Quais são os fatores que afetam a potência e a eficiência dos módulos fotovoltaicos?

Essa é uma pergunta interessante que surgiu após uma entrevista com a SolarTV Brasil e decidimos fazer um artigo sobre este tema. Esta pergunta faz sentido se nos depararmos com módulos fotovoltaicos cujas potências e eficiências são ligeiramente diferentes. Se tivéssemos que priorizar um dos dois parâmetros, qual seria o mais relevante na hora da escolha?

Neste artigo vamos falar sobre o comportamento destes parâmetros operacionais do módulo fotovoltaico, considerando os fatores ambientais que inevitalmente estarão envolvidos. Por fim, vamos abordar esta questão à nível de sistema, ou seja, o quão relevante é este questionamento quando falamos do sistema fotovoltaico completo.

Potência dos módulos fotovoltaicos

A potência dos módulos fotovoltaicos não é uma potência constante, ela varia em função da irradiância, temperatura da célula fotovoltaica e coeficiente de massa do ar. No entanto, para que todos os fabricantes de módulos fotovoltaicos possuam uma única base de comparação de potência pode-se obter um valor de potência do módulo através de um ensaio em condições ambientais padronizadas. Para isso foram definidas as condições de teste padrão ou STC (do inglês: Standard Test Conditions).

Portanto, para fins de padronização e comparação, os módulos fotovoltaicos são testados em condições de teste padrão. As condições de teste padrão (STC) são condições nas quais os módulos fotovoltaicos são testados em um laboratório. O teste do módulo é realizado nas seguintes condições: intensidade de radiação solar de 1000 W/m², massa de ar de AM 1.5, temperatura da célula de 25 °C e velocidade do vento de 1 m/s [1-2]. Isso quer dizer que um módulo de 400W só produzirá 400W quando exposto a 1000 W/m² de irradiância, massa do ar de 1,5, velocidade do vento de 1 m/s e a temperatura da célula for de 25 ºC.

Normalmente o módulo fotovoltaico passará a maior parte do tempo produzindo abaixo de sua potência nominal, mas não é impossível que ele gere também acima de sua potência nominal. Isto porque em pesquisas realizadas no território brasileiro foram observados valores de irradiância de global horizontal de até 1845 W/m² em Caucaia – CE [3]. Dependendo das perdas por temperatura e do nível de degradação natural do módulo é possível que o módulo ultrapasse sua potência nominal nesta condição de irradiância.

Calculando a eficiência dos módulos fotovoltaicos

Primeiramente, a eficiência das células fotovoltaicas depende de vários fatores, incluindo: reflexo na superfície da célula, perdas no espectro infravermelho e ultravioleta, perdas devido à espessura da célula, perdas devido ao fator de tensão e ao fator de forma, perdas devido a recombinação e perdas na resistência em série. Alguns desses fatores de perda da eficiência da célula fotovoltaica são determinados por leis fundamentais da física, de modo que não podem ser reduzidos. Já as perdas de eficiência que dependem da tecnologia de formação das células fotovoltaicas podem ser reduzidas [2].

A eficiência dos módulos fotovoltaicos é calculada com base em sua potência (em STC) e sua área. Portanto, um módulo de 810W, por exemplo, possuindo dimensões de 2,220m x 1,757m deve ter aproximadamente 20,76% de eficiência. Isto porque umas das formas para se calcular a eficiência de um módulo fotovoltaico é usando a seguinte equação:

Eficiência [%] = (Potência) / (comprimento) x (largura) x (1000 W/m²)

Então teremos o seguinte:

Eficiência [%] = (810 W) / (2,220 m) x (1,757 m) x (1000 W/m²) = 0,2076 ou 20,76%

Na falta da folha de dados técnicos, podemos calcular a eficiência do módulo fotovoltaico usando os dados da etiqueta de eficiência energética.

Figura 1 – Etiqueta de eficiência energética de um módulo fotovoltaico. Fonte: DAH Solar.

Por exemplo, para o módulo de 330W da Figura 1, que possui uma área de 1,94 m² teremos o seguinte:

Eficiência [%] = (330 W) / (1,94 m²) x (1000 W/m²) = 0,1701 ou 17,01%.

Compreendendo a eficiência dos módulos fotovoltaicos

Ao contrário dos inversores onde 2% a mais de eficiência significa 2% a mais de energia, em um módulo fotovoltaico 2% a mais de eficiência significa aproximadamente 10% a mais de energia. Como pode ser?

Vamos dar um exemplo de um módulo fotovoltaico com 20% de eficiência (um número alto, porém razoável para o mercado atual) e para simplificar nosso cálculo usaremos um módulo de 2 metros quadrados de área.

