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Geração de energia: painéis bifaciais com alterações de albedo e temperatura ambiente

Módulos bifaciais são capazes de absorver luz solar adicional pela superfície traseira

Autor: 24 de janeiro de 2022Artigos técnicos
Geração de energia: painéis bifaciais com alterações de albedo e temperatura ambiente

Neste estudo foram realizadas simulações no software PVSys

Artigo escrito por diversos autores*

O expressivo aumento de instalações de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFVCR) ocorreu após a publicação da Resolução Normativa nº 482/2012 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que definiu as diretrizes para a conexão e o uso das fontes fotovoltaicas conectadas às redes convencionais. 

Alguns fatores podem contribuir para o aumento da eficiência de um SFVCR. Dentre eles estão a inclinação dos módulos, a orientação,  e a utilização da tecnologia de módulos bifaciais, que produzem energia recolhendo a radiação solar através das faces traseira e frontal. 

A chegada da tecnologia dos módulos bifaciais contribui de forma incisiva na redução da área utilizada na instalação em usinas de solo, já que aproveita a luz refletida (albedo) para também gerar energia.

Para a necessidade de realizar simulações computacionais com confiabilidade, utilizando modelos matemáticos consolidados e validados, pode-se utilizar o software PVSYST.  Neste estudo foram realizadas simulações no software PVSyst visando investigar a alteração na energia gerada pelo sistema fotovoltaico com a mudança do albedo e a variação na temperatura ambiente. 

Verificou-se que o impacto do albedo nas simulações realizadas proporcionou ganhos. Para consolidar as simulações com situações reais, convém adicionar o fator climático sazonal, em longos períodos de observação e coleta de dados. 

Módulos bifaciais

Os módulos fotovoltaicos bifaciais têm a capacidade de recolher energia solar em ambas as faces, pois são capazes de absorver luz solar adicional pela superfície traseira, o que é uma vantagem significativa em comparação com o módulo fotovoltaico tradicional. A energia gerada na parte traseira do módulo proporciona o chamado de “back side power gain” (ganho de potência com a parte traseira).

O ganho real obtido no módulo bifacial depende de vários parâmetros, como o tipo de instalação e o coeficiente de reflexão da superfície, que conhecemos como albedo. Com a radiação solar coletada pela superfície traseira, haverá mais geração de energia elétrica, conforme a Figura 1.

Os módulos bifaciais podem produzir até 30 % mais energia comparativamente aos módulos convencionais (Yusufoglu et al, 2015), com a mesma potência de pico nominal (Wp). Em locais de baixa luminosidade, são capazes de produzir 15 % mais energia do que os módulos convencionais (Yusufoglu et al, 2014).

O efeito da incidência de radiação solar na face traseira na produção de energia elétrica é definido pelo fabricante do módulo por meio de um fator denominado de “ganho bifacial de energia”, que depende do posicionamento dos módulos na instalação (Grafulha, 2016).

A utilização de módulos fotovoltaicos bifaciais melhora a geração de energia em relação à área ocupada pelos módulos, pois utiliza a luz refletida para gerar mais energia por área, segundo Aguiar Coelho (2020).

Os ganhos obtidos nos módulos pela radiação na área traseira podem ser impactados pela forma de instalação, como altura entre o solo e os módulos e a distância entre fileiras, conforme mostra a Figura 2.

Figura 1 – Irradiância incidente (linhas verdes) no módulo bifacial. Fonte: Wittmer e Mermoud, 2018

Figura 2 – Energia gerada por um sistema bifacial versus altura de instalação dos módulos fotovoltaicos do solo. Fonte: Autoria própria

O que é Albedo?

Em sua definição, o albedo é a razão entre os fluxos de radiação solar refletido e incidente, e constitui um parâmetro importante no estudo de mudanças climáticas, desertificação, queimadas e impactos ambientais (Silva et al., 2005)

O albedo varia principalmente em função das características físico-químicas da superfície, da cor, do ângulo zenital solar, dentre outras coisas. Por isso, para cada tipo de cobertura terrestre há uma resposta espectral diferenciada, ou seja, o albedo de um solo descoberto, por exemplo, é diferente daquele de um mesmo solo com cobertura vegetal.

