Problema crescente #3: Medições no local em energia solar de grande escala

Conceber e operar um projeto solar de grande escala sem compreender plenamente o seu potencial de produção aumenta inevitavelmente os riscos ao longo do seu ciclo de vida. Uma parte da solução para os promotores é a validação dos dados dos recursos solares calculados através de modelos baseados em satélites, que ajudam a produzir cálculos exactos do rendimento energético.

No entanto, para reduzir a incerteza nestes cálculos - e o risco financeiro - há outro componente fundamental de uma estratégia de dados solares: medições no local.

Para projectos solares com menos de 10 MW, o custo da realização de uma campanha de medições no local de acordo com as melhores práticas pode não ser económico. No entanto, para projectos de grande escala, o investimento em medições solares traz melhorias importantes na conceção técnica e nas decisões financeiras.

Reconhecendo isto, os promotores de projectos solares estão a utilizar cada vez mais as medições no local para reforçar os dados do modelo de satélite e atenuar os riscos financeiros e técnicos. O próximo passo para o sector é garantir que as melhores práticas sejam sempre seguidas nas campanhas de medição no local, para que este investimento não seja desperdiçado com dados de baixa qualidade.

Esta edição de Growing Pains explicará por que razão é vital garantir a precisão das medições no local e delineará a forma como os dois desafios mais comuns podem ser ultrapassados: equipamento inadequado e implementação incorrecta.

Uma introdução às campanhas de medição exacta no local

O desenvolvimento de um projeto fotovoltaico em grande escala requer um longo historial de dados solares e meteorológicos, idealmente 20 anos ou mais. Os modelos fornecem dados históricos, acompanhando variáveis como a temperatura, o vento e a radiação solar, mas a sua granularidade espacial e temporal é limitada.

Os modelos globais cobrem grandes extensões de território, mas podem não ser suficientemente detalhados para captar o clima local, que pode variar consideravelmente numa distância de quilómetros ou mesmo de centenas de metros. Por exemplo, a temperatura, o vento e a precipitação numa cidade costeira serão diferentes de um local ligeiramente mais para o interior. Também se observam diferenças significativas em terrenos montanhosos.

Além disso, a resolução temporal padrão dos conjuntos de dados globais é de uma hora, mas para a modelação de projectos técnicos detalhados, os dados podem ser necessários numa base de minuto a minuto. Isto é especialmente crucial para projectos de energia solar e de armazenamento.

A solução consiste em complementar os dados históricos dos modelos com medições locais específicas e pormenorizadas efectuadas ao longo de, pelo menos, um ano. Isto permite que os promotores recalibrem os dados modelados e os tornem mais representativos do microclima do local, reduzindo simultaneamente a incerteza dos dados. Os dados do modelo histórico adaptado localmente são então utilizados na previsão precisa e fiável da produção de energia fotovoltaica para os próximos 20 a 25 anos. Os dados do modelo adaptado representam de forma fiável não só as médias climáticas a longo prazo, mas também os extremos climáticos, importantes para compreender os padrões de risco.

Componentes de uma campanha de medição de boas práticas

Um ano de medições no local requer investimento em piranómetros ou outros instrumentos solares, sensores meteorológicos, registadores de dados e outro hardware. A instalação e o funcionamento do equipamento devem incluir a limpeza e manutenção regulares, seguindo as melhores práticas e normas definidas pela Organização Meteorológica Mundial.

O objetivo é manter uma baixa incerteza das medições no local durante toda a duração da campanha. Para o efeito, é necessário que

• Pelo menos 2 piranómetros de classe A, que medem a Irradiância Global Horizontal com uma unidade de ventilação, sejam utilizados para criar redundância.
• Em climas mais difíceis, ou para projectos maiores (mais de 100 MW), são medidos outros componentes do recurso solar, como a Irradiância Normal Direta e a Irradiância Horizontal Difusa. Estes parâmetros solares adicionais podem ser medidos por vários seguidores solares, pelo Radiómetro Rotativo de Banda de Sombra (RSR) ou pelo piranómetro SPN1.
• São medidos parâmetros meteorológicos adicionais, como a temperatura do ar, a velocidade do vento, a direção do vento, a pressão do ar e a precipitação. Para projectos que utilizam tecnologia de módulos PV bifaciais, o albedo também é medido.
• São seguidas as melhores práticas de limpeza e manutenção dos piranómetros e do equipamento meteorológico.

