Módulo bifacial: lançamento dos anos 80 aterrissa agora nos projetos comerciais - Cenários Energia - Solar
Módulo bifacial: lançamento dos anos 80 aterrissa agora nos projetos comerciais
Módulos bifaciais são a mais nova aposta para aumentar a produtividade de sistemas fotovoltaicos
Módulos bifaciais são a mais nova aposta para aumentar a produtividade de sistemas fotovoltaicos. A frase inicial deste artigo poderia compartilhar as páginas do mesmo jornal que disse "Motorola lança comercialmente o primeiro telefone móvel do Mundo", em 1984. Sim, a ideia de adaptar as células fotovoltaicas para permitir a coleta de fótons nos seus dois lados não é nova. Nos anos 80 surgiram os primeiros artigos científicos que exploraram os benefícios da tecnologia [1]. O Brasil também fez parte desse movimento pioneiro. A primeira tese de doutorado de um brasileiro em energia solar fotovoltaica estudava os ganhos que poderiam ser obtidos com esse tipo de módulo [2].
Curiosamente, os motivos que levaram ao uso dessa estratégia nos dois diferentes períodos são quase opostos. Na primeira fase, devido ao (extremamente) elevado custo dos módulos, a ideia era obter algum ganho de eficiência para aproveitar ao máximo esse "bem de luxo". Concluiu-se que o custo-benefício dessa alternativa não se fazia adequado, com outras linhas de avanço tecnológico sendo mais eficazes na difusão da tecnologia. De volta à nossa década, os ganhos de escala para redução de custos e ganho de eficiência das células começam a ficar cada vez mais limitados, voltando novamente as atenções para táticas de aumento do recurso solar recebido pelos módulos. Com o uso do rastreamento de 1 eixo já bastante difundida, a indústria coloca suas fichas na volta dos módulos bifaciais. Adicionalmente, houve uma melhora na eficiência da parte de trás das células nas tecnologias recentes, o que contribui para o maior interesse atual na tecnologia.
Resumidamente, os módulos fotovoltaicos de silício convencionais são formados por células, encapsuladas por uma camada de vidro na parte superior, e embaixo, por uma proteção de material polimérico, além de uma moldura metálica ao redor desse "sanduíche". O pulo do gato dos módulos bifaciais consiste em substituir a camada de trás por mais uma superfície de vidro, e, com tratamentos na face inferior das células, aproveita-se também a irradiação que chega por baixo, o chamado albedo. Esse arranjo ainda permite a eliminação da moldura.
Figura 1 – Módulos bifaciais no Laboratório Fotovoltaica da UFSC
Dentre as vantagens, alguns estudos apontam que a tecnologia pode aumentar a geração entre 5% e 50%, em relação aos módulos convencionais [3]. Além do ganho com a absorção nos dois lados, há o aumento da eficiência com a redução da temperatura da célula devido à menor absorção infravermelha pela ausência da camada metálica posterior [1]. Contudo, ainda não há uma padronização da aferição de potência e eficiência de módulos bifaciais, o que dificulta a comparação de diferentes equipamentos. De maneira semelhante, as premissas e metodologias aplicadas nos estudos sobre ganhos por bifacialidade também divergem.
Ressalta-se que na instalação em telhados pode não haver sentido em utilizar módulo bifaciais, quando suas "costas" ficarem muito próximas da cobertura praticamente anulando o aproveitamento do albedo. Assim, os bifaciais são mais adequados a instalações no solo, em estruturas fixas ou com rastreadores.
Internacionalmente, algumas plantas de grande porte começam a ser inauguradas utilizando a tecnologia, e, segundo o ITRVP [4], estima-se que em 2028 os módulos bifaciais representem 35% do mercado fotovoltaico. No Brasil, ainda não há plantas comerciais com módulos bifaciais em operação. No entanto, a EPE já recebeu algumas consultas de empreendedores com o intuito de desenvolver projetos com essa tecnologia. Cabe destacar que atualmente não há restrição para o cadastramento desse tipo de projetos para os leilões de energia, assim como não há obrigatoriedade de equipamentos de medição de albedo. Portanto, está aberta aos empreendedores a possibilidade de explorar os benefícios dessa tecnologia. No entanto, como será descrito na sequência, há uma série de fatores que influenciam o desenho e dimensionamento do projeto, aumentando a sua complexidade.
Mudanças no desenvolvimento e na operação dos parques
Albedo do solo. O albedo é o fator mais importante no dimensionamento de um parque com módulos bifaciais. Albedo é a fração da irradiância solar devida à refletância do solo onde está o módulo FV. Como mostra a Tabela 1, o índice varia entre superfícies.
Superfície Albedo
Água 5-15%
Grama 15-25%
Terra seca 20-30%
Concreto 25-30%
Areia 30-35%
Neve nova 80-85%
Tabela 1 – Albedo típico de acordo com a superfície do solo. Fonte: [4]
Sabendo que a refletância do solo pode aumentar o albedo e, consequentemente, a produção desses módulos, a cobertura do chão se torna um ponto importante nos projetos. Nesse caso, se faz necessária uma avaliação técnico-econômica de eventual tratamento da superfície para ganho de albedo.
Figura 2 – Albedômetro (fonte: Hukseflux)
Bifacialidade. A bifacialidade é um fator da eficiência da parte traseira em relação à parte frontal do módulo. Os fabricantes costumam colocar nos datasheets dos seus módulos, e costuma variar entre 70% e 90%. Alguns textos costumam resumir o ganho de produção dos módulos bifaciais simplesmente pela multiplicação do albedo e bifacialidade. Por exemplo, para um albedo de 20% e bifacialidade de 80%, haveria um ganho de 16% na geração. No entanto, como veremos na sequência, há diversos outros fatores que influenciam na produção de um parque com módulos bifaciais.
