Cooperação internacional para garantia de confiabilidade da geração solar fotovoltaica em diferentes climas

A energia solar fotovoltaica é a fonte de energia elétrica mais bem distribuída por todo o nosso planeta e seu desempenho depende principalmente de fatores naturais como a disponibilidade de radiação solar e a temperatura de operação da célula fotovoltaica. A qualidade do equipamento, do projeto e da instalação complementam os requisitos para que um gerador solar possa produzir energia elétrica por décadas com manutenção mínima, baixo custo e operação desassistida.

Vale recordar, como foi mostrado em artigos anteriores (https://www.portalsolar.com.br/noticias/autor/prof-dr-ricardo-ruther), que o gerador solar fotovoltaico conectado à rede elétrica mais antigo do Brasil opera desde 1997 no Laboratório Fotovoltaica/UFSC (www.fotovoltaica.ufsc.br) e irá completar em setembro próximo 25 anos de operação ininterrupta.

Neste início de 2022 se completam 10 anos desde a publicação da Resolução Normativa 482/2012 da ANEEL que deu início ao crescimento exponencial que a geração fotovoltaica vem experimentando no Brasil nos últimos anos. No mundo, neste início de 2022 iremos alcançar a marca de 1 TWp (1000 GWp) de capacidade acumulada de produção de módulos solares fotovoltaicos.

O ano de 2022 marca também a publicação da Lei 14.300 que regulamenta a geração distribuída no país e que estende por mais 12 meses as condições atuais de conexão de geradores fotovoltaicos à rede elétrica de distribuição.

A partir do próximo ano haverá a cobrança de um adicional de uso do sistema de distribuição (TUSD Fio B) que incidirá sobre o montante de energia exportado para a rede elétrica da concessionária. Assim, mais do que nunca, obter o máximo desempenho, confiabilidade e durabilidade do gerador solar fotovoltaico passa a ser uma questão de grande importância técnica e econômica.

Desde o início da instalação e comercialização de geradores solares fotovoltaicos, as questões de confiabilidade têm ocupado a comunidade científica e tecnológica mundial, na busca constante de otimização de desempenho e durabilidade das instalações.

Em 2018 uma cooperação internacional para acompanhar e aumentar a confiabilidade da geração solar fotovoltaica em diferentes climas foi formada entre um conjunto de institutos de pesquisa e universidades espalhadas por todo o mundo.

O PV CAMPER (Photovoltaic Collaborative to Advance Multi-climate Performance Energy Research, https://energy.sandia.gov/photovoltaics/pv-systems-and-reliability/pv-camper/) é atualmente formado por uma comunidade de instituições de pesquisa comprometidas em compartilhar dados meteorológicos e de desempenho de geradores solares de alta fidelidade para avançar na pesquisa fotovoltaica e expandir a confiabilidade da tecnologia solar em todos os cantos do planeta, apoiando a transição do mundo para um futuro intensivo em energia solar.

Atualmente o PV CAMPER conta com 12 instituições e uma rede de 16 estações de campo que abrangem ambos os hemisférios e a maioria das principais zonas climáticas, como mostra o mapa a seguir.

Mesmo dentro de um mesmo país, é possível encontrar diferentes condições climáticas que podem afetar a operação dos sistemas fotovoltaicos. O Brasil, por exemplo, conta com 12 subtipos climáticos segundo a classificação Köppen-Geiger (https://www.britannica.com/science/Koppen-climate-classification) e já foi demonstrado que tais diferenças climáticas resultam em efeitos diferentes nas diversas tecnologias fotovoltaicas comercialmente disponíveis.

Cada instituição membro do PV CAMPER opera um ou mais laboratórios com estação solarimétrica e geradores fotovoltaicos em campo e está ativamente engajada na otimização do desempenho fotovoltaico e pesquisa de confiabilidade.

Para facilitar a colaboração e garantir qualidade de dados em todos os sites, representantes do PV CAMPER concordaram em implantar instrumentação semelhante e compartilham métodos de coleta de dados e protocolos de O&M. O resultado é uma rede de laboratórios ao ar livre que são utilizados para investigações que vão desde a experimentação até estudos de simulação e validação das modelagens de desempenho e durabilidade.

A adoção em grande escala da tecnologia solar em todo o mundo requer medições realizadas com confiança e instrumentação adequada e calibrada, para possibilitar a identificação de condições ambientais locais e seu papel na confiabilidade de longo prazo.