Desta forma, usando a equação de eficiência e assumindo uma irradiância de 1000 W/m² incidindo sobre o módulo de 20% de eficiência, a potência do módulo fotovoltaico será: 1000 * 2 * 0,2 = 400W.

Se o mesmo módulo tivesse uma eficiência de 22%, ele produziria 1000 * 2 * 0,22 = 440W, que é uma potência 10% maior que a anterior com apenas 2% a mais de eficiência. Essa é uma grande diferença e é por isso que a indústria de módulos fotovoltaicos fica tão animada a cada aumento de eficiência.

Entretanto, como você pode ver nos cálculos, a potência do módulo fotovoltaico já leva em conta a sua eficiência. Então, se eu tenho um "módulo de 400W", não importa qual é a sua eficiência, pois ela já faz parte do número 400W. Em outras palavras, módulos de potências iguais não produzirão mais ou menos que o outro, ambos produzirão 400W no STC. A diferença estaria no tamanho do módulo, onde módulos de maior eficiência precisam de menos área do que módulos menos eficientes com a mesma classificação.

Outros fatores devem ser considerados

Parâmetros operacionais como temperatura da célula fotovoltaica, intensidade de irradiância, umidade e poeira afetam o desempenho do módulo fotovoltaico [4]. Pode não ser novidade para muitos que a potência de saída do módulo seja afetada pela temperatura, pois em geral encontramos na folha de dados técnicos dos módulos o coeficiente de temperatura relacionado à potência. Entretanto, a eficiência e o fator de forma – FF (ou fator de preenchimento) do módulo fotovoltaico de silício cristalino também diminui à medida que a temperatura do módulo aumenta [5]. Da mesma forma, a eficiência e o fator de forma do módulo fotovoltaico de silício também diminui à medida que a irradiância aumenta [6].

Momento Cultural: Qual a diferença entre irradiância e irradiação solar? A irradiância solar, dada em watt por metro quadrado (W/m²) é o fluxo de radiação solar que incide em uma superfície e é composta por suas componentes direta e difusa. A irradiação solar ou energia radiante incidente acumulada em um intervalo de tempo é dada em watt hora por metro quadrado (Wh/m²) ou joule por metro quadrado (J/m²) [7].

Como não existe um coeficiente de temperatura relacionado à eficiência presente na folha de dados técnicos dos módulos fotovoltaicos, vamos citar os resultados obtidos nos respectivos estudos para se ter uma noção quantitativa desta perda de eficiência por temperatura. Radziemska [5] verificou uma diminuição da eficiência de 0,08% para cada aumento de 1 grau Kelvin na temperatura do módulo de silício cristalino. Enquanto Ugwuoke and Okeke [6] verificaram uma diminuição da eficiência de 3.62%, 7.65%, e 9.61% para módulos de silício amorfo, policristalino e monocristalino, respectivamente, quando o valor de irradiancia subiu de 600W/m² para 1000 W/m². Quando a irradiância era de 600 W/m², as eficiências encontradas nos módulos de silício amorfo, policristalino e monocristalino foram de 4,94%, 9,67%, e 12,97%, respectivamente. Portanto, a eficiência diminuiu cerca de 0,33%, 0,51% e 0,84% para módulos fotovoltaicos de silício amorfo, policristalino e monocristalino, respectivamente, para cada aumento de 100 W/m² na irradiância solar [6].

Ao buscar um estudo semelhante porém mais atual, encontramos um estudo de 2018 feito com um módulo de silício policristalino com eficiência de 15,37% no STC e na temperatura de 45,50 ºC foi observada uma eficiência de 11,4% [8].

Dados os resultados destes estudos, é possível constatar que se compararmos as perdas de potência e eficiência com o aumento da temperatura, a perda de potência é maior que a perda de eficiência à medida que a temperatura aumenta. Por outro lado, se compararmos o aumento da potência e a perda da eficiência com o aumento da irradiância, é possível constatar que o aumento da potência é mais significativo que a perda de eficiência.

Até aqui falamos apenas de fatores como temperatura e irradiância influenciando na potência e na eficiência. Como mencionado anteriormente, outros parâmetros também influenciam no desempenho do módulo. Porém, como os demais fatores irão influenciar diretamente na temperatura ou na irradiância, para o que se propõe este artigo julgamos redundante e desnecessário se aprofundar nos mesmos.

Comparando folha de dados e calculando eficiência

As Figuras 2 e 3 apresentam trechos de folhas de dados técnicos de famílias de módulos de silício policristalino. Destacamos em amarelo o módulo da Figura 2 de 370W, o qual possui uma potência 5W menor que o módulo de 375W destacado na Figura 3, porém a eficiência do módulo de 370W é ligeiramente maior (0,03%).

