UFSC comemora 25 anos do gerador solar fotovoltaico mais antigo do Brasil

O dia 16 de setembro de 2022 é uma data especial para a energia solar fotovoltaica no Brasil. Neste dia, o primeiro sistema fotovoltaico integrado a uma edificação e conectado à rede elétrica pública do Brasil completou 25 anos de operação ininterrupta no Laboratório de Energia Solar Fotovoltaica (www.fotovoltaica.ufsc.br) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Esta data é importante do ponto de vista de demonstração da confiabilidade e desempenho de sistemas fotovoltaicos, considerando que 25 anos é o tempo médio de garantia fornecido pelos fabricantes de módulos fotovoltaicos atualmente disponíveis no mercado.

O sistema de 2 kWp opera desde 1997 e está instalado como um brise na fachada norte do prédio do departamento de Engenharia Mecânica no campus central da UFSC, a sede original do Fotovoltaica/UFSC, laboratório que instalou e monitora este e diversos outros sistemas fotovoltaicos no país.

O Laboratório Fotovoltaica/UFSC é um dos principais laboratórios de pesquisa em energia solar fotovoltaica do Brasil, conta com quatro professores e mais de 50 pesquisadores em diversos níveis da carreira acadêmica, desde iniciação científica até pós-doutorado, com foco principal na otimização, avaliação de desempenho e confiabilidade de sistemas fotovoltaicos, além de suas principais aplicações.

A formação de recursos humanos qualificados nesta tecnologia é também uma das principais atividades do Laboratório Fotovoltaica/UFSC e foi o que levou o Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), a aprovar recursos para a expansão do Laboratório em 2015, que desde então opera no Sapiens Parque, no norte da Ilha de Florianópolis, mostrado na figura abaixo, onde se pode também notar o primeiro ônibus elétrico 100% alimentado por energia solar fotovoltaica do Brasil.

Desempenho após 25 anos de operação

O gerador fotovoltaico foi construído com 2 kWp de potência instalada em uma área total de 40 m². Foram utilizados 68 módulos (54 opacos e 14 semitransparentes) de filmes finos de silício amorfo de dupla junção (módulos vidro-vidro, sem moldura) e inversores, responsáveis por converter a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos em corrente alternada para injeção na rede elétrica.

Além disso, sensores de irradiância e de temperatura estão instalados de modo a possibilitar o monitoramento contínuo do sistema, coletando dados valiosos para avaliação de confiabilidade da tecnologia.

O sistema está orientado para o Norte, com inclinação ótima igual à latitude local (27º) e pode ser visto na figura abaixo, na qual se nota a diferença de sombreamento proporcionada pelos módulos opacos e pelos semitransparentes na fachada vertical da edificação. É importante salientar o avanço que ocorreu na eficiência da tecnologia fotovoltaica ao longo destes 25 anos, pois hoje um gerador de 2 kWp ocupa uma área de cerca de 10 m2 apenas!

O projeto original do sistema de 2 kWp foi realizado de forma que fosse composto por quatro subsistemas, utilizando quatro inversores de 650 W em vez de um único inversor com a potência total do sistema fotovoltaicos. O sistema operou, com a configuração original de quatro subsistemas, de setembro de 1997 até o final de 2008.

Ao longo desse período de 11 anos de operação foram detectadas algumas poucas interrupções de geração que foram rapidamente solucionadas e o sistema foi mantido configurado como instalado, demonstrando a elevada confiabilidade de um gerador deste tipo.

No final de 2008, dois inversores que já operavam continuamente por 11 anos, apresentaram falhas, o que levou a uma reestruturação do sistema, pois não havia possibilidade de consertar ou substituir os inversores originais (que tinham uma eficiência de 90%), uma vez que os mesmos já não eram mais fabricados há alguns anos.

Um novo e mais moderno inversor de alta eficiência (98%), de 2,5 kW, substituiu os quatro inversores originais, de 650 W e baixa tensão de entrada (30 V). Com essa substituição, foi necessário reorganizar as ligações elétricas entre os módulos fotovoltaicos e formar séries (strings) compatíveis com a tensão de entrada do novo inversor.

O sistema passou a operar com cinco conjuntos em paralelo de 13 módulos em série, sendo quatro séries de 13 módulos opacos (4 x 13 x 32Wp) e uma série de 13 módulos semitransparentes (13 x 27Wp), totalizando 2,015 kWp de potência instalada.

O gerador passou por mais duas manutenções, em 2016 e em 2022, em função de problemas nas caixas de junção dos módulos fotovoltaicos. Estes problemas resultaram na necessidade de desconexão de alguns módulos, reduzindo a capacidade total do sistema.

Atualmente, o sistema conta com 5 subsistemas com 8 módulos cada (5 x 8 x 32Wp = 1,28 kWp), utilizando um único inversor. É importante notar que os problemas que causaram a redução do número de módulos do gerador estão associados a componentes dos módulos fotovoltaicos e não à tecnologia em si, sendo que com os avanços no setor, as caixas de junção se apresentam de forma bastante diferente e mais robusta nos módulos fotovoltaicos disponíveis hoje no mercado.

Considerando a nova configuração, os dados coletados indicam uma produtividade de 900 kWh/kWp/ano, 20 % inferior à produtividade energética inicial, que foi de 1.126 kWh/kWp. A avaliação de degradação do gerador fotovoltaico utilizando medidas de potência normalizada do sistema resultou em uma degradação de cerca de 26 % ao longo destes 25 anos.

O índice de degradação encontrado apresenta-se ligeiramente superior àquele informado pelo fabricante, de cerca de 1% ao ano para fins de garantia do produto. Este valor também se apresenta abaixo das médias encontradas na literatura para a tecnologia dos filmes finos (1,5% ao ano na média e 1,0% na mediana).

O primeiro gerador solar fotovoltaico conectado à rede e ainda em operação representa uma contribuição ao conhecimento do desempenho de longo prazo da geração solar fotovoltaica no Brasil, demonstrando que esta tecnologia apresenta elevados índices de confiabilidade e desempenho.

No início do ano de 2022, 10 anos após o marco legal que regulamentou o uso de geradores solares fotovoltaicos na rede elétrica pública em nosso país, o Brasil alcançou a marca de 14 mil megawatts instalados, distribuídos em mais de um milhão de telhados solares espalhados por todo o território nacional.

Esta cifra é emblemática, pois corresponde exatamente à potência instalada em nossa maior usina hidrelétrica, Itaipu, que levou 11 anos para ser construída e entrar em operação parcial, e mais 7 anos para atingir potência nominal. Hoje a energia solar fotovoltaica é a fonte de geração de mais baixo custo, no Brasil e em todo o mundo e desde 2016 é a fonte de geração que mais tem crescido, como mostra a figura a seguir.

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).