Painéis solares bifaciais



A primeira rodada de projetos bifaciais em escala de utilidade atrai financiamento, desenvolvedores, financiadores e partes interessadas estão preocupados com o risco de modelagem de energia. Ao mesmo tempo, foram iniciados experimentos institucionais para melhorar o albedo, com o objetivo de elevar o impulso bifacial do nível conservador de 10% agora aceito como confiável na indústria, para um valor de 20% ou mais. “A tecnologia bifacial com refletores retrovisores representa uma mudança de paradigma na redução do custo nivelado da eletricidade (LCOE) das instalações solares”, afirma Pedro Martin, do Laboratório de Confiabilidade Fotovoltaica da Universidade Estadual do Arizona.


Esses e outros especialistas em pesquisa solar bifacial se reuniram em Albuquerque em maio, no Simpósio de Sistemas Fotovoltaicos de 2019, co-patrocinado pelos Sandia National Laboratories, Laboratório de Testes Solar CFV e pelo Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica (EPRI) para comparar novos conhecimentos adquiridos e ajudar traçar o roteiro para estimativa de desempenho bifacial, instalação e coleta de rendimento. O CFV troca dados de testes bifaciais com o Fraunhofer ISE, líder global em estudos bifaciais.


O simpósio destacou os esforços conjuntos de Sandia, do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL) e da Universidade de Iowa, que trabalharam juntos em um estudo de três anos de energia solar bifacial. Este trabalho conjunto centrou-se em três linhas, incluindo dados de desempenho PV bifacial ao ar livre, caracterização bifacial e padrões de classificação e modelagem de desempenho de sistemas fotovoltaicos bifaciais.


Sandia ganhou um prêmio de US $ 3 milhões do SunShot National Laboratory Multiyear Partnership (SuNLaMP), do Departamento de Energia dos Estados Unidos, por seu papel nessa pesquisa conjunta. O NREL também tem vários subsídios para estudar a tecnologia bifacial, juntamente com o apoio da indústria.

A Universidade de Iowa está desenvolvendo um modelo de previsão de desempenho que usa um método de rastreamento de raio reverso, baseado no software Radiance e Python. O projeto é financiado pelo SuNLaMP.


"Os sistemas fotovoltaicos bifaciais podem, às vezes, ver ganhos de mais de 30% e, combinados com rastreamento, o ganho elétrico total pode chegar a 50%, o que reduzirá o LCOE para menos de US $ 0,02 / kWh", sugere um relatório da Sandia.


Ganho de energia, economia de equipamentos

Espera-se que a perspectiva do aumento bifacial mude rapidamente de adoção no setor, especialmente para projetos baseados em rastreadores. O Roteiro Tecnológico Internacional para a Energia Fotovoltaica (ITRPV), produzido pela alemã VDMA, prevê que os módulos bifaciais representarão 10% da participação mundial de módulos fotovoltaicos até 2020, e mais de 30% até 2028.


“Todos os compradores de painéis inteligentes estão comprando bifacial agora”, atesta Steven Zhu, presidente da Trina Solar USA. A Trina vem testando painéis bifaciais com parceiros dos Estados Unidos e da China, observa ele.


Enquanto os painéis bifaciais representam uma tecnologia-chave para o rendimento energético da captura de albedo, as tecnologias de rastreamento, juntamente com inversores mais inteligentes, são os veículos de suporte necessários para maximizar o ganho bifacial. Dada a granularidade muito maior dos dados operacionais bifaciais, em comparação com os sistemas monofaciais, os projetistas de energia solar estão descobrindo que o seguro de sobrecarregar um sistema para garantir um dado rendimento não é mais necessário, ou pelo menos muito reduzido.


“O Bifacial não é apenas um impulso, trata-se de usar menos equipamentos de CC para chegar lá”, diz Peter Johnson, engenheiro sênior de projetos da AWS Truepower, a recém-adquirida parte consultora do Underwriters Laboratory. “Para projetos bifaciais, a relação DC-AC é inferior em cerca de 5% para obter uma perda ideal de limitação do inversor”, diz ele. "Uma vantagem bifacial de 3% a 9% é frequentemente realizada como uma combinação de redução de custo de capacidade CC e ganho de energia".


