Modelagem e simulação de uma usina solar com módulos bifaciais

Existe uma forte tendência para a expansão do uso de módulos bifaciais nos projetos fotovoltaicos. Essa família de módulos deverá tornar-se padrão na construção de usinas solares nos próximos anos.

A principal vantagem do módulo bifacial é permitir a captação de luz pela parte traseira, algo que não é possível nos módulos convencionais. A captação traseira é especialmente interessante nas usinas de solo, nas quais é possível o aproveitamento da luz refletida pela superfície.

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Entenda os módulos fotovoltaicos bifaciais

Uma das principais dúvidas do mercado é sobre como prever o desempenho dos módulos bifaciais nos projetos de usinas solares. Em suas folhas de dados alguns fabricantes geralmente mostram, além das características em STC (condição padrão de teste), as características elétricas ampliadas dos módulos bifaciais, indicando seu comportamento quando recebem (tipicamente) um adicional de 30% de irradiação solar — o que ocasiona diretamente o aumento da potência de saída e das correntes de curto-circuito e de máxima potência.

O desempenho de um módulo solar bifacial em operação está condicionado a diversos fatores e sua determinação depende de medições feitas em campo ou simulações realizadas a partir de ferramentas de modelagem. A modelagem de sistemas bifaciais é complexa e inclui fatores como o albedo, a distância do solo, o tipo de solo, a existência de objetos próximos, o uso de sistemas fixos ou com rastreadores e as características das células e dos módulos fotovoltaicos.

O albedo (ou coeficiente de reflexão) é a razão entre a luz refletida pela superfície e a luz incidente sobre ela. É medido em uma escala que vai de zero, para nenhuma reflexão por uma superfície perfeitamente negra, até 100%, para uma reflexão perfeita, por uma superfície completamente branca. 

Estudo de caso com modelagem em software

Como dito anteriormente, uma dúvida frequente no mercado é sobre a maneira de calcular ou prever o desempenho dos sistemas fotovoltaicos bifaciais na fase de projeto. Programas de computador para a simulação de sistemas fotovoltaicos podem ser empregados para prever e estimar o desempenho de usinas solares com módulos bifaciais.

Uma usina solar de 53,88 MWp foi modelada pela equipe de engenharia da AE Solar no software PVSyst com as seguintes características:

• 97.950 painéis AE 545 W (53,38 MWp) mono e bifaciais;
• Simulação com e sem tracker monoaxial;
• Altura do solo: 1 m;
• Bifacialidade: 70%;
• Albedo: 20%;
• Sem tracker: ângulo de inclinação de 30°.

A modelagem em software teve como objetivo o conhecimento do ganho da bifacialidade, ou seja, o ganho energético da usina com módulos bifaciais em relação ao que seria obtido com a mesma usina se fosse construída com módulos convencionais.

Os resultados mostrados nas tabelas I e II, obtidos com o PVSyst, mostram os valores da energia produzida com módulos convencionais e bifaciais — 82.485 MWh/ano e 86.318 MWh/ano, respectivamente. A usina com módulos bifaciais apresenta uma geração adicional de 4,65%.

Tabela 1: Resultado de simulação no PVSyst – sistema fixo e com módulos convencionais

Tabela 2: Resultado de simulação no PVSyst – sistema fixo e com módulos bifaciais

Para efeito de comparação, realizou-se também a modelagem da usina solar no simulador Bifacial PUB (Purdue University, Indiana) [2]. 

Nas mesmas condições da simulação anterior, o Bifacial PUB forneceu um resultado superior. Na figura abaixo, o gráfico da direita mostra o ganho de bifacialidade mensal, que resulta um ganho anual médio de 8,42% com módulos bifaciais

Um resultado importante obtido com o Bifacial PUB é que o ganho de bifacialidade aumenta com o ângulo de inclinação dos painéis solares, como mostra o gráfico à direita, na figura a seguir.

O Bifacial PUB também mostra que o ganho de bifacialidade aumenta com a altura dos módulos solares em relação ao solo. Embora já seja um resultado esperado, o software permite quantificar o ganho para cada projeto específico, considerando as variáveis de entrada fornecidas pelo usuário.

