Performance Ratio: avaliando a eficiência de usinas fotovoltaicas

O Performance Ratio, mais conhecido como PR, é uma das variáveis mais importantes para avaliar a eficiência de uma usina fotovoltaica.

Especificamente, o Performance Ratio é a razão entre a entrega real e a entrega teórica de energia da usina. É independente da orientação e da localização da usina fotovoltaica e da irradiação solar incidente.

Por essa razão, o PR pode ser usado para comparar usinas em diferentes localidades ao redor do mundo.

Este artigo explica o que é o Performance Ratio e sua função. Você também vai aprender como calcular o PR para sua usina fotovoltaica e conhecer os fatores que influenciam o cálculo desse número.

O que é o Performance Ratio?

O Performance Ratio é uma medida de qualidade de uma usina fotovoltaica que é independente de localização e, portanto, frequentemente descrito como um fator de qualidade da planta.

O PR é normalmente expresso como uma porcentagem e descreve o relacionamento entre a entrega real de energia e a geração teórica de uma usina FV.

Desta forma, mostra a proporção de energia que está realmente disponível para a rede após descontadas as perdas (por exemplo, perdas térmicas e elétricas) e a energia consumida na operação da própria usina.

Um número mais próximo possível de 100% indica que a usina está funcionando de forma eficiente.

Na prática, o valor de 100% não pode ser alcançado, tendo em vista que perdas inevitáveis sempre ocorrem durante a operação de qualquer sistema fotovoltaico. No entanto, usinas de alta performance podem alcançar valores de até 80%.

Qual a função do Performance Ratio?

O Performance Ratio informa o quão eficiente e confiável é a sua usina. Com o PR você pode comparar a entrega de energia da sua usina com a de outras usinas ou monitorar o estado da sua própria usina em um período prolongado.

A determinação do PR em intervalos fixos não proporciona uma comparação absoluta. Ele proporciona ao operador a opção de checar a performance e a entrega: se é presumido que a usina está funcionando de forma otimizada quando ocorre o comissionamento, tendo um determinado PR inicial, então medir valores de PR ao longo do tempo permite a identificação de desvios, o que significa que medidas apropriadas podem ser adotadas para a prevenção de perdas.

Desvios no valor de PR na forma de valores abaixo do normal, portanto, indicam prováveis falhas nos estágios iniciais da usina.

Como o Performance Ratio é calculado?

Você precisa de diferentes variáveis para ser capaz de calcular o PR da sua usina. De um lado, existem os valores de irradiação solar para o local da usina.

Você pode determinar estes valores usando um instrumento que mede a irradiação solar incidente. Do outro lado, você precisa conhecer a potência de pico da usina fotovoltaica, com base nas características e na quantidade de módulos fotovoltaicos.

Requisitos para o cálculo

Se você usar um instrumento que mede a irradiação solar incidente, a orientação dos módulos e do medidor devem ser os mesmos para que o cálculo seja correto. Deve-se assegurar que os módulos e o medidor estejam expostos à mesma quantidade de irradiação solar e temperatura.

Período de análise

O período ideal para a análise do Performance Ratio é de 12 meses. No entanto, você pode selecionar períodos menores se você quiser comparar a sua usina diretamente com outra ou se desejar fazer uma análise inicial do desempenho da planta nos primeiros meses de operação.

Em todo caso, deve-se selecionar um período mínimo de 1 mês para garantir que condições ambientais momentâneas (dias de chuva ou nublados), temperaturas baixas e eventuais sombras não tenham grande influência no cálculo.

Cálculo do PR

O PR de uma usina fotovoltaica com módulos convencionais (não bifaciais) pode ser calculado de acordo com a fórmula a seguir:

PR=Energia gerada [kWh] / Energia esperada [kWh]

A energia real gerada pela planta em kWh, que corresponde ao numerador da equação do PR, pode ser medida no medidor de exportação para a rede.

