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Os módulos FV devem ser orientados sempre para o Norte?

Veja neste artigo a diferença de geração de energia de acordo com a orientação dos módulos

Autor: 14 de abril de 2020janeiro 14th, 2022Artigos técnicos
Os módulos FV devem ser orientados sempre para o Norte?

Veja um estudo realizado para checar a esta resposta

Sempre aprendemos que os módulos dos sistemas fotovoltaicos devem ser instalados com orientação para o Norte e com um ângulo de inclinação igual à latitude do local em que se encontram.

Será que é vantajoso, ou necessário, sempre usar essa orientação? Esta é uma pergunta que vamos responder neste artigo.

De fato os módulos produzem mais energia quando estão virados para o Norte. Esta regra é válida para localidades no Hemisfério Sul. No Hemisfério Norte é necessário que os módulos sejam instalados com orientação Sul.

Porém, apesar da vantagem em ter os módulos voltados para o Norte (pois estamos localizados no Hemisfério Sul), esse modo de instalação nem sempre se justifica.

Já abordamos esse assunto no artigo Vale a pena ajustar a angulação dos módulos solares nos telhados?, que trouxe à tona uma questão que muitos projetistas e instaladores desconhecem.

A melhor resposta para essa pergunta é sim, vale a pena se você tiver total liberdade para fazer a instalação, posicionando os módulos com os melhores ângulos de inclinação e de azimute. Nas usinas de solo essa é a regra, mas nos sistemas fotovoltaicos em telhados isso é mais complicado e nem sempre compensa.

O azimute é o nome técnico que damos ao ângulo de orientação da parte frontal do módulo solar com relação ao Norte geográfico, como ilustra a Figura 1. Sabemos que é bom ter os módulos com sua superfície frontal voltada para o Norte, como na primeira ilustração, porém a busca incansável pelo Norte ou pelo melhor ângulo de inclinação nem sempre produz bons resultados nas instalações.

Não são raras as engenhocas ou gambiarras como a da Figura 2, em sua grande maioria inseguras, para a correção da orientação dos painéis instalados em telhados. Será que o resultado compensa?

Apesar do possível ganho na geração de energia, é preciso levar em conta o perigo da força de arrancamento do vento (Figura 3), do custo adicional das estruturas e da durabilidade ou vida útil das estruturas metálicas que são adicionadas ao projeto.

Figura 1: Ângulo de azimute dos painéis solares.

Figura 1 – Ângulo de azimute dos painéis solares

Figura 2: Nesta instalação a busca pela otimização do sistema fez surgir uma montagem perigosa do ponto de vista mecânico e com influência estética negativa na construção.

Figura 2 – Nesta instalação a busca pela otimização do sistema fez surgir uma montagem perigosa do ponto de vista mecânico e com influência estética negativa na construção

Figura 3: O vento pode exercer cargas consideráveis na estrutura, principalmente quando os módulos não estão rentes ao telhado, provocando uma força de arrancamento. Nas usinas de solo esse risco deve ser calculado e nos telhados esse risco deve ser evitado.

Figura 3 – O vento pode exercer cargas consideráveis na estrutura, principalmente quando os módulos não estão rentes ao telhado, provocando uma força de arrancamento. Nas usinas de solo esse risco deve ser calculado e nos telhados esse risco deve ser evitado

Quantificando o problema

A seguir vamos realizar um estudo para avaliar o quanto ganhamos ou perdemos ao termos os módulos solares orientados para o Norte ou para um outro ângulo de azimute qualquer.

Também vamos avaliar a influência da inclinação, que somada à influência do ângulo de azimute, pode nos dar pistas sobre a eficácia de instalar módulos fotovoltaicos com azimutes e inclinações diferentes das encontradas nos telhados, por meio de soluções perigosas e pouco atraentes como a da Figura 2.

Para isso vamos empregar o software de simulação PVSyst para quantificar a influência da orientação e da inclinação na geração de energia do módulo fotovoltaico. Com o PVSyst conseguimos fazer conjuntos de simulações com ângulos de inclinação entre 0º (módulo na horizontal) e 45º com passos de 1,25º e orientações azimutais de 0º (de frente para o Norte) a 360º (de frente para o Sul) em passos de 2,5º. 

Neste estudo, realizamos simulações com 5365 combinações de inclinação e orientação para sistemas fotovoltaicos instalados em 5 cidades brasileiras:

  • Porto Alegre (RS), latitude -30º);
  • Campinas (SP), latitude -23º);
  • Montes Claros (MG), latitude -17º);
  • Petrolina (PE), latitude -10º) e;
  • Fortaleza (CE), latitude -4º).

