Impactos do calor extremo sobre a geração solar

O Brasil passa por uma onda de calor atípico, que acendeu até o dia 17/11 o “alerta vermelho” do Instituto Nacional de Meteorologia – classificação acionada para áreas com temperaturas 5° C acima da média, por mais de cinco dias seguidos, que sinaliza um fenômeno meteorológico de “intensidade excepcional, com grande probabilidade de ocorrência de grandes danos e acidentes”- em 15 estados. Além de afetar a integridade física da população, esse calor intenso, atribuído ao fenômeno El Niño, também afeta o consumo e a geração de energia solar.

O calor intenso levou o Brasil ao maior patamar de demanda de energia já registrado no Sistema Interligado Nacional, acima de 100 GW, na última terça-feira (13/11), quando o alerta vermelho do Inmet foi acionado. A energia solar foi responsável por atender 19% dessa demanda, sendo 10,8% de sistemas de geração distribuída e 8,4% das usinas centralizadas.

Mas as temperaturas acima da média, por outro lado, afetam o desempenho dos módulos fotovoltaicos. “Todo módulo fotovoltaico tem coeficiente negativo de temperatura, ou seja, quando aumenta a temperatura ele diminui o seu desempenho. Mas uma novidade boa são os módulos com a nova tecnologia fotovoltaica TopCon, que têm o menor coeficiente de temperatura conhecido na tecnologia fotovoltaica”, diz o coordenador do Grupo de Pesquisa Estratégica em Energia Solar da UFSC, professor Ricardo Rüther.

“O módulo fotovoltaico, apesar de não gostar de calor, é muito mais tolerante do que o ser humano para a temperaturas extremas. Então a diferença vai ser da ordem de 1%, 1,5%. Se aumentar 5° além da temperatura normal, o módulo TopCon vai perder um pouco mais de 1% de desempenho, enquanto os demais perdem uns 3%”, compara.

Temperaturas elevadas fazem com que os materiais semicondutores dentro das células fotovoltaicas se tornem mais condutores, o que aumenta o fluxo de portadores de carga, reduzindo a voltagem gerada. Existem diferentes estratégias e abordagens para mitigar os efeitos do aumento da temperatura nos sistemas fotovoltaicos.

A melhor tecnologia para resfriamento de módulos

Em 2020, uma equipe de pesquisa internacional analisou todas as tecnologias de resfriamento existentes para painéis fotovoltaicos e indicou as melhores opções atuais e tendências futuras de pesquisa. De acordo com seus resultados, o resfriamento ativo com água, embora caro e não particularmente prático, é a técnica de resfriamento mais eficaz, enquanto os sistemas de resfriamento passivos, apesar de fáceis de aplicar, ainda têm possibilidades limitadas.

As conclusões foram publicadas no estudo Advanced cooling techniques of P.V. modules: A state of art, publicado na Case Studies in Thermal Engineering por um grupo de pesquisadores internacionais da Universiti Malaysia Pahang, do Instituto Nacional de Tecnologia Maulana Azad da Índia e da Universidade Estadual dos Urais do Sul da Rússia.

No artigo, os cientistas reconheceram que atualmente é difícil identificar uma técnica de resfriamento fácil de aplicar e econômica entre as existentes, devido à falta de dados de eficácia econômica. Os métodos ativos, que requerem o uso de água, ar ou outros líquidos, diferem dos sistemas passivos por dependerem de fonte de alimentação, o que contribui para torná-los mais caros que seus equivalentes.

O estudo apresenta técnicas ativas, incluindo resfriamento baseado em ar, resfriamento baseado em líquido, circulação forçada de água, resfriamento por imersão em líquido, pulverização de água; e métodos passivos, como resfriamento de materiais de mudança de fase (PCM), tubos de calor, dissipador de calor ou aletas e trocadores de calor, trocadores de calor microcanais, resfriamento radiativo do céu, resfriamento baseado em nanofluidos, resfriamento termoelétrico, resfriamento evaporativo e resfriamento de filtro de espectro. Ele também descreve uma pequena série de sistemas de refrigeração híbridos e multiconceitos que estão sendo desenvolvidos atualmente.

Entre os desafios que os desenvolvedores precisam enfrentar para construir sistemas de refrigeração eficientes, a equipe de pesquisa indicou, entre outros, a necessidade de equilibrar o alto custo inicial com maior desempenho, os custos de manutenção dos dispositivos, a falta de testes padrão e a mitigação dos riscos de hotspots, que aumentam a temperatura do painel.

“Se um sistema for projetado sem considerar as influências ambientais, os custos de manutenção do dispositivo poderão superar os benefícios da melhoria da produção de energia”, diz o artigo. “As tecnologias baseadas em ar e água estão bastante maduras e já foram amplamente documentadas entre todos os sistemas de refrigeração. No entanto, os sistemas baseados em refrigerante e os tubos de calor continuam a sofrer, mas ainda existem alguns problemas técnicos/de custos que proíbem a sua utilização em larga escala.”

Quanto aos métodos ativos, os académicos acrescentaram que especialmente o arrefecimento a água é uma técnica de arrefecimento fácil e eficaz, observando que as pesquisas sobre este assunto deve continuar. No entanto, estas tecnologias também são definidas como pouco práticas, uma vez que a área circundante do sistema fotovoltaico deve ter um fornecimento constante de água fria e o conjunto a ser arrefecido deve ter escala para compensar os custos da energia necessária. Os métodos passivos, embora incluam componentes extras como tubos de calor, dissipadores ou trocadores, são apontados como relativamente fáceis e econômicos de produzir e, ao mesmo tempo, com “possibilidades limitadas”.