Os principais fatores que influenciam na geração do sistema fotovoltaico
A determinação da potência real gerada por um sistema fotovoltaico para ser utilizada nos aparelhos e equipamentos é mais complexo do que pode parecer. Muitos fatores devem ser observados para que o sistema gere a energia requisitada pelo utilizador.
Radiação solar sobre os módulos
A radiação ou intensidade luminosa, mais precisamente, a radiação direta, é a quantidade de energia proveniente do sol que chega a um determinado ponto, e é diretamente proporcional à capacidade de gerar energia do módulo fotovoltaico. Isto é, se um determinado painel que recebe 1000 W/m² de radiação na sua superfície (em condições padrão de teste ou Standard Test Conditions – STC) gera 240 W, irá assim gerar 120 W com a radiação de 500 W/m², se forem mantidas todas as condições anteriores (tensão de saída, temperatura, posicionamento e etc.). Logo, é fácil concluir que em dias nublados o sistema fotovoltaico irá gerar menos energia do que em dias ensolarados, assim como de manhã ou ao entardecer também irá gerar menos energia que ao meio-dia.
Outro fator importante é a localização geográfica do sistema fotovoltaico. Por conseguinte, deverá considerar a radiação média durante todo o ano.
Inclinação e orientação dos painéis
Este também é um fator que influencia bastante a produção do sistema de energia solar. Dada uma certa radiação, a posição que irá proporcionar a maior produção de energia é a incidência direta do feixe luminoso no painel (perpendicular ao plano do módulo). É óbvio que esta condição será raramente atendida na prática, já que o sol movimenta-se durante todo o dia (e durante o ano) e o telhado das casas nem sempre possui a orientação ideal. Mas é sempre possível otimizar, aproximando-o da condição ideal (no Hemisfério Norte, a orientação ótima de uma instalação é a direção Sul).
A inclinação dos módulos também irá otimizar a produção do sistema fotovoltaico. Como referido acima, o sol movimenta-se durante todo o ano mudando sua inclinação em relação ao plano. O cálculo para a otimização da produção dos painéis solares é complexo e requer a utilização de programas específicos para a sua determinação. Entretanto, para simplificação, costuma-se adotar a inclinação ideal dos painéis como sendo o valor da latitude que o sistema se encontra. A inclinação ideal tendo em conta a produção durante todas as estações do ano é de 30º.
Sombra sobre os módulos
Este pode parecer não muito relevante, mas é um dos principais fatores que influenciam instantaneamente a produção do sistema fotovoltaico. Tanto que os fabricantes dos painéis solares implementam sistemas (como diodos de by-pass) para diminuir o impacto na geração do sistema fotovoltaico. De facto, apenas uma folha em cima de um módulo é capaz de afetar não só o painel solar em questão, mas o sistema como um todo. Isto porque as células bloqueadas pela sombra não irão gerar corrente elétrica, de tal forma que estas funcionarão como uma carga (resistência) limitando a corrente de todas as células em série. Se este problema persistir por muito tempo, as células sombreadas poderão queimar (criando hot-spots) e afetar a geração de energia do módulo inteiro. É de senso comum que qualquer fator gerador de sombra deve ser evitado da maior forma possível (árvores, edifícios e etc.). Existem até equipamentos e aplicações móveis que auxiliam o instalador do sistema na verificação desses elementos.
Sujidade nos painéis
Quando as partículas de sujidade se acumulam sobre a face dos módulos fotovoltaicos, a quantidade de energia solar que chega às células irá diminuir. Obviamente, a face dos módulos fotovoltaicos estará menos transparente, permitindo uma menor entrada de luz para gerar o efeito fotovoltaico.
Deste modo, é necessário ter uma frequência de manutenção preventiva para a limpeza dos módulos, evitando a acumulação excessiva de poeira, fuligem, partículas e outras sujidades (como fezes de pássaros). Se os módulos forem instalados em locais com altos índices de poluição atmosférica (como em grandes centros urbanos ou industriais), é necessária uma periodicidade maior, pois a acumulação de sujidade pode tornar-se significativa e afetar demasiado a produção de energia solar. A permanência desta sujidade será tanto menor, quanto melhor funcionar o sistema de autolimpeza do gerador. A autolimpeza resulta da lavagem da sujidade pela água da chuva. Para que esta autolimpeza ocorra, será suficiente os painéis serem colocados com um ângulo mínimo de inclinação de 12º. Para uma inclinação ótima em termos da produção de energia, superior a 22º (no caso Português), consegue-se ter uma boa autolimpeza dos módulos.
Temperatura
A temperatura é um dos principais fatores que afetam o rendimento da produção fotovoltaica. A própria produção de energia aumenta a temperatura das placas, de modo que, as mesmas, terão sempre uma temperatura maior que o ambiente.
O problema está no facto de que a potência de produção dos módulos diminui com a temperatura das células. Os próprios fabricantes devem informar qual a taxa de decréscimo de geração de potência em função da temperatura (o chamado “coeficiente de temperatura”, dado em %/°C, com valor negativo). Este é um fator muito importante, especialmente no nosso país onde as temperaturas máximas são muito elevadas durante os meses de verão. Com painéis de baixa qualidade podemos facilmente perder 20% da potência com o aumento da temperatura. Assim, um baixo coeficiente de temperatura assegura que o seu painel continua a produzir bem, mesmo nos dias mais quentes.