Módulos bifaciais usam células bifaciais encapsuladas com materiais transparentes em ambos os lados para máxima absorção de luz. Isso permite o uso eficaz da luz refletida da superfície do solo. Além disso, também auxilia na redução da temperatura interna do módulo, melhorando seu desempenho (Waaree Energies Ltd., 2017).

Quanto mais escura for a superfície, menor será a refletividade dos raios solares incidentes, resultando numa maior absorção da luz e menor reflexão no entorno e dentro da usina fotovoltaica. Dependendo do material que compõe a superfície ou do tipo de paisagem, há um valor de albedo pré-definido.

O software PVSYST possui valores de albedo de referência, conforme Tabela I. Os autores VELOSO e ROSA (2013) encontraram valores na caatinga de 20 a 30%, sendo que os maiores valores correspondem a solos sem vegetação. Segundo os referidos autores, estes valores correspondem aos observados por OKE (1987), que encontrou albedo de superfície de 40% em regiões desérticas.

Para uma melhor exatidão nos valores de albedo, é necessário realizar medições anuais nos locais de implantação de cada empreendimento solar.

O acréscimo da temperatura provocada pela cobertura de solo pode afetar as perdas de geração. É necessário escolher uma cobertura de solo que favoreça o decréscimo das perdas. 

Simulações de sistemas bifaciais com PVSYST

Segundo (RAMPINELLI; KRENZINGER, 2009), em contrapartida às dificuldades dos monitoramentos experimentais, que dependem de equipamentos e medidas, a análise de um sistema fotovoltaico pode ser feita com o uso de softwares. 

Os softwares permitem a simulação de sistemas ainda não existentes e possibilitam a alteração de parâmetros e topologias de forma simplificada. 

Para que uma simulação computacional tenha resultados confiáveis é essencial que os modelos matemáticos estejam consolidados e validados, portanto para as simulações deste trabalho foi escolhido o software PVSYST.

Neste estudo foram consideradas duas simulações no PVSYST, que objetivaram mostrar possíveis ganhos de geração de energia elétrica oriundos das variações no albedo e na temperatura ambiente.

Na primeira simulação utilizamos um sistema de 236 kWp, na localização:  Latitude: -22,82 graus S e Longitude -47,07 graus W, com altitude de 582 m. A instalação foi feita em estrutura fixa, voltada para o norte geográfico, com os módulos fotovoltaicos inclinados em 20 graus. 

O sistema foi dimensionado com 468 módulos fotovoltaicos de 505 Wp, modelo TSM-DEG18MC-20-(II)-505-Bifacial, da fabricante Trina Solar,  contendo 5 fileiras idênticas e um espaçamento entre fileiras (pitch) de 7 metros. 

Foi utilizado 1  inversor de 175 kWac do modelo SUN2000-175KTL-H0, da fabricante Huawei. Foi considerado um coeficiente de reflexão (albedo) de 15% e os resultados mostrados na Tabela II foram obtidos. 

Na segunda simulação foram consideradas as mesmas características do sistema: potência pico do sistema, localização, estrutura, instalações e equipamentos. Neste caso, entretanto, foi considerado um coeficiente de albedo de 30%. Os resultados obtidos são mostrados na Tabela III.

Na terceira simulação, novamente, foram consideradas as mesmas condições, porém com um aumento de temperatura ambiente de 10 graus celsius (Figura 3). Os resultados obtidos são mostrados na Tabela IV.

Na quarta simulação consideramos as mesmas potência pico do sistema, localização, estrutura, instalações e os mesmos equipamentos, com o mesmo albedo da segunda simulação. O diferencial foi o aumento da temperatura ambiente em  10 graus celsius. Os resultados são mostrados na Tabela V.

Figura 3 – Tabela de condições climáticas da quarta simulação no PVSYST, mostrando como a temperatura foi alterada

Conclusões

O impacto do albedo da superfície terrestre foi testado em simulações realizadas no software PVSYST. 

Para validar as simulações, o ideal seria complementar o estudo com medições em ambientes reais, que contemplem um ganho de albedo e variações na temperatura ambiente que fornecerão uma indicação verdadeira de como os ganhos de albedo variam e possivelmente se deterioram com o tempo (ver Figura 4).

