Os módulos fotovoltaicos são componentes projetados para serem operados durante um longo período, entre 20 e 30 anos. Ao longo desse período é esperado que o arranjo fotovoltaico produza o montante de energia elétrica determinado na fase de projeto. 

Porém, apenas a conexão do(s) arranjo(s) ao inversor não é garantia de desempenho ótimo para o sistema fotovoltaico. Existem fatores controláveis e não controláveis que podem afetar a geração dos módulos momentaneamente ou a longo prazo.  

O objetivo deste artigo é mostrar os principais fatores que interferem na produtividade dos módulos e quais medidas podem ser adotadas para minimizar efeitos negativos na geração. A atenção a esses pontos pode significar aumento de receita e diminuição no tempo de retorno do investimento realizado pelo cliente.  

TEMPERATURA AMBIENTE

A temperatura ambiente é um fator não controlável uma vez que depende do local de instalação, período do dia e estação do ano. A amplitude térmica durante um dia, ou seja, a diferença entre a máxima e mínima temperatura pode facilmente passar dos 15℃. 

Em um sistema fotovoltaico, a produção de energia é significativamente sensível à temperatura do módulo e da célula de silício. Sabemos que a tensão de circuito aberto da célula é inversamente proporcional à temperatura. Isso significa que em períodos mais quentes a célula apresenta uma redução de desempenho. 

O efeito da temperatura sob o módulo fotovoltaico pode ser calculado através do coeficiente térmico fornecido por todo fabricante em sua folha de dados - Figura 1. Esse coeficiente exprime o quanto de desempenho a célula vai perder por não operar na temperatura padrão de 25°C.

        

               Figura 1: Tabela com coeficientes de temperatura para um módulo de 450W. Fonte: CanadianSolar

Por exemplo, um coeficiente térmico de -0,27% significa que para cada grau Celsius acima da temperatura padrão, a produção do módulo será reduzida em 0,27% - Figura 1. Assim, locais com temperaturas elevadas durante o ano são mais afetados em termos de queda de produtividade quando comparado com locais mais frios.

Assim é interessante a escolha de módulos com o menor coeficiente térmico possível, principalmente quando o projeto é localizado em regiões quentes. Para esses casos, uma possível escolha são as células do tipo N. Essas são menos suscetíveis a variações de temperatura quando comparadas com as células do tipo P. 

A variação de temperatura também provoca um efeito de degradação a longo tempo no material utilizado pelo módulo fotovoltaico. Com a variação de temperatura o material se expande e contrai. Com o tempo, esse ciclo térmico causa fadiga do material e comprometimento na geração de energia. 

Para projetos em telhados, uma dica é manter uma separação adequada entre o módulo e o telhado. Essa separação deve ser suficiente para que haja circulação de ar na parte inferior do módulo, reduzindo o aquecimento sob o material. 

ESCOLHA DA TECNOLOGIA 

A tecnologia contida nos módulos é uma decisão tomada na fase de projetos e de compra, porém irá determinar a produtividade de energia por toda a sua vida útil. 

Os fabricantes de módulos fotovoltaicos oferecem, junto com a garantia de produto, a garantia de produtividade de energia. A garantia de produtividade diz respeito à redução de geração devido a degradação com o tempo.

Um módulo com potência nominal de 500W em 2022, não apresentará a mesma potência de saída em 20 ou 30 anos. É esperado que a potência do módulo seja reduzida com o tempo. Boa parte dos fabricantes oferecem garantia de produtividade de 25 a 30 anos, com módulos apresentando potência de saída por volta de 85% do seu valor nominal ao fim da sua vida útil - Figura 2. 

     Figura 2: Garantia linear de produção de energia para módulos Vertex. Fonte: TrinaSolar

Nesse sentido é importante buscar por módulos que se adequem ao cenário de aplicação e que adotem tecnologias para maximizar sua potência durante todo o período de operação. Um exemplo, são os módulos com células tipo N mencionados anteriormente. 