Para enfrentar esses desafios, o PV CAMPER tem por objetivos:

• Fomentar projetos de P&D colaborativo nas áreas de validação de desempenho fotovoltaico e confiabilidade;

• Fornecer uma plataforma global para avaliar tecnologias fotovoltaicas emergentes de alta eficiência e para identificar e quantificar os fatores que mais contribuem para o desempenho específico destas tecnologias;

• Gerar um conjunto de melhores práticas em relação a coleta de dados; quantificar e reduzir incertezas de medição e aumentar a precisão e aplicabilidade de modelos de avaliação de desempenho;

• Desenvolver uma base técnica para avaliar novas tecnologias, incluindo novos tipos de células e módulos fotovoltaicos, com relação aos seus ambientes operacionais (sensibilidades espectrais, características de irradiância, faixa de temperatura, etc.).

O PV CAMPER é uma organização aberta e em constante crescimento e estimula a entrada de novos membros dispostos a atender aos elevados padrões de qualidade das instalações e medições e disponibilidade de dados a serem compartilhados. Para tanto, cada instituição membro deve manter um site ao ar livre com as seguintes capacidades técnicas:

• Gerador fotovoltaico de referência utilizando a tecnologia fotovoltaica de silício cristalino ligado à rede e com medições de variáveis elétricas com alta resolução temporal, para análise comparativa de dados e estabelecimento uma linha de base com a qual outras tecnologias podem ser comparadas;

• Instrumentação meteorológica de alta precisão para medir vários níveis de irradiância (DNI, GHI, DHI, POA e albedo), precipitação, umidade relativa do ar, temperatura ambiente e velocidade e direção do vento);

• Estação de medição de sujidade;

• Instrumentação de monitoramento de dados em CC de alta resolução para medir o desempenho dos sistemas fotovoltaicos;

• Sistemas de aquisição de dados de alta frequência (resolução mínima de 10 segundos) para dados meteorológicos e de desempenho fotovoltaico;

• Recursos de caracterização que atendam ao padrão IEC.

Todos os membros do PV CAMPER assinam um Memorando de Entendimento concordando em:

1. Transmitir dados diariamente para um banco de dados em nuvem, que podem ser acessados ​​por qualquer dos membros e instituições parceiras;

2. Adotar a caracterização de linha de base do PV CAMPER e os protocolos de O&M correspondentes;

3. Participar dos projetos de P&D colaborativo do PV CAMPER e coordenar um destes projetos;

4. Participar de teleconferências mensais e presenciais quando possível.

A rede de instituições de investigação do PV CAMPER reflete um objetivo comum: o desejo de promover e fazer crescer uma comunidade que pode ajudar a fazer a transição do mundo para um ambiente mais solar futuro. Coletivamente, esta organização oferece:

• Repositório de dados meteorológicos e de desempenho de geradores fotovoltaicos de alta resolução e disponibilidade, com dados de desempenho geograficamente e climaticamente diversos;

• Ampla experiência de suas equipes em áreas de pesquisa fotovoltaica como perdas de sujidade, fontes de incerteza (persistência e cobertura de nuvens, umidade, partículas transportadas pelo ar) e resposta espectral das diferentes tecnologias fotovoltaicas (comercialmente disponíveis e futuras/emergentes);

• Dados para apoiar o projeto e otimização de sistemas fotovoltaicos em ambientes operacionais específicos, ajudando a aumentar os mercados e expandir a indústria solar em qualquer região geográfica do planeta.

O Brasil contribui com uma equipe altamente capacitada e duas estações climáticas com geradores fotovoltaicos em campo, como mostra o mapa da Figura 1. Os sites brasileiros contam com instrumentação de alta qualidade e elevada resolução de coleta de dados (1 segundo) e são ilustrados pelas figuras 2 e 3.

Mais informações sobre a iniciativa do PV CAMPER podem ser obtidas diretamente no website do projeto, hospedado pelo Sandia National Laboratory nos EUA https://energy.sandia.gov/photovoltaics/pv-systems-and-reliability/pv-camper/.

Sobre o autor: Ricardo Ruther é professor titular da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), doutorado em Electrical and Electronic Engineering - The University of Western Australia (UWA-1995) e pós-doutorado em Sistemas Solares Fotovoltaicos realizado no Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems na Alemanha (Fraunhofer ISE-1996) e na The University of Western Australia (UWA-2011). Atualmente é coordenador do Laboratório FOTOVOLTAICA/UFSC (Grupo de Pesquisa Estratégica em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina, cadastrado no Diretório de Grupos de Pesquisa do CNPq).