Figura 2 – Módulo de silício policristalino de 370W com eficiência de 18,65% no STC. Fonte: Canadian Solar.

Figura 3 – Módulo de silício policristalino de 375W com eficiência de 18,62% no STC. Fonte: DAH Solar.

Note que se compararmos o módulo de 365W da Figura 2 com o de 370W da Figura 3 observaremos o mesmo padrão, ou seja, uma diferença de apenas 0,03% na eficiência. Isto é esperado, visto que se tratam de módulos da mesma tecnologia, ou seja, de silício policristalino. A diferença entre as eficiências dos módulos pode ser considerada desprezível para fins de análise de produção de energia.

Agora observem as Figuras 4 e 5. Tratam-se de famílias de módulos de silício mono PERC com 156 células Half-Cell Multi-busbar. Para fazer uma comparação justa estamos comparando módulos de potência e tecnologia idênticas. É possível observar várias eficiências idênticas, então, novamente a diferença entre as eficiências dos módulos pode ser considerada desprezível para fins de análise de produção de energia.

Figura 4 – Família de módulos de silício mono PERC com 156 células Half-Cell Multi-busbar de 435W a 455W no STC. Fonte: JA Solar.

Figura 5 – Família de módulos de silício mono PERC com 156 células Half-Cell Multi-busbar de 430W a 455W no STC. Fonte: Risen Energy.

Então, é possível concluir que se compararmos módulos de mesma tecnologia e potência, a eficiência acaba por não se tornar um fator determinante. Isto mostra também que comparar eficiências com base apenas nos fabricantes e desconsiderar a diferença de tecnologias pode nos levar a conclusões completamente erradas. Afinal, vimos que Ugwuoke and Okeke [6] verificaram uma maior perda de eficiência em função do aumento da temperatura nos módulos de silício monocristalino (que possuem eficiências maiores no STC) em comparação aos módulos de silício policristalino e amorfo.

Quando comparamos o desempenho de módulos de diferentes tecnologias, as condições climáticas do local onde serão instalados os módulos são mais importantes do que o parâmetro de eficiência. Isto foi mostrado em artigos anteriores, então recomendamos a leitura dos artigos “Módulos Fotovoltaicos – Monocristalino ou Policristalino – Qual a melhor dessas duas tecnologias para o Brasil?” e “Desempenho de Diferentes Módulos em Climas Distintos no Brasil” reproduzidos anteriormente no nosso blog se quiser saber mais sobre o desempenho de módulos de diferentes tecnologias.

Um sistema fotovoltaico não é composto apenas por módulos

Até aqui o foco da discussão estava apenas nos módulos fotovoltaicos, porém, um sistema fotovoltaico não é composto apenas por módulos. Quando falamos em eficiência em um sistema de geração fotovoltaica, não podemos nos esquecer de que a eficiência do sistema é muito mais importante que a eficiência de um de seus componentes. A eficiência de um sistema fotovoltaico depende da arquitetura do sistema FV, das perdas características desse sistema (mismatch, perdas ohmicas, etc), da eficiência dos módulos, dos inversores e dos transformadores que eventualmente possam compor esse sistema FV.

Portanto, não adianta nada ter os módulos fotovoltaicos mais eficientes do mercado se eles fizerem parte de um sistema fotovoltaico ineficiente.

Classes de Eficiência Energética de Módulos Fotovoltaicos

Isto nos faz lembrar de uma situação curiosa que persiste até a data de publicação deste artigo. O INMETRO, através do Programa Brasileiro de Etiquetagem, definiu classes de eficiência energética para módulos fotovoltaicos. Mesmo que o módulo não se trate de um dispositivo que consome energia e mesmo que sozinho ele não consiga gerar energia elétrica em corrente alternada foi estabelecida uma tabela de eficiência energética para os mesmos [9], conforme mostra a Figura 6.

Figura 6 – Tabela de eficiência energética – Módulos. Fonte: INMETRO.

Como pode ser observado, basta que um módulo fotovoltaico de silício cristalino tenha uma eficiência maior que 13,5% que ele será considerado um módulo Classe A. Pois bem, não existem mais no mercado módulos com eficiências menores que 13,5%. Isso quer dizer que todos os módulos fotovoltaicos do mercado são Classe A. Então, além da eficiência dos módulos não serem referencia de eficiência energética de um sistema fotovoltaico completo, cria-se uma falsa sensação de qualidade. Por exemplo, uma empresa de instalação pode oferecer qualquer módulo fotovoltaico, pois o mesmo sempre será de Classe A e incluir o pior inversor que existir no mercado. Um consumidor leigo no assunto poderá ser induzido a escolher um sistema supostamente Classe A.

