Existem muitos fatores que afetam o desempenho dos painéis fotovoltaicos (PV) que convertem energia solar em eletricidade. Poucos deles são mencionados pelos fabricantes de painéis solares e por aqueles que os instalam. Alguns simplesmente estão fora do controle dos instaladores, que geralmente seguem as melhores práticas do setor e utilizam ferramentas populares de análise de software para recomendar o melhor sistema para uma determinada localização.

A irradiação solar é a quantidade de energia solar em watts por metro quadrado. À distância da Terra ao Sol, 1360 watts atravessam um metro quadrado perpendicularmente aos raios solares. A temperatura de cor dessa luz é a mesma do Sol, aproximadamente 6000 K. (K designa graus Kelvin, medidos a partir do zero absoluto.)

É de profunda importância, no entanto, que a densidade de energia da radiação seja muito menor, apenas 300 K. Se capturarmos a energia da luz visível (absorvê-la) e observarmos o que ela emite, veremos que ela se converte em radiação térmica infravermelha invisível.

A Terra absorve radiação de 6000 K durante o dia e emite 300 K para o céu noturno. O dia é uma fonte de calor, a noite um dissipador de calor. A Terra é uma máquina termodinâmica, extraindo entropia negativa ( informação ) da radiação solar, usando-a para alimentar os seres vivos, como apontou o grande físico quântico Erwin Schrödinger em seu ensaio de 1944, " O que é a vida? " .

O Manual de Energia Solar (Solar Electricity Handbook) é um excelente recurso para informações sobre irradiação solar. A página do livro oferece uma calculadora que fornece os valores médios mensais de irradiação solar para diversas cidades.

Em nosso exemplo para o Instituto de Cambridge, calculamos a irradiância para painéis planos na superfície. É evidente que a produção de energia com painéis planos no inverno (1,8 kWh/m² ⁾ é muito menor do que no resto do ano. No verão, ela é de 5,6 kWh/m² ^, mais de três vezes a potência.

A calculadora permite definir o ângulo de inclinação dos painéis, inclusive ajustando-os ao longo do ano para acompanhar o ângulo de elevação do sol em diferentes estações.

Veremos adiante que a redução no inverno é uma combinação da dispersão dos raios solares pelo efeito de projeção e da maior absorção de energia solar, uma vez que os raios atravessam a atmosfera em um ângulo oblíquo baixo, em comparação com o sol de verão, que está próximo ao zênite no céu.

A pergunta que talvez seja mais frequente é qual a orientação ideal para instalar um painel solar, incluindo seu ângulo de elevação e azimute (direção da bússola). A melhor (e mais cara) resposta é instalar o painel em um dispositivo de rastreamento solar para acompanhar o movimento do Sol no céu. A segunda melhor opção é apontar o painel diretamente para o sul, inclinado para a latitude local, o que o posiciona diretamente em frente ao Sol quando este estiver no ponto mais alto do céu (meio-dia solar) nos equinócios de primavera e outono.

Mas isso só é perfeito por dois dias, em um único momento desses dias . Em todos os outros momentos, a direção do sol varia bastante. Ao nascer e ao pôr do sol, o sol está no horizonte (ângulo de elevação de 0°), e ao meio-dia solar está alto no céu no verão, 23° acima do seu ângulo de equinócio, e no inverno está baixo no céu, 23° abaixo do equador celeste.

Nos equinócios, o ângulo de elevação do sol é igual à latitude local. Quase todas as pesquisas que recomendam um ângulo específico indicam que ele deve ser apontado diretamente para o sul (no hemisfério norte), com a elevação igual à latitude. Duas vezes por ano, por um breve instante, o painel fica exatamente perpendicular aos raios solares.

Infelizmente, a maioria das instalações residenciais oferece pouca flexibilidade em relação ao ângulo. Seus telhados inclinados seguem direções e inclinações arbitrárias. Telhados planos (tipicamente os telhados comerciais são planos) permitem direcionar os painéis para qualquer direção, geralmente optando por um azimute em direção ao equador da Terra.

Mas o ângulo de inclinação dos painéis solares em telhados comerciais varia bastante, desde totalmente plano (0°) até em latitudes elevadas. Por quê?

• Absorção pela atmosfera

  A energia solar no topo da atmosfera é de 1360 W/m² ^, mas se o sol estiver no zênite, diretamente acima da cabeça, apenas cerca de 1050 W/m² ^de raios solares diretos atingem a superfície da Terra. Outros 70 W/m² ^são de luz solar dispersa pelo céu azul e sua luz ultravioleta, que causa queimaduras solares mesmo em dias nublados.