O sistema simulado possui duas strings de 13 módulos de 400 Wp ligados a um inversor Fronius Symo 8,2 kW. Desta forma, o sobrecarregamento do sistema é de 126%, um valor típico de sistemas desse porte. Para garantir que a análise não seja influenciada por sombreamento entre os módulos escolheu-se uma montagem com todas as placas na mesma linha.

Figura 4: Layout das strings simuladas. São duas strings contendo 13 módulos em cada.

Figura 4 – Layout das strings simuladas. São duas strings contendo 13 módulos em cada

As análises de ganho ou perda serão realizadas com base no caso de referência, que corresponde ao arranjo orientado para o Norte e com inclinação de 0º, ou seja, no plano horizontal.

Resultados

As simulações realizadas no PVSyst produziram os gráficos mostrados a seguir para cada uma das cidades analisadas. Os gráficos possuem informações sobre três variáveis: ângulo de inclinação dos módulos, ângulo de azimute dos módulos e rendimento obtido com a combinação.

O rendimento, indicado pela escala de cores do gráfico, é um número que pode ser maior ou menor do que 100%. A geração de 100% corresponde ao caso de referência que já mencionamos (módulos na horizontal e azimute zero).

A curva verde encontrada no gráfico mostra as combinações de azimute e inclinação que proporcionam a máxima geração de energia em cada um dos sistemas simulados. Em outras palavras, para um determinado valor de orientação, a curva verde indica qual inclinação vai proporcionar mais energia. Por exemplo, para orientação de -30º (30º Leste) a melhor inclinação é de aproximadamente 25º.

O ponto vermelho no topo do gráfico verde indica a melhor de todas as combinações possíveis, ou seja, os valores de orientação e azimute que proporcionam o melhor resultado com o sistema estudado. Nas figuras abaixo são mostrados os gráficos obtidos para as cidades de Porto Alegre, Campinas, Montes Claros, Petrolina e Fortaleza.

Figura 5: Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Porto Alegre. O máximo de geração acontece para inclinação de 26,3º e orientação de 2,5º para o Leste.

Figura 5 – Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Porto Alegre. O máximo de geração acontece para inclinação de 26,3º e orientação de 2,5º para o Leste

Figura 6: Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Campinas. O máximo de geração acontece para inclinação de 23,8º e orientação de 7,5º para o Leste.

Figura 6 – Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Campinas. O máximo de geração acontece para inclinação de 23,8º e orientação de 7,5º para o Leste.

Figura 7: Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Montes Claros. O máximo de geração acontece para inclinação de 20º e orientação de 5º para o Leste

Figura 7 – Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Montes Claros. O máximo de geração acontece para inclinação de 20º e orientação de 5º para o Leste

Figura 8: Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Petrolina. O máximo de geração acontece para inclinação de 10º e orientação de 7,5º para o Leste.

Figura 8 – Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Petrolina. O máximo de geração acontece para inclinação de 10º e orientação de 7,5º para o Leste

Figura 9: Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Forlaleza. O máximo de geração acontece para inclinação de 7,5º e orientação de 17,5º para o Leste.

Figura 9 – Ganhos de energia exportada em relação a orientação e inclinação para a cidade de Forlaleza. O máximo de geração acontece para inclinação de 7,5º e orientação de 17,5º para o Leste

Podemos notar que o ponto de maior geração está ligeiramente deslocado para o Leste em todos os casos testados. Isso indica que a orientação para o Norte não é, rigorosamente falando, a melhor escolha para a instalação dos módulos.  Mesmo assim, em todos os casos os melhores valores de azimute encontrados são muito próximos de zero, indicando que na prática isso não faz muita diferença.

Instalar um módulo fotovoltaico com azimute zero (para o Norte) ou com azimute -2,5º é praticamente a mesma coisa. Provavelmente esse ângulo de -2,5º (um valor desprezível) já se encontraria no erro da medição do ângulo de instalação. Analisando com mais rigor os gráficos, os resultados das simulações indicam que os melhores ângulos de azimute são ligeiramente deslocados para Leste e não correspondem exatamente ao azimute zero (Norte), como nós sempre pensamos.

De acordo com os resultados das simulações e os gráficos mostrados acima, temos a seguinte lista dos melhores ângulos de azimute para as cidades estudadas:

  • Porto Alegre: -2,5º;
  • Campinas: -7,5º;
  • Montes Claros: -5º;
  • Petrolina: -5º;
  • Fortaleza: -7,5º.