Atualmente, módulos do tipo half-cell e bifaciais se tornaram tecnologias atrativas em termos de geração de energia e de custo. Um módulo do tipo half-cell pode ser escolhido ao invés de um módulo convencional se o foco é a eficiência. Essa tecnologia proporciona aumento de eficiência, em conjunto com maior resistência mecânica e tolerância ao sombreamento parcial. 

Já os módulos bifaciais possibilitam ganhos energéticos ao aproveitar a irradiância na parte traseira do módulo - Figura 3. O valor do ganho depende do albedo do material no solo. Quanto mais refletivo for este material maior o ganho de energia do módulo bifacial comparado ao módulo monofacial. 

Figura 3: Módulos bifaciais permitem aproveitar a irradiância difusa e aumentar a produtividade de energia

Outras tecnologias como Multibusbar e células PERC podem ser utilizadas para melhoria de eficiência através do aumento da reflexão interna de luz. Além disso, módulos com tecnologia Anti-PID (um tipo de degradação progressiva dos módulos) e com menor degradação LID são cada vez mais comuns no mercado. Todas essas tecnologias possibilitam ganhos de geração, melhorias no BOS da instalação e redução no custo nivelado (LCOE).   

CUIDADOS DURANTE O TRANSPORTE, ARMAZENAMENTO, INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO 

O problema de microfissuras em módulos fotovoltaicos é algo recorrente em campo e, muitas vezes, início de um problema mais grave para o arranjo fotovoltaico. Microfissuras são defeitos microscópicos nas células fotovoltaicas, não sendo detectáveis a olho nú. 

Microfissuras reduzem o desempenho energético do arranjo e, podem levar a problemas de segurança com o tempo - Figura 4. As microfissuras restringem o fluxo de corrente nas células, causam pontos quentes e em casos mais extremos podem produzir falhas ao terra ou arcos elétricos. 

Figura 4: Visualização de microfissuras em um módulo através do exame de eletroluminescência. Fonte: PVEL

Para evitar microfissuras nos módulos e perda de desempenho é fundamental garantir um processo seguro e com profissionais capacitados para armazenagem, transporte, instalação e manutenção. Apesar de possuírem vidros resistentes e serem testados sob esforços mecânicos em laboratório, as células FV são frágeis.   

Andar sobre os módulos deve ser proibido sob qualquer hipótese. Apenas o caminhar de um instalador é suficiente para causar essas pequenas falhas nas células e prejudicar a geração de energia de todo o sistema. Em casos extremos a perda de energia pode passar dos 9%, apenas por microfissuras em módulos. 

Um módulo com defeito ou com microfissuras afeta todo o arranjo porque ele limita a circulação de corrente por toda a string. Também é importante notar que em muitos casos o efeito das microfissuras são sentidos com meses ou anos de operação da usina e não de forma imediata. 

As cargas dinâmicas exercidas, principalmente, pelo esforço do vento também podem causar microfissuras nos módulos. O vento provoca a deflexão das células e módulos e, em casos mais extremos, pode danificá-los. Estruturas especialmente projetadas, por exemplo com trackers, podem evitar danos por esforço do vento ao alterar a inclinação das strings.

A sujidade das strings e sombreamento parcial são fatores que devem ser avaliados no projeto e monitorados durante toda a operação da usina. Instalações rurais, industriais, perto de rodovias ou locais com movimento de carros e cargas e, locais com ventos fortes devem possuir um plano de limpeza dos módulos - Figura 5. Da mesma forma, os módulos devem ser inspecionados por fezes de animais, folhas e sujeira. 

               

                Figura 5: Sistemas fotovoltaicos requerem limpeza constante para manter níveis ótimos de geração. 

Todos esses itens podem comprometer o desempenho do arranjo fotovoltaico ao causar sombreamento nas células, pontos quentes e perdas por descasamento (“mismatch”) entre as strings. Ao encontrar módulos ou strings sujos deve-se seguir o procedimento recomendado pelo fabricante para sua limpeza. 

