Como calcular a produção de uma central fotovoltaica

A produção de uma central solar é a energia gerada ao longo de um período, normalmente expressa em quilowatts-hora ou megawatts-hora. A potência FV instalada, pelo contrário, é uma potência e costuma exprimir-se em quilowatts-pico ou megawatts-pico. Estas grandezas estão relacionadas, mas não são intermutáveis.

Energia = Potência instalada × Horas equivalentes de irradiação solar × Fator de desempenho

Se a potência instalada estiver em kW e o termo de irradiação equivalente for expresso em kWh/m² relativamente à irradiância de referência normalizada, a energia resultante interpreta-se habitualmente em kWh depois de aplicados os pressupostos de normalização e de perdas do modelo. Na modelação detalhada da produção, a irradiância no plano dos módulos, as características dos módulos, a temperatura, o comportamento do inversor e as perdas são normalmente tratados de forma explícita, em vez de comprimidos num único fator.

Energia anual (kWh) = Potência instalada (kWp) × Produtividade específica (kWh/kWp)

A produtividade específica representa a energia modelada ou medida por unidade de potência instalada no período escolhido. Não é uma constante universal e varia com a localização, a conceção do sistema, o clima, o equipamento e as perdas.

Qualquer cálculo de produção deve, por isso, indicar o período, a fonte da irradiância, a base da potência instalada, os pressupostos de perdas e se o resultado é modelado ou medido.

Uma central com 1 MW de potência nominal não gera 1 MWh em cada hora do dia. Os megawatts descrevem a capacidade de potência instantânea em condições especificadas, ao passo que os megawatts-hora descrevem a energia acumulada ao longo do tempo.

Um exemplo simples mostra a diferença. Se um sistema FV de 100 kW produzisse, em média, 60 kW durante cinco horas e não produzisse energia no resto do período do exemplo, a energia seria:

Este exemplo não significa que um sistema de 100 kW produza normalmente 300 kWh por dia. A produção real varia com a irradiação solar, a temperatura dos módulos, a orientação, o sombreamento, as perdas do sistema, o clima, o funcionamento do inversor, a limitação de potência e outras condições.

A potência instalada de pico baseia-se em condições de ensaio especificadas para os módulos, e não numa produção garantida em campo a cada instante. Os módulos reais passam grande parte do tempo de funcionamento longe dessas condições de referência.

A produção diária deve, portanto, ser calculada ou medida como energia ao longo do tempo. Multiplicar a potência nominal por 24 horas pressuporia, incorretamente, que a central produz a potência nominal de forma contínua, de dia e de noite.

Perceber a diferença entre kW e kWh é essencial antes de comparar a dimensão da central, as previsões de produção, os dados dos contadores ou as necessidades de armazenamento.

A energia disponível no contador de faturação ou da central é inferior à energia solar teórica que incide no conjunto, porque entre a luz solar e a eletricidade AC entregue ocorrem vários efeitos de conversão e de funcionamento. Estes efeitos devem ser representados de forma explícita num modelo de produção detalhado.

O sombreamento reduz a irradiância que chega às células e pode também afetar módulos ligados em série, através do desajuste (mismatch) e do comportamento dos díodos de derivação. O impacto depende da localização, da duração, da geometria, da arquitetura dos módulos, da configuração das strings e do inversor.

A sujidade reduz a luz transmitida quando pó, pólen, dejetos de aves, resíduos agrícolas ou outros materiais se acumulam na superfície do módulo. A perda depende do local e varia com o clima, a inclinação dos módulos, a origem da contaminação e o historial de limpeza.

A temperatura dos módulos também afeta a produção. Nos módulos de silício cristalino, o aumento da temperatura das células, com irradiância comparável, reduz geralmente a tensão e a potência disponível. O efeito concreto deve ser calculado a partir das características do módulo instalado.