A energia teórica esperada da usina, que corresponde ao denominador da equação do PR, pode ser calculada pela equação a seguir:

Energia esperada [kWh] = Energia solar coletada [kWh] . Eficiência dos módulos [%]

Na expressão acima, a energia solar coletada corresponde à irradiação incidente na superfície dos módulos fotovoltaicos multiplicada pela área dos módulos, como mostra a equação a seguir. A eficiência, por sua vez, é a eficiência de conversão em STC (condição padrão de teste) encontrada na folha de dados.

Energia solar coletada [kWh] = Irradiação solar [kWh/m2] . Área dos módulos [m2]

Conceitualmente, a energia esperada corresponde à soma da energia solar coletada pelos módulos fotovoltaicos em um determinado intervalo de tempo, multiplicada simplesmente pela eficiência de conversão fotovoltaica.

Ressalta-se que o cálculo da energia esperada desconsidera todas as perdas existentes em um sistema fotovoltaico e fornece uma expectativa teórica de geração de energia elétrica a partir da irradiação solar coletada pela superfície dos módulos fotovoltaicos.

O cálculo da energia esperada pelo produto da irradiação solar, da área dos módulos e da eficiência da folha de dados, conforme as expressões mostradas anteriormente, consiste na forma mais intuitiva possível para se obter o valor esperado.

Pode-se demonstrar que o cálculo mostrado acima corresponde exatamente à definição do PR de acordo com a norma IEC 61274-1:2021, item 14.3.1, que apresenta a seguinte equação:

PR = (Energia gerada [kWh] / Potência de pico [kW]) / (Irradiação [kWh/m2] / Irradiância padrão [kW/m2])

Na expressão acima, a irradiância padrão corresponde ao valor usado na determinação da potência de pico do módulo fotovoltaico, ou seja, 1000 W/m2 ou 1 kW/m2.

A divisão da irradiação [kWh/m2] de um determinado intervalo de tempo pela irradiância padrão (1 kW/m2) resulta no número de horas de sol pleno daquele período. Em seguida, a multiplicação da potência de pico do arranjo fotovoltaico pelo número de horas de sol pleno resulta na energia esperada do sistema.

De forma muito mais intuitiva, chega-se ao mesmo resultado pela simples multiplicação da irradiação solar do período considerado [kWh/m2], da área dos módulos fotovoltaicos [m2] e da eficiência de conversão encontrada na folha de dados.

Este método de cálculo pode ser empregado com facilidade por proprietários de sistemas fotovoltaicos para o cálculo do PR desde que possuam duas informações muito importantes: a energia injetada na rede elétrica [kWh] e a irradiação solar [kWh/m2] no plano dos módulos – estas informações podem ser encontradas no sistema de monitoramento da usina solar, desde que ela possua a instrumentação necessária.

Exemplo: cálculo do Performance Ratio em um período de análise de 1 ano

Este exemplo descreve o cálculo do PR usando dados extraídos dos acessórios Sunny SensorBox e  Sunny WebBox de uma usina solar que emprega inversores da SMA.

O cálculo deve ser visto como uma opção alternativa. A SMA Solar oferece cálculo automático do PR na plataforma de monitoramento Sunny Portal.

Para a realização do cálculo precisamos das seguintes informações:

• Período de análise: neste exemplo o período é de 1 ano;
• Área de geração da usina: é o número de módulos multiplicado pela área frontal do módulo, que pode ser encontrada na folha de dados;
• Eficiência dos módulos: é a eficiência em STC encontrada na folha de dados do módulo;
• Energia exportada real: medida no medidor de energia exportada da usina solar;
• Energia esperada da usina: calculada através da fórmula apresentada anteriormente;
• Irradiação solar incidente:  irradiação [kWh/m2] no plano dos módulos registrada no período considerado.

Se você utilizar inversores e acessórios da SMA, para determinar este valor, você pode utilizar os valores de irradiação enviados pelo Sunny SensorBox para o Sunny WebBox.

