Artur Skoczek
Oct 4, 2023
Condições de frio extremo podem levar ao aumento das tensões nos módulos fotovoltaicos (PV), potencialmente causando sobrecarga no sistema.
Saiba mais sobre a importância crítica de compreender o parâmetro de temperatura de funcionamento mais baixa esperada (ou TLEO na linguagem Solargis) para um dimensionamento ótimo do conjunto fotovoltaico.
Neste artigo, discutiremos:
Quer seja um investidor, projetista, operador ou qualquer outro profissional do sector da energia solar, este artigo fornecerá uma compreensão clara de como pensar em sistemas fotovoltaicos em condições de frio. Isto pode levar a uma redução das falhas do sistema, a uma vida útil operacional mais longa e a menos dores de cabeça com a manutenção.
Um aspeto crítico que é frequentemente ignorado nos projectos fotovoltaicos? O desempenho dos sistemas fotovoltaicos em condições de frio extremo.
A temperatura mais baixa ocorre normalmente pouco antes ou durante o nascer do sol. A combinação da temperatura ambiente extremamente baixa dos módulos FV e da radiação solar abundante durante o nascer do sol pode despoletar um aumento súbito da tensão na cadeia FV.
Quando certos níveis críticos são excedidos, há o potencial de levar à sobrecarga do sistema.
A temperatura de funcionamento mais baixa esperada é fundamental para esta preocupação. Determinar com exatidão a TLEO é essencial para o funcionamento seguro e eficiente dos painéis fotovoltaicos.
De acordo com as melhores práticas de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos (introduzidas, entre outras, nas normas IEC 62548 e IEC 62738), o número máximo de módulos fotovoltaicos no string é determinado pela tensão nominal máxima dos componentes, como os módulos e os inversores.
A tensão de circuito aberto (Voc) para uma cadeia FV é calculada com base na classificação Voc do módulo e na temperatura de funcionamento mais baixa esperada (TLEO), de acordo com as normas da indústria.
A TLEO é definida na norma IEC 62738 [1] como a média dos valores anuais mais baixos da temperatura do ar. Se existirem dados suficientes, pode ser limitado às horas de luz solar e a um limiar de baixa irradiância.
O comprimento máximo calculado da string FV é frequentemente a opção mais económica porque reduz as perdas nos cabos e o comprimento total do cabo. Nos casos em que a tensão máxima calculada é ligeiramente superior à classificação máxima do sistema, pode ser necessária uma análise mais aprofundada para avaliar o risco de sobretensão.
A melhor opção para obter a temperatura do ar para um determinado local é através de medições contínuas a longo prazo, utilizando sensores de temperatura de alta precisão, calibrados e bem conservados, montados de acordo com as normas da OMM [2].
Infelizmente, este método está limitado a locais onde são efectuadas observações meteorológicas de longo prazo, normalmente no âmbito dos serviços meteorológicos nacionais ou de outras redes de observação.
A nível global, a única alternativa é obter dados históricos da temperatura do ar a partir dos modelos climáticos disponíveis.
Neste projeto, o desenvolvimento do mapa global TLEO começa com o processamento dos dados de reanálise climática ERA5 (operados pelos serviços ECMWF e Copernicus [3]), fornecidos com uma resolução nativa de 0,25° (nominalmente 28 km). Aqui, para cada ano, a temperatura mínima absoluta do ar a 2 metros de altura é derivada de uma série temporal de 1 hora, abrangendo o período de 2001-2020. O valor TLEO resultante é então calculado como média a partir de 20 valores anuais.
Para ultrapassar a resolução espacial grosseira dos dados do ERA5 (particularmente nas montanhas com dissecação vertical significativa do terreno e nas zonas costeiras), introduzimos uma desagregação espacial baseada em correcções calculadas da taxa de lapso, derivadas da elevação do terreno (Fig. X2) e dos dados de temperatura do ar de vários níveis de altura.
O resultado é uma camada de dados de resolução fina (tamanho de pixel de ~1 km) com valores TLEO disponíveis globalmente para qualquer local do mundo (ver Fig. 1 e 2).
A partir de setembro de 2023, disponibilizámos os dados da temperatura operacional mais baixa prevista (TLEO) em Solargis Prospect.
Com a variável TLEO, o cálculo das flutuações máximas de tensão e as decisões de dimensionamento do string fotovoltaico são mais precisos, garantindo o funcionamento seguro e eficiente do sistema fotovoltaico em diversas condições climatéricas.
Fig. 1. Mapa TLEO de alta resolução, média de longo prazo, período 2001 - 2020
Fig 2. Mapa TLEO de alta resolução, média de longo prazo, período 2001 - 2020. Concentração nas regiões com elevados gradientes de TLEO: Costa do Pacífico na América do Sul (esquerda), Europa Central (meio) e Sul da Ásia (direita)
A camada final de dados TLEO é validada com dados de séries temporais medidos em mais de 8500 estações em todo o mundo e disponibilizados na Base de Dados de Superfície Integrada (ISD) pela Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA) [4] para os anos 2001-2021.