De acordo com os resultados, a melhor opção para os casos estudados não é instalar os módulos virados para o Norte, como a gente sempre ouviu dizer que deveria ser feito. Como se explica o melhor desempenho (maior geração de energia) dos sistemas fotovoltaicos com azimutes diferentes de zero, deslocados para Leste?

A resposta está no comportamento térmico dos módulos fotovoltaicos. As células fotovoltaicas são mais eficientes (produzem mais energia) quando estão em temperaturas mais baixas. No início da manhã, os módulos estão mais frios do que no final da tarde. Portanto. podemos conseguir um bom resultado se for possível captar mais radiação na parte da manhã, em detrimento da parte da tarde.

Se colocássemos os módulos orientados para o Norte, teríamos a mesma quantidade de radiação coletada nos períodos da manhã e da tarde. Com isso perderíamos a oportunidade de gerar um pouco mais de energia do que se tivéssemos priorizado o período da manhã, orientando os módulos ligeiramente para o Leste.

Em resumo, a máxima geração de energia dos sistemas fotovoltaicos ocorre quando os módulos estão ligeiramente orientados para o Leste, com ângulos de azimulte que em nossos estudos variaram de -2,5º a -7,5º. Os resultados obtidos com módulos voltados para o Norte são muito próximos daqueles obtidos com os ângulos de azimute considerados ótimos, de acordo com as simulações. Como afirmamos acima, na prática isso não faz muita diferença.

Para a maior parte dos sistemas fotovoltaicos de pequeno e médio portes a regra é sempre orientar os módulos para o Norte. Se for possível realizar um estudo como o que fizemos (o que nem sempre é feito pelos projetistas), podemos descobrir o ângulo de azimute ótimo, mas isso não vai fazer muita diferença para efeitos práticos.

A única ressalva ao que se afirma no parágrafo anterior são as usinas de grande porte instaladas em solo. Neste caso uma pequena vantagem percentual no desempenho pode representar uma quantidade grande de energia ao longo dos anos. Em casos como este, vale a pena realizar o estudo com o PVSyst e construir a usina com o ângulo de orientação obtido. Em Montes Claros, por exemplo, o azimute recomendado seria de -5º (ou seja, 5º em direção ao Leste). 

O módulo utilizado neste estudo possui os coeficientes térmicos mostrados na tabela abaixo. A perda de potência indicada na tabela é de -0,37%/ºC. Ou seja, para um aumento de 10ºC (acima da temperatura padrão de 25ºC) na temperatura de operação do módulo, perde-se 3,7% da potência de pico nominal. Isso explica por que na parte da manhã, com temperaturas mais baixas, o módulo produz mais energia. 

 Tabela 1 – Coeficientes térmicos do módulo fotovoltaico

Falamos bastante do ângulo de azimute, mas os resultados das simultações também nos trazem informações sobre o ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos. Como já se sabe, o módulo inclinado com algum ângulo produz mais energia do que o módulo posicionado na horizontal. Mas isso depende muito do local onde o módulo é instalado.

Observa-se que os ganhos com a inclinação do painel são maiores percentualmente quanto mais ao Sul a cidade se encontra. Em Fortaleza (CE), por exemplo, o maior ganho ao se corrigir a inclinação é de 3%, enquanto em Porto Alegre o ganho chega a 6,5%.

Estudos de casos

Caso 1

Para discutir os benefícios de se corrigir ou não os ângulos de inclinação dos módulos estudaremos um caso como o apresentado na Figura 1.  Não tendo um telhado com água virada para o Norte, o cliente decidiu construir uma armação metálica para corrigir a orientação (e também a inclinação) dos módulos fotovoltaicos.

Como visto na Figura 1, a estrutura metálica parece ser bem precária (com risco de os painéis serem levados pelo vento), além ser esteticamente desagradável (ou em bom português: feia). O que o cliente ganhou com isso? O que ele perderia se os módulos fossem instalados diretamente sobre o telhado? Em nosso exemplo consideramos um sistema com oito módulos inclinados em 15º e com orientação para o Norte, localizado na cidade de Porto Alegre.

Figura 10: Correção de inclinação em telhado voltado para Sudeste. Ressalta-se a precariedade da estrutura.

Figura 10 – Correção de inclinação em telhado voltado para Sudeste. Ressalta-se a precariedade da estrutura

A solução alternativa é posicionar quatro módulos na água Leste e quatro módulos na água Oeste ou os oito módulos em uma água somente. Utilizando a Figura 9, sobre a geração em Porto Alegre, podemos comparar a energia gerada em cada uma das soluções de instalação.