O Sunny WebBox regularmente requisita os valores medidos pelo SensorBox. O WebBox então calcula a média diária destes valores individuais. Para determinar a média de irradiação solar no período de análise, você precisa extrapolar os valores de média diária. Para fazer isso, proceda da seguinte forma.

O Sunny WebBox guarda os valores médios de irradiação incidente da planta, dependendo das configurações da interface de usuário, em intervalos de 5, 10 ou 15 minutos.

O Sunny WebBox guarda os valores médios de cada mês em conjunto com outros valores médios da sua planta nos diretórios corretos como .csv ou .xml.

Para calcular o valor de irradiação em 1 ano, por exemplo, você deve primeiro calcular os valores mensais. Para fazer isso, some os valores médios diários do mês específico.

Você então divide o valor pelo número de dias no mês, o que então dá o valor mensal médio. Desta forma, você pode calcular a média mensal de todos os 12 meses do ano.

Para calcular a média anual, você simplesmente soma as 12 médias mensais e divide o valor por 12.

Você então extrapola o valor médio calculado para sua área de geração. Desta forma, você obtém o valor nominal da usina para o período de análise do ano, que você pode incluir com os outros valores na fórmula para calcular o Performance Ratio.

Os valores a seguir são utilizados neste exemplo:

• Período de análise: 1 ano
• Irradiação solar média em 1 ano: 120 kWh/m²
• Área de geração da usina: 10 m²
• Eficiência dos módulos: 15%
• Energia elétrica exportada para a rede: 110 kWh

Os valores de irradiação medidos no local retornam um valor médio de irradiação solar para o período completo de análise de 120 kWh/m². Este valor de irradiação é então extrapolado pela área da usina da seguinte forma, para o cálculo da energia solar coletada:

Valor de Irradiação emkWhm2·Área da Planta em m2=120kWhm2·10 m2=1200 kWh

Para, de forma subsequente, calcular a energia esperada da usina, o valor da energia solar coletada é multiplicado pela eficiência do módulo:

1200 kWh ·15%=180 kWh

Então se obtém uma entrega esperada de 180 kWh para o período de análise. Esta energia esperada, se fosse atingida, corresponderia a um PR de 100%. No entanto, o valor real de energia entregue para a rede foi de apenas 110 kWh.

A partir dos valores obtidos tem-se o Performance Ratio:

PR=110 kWh180 kWh=61%

O valor de PR encontrado neste exemplo é de aproximadamente  61%. Isso significa que aproximadamente 39% da energia solar que seria convertida em energia elétrica deixou de estar disponível devido a perdas térmicas, elétricas e ópticas, entre outras, existentes na usina.

O Performance Ratio age como um indicador e pode indicar a necessidade de uma inspeção mais detalhada da usina para que, por exemplo, sujeira nos módulos seja removida ou componentes sejam trocados.

Cálculo automático do PR pela plataforma de monitoramento

Você também pode calcular o Performance Ratio automaticamente ao transmitir os dados correspondentes da sua usina para o Sunny Portal. No Sunny Portal, você também pode ver o Performance Ratio presente em formato gráfico.

Os seguintes requisitos devem ser cumpridos para o cálculo do PR no Sunny Portal:

• Ter um Sunny WebBox que transmita os dados requisitados ao Sunny Portal
• Ter um Sunny SensorBox conectado ao Sunny WebBox
• Ter os sensores de irradiação Sunny SensorBox

Fatores que influenciam o Performance Ratio

O Performance Ratio é uma variável puramente baseada em definições, que sob a influência de certos fatores, podem apresentar resultados incorretos.

Isso porque as características de performance de módulos fotovoltaicos são definidas a partir de parâmetros padrão (1000 W/m² e 25 °C). Condições desviantes durante a operação real, podem influenciar o Performance Ratio.