Mesmo que essa tabela seja atualizada para a realidade do mercado, ainda assim induzirá o consumidor a escolher um sistema cuja eficiência não irá condizer com a eficiência presente na etiqueta do módulo. Nem mesmo uma eventual etiqueta de classe para inversores (que chegou a ser discutida pelo INMETRO) poderia auxiliar o consumidor a escolher o sistema mais eficiente. Afinal, a eficiência do sistema dependerá do projeto como um todo.

Conclusão

A potência e a eficiência dos módulos fotovoltaicos não são constantes, elas variam em função de fatores ambientais, como: irradiância, temperatura da célula fotovoltaica e coeficiente de massa do ar, dentre outros.

A potência e a eficiência dos módulos fotovoltaicos são parâmetros importantes que devem permanecer presentes em todas as folhas de dados técnicos dos módulos fotovoltaicos, porém devem ser analisados no seu devido contexto e de acordo com cada projeto. A potência e a eficiência dos módulos são medidas em condições de teste padrão, ou seja, em ambiente controlado. Como vimos aqui, esses dois parâmetros variam em função de fatores ambientais, os quais devem ser considerados no projeto, pois influenciarão no resultado da geração de energia elétrica. Em outras palavras, isto quer dizer que um módulo com uma eficiência maior na folha de dados, não implicará necessariamente em uma geração maior de energia em comparação com um módulo de mesma potência com menor eficiência.

Ficou alguma dúvida sobre o assunto ou quer saber mais? Comente aqui. Curioso agora para saber mais sobre eficiências de inversores fotovoltaicos? Falaremos sobre isso no próximo artigo! Não deixe de acompanhar nosso Blog e deixar comentários.

Referências

[1]    R. Thomas, M. Fordham, “Photovoltaics and Architecture”, Spon Press, London and New York, 2001.

[2]   Tomislav Pavlovic, “The Sun And Photovoltaic Technologies”, Green Energy And Technology Series, Springer, 2020. ISBN 978-3-030-22403-5.

[3]   L. R. do Nascimento, T. de Souza Viana, R. A. Campos, R. Rüther, “Extreme Solar Overirradiance Events: Occurrence and Impacts on Utility-Scale Photovoltaic Power Plants in Brazil”, Sol. Energy. 186 (2019) 370–381.

[4]    Rahman, M. M., M. Hasanuzzaman, and N. A. Rahim. (2015). “Effects of Various Parameters on PV-Module Power and Efficiency”, Energy Conversion and Management, 103: 348-58.

[5]   Radziemska E. (2003). “The Effect of Temperature on the Power Drop in Crystalline Silicon Solar Cells”. Renew Energy, 28(1):1–12.

[6]   Ugwuoke P. E., Okeke C. E. (2012). “Performance Assessment of Three Different PV Modules as a Function of Solar Insolation in South Eastern Nigeria” International Journal of Applied Science and Technology, 2(3):319–27.

[7]   Pereira, E. B.; Martins, F. R.; Gonçalves, A. R.; Costa, R. S.; Lima, F. J. L.; Ruther, R.; Abreu, S. L.; Tiepolo, G. M.;Pereira, S. V.; Souza, J. G. “Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2ª Edição”; INPE: São José dos Campos, Brazil, 2017.

[8]   Ahmad S. A., Abubakar M., Ghani M. U., Noor A. (2018). “Performance Estimation of Polycrystalline Photovoltaic Module During Summer”. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), 2321-9653.

[9]   Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia – INMETRO. Disponível em:

        . Acesso em: 11 de set. de 2020.

  Por: João Paulo de Souza

Responsável técnico da Ecori Energia Solar, especialista em sistemas fotovoltaicos com tecnologia MLPE. Possui certificação para responsável de empresa de projeto e instalação de módulos fotovoltaicos pelo Instituto Totum. Mestre em Engenharia Eletrônica e Computação pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, graduação em Engenharia Elétrica Industrial e curso técnico-profissionalizante em Eletrotécnica Industrial pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA. Membro do Comitê Técnico Brasileiro de Sistemas de Conversão Fotovoltaicas de Energia Solar ABNT/CB-003. Foi engenheiro de sistemas aeroespaciais na Binacional Alcântara Cyclone Space (ACS). Foi pesquisador colaborador no Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Trabalhou na montagem do Laboratório de Identificação, Navegação, Controle e Simulação (LINCS) no IAE.