Os três desafios críticos para as campanhas de medição no local

Esta secção descreve três desafios comuns para a aquisição e utilização de dados de medição de locais solares. Estes são

1. Utilização de instrumentação e equipamento inadequados
2. Um processo de implementação incorreto
3. Conciliar as medições no terreno com as séries cronológicas dos modelos de satélite.

Desafio 1: Utilização de equipamento inadequado

Um benefício importante das campanhas de medição é a redução dos desvios sistemáticos nos conjuntos de dados dos modelos solares. Se tal não for conseguido devido à imprecisão dos dados dos piranómetros e de outros instrumentos meteorológicos, todo o esforço foi uma utilização ineficaz dos recursos.

Uma vez que os custos iniciais de uma campanha de medição rigorosa e cientificamente credível não são insignificantes - cerca de 20 000 USD por ano ou mais - os intervenientes num projeto solar podem procurar eficiências em termos de custos, reduzindo a quantidade de piranómetros utilizados ou optando por instrumentos mais baratos.

Devido a um investimento inadequado, que resulta na falta de sensores, na utilização de equipamento de qualidade inferior e mal concebido ou na falta de redundância nas medições, os promotores de projectos de grande escala estão expostos aos seguintes riscos

• Leituras de dados não fiáveis que conduzem a estatísticas incompletas e distorcidas.
• Subprevisão / sobreprevisão sistemática do rendimento energético a longo prazo, causando um desempenho financeiro inferior ou subavaliação.
• Falhas de conceção técnica da central fotovoltaica por não considerar caraterísticas microclimáticas específicas, incluindo condições climatéricas extremas.
• Maior degradação dos componentes fotovoltaicos e custos de operação e manutenção mais elevados, devido à falta de compreensão dos riscos ambientais locais, como ventos fortes, aumento da poluição, poeiras, corrosão, variações de temperatura elevadas ou humidade elevada.

Para mais informações sobre os riscos financeiros e técnicos decorrentes de dados solares incorrectos, leia Growing Pain #1: Project Design

Para mitigar esses riscos, a Solargis recomenda que os desenvolvedores e seus parceiros de medição:

• Investir em estações meteorológicas, que incluem instrumentos complementares e de alto padrão para permitir a verificação sistemática da consistência e estabilidade dos dados.
• Incluir redundância na campanha. Isto reduz o impacto de quaisquer pontos de dados errados devido a mau funcionamento ou manutenção incorrecta.
• Investir tendo em mente o longo prazo. Um bom piranómetro pode custar mais de 1500 euros - mas as poupanças iniciais resultantes da compra de equipamento mais barato podem ser muito inferiores aos custos da utilização de dados incorrectos para conceber um projeto solar de grande escala.

Desafio 2: Implementação incorrecta de campanhas de medição

Mesmo com a melhor instrumentação disponível no mercado, a campanha de medição não fornecerá dados úteis se as estratégias de implementação e manutenção não estiverem também em conformidade com as melhores práticas.

Para projectos solares de grande escala, em particular, há duas questões-chave a considerar:

1. A estratégia de limpeza, operação e manutenção é adequada?
2. As medições efectuadas reflectem as condições reais do local?

A estratégia de limpeza, operação e manutenção é adequada?

Nos grandes projectos fotovoltaicos, são frequentemente instalados dezenas de piranómetros. No entanto, os números, por si só, não são suficientes para fornecer dados viáveis. A limpeza e a manutenção inadequadas, bem como o adiamento da recalibração, podem diminuir rapidamente o valor dos dados obtidos numa campanha de medição.

Para reduzir os custos, existe uma tendência no sector da energia solar para implementar campanhas de medição internamente, em vez de recorrer a empresas de medição solar experientes.

Ao contrário das medições de temperatura, no entanto, o equipamento de radiação solar requer uma colocação cuidadosa e um regime de manutenção sistemática. A maioria dos equipamentos meteorológicos nos locais de desenvolvimento está instalada em condições sub-óptimas e está sujeita a:

• Sombreamento dos módulos fotovoltaicos, objectos ou terreno que obstruem a luz solar
• Reflexos dos módulos fotovoltaicos, superfícies brilhantes do terreno ou água.
• Posição incorrecta, por exemplo a uma altura excessiva, que não permite uma manutenção fácil.
• Limpeza insuficiente, permitindo a acumulação de pó, terra ou orvalho, obscurecendo os sensores.
• Problemas com a bateria, a Internet ou o registador de dados, certificados de calibração nulos, controlo de qualidade dos dados inexistente ou insuficiente.