Os seguintes fatores podem influenciar o valor de PR:

• Fatores ambientais: temperatura dos módulos, irradiação solar e dissipação de energia, erros nos instrumentos de medição, sombras, sujeira
• Outros Fatores: período de gravação, perdas elétricas, erro na especificação dos módulos fotovoltaicos, eficiência dos inversores, diferença em tecnologia de célula solar do módulo e do medidor de radiação solar, orientação do instrumento de medição (Sunny SensorBox)

Fatores ambientais

Temperatura dos módulos fotovoltaicos

A performance e a eficiência de uma célula solar dependem, dentre outros fatores, da temperatura de operação. Em temperaturas menores, um módulo fotovoltaico é particularmente eficiente.

Por exemplo, o módulo está frio quando o céu está nublado no inverno. Isso pode brevemente gerar valores altos de PR. Após um certo período, o módulo esquenta e a eficiência cai de novo.

Irradiação solar e dissipação de energia

Durante a manhã, fim de tarde e especialmente no inverno, quando o sol está baixo, o valor da irradiância (potência da luz por metro quadrado) se aproxima do valor de dissipação (= diferença entre entrada e saída de energia) de forma mais estreita que nos outros momentos do dia e ano. Por essa razão, o valor de PR é menor que o normal.

Instrumento de medição (Sunny SensorBox) na sombra ou sujo

Dependendo da localização da instalação, plantas e prédios podem sombrear o instrumento de medição (Sunny SensorBox) temporariamente ou de forma permanente. Especialmente quando o sol está baixo, partes da própria usina podem sombrear o instrumento.

O sombreamento, parcial ou completo, pode levar a valores de PR incorretos de mais de 100%. Além disso, fatores ambientais como pó ou pólen podem causar sujeira na usina e também gerar valores maiores de 100%.

Sombra ou contaminação de painéis fotovoltaicos

Dependendo da localização da instalação, plantas e prédios podem sombrear o instrumento de medição (Sunny SensorBox) temporariamente ou de forma permanente.

Além de sujeira causada por fatores ambientais, pode haver sombreamento dos painéis. Esse sombreamento leva o painel a absorver menos irradiação do que o normal. A eficiência do módulo e o PR também caem.

Outros Fatores

Período de medição

Se o período de medição é muito curto (menos de 1 mês), não existem medidas o suficiente para um cálculo confiável do Performance Ratio. Elevação solar baixa, baixas e altas temperaturas e sombreamento influenciam no resultado mais fortemente, tendo em vista que não há dados suficientes.

Perdas de condução elétrica

Com a transmissão de energia do inversor para o medidor de energia exportada para a rede, perdas de condutibilidade podem ocorrer dependendo do tipo dos cabos usados. O valor de PR pode ser reduzido por perdas elétricas.

Eficiência dos módulos fotovoltaicos

A eficiência dos módulos tem influência decisiva no Performance Ratio da usina. Quanto maior a eficiência, maior o PR (limitado às condições ambientais correspondentes).

Eficiência do inversor

Se o inversor usado na usina é altamente eficiente, pode-se resultar em um PR maior. Inversores SMA com eficiência acima de 90% possibilitam valores de PR com mais de 80%)

Diferentes tecnologias de célula Fotovoltaicas nos módulos e instrumentos de medição

Existem diferentes tipos de células fotovoltaicas para módulos. Os três tipos seguintes são os mais frequentes: silício monocristalino e silício policristalino.

Se o instrumento de medição instalado na usina (Sunny SensorBox) usa uma tecnologia diferente daquela empregada nos módulos, pode-se resultar em desvios de PR.

Degradação das células fotovoltaicas

A degradação por idade das células fotovoltaicas pode resultar em valores menores de PR ao longo do tempo.

Orientação do instrumento de medição (Sunny SensorBox)

Se a planta possui um instrumento de medição (Sunny SensorBox) que não está alinhado com os módulos da planta, podem resultar valores de PR de mais de 100% devido ao erro na medição da irradiação coletada pelos módulos fotovoltaicos.

Referência

Este artigo foi livremente baseado no documento técnico “Performance Ratio – Fator de qualidade para o sistema fotovoltaico” da SMA, disponível neste link, com revisão e adendos técnicos da equipe de engenharia do Canal Solar.