O desvio global, calculado como a diferença entre a TLEO modelada e a medida, é de 1,2°C, com um desvio padrão de 2,4°C. Os valores mais extremos (apresentados aqui como valores de percentil P5 e P95) caem abaixo de -2,6°C e excedem 5,1°C, respetivamente.
Em geral, os resultados satisfazem o objetivo do dimensionamento do painel fotovoltaico na maior parte do mundo. No entanto, foram identificadas regiões com anomalias microclimáticas e foram encontrados potenciais problemas recorrentes no conjunto de dados modelados (Fig. 3).
Como esperado, a resolução do modelo ERA5 não é suficientemente detalhada para algumas regiões montanhosas em todo o mundo. A maioria das estações meteorológicas está localizada em vales onde a representação da elevação pelo ERA5 é tipicamente mais elevada do que a elevação real dos locais, resultando em valores de temperatura subestimados. A correção da taxa de lapso ajuda em certa medida a resolver estas discrepâncias, mas a magnitude da correção não é muitas vezes suficiente - por exemplo, Alpes Centrais (Fig. 3A), Montanhas Escandinavas (Fig. 3C), Tibete, Himalaias, Irão Ocidental, Sudeste da Turquia, etc.
Outra questão recorrente é o facto de o ERA5 subestimar a influência continental, particularmente ao longo das zonas costeiras (por exemplo, Sudeste da Austrália na Fig. 3B).
O modelo sobrestima a influência do mar/oceano, o que pode levar a previsões de temperatura incorrectas. Por exemplo, o ar frio que cai das montanhas em direção às massas de água pode ter um impacto significativo na temperatura das ilhas montanhosas, mas este efeito nem sempre é bem captado pelos modelos com uma resolução grosseira (por exemplo, a ilha da Córsega na Fig. 3A).
Outro problema identificado foi a inversão de temperatura nos vales frios. As inversões ocorrem quando uma camada de ar frio fica presa no vale, selada por uma camada de ar quente por cima. A geografia da área impede que o ar frio flua para fora do vale e as montanhas circundantes impedem que os ventos o eliminem facilmente e tragam ar novo.
Fig. 3: Áreas selecionadas com diferenças significativas entre o TLEO calculado e o TLEO derivado das estações meteorológicas NOAA ISD
Como já foi descrito acima, a TLEO é definida na norma IEC 62738 como a média dos valores anuais mais baixos da temperatura do ar.
Por um lado, o cálculo da média filtra os extremos acidentais. Por outro lado, o cálculo da média introduz um erro associado à estimativa da TLEO absoluta para todo o período de 2001-2020 e ao cálculo da TLEO como média, tal como prescrito na norma CEI.
A Fig. 4 ilustra a comparação da distribuição do erro introduzido pela simplificação da taxa de lapso mensal com a distribuição dos desvios-padrão da TLEO anual e a distribuição da diferença absoluta entre a TLEO anual recorde e a TLEO anual recorde. Um total de 30 000 pontos foram avaliados globalmente, comparando o TLEO calculado utilizando uma abordagem de séries temporais completas com cálculos raster utilizando uma distribuição aleatória de locais.
Fig. 4: Comparação da distribuição das diferenças no método de cálculo da TLEO (séries cronológicas vs. raster), desvio padrão da TLEO anual e distribuição da diferença absoluta entre a TLEO anual máxima e mínima registada
O valor relativamente elevado do desvio padrão da TLEO anual e a elevada diferença entre a TLEO anual mais baixa e a mais alta registada é uma questão importante a ter em conta no dimensionamento de centrais fotovoltaicas com base apenas no mapa médio da TLEO.
Deve-se notar também que a temperatura dos módulos fotovoltaicos voltados para o céu aberto pode ser 5°C mais baixa do que a temperatura do ar ambiente em alguns locais.
Analogamente, foram analisados os dados de medição da NOAA ISD. A Fig. 5 mostra a diferença entre a TLEO absoluta e a TLEO média calculada para o período 2010-2019. Em muitos casos, os valores excedem 5°C, ocasionalmente 10°C.
Fig. 5. Análise de 10 anos (período 2010-2019): Diferença entre o mínimo absoluto da temperatura do ar e a TLEO (a média dos mínimos absolutos anuais da temperatura do ar)
[1] Zawaydeh, Samer. (2019). IEC 62738:2018 Centrais fotovoltaicas montadas no solo - Diretrizes e recomendações de projeto.
[2] Guia de instrumentos e métodos de observação, Organização Meteorológica Mundial (WMO-No. 8), edição 2021/2018, ISBN: 978-92-63-10008-5
[3] Hans Hersbach, Bill Bell, Paul Berrisford, et.al. A reanálise global ERA5 Publicado pela primeira vez em: 17 de maio de 2020
[4] Smith, A., N. Lott, and R. Vose, The Integrated Surface Database: Recent Developments and Partnerships. Boletim da Sociedade Meteorológica Americana, 2011, 92, 704-708