  Na maior parte do tempo, a radiação solar atravessa a atmosfera em um ângulo. A um ângulo de 30°, a luz atravessa o dobro da atmosfera. 1050/1360 = 0,77; atravessando duas atmosferas, temos 0,77 x 0,77 ≈ 0,6. A um ângulo de 20°, o sol atravessa três vezes mais ar, então ≈ 0,45 ou 45% da luz solar a atravessa. A 15°, apenas 35% da luz solar atinge a superfície da Terra.

• O Efeito de Projeção
  
  Mas essa perda crescente de energia luminosa é ainda mais acentuada porque a luz que incide em um ângulo se espalha por uma área maior!

  A 30°, a energia luminosa em W/m² ^é reduzida à metade, pois a luz incide sobre o dobro da área. A 20°, é um terço. A 15°, um quarto.

  Assim, a combinação das perdas por absorção e das perdas por projeção resulta numa redução para 38% a 30°, 23% a 20° e apenas 18% a 15°.

• Efeito da temperatura

  Os painéis fotovoltaicos produzem mais eletricidade em baixas temperaturas e menos em altas temperaturas. Portanto, quando os painéis recebem a irradiação solar máxima no verão, seu desempenho é reduzido em relação à produção nominal a 25°C/77°F.

  Temperatura	5°C/41°F	15°C/59°F	25°C/77°F	35°C/95°F
  Ganho/Perda	+10%	+5%	0%	-5%

Então, as coisas pioram um pouco no verão e melhoram no inverno.

• Luz solar direta versus luz difusa indireta

  Observamos acima que cerca de 7% da energia que atinge a superfície (70 W/m² ⁾ é luz dispersa. Quando o ângulo de elevação do sol é inferior a 10°, quase metade da energia provém dessa luz dispersa.

• Primeira reflexão da superfície

  Mas mesmo esses números são otimistas demais para ângulos de inclinação baixos, se o próprio painel solar estiver plano na superfície. Se estiver acompanhando o sol em um ângulo de 10°, o painel receberia 18% da energia, mais alguma luz dispersa.

  Se o painel estiver na horizontal, no entanto, a luz não consegue entrar na superfície transparente do vidro com a mesma facilidade que quando incide perpendicularmente. A superfície do vidro reflete cada vez mais luz solar em ângulos acentuados.

  Provavelmente podemos ignorar a irradiação solar direta que produz energia quando o sol está a menos de 10 graus acima do horizonte.

• Reflexão da superfície inferior

  Alguns fabricantes perceberam que a radiação não é completamente absorvida no painel. Eles (por exemplo, a Sunpower ) adicionaram um espelho na superfície traseira, para que os fótons tenham uma segunda chance de serem absorvidos ao retornarem para a frente do painel.

• Reflexão sobre o Meio Ambiente

  Outros fabricantes (como a LG ) tornam a superfície traseira transparente para que a radiação refletida do ambiente, por exemplo, de um telhado branco, possa ser absorvida. Eles argumentam que podem ser obtidos ganhos de até 30%. A LG e a SunPower possuem os dois painéis solares mais eficientes (e com maior potência).

• Sombreamento

  O sombreamento causado por árvores, edifícios próximos e estruturas no telhado pode ser avaliado pelos softwares de análise mais populares (como Aurora Solar e Helioscope ). No entanto, inclinar os painéis para que fiquem mais perpendiculares aos raios solares, embora seja o ideal para um único painel ou uma fileira de painéis, pode gerar maior sombreamento nos painéis que estão atrás de outros painéis , especialmente quando o sol está em ângulos de elevação baixos e em azimutes afastados do sul.

  Sombrear apenas parte de um painel pode reduzir a produção de energia muito mais do que a porcentagem sombreada. Em seu livro clássico " Sistemas de Energia Elétrica Renováveis e Eficientes" , Gilbert Masters demonstrou as perdas de energia em módulos fotovoltaicos causadas pelo sombreamento de apenas algumas células.

  

  

  Como a maioria dos painéis fotovoltaicos é dividida em três strings, cada uma com um diodo de bypass de proteção para interromper a produção de energia caso algumas de suas células estejam sombreadas, é importante orientar os painéis na horizontal, de modo que qualquer número de células na parte inferior pertença à mesma string.

  

  Compare o sombreamento das células inferiores no modo retrato, que engloba todas as três linhas do painel.

• Sujeira ou neve no painel

  Quanto maior o ângulo do painel fotovoltaico, menor a probabilidade de a poluição atmosférica se acumular e permanecer na superfície do painel. Uma chuva forte deve removê-la. Painéis instalados horizontalmente no telhado são os que têm maior probabilidade de acumular sujeira e menor probabilidade de a neve deslizar durante o inverno.