Diversos fatores influenciam a temperatura real dos módulos, mas os principais são: a temperatura ambiente e o tipo de estrutura de fixação. Quanto maior a temperatura ambiente, maior será a temperatura das células das placas solares. Claro que a temperatura média anual difere de cidade para cidade (mas também é importante a radiação). Geralmente, as cidades mais quentes têm também maior radiação, pelo que um fator “compensa” o outro). O segundo fator (tipo de fixação) relaciona-se mais com a refrigeração natural dos módulos. Por exemplo, os módulos fixados em estruturas totalmente elevadas do solo possuem uma maior refrigeração natural (fluidez do ar e passagem de vento) do que os sistemas cujos módulos estejam fixados em telhados. Por conseguinte, é correto afirmar que a eficiência em função da temperatura é maior para sistemas com módulos fixados em estruturas elevadas do que os que estão instalados em telhados. No entanto, as estruturas fixadas nos telhados são as opções mais económicas e as mais utilizadas.
Perda de eficiência dos módulos
As células de fotovoltaicas de silício cristalizado perdem eficiência no decorrer dos anos, é por isso errado afirmar que os sistemas fotovoltaicos continuarão gerando a mesma potência durante toda a sua vida útil. Pois, no primeiro ano do sistema instalado, as placas solares têm uma perda de eficiência de 1% a 2% e nos demais anos de 0,5% a 0,8%.
É esperado que no décimo ano o sistema fotovoltaico tenha um rendimento superior a 90%, pois a maioria dos fabricantes de módulos fotovoltaicos dão garantia de eficiência, em 10 anos, superior a 90%, em relação à energia gerada no começo do primeiro ano.
Esse fator não deve ser negligenciado no dimensionamento do sistema e, especialmente, no cálculo do retorno de investimento do mesmo. Já que, se for desconsiderado, o sistema poderá ter um retorno de investimento com o prazo maior do que o esperado.
Tolerância e incompatibilidade elétrica
Todos os módulos fotovoltaicos possuem as devidas especificações fornecidas pelo fabricante, para as condições ideais de laboratório. Os módulos são testados num simulador solar e a potência-pico individual será ligeiramente diferente entre os modelos (variância). Deste modo, os fabricantes informam quais são as tolerâncias de potência nos datasheets (folhas de cálculo) e é comum haver “tolerância de potência negativa” (ex.: -3%/+3%). O mesmo é válido para a tensão e corrente nominal. A potência real de cada painel solar pode ser verificada solicitando à empresa instaladora o respetivo flash report, no qual são demonstradas as características elétricas individuais de cada painel à saída da linha de produção.
Tendo isto em consideração, constata-se que as características elétricas variam de unidade para unidade e, quando se associa módulos fotovoltaicos com diferentes níveis de tensão, corrente e potência, acontece um “nivelamento inferior”, com os valores de tensão e corrente do painel fotovoltaico (conjunto de módulos) sendo “forçados a funcionar de forma inferior” pelos componentes de menor potência.
Mesmo quando se utiliza equipamentos idênticos e de excelente qualidade, é prática comum considerar um pequeno valor de perda, que é conhecido internacionalmente pelo termo em inglês: “mismatching losses”.
Perdas no inversor
As perdas no inversor não podem ser desconsideradas, a energia que os módulos fotovoltaicos produzem, de facto, não será completamente utilizada, pois uma parte será perdida no inversor. Estas perdas estão na ordem dos 2,5 a 5 % e são integradas nas perdas gerais do sistema. As perdas podem igualmente ocorrer nos cabos. Uma parte da energia que entra no dispositivo é utilizada para o funcionamento dos seus componentes internos, enquanto que outra parte é perdida durante os processos de chaveamento e conversão de potência.
Como referência, alguns fabricantes fornecem tabelas de eficiência dos inversores, que relacionam a sua potência nominal com a potência efetivamente recebida, enquanto que outros fabricantes fornecem um gráfico de rendimento. Isto significa que os inversores interativos possuem várias eficiências de acordo com a percentagem da sua potência nominal que recebem do sistema fotovoltaico. Assim, ao longo do dia (e do ano) o seu rendimento varia em função da produção de potência do arranjo fotovoltaico, que por sua vez varia de acordo com a irradiação e temperatura ambiente. É por esse motivo que os datasheets dos inversores trazem, além da eficiência máxima, o valor da eficiência média.
Um ponto importante que deve ser considerado é a relação entre a potência máxima (de entrada) do inversor e a potência efetiva do arranjo fotovoltaico. Se o inversor for muito subdimensionado em relação ao arranjo fotovoltaico, nos momentos em que a radiação solar for máxima, ele não aproveitará todo o potencial do painel fotovoltaico. Por outro lado, se o inversor for muito superdimensionado em relação ao sistema fotovoltaico, mesmo que este tenha a capacidade de absorver e converter toda a energia gerada pelo painel fotovoltaico, ele não apresentará o seu rendimento máximo.