o resultado do monitoramento da tensão de um sistema solar com 4 strings de módulos posicionados em diferentes orientações. Os dados apresentados foram obtidos no dia em que se realizou uma manutenção corretiva no sistema. Desde o início da manhã até as 14 horas havia dois arrays (com 2 strings cada). Cada array (com 2 strings paralelos) estava ligada a um inversor. As strings deste projeto tinham 11, 19, 9 e 18 módulos. Em resumo, a situação (totalmente absurda) era esta:

  • Sistema com 2 inversores com 2 entradas de MPPT em cada um. No total havia 4 entradas de MPPT disponíveis. As strings foram agrupadas em arrays de 2. Cada array foi ligado a apensa uma entrada de um inversor. Esta situação está ilustrada na Figura 6 abaixo.

 

Figura 6: Sistema FV ligado incorretamente, com strings de diferentes tamanhos ligadas em paralelo e usando apenas uma entrada de MPPT de cada inversor.

Vejamos o absurdo da situação mencionada acima. Os inversores possuíam 2 entradas de MPPT cada um. Seria possível, portanto, acomodar perfeitamente 4 strings diferentes neste projeto. Por falta de conhecimento do projetista (e também do instalador) esse erro passou despercebido nas fases de projeto e de instalação. Etapa de comissionamento certamente não houve.

Observamos no gráfico da Figura 5 uma linha verde e uma roxa, cada qual correspondendo a um grupo de 2 strings paralelas. A partir das 14 horas as strings foram separadas e percebemos no gráfico o registro de 4 tensões diferentes, agora para cada string individualmente. As tensões das strings individuais são bastante superiores às tensões obtidas antes das 14 horas. Isso mostra claramente que não é uma boa ideia paralelar strings de módulos que operam e condições diferentes (de inclinação, orientação, sombreamento ou quantidade de módulos em série).

Após a ação corretiva, o sistema adquiriu esta configuração:

  • Sistema com 2 inversores com 2 entradas de MPPT em cada um. Cada uma das 4 strings foi ligada individualmente a uma das 4 entradas de MPPT disponíveis. Esta situação está ilustrada na Figura 7 abaixo.

 Figura 7: Sistema FV corrigido, com strings de diferentes tamanhos ligadas de forma independente em uma das 4 entradas de MPPT disponíveis.

 O resultado da ação corretiva de um sistema fotovoltaico, com a separação de strings diferentes que antes se encontravam em paralelo, pode ser observado nos gráficos das figuras a seguir.
Figura 8: Monitoramento da energia gerada do sistema solar fotovoltaico antes da ação corretiva (quando strings diferentes eram ligadas em paralelo). O sistema possui dois inversores. Cada cor (azul e verde) corresponde à geração de um inversor.  Figura 9: Monitoramento da energia gerada pelo sistema solar fotovoltaico após a ação corretiva (quando strings foram deixadas independentes). O sistema possui dois inversores. Cada cor (azul e verde) corresponde à geração de um inversor.


Colaboraram neste artigo:

Bruno Henrique Kikumoto de Paula - Engenheiro Eletricista (UDESC), Mestrado em Engenharia Elétrica (UNICAMP). Especialista em gerenciamento de projetos, inspeção e comissionamento de sistemas fotovoltaicos. Mais de 10 anos de experiência na indústria fotovoltaica. Instrutor nos cursos de energia solar na UNICAMP. Veja outros artigos deste autor.

Marcelo Gradella Vilallva - Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador do quadro permanente da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica. Veja outros artigos deste autor. 


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Last modified on Terça, 02 Julho 2019 00:48
Jobson Carvalho

Especialista em operação e manutenção (O&M) de sistemas fotovoltaicos e Líder de Qualidade de Instalações na EBES - Empresa Brasileira de Energia Solar.

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