Finalmente, pôde-se verificar no Bifacial PUB a relação do ganho de bifacialidade com o albedo (índice de reflexão do solo). Verifica-se neste caso uma relação praticamente linear, conforme ilustra o gráfico à direita na figura a seguir. 

Um comentário importante é que o albedo, que tem influência direta sobre o resultado, é uma variável envolta de incerteza nos projetos.  Neste caso o albedo foi estimado em 20%, de acordo com as referências [1], [5] e [6]. A melhor opção, entretanto, seria a mensuração do albedo no local em que se pretende instalar a usina solar.

A geração de energia e o ganho de bifacialidade obtidos no Bifacial PUB são sumarizados na tabela abaixo.

Tabela 3: Resultados obtidos no Bifacial PUB. Fonte: AESolar/Reprodução

Os resultados apresentados nas tabelas I, II e III mostram que existe uma certa discrepância nos resultados obtidos com as diversas ferramentas. A complexidade e a incerteza das simulações computacionais aumentam quando se acrescentam módulos bifaciais aos projetos. Há ainda dúvidas sobre a sofisticação dos simuladores conhecidos no mercado (como o PVSyst) para esse tipo de problema. 

A comparação dos resultados do Bifacial PUB e do PVSyst mostra que o ganho obtido com o primeiro é quase o dobro do informado pelo segundo, o que pode lançar dúvidas sobre a exatidão dos resultados que podemos obter com essas ferramentas. A tabela abaixo, extraída da referência [3], mostra resultados de simulações comparados com resultados reais de usinas solares localizadas em diferentes regiões do mundo.

Em todos os casos o simulador Bifacial PUB apresentou resultados muito próximos, com erros bastante pequenos. O simulador Bifacial PUB proporciona resultados interessantes e aparentemente confiáveis, tendo como única deficiência a impossibilidade de simular sistemas com rastreamento.

Tabela 4: Validação de simulações do Bifacial PUB com resultados reais de usinas solares em diversas regiões do mundo. Fonte: [3]

Um fato não considerado nesta modelagem é que as usinas solares raramente empregam sistemas fixos. Muitas usinas solares empregam rastreadores (trackers), que proporcionam ganho de geração perto de 15%, tipicamente. A combinação de rastreadores e módulos bifaciais tem o potencial de elevar ainda mais o ganho de geração das usinas fotovoltaicas.

Conclusão

Este artigo mostrou um estudo de caso de usina solar bifacial modelada em dois softwares: PVSyst e Bifacial PUB (da Purdue University). O estudo teve como base um projeto realizado com módulos bifaciais da AE Solar no Brasil.

A validação de ferramentas de simulação, incluindo o PVSyst e a ferramenta da Purdue University, requer ainda estudos nas condições climáticas brasileiras, sobretudo com o uso de dados experimentais obtidos durante um período prolongado.

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Referências

• [1] Reise, C. 2014. “Predicting Yields for Bifacial PV Systems” Freiburg, Germany: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE
• [2] Zhao, B., Sun, X., Khan, M.R., Alam, M.A. 2018. “Purdue University Bifacial Module Calculator (PUB)” West Lafayette, Indiana: Network of
• Photovoltaic Technology, Purdue University
• [3] Sun, X., Khan, M.R., Deline, C., Alam, M.A. 2017. “Optimization and Performance of Bifacial Solar Modules: A Global Perspective” West
• Lafayette, Indiana: Network of Photovoltaic Technology, Purdue University
• [4] Pelaez, S.A., C. Deline, P. Greenberg, J. Stein, and R.K. Kostuk. 2018. “Model and Validation of Single-Axis Tracking with Bifacial
• Photovoltaics: Preprint.” Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/CP-5K00-72039
• [5] Dobos, E. 2003. “Albedo”. Milskolc, Hungary: University of Milkolc
• [6] Gul, M., Kotak, Y., Muneer, T., Ivanova, S. 2018. “Enhancement of Albedo for Solar Energy Gain with Particular Emphasis on Overcast Skies” Published on MDPI Energies