A AWS Truepower defende testes de campo extensivos de medições de albedo para modelagem de desempenho bifacial aceitável. O albedo no local e as medições horizontais difusas podem reduzir a incerteza sobre o Plano de Array (POA) do lado traseiro, segundo a AWS. “Um aumento de 3% (ou diminuição) no albedo pode resultar em um aumento de 1% (ou diminuição) no POA total”, observa Johnson.


Com base em seus recentes testes de campo de painéis bifaciais em Illinois e no Texas, a AWS descobriu que o albedo modelado pode ser de 2% a 5% diferente do albedo medido. No processo, a AWS concluiu que “a contribuição de energia do lado de trás pode estar entre 20% e 40% de incerteza”, significando que a incerteza de modelagem ainda pode ser muito alta para ser utilizada, a menos que um valor de reforço conservativo seja assumido.


Variação bifacial

A Sandia está facilitando um grupo colaborativo de profissionais de PV, o PV Performance Modeling Collaborative, ou PVPMC. Como parte deste trabalho, a equipe de Sandia - liderada por Joshua Stein, um investigador principal do laboratório - montou um campo de teste inicial em sua instalação de testes em Albuquerque para ter uma noção de onde as pesquisas futuras precisavam ser focadas. A matriz consistia em dois módulos bifaciais e dois monofaciais em formação dupla, com uma orientação de paisagem a uma inclinação de 35 graus.


Entre os resultados iniciais do teste de campo, a equipe de Sandia descobriu que os ganhos bifaciais para o sistema geralmente variavam entre 7% e 16% e eram sempre maiores para a linha de baixo. Esta diferença foi provavelmente aumentada pela baixa posição do sol durante o curto teste perto da época do solstício de inverno.


A equipe de Sandia também descobriu que o ganho bifacial em dias claros era mais alto pela manhã e diminuía gradualmente durante o dia. Isso provavelmente ocorreu porque os módulos bifaciais foram posicionados no lado leste do rack, observou a equipe. "De manhã, a luz do sol vinda de um ângulo atinge o solo diretamente sob os módulos bifaciais, enquanto a sombra é projetada para o oeste sob os módulos monofaciais", relata Stein. “À tarde, a sombra dos módulos é projetada sob o lado bifacial da matriz e, assim, reduz o ganho bifacial”, diz ele.


Aprimorando o albedo

Talvez o teste de campo bifacial mais prospectivo apresentado no simpósio tenha sido o da equipe da Universidade Estadual do Arizona, com sede em Tempe, que testou três variações de campos de albedo mecanicamente aprimorados. A equipe descobriu que o albedo aumentado aumentava em 4% o aumento bifacial em relação aos painéis bifaciais sem o substrato de folha de alumínio. Combinando um aumento de 16% a 20% sem o uso de substrato, além do aumento de 14% do substrato para o albedo, obteve-se um aumento bifacial total entre 30% e 34%.


Um dos objetivos da pesquisa da ASU era ajudar a confirmar o potencial de manter um rendimento energético constante ao substituir os painéis solares bifaciais padrão, compostos por 60 células densamente compactadas, com um design alternativo de 48 refletores de células mais refletores.


“Assim, estamos produzindo mais da metade do rendimento energético do painel bifacial padrão de 60 células com um bifacial de 48 células e um refletor traseiro montado, o que implica na necessidade de menos células”, afirma Martin.


A primeira parte da pesquisa da ASU envolveu testes externos de módulos fotovoltaicos montados com diferentes perfis de refletores estacionários, consistindo de tubos de alumínio e barras em V sobre substrato de alumínio. A segunda parte da pesquisa concentrou-se no efeito de refletores estacionários no sombreamento e no espaçamento entre fileiras para usinas bifaciais.


As variações no substrato de alumínio incluíam colunas verticais em V invertido e colunas verticais semicirculares. As colunas semicirculares eram compostas por tubo de PVC revestido de alumínio.


