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Artigo exclusivo para a revista O Instalador, publicado na edição n. 296 - abril 2021 da nossa revista. A segunda parte será publicada na edição de maio 

Envelhecimento e reparação de instalações fotovoltaicas (Parte 1)

Luís Fialho | Cátedra Energias Renováveis – Universidade de Évora

Francisco Martinez-Moreno | Instituto de Energia Solar - Universidade Politécnica de Madrid

Nikolay Tyutyundzhiev | Academia das Ciências da Bulgária

14/04/2021
Projeto GRECO investiga degradação de sistemas fotovoltaicos.
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A Cátedra Energias Renováveis da Universidade de Évora (CER-UÉ) participa, desde há três anos, no projeto GRECO (GA n.78729), do programa Horizonte 2020 da União Europeia, em conjunto com 10 instituições de investigação de outros países (https://www.greco-project.eu/). O principal objetivo deste projeto é demonstrar que os conceitos de ciência aberta podem ser aplicados no campo da investigação em energia fotovoltaica, permitindo o desenvolvimento de produtos e soluções tecnológicas inovadoras que, para além de proporem melhorias técnicas, são socialmente responsáveis.

A investigação sobre o envelhecimento de instalações fotovoltaicas é um exemplo de resultados da participação cidadã em projetos de investigação. Neste estudo, os investigadores da CER-UÉ solicitaram a colaboração dos cidadãos para acederem a instalações com mais de 10 anos de funcionamento, para perceber como envelheceram e aumentar o conhecimento sobre este tipo de tecnologia.

Pretendeu-se descobrir a taxa real de degradação, após muitos anos de funcionamento, e quais os defeitos mais comuns que surgem nos módulos, que ameaçam a produtividade da instalação, aceleram o envelhecimento e/ou reduzem a sua vida útil. E, entre eles, detetar quais são suscetíveis de reparação em campo, permitindo melhorar o desempenho da instalação e prolongar o tempo de vida. As informações que estas instalações antigas podem fornecer são muito valiosas, pois hoje, devido ao crescimento exponencial, apenas 3% da potência mundial instalada tem mais de 10 anos.

Taxa de degradação anual

Em relação à taxa de degradação, a equipa do GRECO selecionou 25 instalações entre mais de 100 participantes, atendendo a dois critérios fundamentais para este estudo: idade suficiente e, sobretudo, existência de dados para monitorizar o funcionamento ou alguma caracterização da potência em vários momentos ao longo da vida (pelo menos nos primeiros e últimos anos). No total, foi realizada a análise a um parque com mais de 110 MW fotovoltaicos distribuídos pela Europa, incluindo-se instalações com mais de 30 anos.

O resultado desta análise revela que as taxas de degradação destas instalações variam entre -0,1%/ano e -0,75%/ano (módulos de 10 fabricantes diferentes). Em geral, todos os módulos sem defeitos relevantes cumprem a garantia do fabricante de que os produtos não se degradariam em mais do que 20% da potência inicial nos primeiros 25 anos de operação (taxa de -0,8%/ano). A degradação média obtida para todo o conjunto é de -0,3%/ano, valor que melhora para -0,25%/ano se forem consideradas apenas as instalações em que não se detetou qualquer defeito nos módulos (principalmente pontos quentes nas células, pontos quentes em soldaduras, células rachadas e delaminações). Nas situações mais comuns, sem ocorrência de problemas graves, a degradação dos módulos é inferior ao que é declarado pelos fabricantes nos seus catálogos.

Na Figura 1, pode observar-se o resultado de uma das instalações analisadas: localizada em Madrid, tem uma potência inicial de 5,8 kWp, está livre de defeitos e apresenta uma degradação anual de apenas -0,2%.

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Figura 1. Degradação de potência, ao longo do tempo, de uma instalação de 5.8 kWp localizada em Madrid.