Figura 4 – Resultados das simulações realizadas no PVSyst

Nas simulações realizadas com albedos de 15% e 30%, os ganhos em energia elétrica gerada por ano  foram da ordem de aproximadamente 1,77%.

Nas simulações realizadas com albedos de 15% e 30%, porém com aumento de 10 graus celsius em relação aos casos anteriores, na temperatura ambiente, o ganho na geração energia elétrica gerada anualmente foi da ordem de aproximadamente 1,73% (ver Tabela VI).

As perdas de energia elétrica devido ao aumento na temperatura ambiente têm um impacto significativo, independentemente do albedo, como pode ser visto na Tabela VII.

Portanto, conforme resultados apresentados, é muito importante estabelecer critérios na escolha dos materiais utilizados para o tratamento do solo objetivando o aumento do albedo, pois existem casos em que a escolha desses materiais provoca aumento na temperatura do entorno dos módulos fotovoltaicos, proporcionando impactos negativos na geração de energia, conforme mostrado na Tabela VIII.

Os resultados de simulação mostram que existem impactos do albedo e da temperatura na energia gerada, como já era de se esperar.  Os resultados precisam ser validados por meio de medições em campo, para verificar a precisão das simulações realizadas pelo PVSyst. 

De qualquer forma, uma conclusão importante foi obtida: a busca da elevação do albedo deve ser acompanhada da observação da elevação da temperatura ambiente da usina fotovoltaica. Nisto, é importante buscar modos de fazer o tratamento do solo sem elevar em demasia a temperatura. 

Certamente este assunto deve ser objetivo de estudos mais aprofundados, especialmente com plantas experimentais e longos períodos de observação e coleta de dados.

Um trabalho adicional também seria necessário para compreender o processo de envelhecimento de diferentes materiais e o nível de manutenção que isso acarreta. Por exemplo, pode-se estudar como a luz refletida pelo solo impacta a durabilidade de módulos bifaciais com backsheet transparente, em comparação com módulos dotados de vidro traseiro. 

Referências

  • [1]     Aguiar Coelho, G.; Miotto, J. L. Análise comparativa da redução da área de geração de energia fotovoltaica proporcionada por módulos bifaciais. Revista Tecnológica, v. 29, n. 1, p. 242–258, 24 jan. 2020;
  • [2]     Cassa, C. V. L. et al. Análise da expansão da energia solar fotovoltaica no brasil. [s.l: s.n.];
  • [3]     Moreira Júnior, O.; Souza, C. C. DE. Photovoltaic utilization, comparative analysis between Brazil and Germany. Interações (Campo Grande), v. 21, n. 2, p. 379–387, 2020;
  • [4]     Rampinelli, G. A.; krenzinger, A. Descrição de um programa computacional de simulação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica de distribuição. [s.l: s.n.];
  • [5]     Valpecovski Urbanetz, I. et al. Panorama atual e cenário 2025 da energia solar fotovoltaica no brasil. [s.l: s.n.];
  • [6]     Grafulha, M. F., Zanesco, I. Comparação de sistema fotovoltaico com módulos bifaciais e convencionais em condomínio residencial. PUCRS. Acta de la XXXIX Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 4, pp. 04.145-04.155, 2016;
  • [7]     Yusufoglu, U. A.; Pletzer, T. M.; Koduvelikulathu, L. J.; Comparotto, C.; Kopecek, R.; Kurz, H. (2015). Analysis of the annual performance of bifacial modules and optimization methods;
  • [8]     OKE, T.R. Boundary layer climates. London: Routledge, 1987. 435p;
  • [9]   PVSYST, Photovoltaic Software (2021). Albedo Values;
  • [10]     Silva, B. B.; Lopes, G.M.; Azevedo, P.V. de. Determinação do albedo de áreas irrigadas com base em imagens LANDSAT5 – TM. RevistaBrasileira de Agrometeorologia, v.13, p.201-211, 2005.

 

Autores

Canal Solar

Canal Solar

Equipe de Engenharia do Canal Solar

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