Manutenção. Com o ganho de importância da geração via albedo, a manutenção do solo ganha mais importância para manter a refletividade. Adicionalmente, apesar da sujidade no verso ser menor do que na frente do módulo (quase nove vezes, segundo [6]), a limpeza da parte posterior deverá fazer parte da rotina de manutenção do parque para que com o tempo o ganho do verso não seja eliminado. No entanto, a posição dificulta o uso das estratégias convencionais para a limpeza.
Distância entre módulos. Ao espaçar as fileiras de módulos há o aumento da área de solo que reflete os raios solares, aumentando a produção. Por outro lado, isso aumenta a área necessária para construir o parque, além dos gastos com cabeamento. Adicionalmente, isso altera a contribuição da reflexão dos módulos que ficam na fileira posterior.
Altura dos módulos. Estudos mostram que elevar os módulos em relação ao solo aumenta o ganho com os bifaciais. Além de receber maior irradiação refletida, aumenta-se a uniformidade da irradiância no verso. No entanto, alguns estudos mostram que acima de 1m os ganhos saturam [1, 5]. Adicionalmente, destaca-se que ao aumentar a altura dos módulos se gasta mais com estruturas e o arranjo fica mais suscetível a ventos.
Tipologia das conexões. Ao contrário da irradiância recebida na parte frontal dos módulos, que é uniforme em condições de céu claro, na parte posterior a irradiância atinge cada célula e módulo de maneira diferente. Dessa forma, a configuração elétrica dos arranjos e dos inversores passa a ser mais importante para reduzir as perdas por mismatch.
Investimento adicional. Alguns dados de mercado indicam que módulos bifaciais custam cerca de 10% a mais que um módulo convencional. No entanto, conforme indica um fabricante [7], é possível que, em breve, os módulos bifaciais sejam vendidos pelo mesmo preço que os módulos monofaciais.
Novo desenho dos equipamentos. Uma vez que o verso do módulo passa a gerar eletricidade, todos os componentes periféricos precisam ser adaptados para reduzir o bloqueio da incidência de luz. Os cabos e junction boxes, por exemplo, precisam ser posicionados fora da área das células. Em termos de estrutura, rastreadores e estacas também precisam ter seu desenho revisto para reduzirem sua influência negativa na irradiação.
A nova carta na manga?
Conforme relatado, a entrada de módulos bifaciais vai demandar novas práticas para projetar um parque fotovoltaico. Alguns trade-offs terão que ser analisados para decidir se vale a pena o investimento nesse novo produto. Cabe ressaltar que a estimativa da contribuição da parte posterior do módulo é mais complexa que a parte frontal. Além da incerteza intrínseca na estimativa no albedo, alguns softwares começaram a ser adaptados para modelar a produção de plantas com módulos bifaciais, mas sua confiabilidade ainda foi pouco testada. Essa dificuldade de previsão da geração acaba sendo um fator importante para a bancabilidade dos projetos, dada a maior incerteza na previsão da geração.
Por outro lado, quando imaginamos que os preços da energia fotovoltaica já atingiram patamares bastante baixos, os módulos bifaciais se apresentam como mais uma carta na manga do setor. Aos poucos, os bifaciais podem se mostrar como um novo padrão na construção de parques fotovoltaicos, ajudando a reduzir ainda mais o preço da energia solar e a consolidando como uma excelente opção para a expansão do setor elétrico.
[1] Guerrero-Lemus, R. et al. Bifacial solar photovoltaics – A technology review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 60 pp. 1533-1549, 2016.
[2] Krenzinger, A. Contribucion al Diseño de Sistemas Fotovoltaicos con Paneles Bifaciales en Combinacion con Reflectores Difusos de Caracter General. Tese de Doutorado. Universidade Politecnica de Madri, 1987.
[3] EPRI. Bifacial Solar Photovoltaic Modules. Program on Technology Innovation. Setembro de 2016.
[4] VDMA. International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRVP). Results 2017 including maturity report 2018. Ninth Edition, Setembro de 2018.
[5] González, J. C. An introduction to Longi, considerations for bifacial modules. [Webinar]. 10 de julho de 2018.
[6] Luque, E. G. et al. Effect of soiling in bifacial PV modules and cleaning schedule optimization. Energy Conversion and Management, v. 174, pp. 615-625, Outubro de 2018.
[7] Thurston, C. W.The weekend read: Tracker market is adapting to bifacial module technology. PV Magazine. 17 de fevereiro de 2018.
Gustavo Ponte é engenheiro mecânico pela UnB, pós graduado em Engenharia de Tubulações pela PUC-Rio e mestre em Engenharia Urbana e Ambiental pela PUC-Rio e pela Technische Universität Braunschweig. Trabalha desde 2008 na EPE, atualmente como Consultor Técnico na área de projetos de geração de energia elétrica. Gabriel Konzen trabalha na EPE desde 2013 desenvolvendo estudos econômicos e regulatórios na área de geração distribuída e energia solar. É engenheiro eletricista pela UFMT e possui mestrado em energia pela USP. Cristiano Saboia Ruschel é engenheiro mecânico com doutorado em energia pela UFRGS. Trabalha na EPE desde 2015 na habilitação técnica de empreendimentos para os leilões de energia e em estudos envolvendo energia solar fotovoltaica