Outro benefício da adição de substrato foi uma redução de 40% na taxa de cobertura do solo necessária para a meta de rendimento fixo, observou Martin. A redução, aliada ao custo mais baixo de painéis bifaciais de 48 células com pouca compactação, reduz potencialmente os custos de terra e material de um sistema bifacial comparável em 50%, além do aumento bifacial.


Uma nova abordagem para reunir maior albedo naturalmente disponível está sendo estudada no Alasca por Sandia, em conjunto com a Universidade do Alasca em Fairbanks, onde uma série de suportes de montagem verticais estacionários para painéis bifaciais foram instalados.


A equipe da Sandia-UAF, liderada por Joshua Stein, da Sandia, descobriu que as matrizes verticais bifaciais orientadas para leste / oeste podem produzir até 20% mais energia do que os projetos tradicionais, com um perfil de potência mais amplo que poderia combinar melhor as cargas. A equipe também descobriu que os módulos verticais parecem derramar melhor a neve e coletar menos material de sujeira.


Os limites para a adoção bifacial vertical no norte incluem a falta de soluções de estantes comerciais para bifacial vertical, a necessidade de layout de campo otimizado para minimizar o sombreamento e padrões de teste finalizados para módulos bifaciais, observou Stein.


Avanços preditivos de software

A ASU realizou suas medições de teste com software preditivo, incluindo o sistema PVsyst, o System Advisor Model (SAM) de código aberto do governo dos EUA e o MATLAB Coding da Mathwork. Uma série de pesquisadores está usando várias ferramentas de software para ajudar a desenvolver um padrão da indústria que melhor corresponda às previsões com testes de campo.


O NREL está liderando o caminho na validação de modelos de software bifacial no SAM, para o qual um modelo de desempenho bifacial foi lançado recentemente. Um grupo liderado por Chris Deline - um pesquisador de engenharia elétrica - está comparando o SAM com o PVSyst, atualmente a principal ferramenta de modelagem de desempenho PV reconhecida industrialmente.


Embora o PVsyst e o SAM sejam padrões comumente referenciados para prever o desempenho bifacial, o uso do MATLAB é menos conhecido. O MATLAB permite manipulações de matriz, plotagem de funções e dados, implementação de algoritmos, criação de interfaces de usuário e interface com programas escritos em outras linguagens. O Python é uma linguagem de base que vários projetos de pesquisa bifacial utilizam.


Uma nova solução de software introduzida no simpósio veio da PV Lighthouse. Chamado de SunSolve, ele combina o traçado de raios ao nível do micron com o SPICE, um simulador de circuito eletrônico de código aberto. O SunSolve, uma solução comercial para pesquisadores de células e módulos, está sendo estendido para resolver o rendimento anual de sistemas fotovoltaicos. Em colaboração com a Cypress Creek Renewables, seu primeiro teste foi simular sistemas bifaciais com dados meteorológicos medidos pela NREL em 2018, resolvendo cada configuração do sistema com dois bilhões de raios, diz Keith McIntosh, diretor da empresa.


No geral, o teste do farol fotovoltaico representou a variabilidade espectral da luz direta e difusa e as dependências espectrais e angulares do solo, do tubo de torque e do módulo. Também foi responsável pela temperatura do módulo e a incompatibilidade de corrente dentro de um módulo devido à iluminação não uniforme - particularmente um problema de backside. O teste de software também investigou painéis em diferentes locais dentro de uma matriz, descobrindo que os módulos na borda dos arrays mostram maior incompatibilidade de corrente e maior rendimento em comparação com os módulos do centro da matriz, diz McIntosh.


Entre as métricas de desempenho calculadas pelo PV Lighthouse, verificou-se que a incompatibilidade célula a célula é cerca de 50% maior para os módulos de borda e depende fortemente do albedo. A capacidade do SunSolve de responder por efeitos espectrais, incompatibilidade de corrente, sombreamento do tubo de torque e ângulo de incidência - todos detalhados para níveis precisos de granularidade - torna o software um bom programa para o PVsyst, que não resolve diretamente esses fatores, diz ele.