  Como podemos ver acima, as perdas de 10% devido à sujeira, nas quais todas as células provavelmente reduzem a potência na mesma proporção, são menos severas do que o sombreamento parcial de uma única célula.

Podemos confirmar experimentalmente a redução da irradiação solar quando o sol está em vários ângulos, utilizando um cartão branco e um medidor de luz barato .

Podemos confirmar a potência de saída de um painel fotovoltaico em vários ângulos em relação ao sol com um voltímetro e um amperímetro baratos .

Podemos separar a produção de luz solar direta da luz indireta difusa com uma placa tão grande quanto o painel, que admite apenas os raios solares em uma baixa elevação.

Podemos analisar o sombreamento causado pelos painéis usando os recursos 3D do software dos instaladores de energia solar. Adquirimos os softwares Aurora e Helioscope para este estudo.

Solicitaremos aos fabricantes de painéis solares que nos emprestem painéis para testes, mas, se necessário, compraremos painéis solares de alta qualidade.

Será que as ferramentas de análise de software para painéis solares conseguem nos dizer a potência gerada por um conjunto de painéis em diferentes horários do dia Se não conseguem, como podemos confiar nas suas médias mensais?

Quais dos principais fatores acima que reduzem a produção de energia estão incluídos nos algoritmos dos softwares de análise?

Começamos modelando 47 painéis ( Painel Solar Bifacial LG NeON 2 390W 72 Células Mono 1500V SLV/WHT, LG390N2T-A5 ) para o telhado plano do nosso Instituto de Filosofia da Informação .

Orientamos os painéis diretamente para o sul e os inclinamos em quatro ângulos diferentes: 47° (nossa latitude), 18°, 10° e 0° (planos no telhado).

O software Helioscope estimou a potência de saída em 18,3 kW e gerou os seguintes valores mensais para a produção de energia.

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Podemos ver que os painéis planos no telhado não apresentam perdas de sombreamento, enquanto os painéis inclinados na latitude perdem 18,6%.

Podemos usar o Aurora para visualizar esse sombreamento em diferentes horários do dia. Os painéis estão suficientemente separados para eliminar o sombreamento de um painel diretamente atrás, mas apenas ao meio-dia solar. Em outros horários, a sombra se inclina para os lados, cortando a energia dos painéis diagonalmente atrás.

Novamente, instalamos 47 painéis bifaciais da LG no telhado, utilizando espaçamento de 1 polegada entre os painéis e espaçamento de 24 polegadas entre as fileiras. A Aurora também estimou a potência em 18,3 kW.

Provavelmente estão apenas multiplicando 47 painéis por 390W por painel! E o valor de 390W se refere à iluminação da LG bifacial com 1000 W/m² ^, o que não é possível com painéis em condições típicas.

Quando olhamos de cima, a partir do nosso ângulo de latitude, vemos que não há sombreamento nos painéis. O ponto de vista da câmera da Aurora não está muito acima do telhado. Para mostrar o sombreamento dos painéis do ponto de vista do sol, ele deveria estar infinitamente distante. Portanto, os painéis na parte traseira parecem estar sombreando devido à sua perspectiva.

Agora podemos girar a Aurora para ver os painéis do leste no solstício de verão, quando o sol está a 35° acima do horizonte e produz um pouco menos da metade da irradiação solar máxima do dia.

Vista do leste, a perspectiva dos painéis não é de frente para o sol, mas sim de perfil. A perspectiva próxima diverge novamente da perspectiva solar. O ponto é que, em vez de quase metade da potência, não há potência alguma. Não está claro se a irradiação da Aurora (ou "valor de acesso solar") é responsável por essa redução.

Na parte plana e sem sombra do telhado, o acesso à luz solar é de 100% e a irradiação é de 1410 kWh/m² ^/ ano.

Quando o cursor está na porção sem sombra de um painel inclinado a 20°, o acesso solar é de 100% e a irradiância aumenta para 1610 kWh/m² ^/ ano. Um painel inclinado para receber sol diretamente teria uma irradiância ainda maior. O Aurora mostra a variação mensal da irradiância.

Aurora mostra o sombreamento em um painel como a mudança de cor de amarelo brilhante para roxo escuro. Acima do cursor está a porção sombreada de um painel. O acesso solar tem uma média de apenas 75% e cai drasticamente nos meses de inverno. O sombreamento reduz a irradiação para 1214 kWh/m² ^/ ano.

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