Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) investigaram o impacto dos sistemas fotovoltaicos de telhado em microclimas e temperaturas urbanas e descobriram que essas instalações, apesar de seu potencial para aumentar a sustentabilidade energética, poderiam “inadvertidamente” aumentar o calor urbano.
A pesquisa foi conduzida no campus úmido subtropical HKUST que hospeda vários sistemas fotovoltaicos desde 2020. A iniciativa envolveu a instalação de mais de 8.000 painéis solares em 50 locais do campus, gerando até 3 milhões de kWh de eletricidade.
“Durante uma visita aos telhados equipados com PV, os pesquisadores observaram que os painéis estavam extremamente quentes – quentes o suficiente para aparentemente fritar um ovo”, disse o principal autor da pesquisa, Chen Liutao, à pv magazine. “Essa observação inspirou a equipe a implantar sensores ambientais em vários telhados para monitorar as temperaturas do ar e da superfície e investigar os possíveis impactos térmicos dos sistemas fotovoltaicos nos telhados.”
Os resultados revelaram que os telhados equipados com sistemas fotovoltaicos experimentaram temperaturas elevadas do ar ambiente em comparação com os telhados convencionais. Durante o mês mais quente de julho, a temperatura do ar acima dos telhados fotovoltaicos foi, em média, 1,3 °C mais alta do que os telhados convencionais sem unidades de ar condicionado (AC) e 0,7 °C mais alta do que aqueles com unidades de ar condicionado. Para médias de 15 minutos, a diferença de temperatura chegou a 5,2 °C ao meio-dia.
Os acadêmicos também examinaram o comportamento térmico dos próprios painéis fotovoltaicos, descobrindo que, sob forte radiação solar durante as ondas de calor, as superfícies dos painéis fotovoltaicos podem atingir temperaturas de até 65,8 °C, com médias mensais 9,7 °C mais altas do que as superfícies de concreto. Este efeito de aquecimento foi atribuído à alta absorção solar e baixa inércia térmica dos painéis. O calor se dissipou no ar circundante por convecção. À noite, os painéis fotovoltaicos esfriavam mais rápido do que os telhados convencionais, diminuindo ligeiramente a temperatura do ar circundante em menos de 1 °C.
Para entender melhor como as mudanças microclimáticas induzidas pela energia fotovoltaica afetam a demanda de energia do edifício, a equipe de pesquisa realizou simulações EnergyPlus para um espaço de escritório no último andar sob um telhado equipado com energia fotovoltaica. Embora uma cobertura fotovoltaica de 50% possa compensar 71% do uso de energia do edifício por meio da geração de eletricidade, o aquecimento ambiente causado pelos painéis fotovoltaicos compensa os benefícios do sombreamento. Em julho, isso resultou em um aumento líquido na demanda de energia de resfriamento de 1,5%.
Além dos impactos energéticos, o estudo destacou os riscos críticos à saúde do calor durante quedas de energia. O aquecimento induzido pelo sistema solar estendeu os períodos de exposição ao calor de “Perigo Extremo” em 29,8%, aumentando o risco para os ocupantes do edifício durante as ondas de calor. Os pesquisadores enfatizaram que o uso direcionado de energia fotovoltaica para resfriamento durante os períodos de pico de perigo pode transformar esses sistemas de amplificadores de calor passivos em ativos de resiliência ativa.
O estudo também sugeriu a necessidade de projetos inovadores de sistemas fotovoltaicos para mitigar os efeitos adversos do microclima. Soluções promissoras incluem sistemas híbridos de telhado fotovoltaico-verde, materiais de mudança de fase e sistemas térmicos integrados. Essas tecnologias podem reduzir simultaneamente as temperaturas da superfície do painel e melhorar a eficiência da conversão de energia, equilibrando a produção de energia com a mitigação do calor urbano.
“Os sistemas fotovoltaicos em telhados não são apenas infraestrutura de energia; eles são participantes ativos nos sistemas de microclima urbano”, afirmou Liutao. “Sua integração bem-sucedida requer dupla otimização: maximizar o potencial de geração e, ao mesmo tempo, gerenciar de forma inteligente os impactos ambientais localizados.”
As descobertas também ressaltaram a variabilidade dos efeitos térmicos dos sistemas fotovoltaicos com base em fatores como ângulos de inclinação do painel, espaçamento da matriz e propriedades do telhado da linha de base. Os pesquisadores pediram mais simulações e experimentos em diversos climas e configurações para entender e enfrentar melhor esses desafios.
“É importante observar que, embora essas descobertas destaquem importantes considerações de resiliência urbana, elas não devem prejudicar os benefícios mais amplos dos sistemas fotovoltaicos para a sustentabilidade energética e a redução de carbono”, concluiu Liutao. “O objetivo deste estudo é informar projetos aprimorados e estratégias de implantação, garantindo que os sistemas fotovoltaicos em telhados possam oferecer benefícios ambientais e sociais sem compensações não intencionais.
Os resultados completos do estudo são detalhados no artigo “The Resilience Paradox of Rooftop PV: Building Cooling Penalties and Heat Risks“, que foi publicado recentemente em Construção e Meio Ambiente.
Em outubro, outro grupo internacional de cientistas apresentou um novo modelo para a avaliação da energia fotovoltaica em telhados em microclimas urbanos. A modelagem mostrou que as matrizes de telhado podem ter consequências “não intencionais” nas temperaturas em ambientes urbanos.
De acordo com os dados coletados na Índia, os sistemas de telhado podem aumentar as temperaturas diurnas do ar próximo à superfície em até 1,5 °C, pois absorvem aproximadamente 90% da energia solar, convertendo até aproximadamente 20% dela em eletricidade, enquanto o restante contribui para o aquecimento. À noite, por outro lado, a cobertura fotovoltaica total da cidade pode reduzir as temperaturas máximas noturnas do ar próximo à superfície em até 0,6 °C. Nos horários de pico de calor, a temperatura da superfície do telhado aumentaria em até 3,2 °C e teria um resfriamento médio de 1,4 à noite.
“Nosso estudo também revela que os painéis solares fotovoltaicos no telhado alteram significativamente os orçamentos de energia da superfície urbana, os campos meteorológicos próximos à superfície, a dinâmica da camada limite urbana e as circulações da brisa do mar”, disse o grupo de pesquisa na época.
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