Pela figura podemos notar que o ganho em se corrigir os módulos para o Norte em vez de utilizar as águas Leste e Oeste é de somente 7%, um valor pequeno e muitas vezes dentro da margem de erro do projetista. Para um sistema de oito módulos em Porto Alegre esta diferença de geração representa somente cerca de R$ 200 por ano, considerando a tarifa atual de energia elétrica.

O custo da estrutura adaptada já seria suficiente para zerar qualquer ganho em geração nos primeiros anos de funcionamento do sistema, além de aumentar o risco de falhas mecânicas e o arrancamento dos módulos pelo vento.

Caso 2

Neste caso, vamos analisar um grande tabu dos sitemas solares, que é a instalação dos módulos com orientação para o Sul. Isso ocorre quando o telhado do cliente não possui outro local melhor. O jeito vai ser instalar os módulos voltados para o Sul ou construir uma armação como a da Figura 10 para corrigir a posição dos módulos. Será que vale a pena essa gambiarra, que além de feia e perigosa pode ser inócua?

O telhado estudado neste exemplo tem orientação para o Sudeste (azimute de -130º), com inclinação de 10º. O cliente, descontente com seu telhado, decidiu fazer a correção do ângulo, possibilitando a instalação dos módulos com inclinação zero. Vamos assumir que neste estudo o sistema é localizado em Montes Claros.

Para avaliar o efeito da correção, vamos observar o gráfico da Figura 11. Na Figura 11 vemos que o ganho com a montagem da estrutura sobre os telhados, para o posicionamento “correto” dos módulos, foi somente de 4%, cabendo aqui os mesmos comentários do estudo de caso anterior. Em resumo, não vale a pena fazer o que foi feito. A melhor opção é instalar os módulos diretamente sobre o telhado.

Figura 11: Mapa de geração para sistema localizado em Montes Claros.

Figura 11 – Mapa de geração para sistema localizado em Montes Claros

Figura 12: Mapa de geração para Petrolina. Nota-se que o sistema é menos sensível à correção.

Figura 12 – Mapa de geração para Petrolina. Nota-se que o sistema é menos sensível à correção

Caso 3

Por último, vamos considerar um telhado com inclinação de 5º para o Norte, onde o projetista decidiu corrigir a inclinação para 10º na cidade de Petrolina. Repetindo a análise, temos ganho de geração de energia inferior a 1%, valor que pode ser facilmente absorvido por perdas em cabeamento e conectores.

Novamente concluímos que não vale a pena mexer nos ângulos de instalação dos módulos e o recomendável é sempre fazer a sua instalação diretamente sobre o telhado.

Figura 13: Mapa de geração para Petrolina. Nota-se que o sistema é menos sensível à correção

Figura 13 – Mapa de geração para Petrolina. Nota-se que o sistema é menos sensível à correção

Conclusão

No setor de energia solar fotovoltaica ainda existem muitos mitos sobre a melhor maneira de instalar os módulos fotovoltaicos. Neste artigo nós descontruimos vários tabus relacionados a esse tema. Muitos pensam que os módulos devem ser alinhados exatamente com o Norte geográfico, mas na verdade existe um ângulo de azimute pequeno, voltado para Leste, que pode proporcionar mais geração de energia.

Na prática, nos sistemas de pequeno e médio portes, isso não faz muita diferença. Nas usinas solares de grande porte, por outro lado, um olhar mais atento ao projeto e uma simulaçao no PVSyst podem indicar o melhor ângulo de azimute, proporcionando resultados significativos, .

A busca incessante e incansável pela orientação e pela inclinação ótimas nem sempre tem fundamentos técnicos e econômicos. O ganho em energia não compensa o esforço realizado, além da redução da segurança do sistema com o risco de arrancamento dos módulos pelo vento.

Com o grande crescimento do setor fotovoltaico no Brasil não faltam exemplos de telhados com correções malucas e módulos que vez ou outra saem voando.  É papel do projetista entender a fundo a influência da inclinação e da orientação e encontrar uma solução segura, mesmo que existam perdas de energia.

Um ganho de 5% na geração de energia pode representar um aumento de 100% na chance de os módulos sairem voando. É preciso pensar seriamente nisso ao se projetar e executar uma instalação fotovoltaica.

 

Mateus Vinturini

Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas). Entusiasta de ciências e tecnologia, com experiência no ramo da energia solar, tanto no âmbito comercial como em projeto, dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos. 

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