Para resolver este problema, a Solargis recomenda

• Utilizar um parceiro especializado com conhecimentos sobre boas práticas de instalação e disposição de instrumentos e experiência em proteção contra roubo e animais.
• Instalar um número limitado de piranómetros de melhor qualidade e com boa manutenção, acoplados de forma ideal a instrumentos RSR ou SPN1.
• Ao elaborar o orçamento da campanha, dedicar uma parte significativa do orçamento global à limpeza, operações e manutenção, em vez de adquirir equipamento adicional que não possa posteriormente ser objeto de uma manutenção adequada.

As medições efectuadas reflectem as condições reais do local?

Os projectos solares de grande escala estão frequentemente localizados em zonas remotas. A segurança e vigilância de equipamento meteorológico valioso num local remoto incentiva a organização da campanha de medição perto de aglomerados humanos, onde o equipamento pode ser instalado e mantido a um custo mais baixo.

No entanto, o microclima local pode ser altamente variável, o que significa que as medições efectuadas são imprecisas para o local pretendido para o projeto. Este é especialmente o caso em zonas montanhosas ou costeiras.

Além disso, os projectos de grande escala utilizam cada vez mais módulos bifaciais, que captam a irradiação solar reflectida pela superfície. As medições do albedo têm de ser efectuadas a partir do mesmo tipo de superfície ou de um tipo de superfície semelhante ao previsto para o funcionamento do projeto.

Para atenuar este problema, Solargis recomenda que:

• No caso de grandes centrais solares, as medições sejam efectuadas em vários locais para garantir que a variação local do clima/superfície seja totalmente tida em conta.
• A sazonalidade seja tida em conta - com as medições do albedo, uma superfície tem caraterísticas diferentes durante o inverno e o verão, ou durante as estações secas e húmidas, pelo que é fundamental medir durante pelo menos 12 meses.
• Os dados de medição são controlados em termos de qualidade, validados e certificados por especialistas em recursos solares conhecedores e fiáveis.

Desafio 3: Conciliar medições terrestres com séries cronológicas de modelos de satélite

Os promotores solares são frequentemente confrontados com desafios significativos na integração de dados de campanhas de medição no local com modelos existentes baseados em satélites. Este é particularmente o caso quando os dados das campanhas de medição no local não são objeto de controlo de qualidade.

Os dados das campanhas de medição no local podem ser:

• Não fiáveis - contêm pontos de dados anómalos e suspeitos, que diferem uns dos outros e/ou são diferentes dos valores do modelo.
• Incompletos - com falta de dados durante períodos alargados devido a falha do equipamento ou erro de calibração.
• Inconsistentemente formatados - com carimbos de data/hora e metadados diferentes.

Isto pode levar a ineficiências significativas para os programadores, particularmente quando os especialistas em dados têm de corrigir e alinhar manualmente os dados utilizando ferramentas de software inadequadas, tais como folhas de cálculo, que não oferecem funcionalidades específicas do domínio.

Para gerir a qualidade dos dados de forma eficiente, a Solargis recomenda que os promotores invistam numa ferramenta de visualização e análise de dados concebida para ser utilizada no sector da energia solar, com a capacidade de

• Importar e visualizar facilmente os dados para identificar áreas que precisam de ser corrigidas.
• Criar séries temporais harmonizadas preenchendo as lacunas com dados de medições alternativas ou de séries temporais de modelos.
• Alinhar dados de séries temporais e corrigir marcas temporais heterogéneas.
• Adicionar metadados ao nível de pormenor necessário.
• Verificar os dados utilizando ferramentas baseadas na física solar.
• Validar as medições com dados de séries temporais de modelos de satélites.

Em última análise, as séries temporais de medições funcionam melhor quando utilizadas para complementar conjuntos de dados solares verificados e exactos derivados de satélites. Tanto os dados de modelos de satélites como as medições envolvem incertezas. A combinação das fontes de dados ajuda a atingir o nível mais baixo possível de incerteza ao avaliar o desempenho solar de um local.

Com base numa vasta experiência no processamento de medições solares e de dados de modelos, a Solargis lançou recentemente uma ferramenta de software para ajudar os promotores e operadores de energia solar a gerir a qualidade dos seus dados de forma eficiente. Solargis Analyst permite comparações diretas de conjuntos de dados, a partir de medições no local ou de modelos, e garante que a qualidade dos dados é consistente.

Entre em contacto para saber mais sobre como a Solargis pode aconselhar na implementação e validação de campanhas de medição no local para projectos solares de grande escala: https://solargis.com/contact-us