O fabricante do módulo disponibiliza junto a seu produto, um manual contendo as instruções para sua limpeza e conservação. Devem ser observados o tipo de produto de limpeza a ser utilizado, assim como quais os equipamentos adequados para sua higienização. Caso contrário podem haver danos aos módulos, resultando em redução de produtividade e vida útil, assim como perda de garantia.  

COMPATIBILIDADE COM O INVERSOR E USO DE OTIMIZADORES 

Atualmente, módulos com células de 182mm e 210mm vem se tornando tendência no mercado. Esses módulos possuem características elétricas que nem sempre são compatíveis com os inversores encontrados no mercado, principalmente, de gerações mais antigas. 

Inversores strings mais antigos trabalham com correntes de até 11A ou 12A por entrada e são compatíveis com grande parte dos módulos entre 300W e 450W. À medida que a tecnologia de fabricação de células evoluiu e o preço da matéria prima foi reduzido, módulos de correntes maiores foram sendo incorporados ao mercado. 

Assim, um inversor com corrente de trabalho de apenas 12A não é a melhor opção de trabalho para um módulo com corrente de curto-circuito de 15A ou 18A. É fundamental que a corrente de trabalho do módulo esteja o mais próximo possível do intervalo de operação do inversor para evitar perdas de geração por limitação de corrente. 

Outra forma de maximizar a geração do sistema é evitando o descasamento entre strings do mesmo mppt. O descasamento é nada mais que uma diferença entre geração entre um ou mais módulos. Por exemplo, em uma string com 10 módulos em série a corrente de operação vai ser limitada pelo módulo com menor desempenho.

O descasamento entre strings pode ser causado por sujeira, poeira, degradação desigual, temperatura, vegetação, nuvens e fatores de projeto. Por tanto é fundamental que o projeto considere strings de mesmo tamanho e orientação, além de módulos iguais.

Além disso, as instalações devem ser verificadas e compatibilizadas com o projeto. É frequente casos de baixa geração de energia por inconsistências e erros durante a instalação. Mesmo um terminal com baixo/alto torque, o uso de conectores indevidos ou soldas entre os módulos pode resultar em redução de produtividade e riscos à segurança do empreendimento. 

Por fim, para instalações onde existe a possibilidade de sombreamento parcial ou total pode-se avaliar o uso de MLPE (Module Level Power Electronics), como otimizadores de energia ou microinversores. O uso de otimizadores permite que o rastreamento da máxima potência seja feito a nível de poucos módulos, permitindo reduzir as perdas por descasamento entre as strings. Outra vantagem do uso de otimizadores de energia é o monitoramento e detecção de problemas a nível de módulo. 

CONCLUSÃO

Otimizar a geração dos módulos fotovoltaicos nem sempre é uma tarefa simples. Diversos fatores podem interferir na operação e produtividade do sistema ao longo da sua vida útil. 

Fatores não controláveis como temperatura podem impactar a geração do sistema a curto e longo prazo. Por sua vez, tomar medidas como espaçamento adequado entre o módulo e o telhado ou a tecnologia escolhida para o módulo podem minimizar seu impacto.

A escolha do fabricante dos módulos é de fundamental importância para garantir a geração esperada. O desempenho dos módulos depende diretamente do material utilizado, processos de fabricação e controle de qualidade. Os módulos também devem ser testados e certificados por laboratório reconhecidos internacionalmente. 

Cuidados durante o condicionamento, transporte e instalação dos módulos podem evitar riscos à geração do sistema. Medidas proativas como comissionamento e limpeza evitam perdas por descasamento entre as strings e redução de vida útil do sistema. 

Mesmo com as medidas anteriores adotadas podem ser que surjam problemas de geração por fatores diversos. Nesses casos pode-se adotar medições de parâmetros elétricos ou medidas mais avançadas para detecção de problemas, como o uso de câmeras térmicas para identificar pontos quentes no módulos ou análise de curva IV.