Isto presume que as previsões de produção de energia feitas antes da construção das instalações eram em geral pessimistas. Por isso, o consórcio GRECO apresentou 3 cenários possíveis de envelhecimento (Figura 2) dos módulos fotovoltaicos, com base nos resultados obtidos:

  • Um primeiro cenário “conservador” baseado na garantia do fabricante: -0,8%/ano. É um cenário pessimista, que assume que os módulos vão degradar-se anualmente de acordo com o teto estabelecido pelo fabricante, devendo aplicar-se a garantia, se ultrapassado.
  • Um segundo cenário “ajustado”, ou de risco, considera que os módulos se comportarão da melhor forma e sem se degradar mais do que o mínimo possível: -0,25%/ano. É um cenário otimista, que parte do pressuposto de que os módulos não desenvolverão problemas que possam aumentar este valor.
  • Um terceiro cenário “razoável” contempla uma degradação anual intermédia entre os outros dois, com uma taxa de -0,45%/ano. Considera que os módulos vão ter um desempenho muito melhor do que o declarado pelo fabricante, mas acomoda uma pequena margem para possíveis degradações suplementares, que podem ser adicionadas ao mínimo observado no estudo.
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Figura 2. Cenários de envelhecimento de módulos fotovoltaicos propostos pela equipa do projeto GRECO: conservador (-0.8%/ano), ajustado (-0.25%/ano) e razoável (-0.45%/ano).

Estes resultados refletem-se de forma positiva na análise financeira de uma instalação fotovoltaica. O projeto GRECO estudou o impacto económico resultante da aplicação de taxas de degradação mais próximas da realidade a partir da análise do parque fotovoltaico da região da Andaluzia, com mais de 8.000 instalações cadastradas e com uma potência instalada de cerca de 1,5 GW. Valor semelhante à potência fotovoltaica instalada atualmente em Portugal.

Os estudos de produtividade em sistemas estáticos e com seguimento solar em cidades próximas a Sevilha, Córdova e Almeria, revelam que o VAL de uma instalação média, de 150 kW, com módulos de silício cristalino, pode chegar a ser até 8% superior, se se verificar um cenário de envelhecimento “razoável” em vez do típico cenário “conservador”. Este valor pode ser elevado para 12% se se utilizar um cenário “ajustado”, que considere que os módulos sofrerão a menor degradação possível. Números que demonstram que as previsões de produtividade eram pessimistas, tendo assumido uma degradação anual quase 3 vezes superior ao que realmente registaram.

Na atualidade, os índices de degradação garantidos pelos fabricantes nos seus catálogos são de -0,55%/ano durante os primeiros 25 anos. De acordo com os resultados obtidos, estes valores estão mais próximos da realidade dos módulos construídos entre 15 e 20 anos atrás e não parece exagero pensar que as degradações reais dos módulos atuais continuem a ser inferiores às declaradas, pelo que os cenários propostos parecem bastante razoáveis.

O motivo para os fabricantes declararem taxas de degradação muito piores do que as observadas na realidade deverá estar relacionado com a definição dos ensaios de qualificação de módulos em laboratório, que procuram estimar a extensão dessas perdas (em ciclos de calor-frio-humidade). É provável que os testes de degradação utilizados sejam equivalentes a períodos de exposição a condições climáticas exteriores para além dos 25 anos propostos, que permitem que os fabricantes incluam essas garantias, sabendo que, em geral, os seus produtos se degradarão menos.

Nota: a II parte deste artigo será publicada na próxima edição.

Agradecimentos

A equipa do GRECO agradece a todas as pessoas que participaram desinteressadamente neste projeto, disponibilizando de forma anónima os dados de funcionamento das suas instalações fotovoltaicas e módulos com defeitos.

Este trabalho foi financiado pelo programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, através do projeto Fostering a Next Generation of European Photovoltaic Society (GRECO), sob o contrato nº 787289. Este trabalho foi também apoiado pelo projeto MADRID-PV2 (P2018/EMT-4308), financiado pela Comunidade de Madrid, com apoio do FEDER.

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