Em outro conjunto recente de experimentos de rastreamento de raios, Silvana Ayala e seus colegas descobriram que as simulações de traçado de raio no brilho da aresta sugeriam um aumento de 15% a 25% na irradiância traseira nas extremidades das linhas do rastreador, mas até 20% perda de tubos de torque montados no centro, criando várias sombras.


Ayala e co-pesquisadores usaram o software V3 Bifacial Radiance da NREL para medir facetas adicionais do desempenho bifacial, incluindo a altura da mesa e a folga do tubo de torque, separação da mesa sobre o tubo de torque, diferenciação de quatro diferentes formas geométricas de tubos de torque para abranger todas as ofertas do mercado. e rastreamento cumulativo por hora, detalhado em sua apresentação no simpósio.


Uma nova aplicação bifacial analisada por Ayala e equipe foi o desempenho de painéis bifaciais em carports ou coberturas. A análise foi sensível o suficiente para detectar a posição dos veículos sob o dossel e computar a diferença de albedo à medida que os carros eram movidos para dentro ou para fora, observa ela.


A DNV GL está trabalhando agora para otimizar seu software SolarFarmer para estender o desempenho bifacial de inclinação fixa para rastreadores até o final deste ano, diz Mark Mikofski, engenheiro principal da empresa. O trabalho da DNV GL em bifacials de inclinação fixa mostrou, entre outras coisas, que os painéis bifaciais tiveram melhor desempenho em uma inclinação de 30 graus, enquanto os painéis monofaciais tiveram melhor desempenho em 25 graus.


O SolarFarmer é um produto de projeto de planta fotovoltaica que inclui um modelo completo de sombreamento e cálculo 3D, lidando com obstáculos complexos de terreno e sombreamento, diz a DNV GL.


Projeto Bifacial de 114 MW no Brasil


A usina, em desenvolvimento pela Canadian Solar, garantiu US $ 80 milhões do Banco do Nordeste. A instalação está programada para ficar online em meados de 2020.


A Canadian Solar obteve financiamento de R$ 295 milhões (US $ 80 milhões) do Banco do Nordeste SA (BNB) para o projeto de 114 MW Salgueiro PV no estado de Pernambuco, no nordeste do Brasil.


Segundo o fabricante chinês-canadense, é o segundo projeto solar da empresa no Brasil financiado pelo Banco do Nordeste. Um pacote financeiro de R$ 366 milhões foi concedido em novembro para o projeto de 115 MW de Pirapora II .


O projeto Salgueiro faz parte de uma carteira solar de 478 MW concedida à Canadian Solar nos dois últimos leilões de energia A-4, realizados entre dezembro de 2017 e abril de 2018, e inclui um PPA de 20 anos com a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica.


A Canadian Solar planeja iniciar a construção este ano com conclusão prevista para meados de 2020. A fábrica utilizará mais de 286.000 dos módulos bifaciais BiHiKu da empresa , que excedem 400 W em potência nominal na parte frontal.

Fábrica de São Paulo entrega novamente


“O projeto Salgueiro está entre os primeiros projetos de energia solar no leilão Brasil A-4 2017 para garantir o financiamento do desenvolvimento do BNB sob o programa do Fundo Constitucional do Nordeste”, disse o presidente do Solar Canadense, Shawn Qu.


O fabricante garantiu projetos fotovoltaicos totalizando 955 MW de capacidade nos leilões solares do Brasil. Todos usarão painéis feitos na fábrica de módulos de 380 MW da Canadian Solar, perto de São Paulo. A fábrica deu à empresa uma grande vantagem no mercado solar brasileiro, já que projetos que incorporam componentes produzidos localmente têm acesso a financiamentos do banco de desenvolvimento brasileiro BNDES e do Banco do Nordeste.


Em um relatório recente da consultoria brasileira Greener , a Canadian Solar foi nomeada a segunda maior provedora de módulos fotovoltaicos no Brasil, com 621 MW de embarques. O maior foi o Jinko, com cerca de 1,12 GW. A chinesa BYD – que também opera uma fábrica de painéis no Brasil – ficou em terceiro lugar, com 606 MW de embarques.


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