Ocorrem perdas elétricas nos cabos DC, nos conetores, nos transformadores, nos circuitos AC e noutros componentes. Os inversores introduzem perdas de conversão e podem também limitar a potência quando se atingem restrições de funcionamento ou a capacidade nominal.

A limitação de potência ou de injeção na rede pode reduzir a energia entregue mesmo quando o próprio conjunto poderia produzir mais. A disponibilidade, as paragens para manutenção, os eventos na rede, as avarias de equipamento e as definições de controlo podem acrescentar outras diferenças entre a produção teórica e a medida.

Depois de a central entrar em funcionamento, a produção modelada deve ser comparada com a energia medida e com as condições meteorológicas que realmente ocorreram. Uma previsão baseada na irradiância média de longo prazo não deve coincidir exatamente com cada dia, mês ou ano.

A comparação deve usar fronteiras de medição coerentes. Se o modelo prevê a energia à saída do inversor, mas o valor medido vem de um contador de rede depois das perdas do transformador e dos auxiliares, os dois números não representam o mesmo ponto do sistema.

Os dados meteorológicos são igualmente importantes. Uma produção mais baixa durante um período de irradiância inferior ao esperado pode indicar uma resposta normal da central e não um desempenho insuficiente do equipamento. Inversamente, uma boa irradiância combinada com uma produção inesperada pode justificar a análise da disponibilidade, da limitação de potência, da temperatura, da sujidade, do funcionamento do inversor ou do estado elétrico.

Os dados ao nível da string ou do inversor ajudam a restringir a causa dos desvios. Se uma secção difere enquanto as secções vizinhas funcionam normalmente em condições semelhantes, o problema pode ser localizado e não resultar do clima em toda a central.

A inspeção pode então fornecer provas físicas. As verificações visuais, a termografia aérea e os ensaios elétricos permitem analisar partes específicas da central identificadas pelos dados de exploração.

A produção medida deve, assim, servir para aperfeiçoar a compreensão do modelo e não apenas para rotular cada desvio como uma avaria.

O rácio de desempenho, habitualmente abreviado como PR, é um indicador normalizado usado para comparar a energia FV real ou modelada com uma referência baseada na irradiação solar disponível e na potência instalada. Uma representação simplificada é:

Produtividade final = Energia produzida (kWh) / Potência instalada (kWp)

e a produtividade de referência deriva da irradiação solar medida ou modelada em relação à irradiância de referência usada nas potências nominais FV. O PR é adimensional e exprime-se muitas vezes como decimal ou percentagem.

O PR ajuda a separar alguns efeitos da dimensão da central e da irradiação, sendo útil para comparar o funcionamento entre períodos quando os dados de entrada e as fronteiras de medição são coerentes. Continua, no entanto, a incluir a influência combinada da temperatura, das perdas do sistema, da disponibilidade, da sujidade, do comportamento do inversor, da limitação de potência e de outros fatores presentes no cálculo.

O rácio de desempenho não é o mesmo que a eficiência do módulo. A eficiência do módulo descreve a eficácia com que a potência solar incidente é convertida em potência elétrica em condições definidas, enquanto o PR descreve o desempenho do sistema em funcionamento face a uma referência normalizada.

Uma variação do PR também não identifica, por si só, a causa de fundo. É necessária uma análise adicional para determinar se a variação resulta da qualidade dos dados meteorológicos, da sujidade, da temperatura, da disponibilidade do equipamento, da limitação de potência, das perdas elétricas, de um erro de medição ou de outro fator.

Um erro frequente é tratar a potência instalada como se fosse produção garantida. Uma central de 10 MWp não produz 10 MWh em cada hora, e multiplicar a potência diretamente por todas as horas de um ano ignora a noite, o clima, a temperatura e as perdas do sistema.

Outro erro é usar a irradiação horizontal sem ter em conta o plano e a orientação reais do conjunto. A inclinação, o azimute, o movimento dos seguidores, os efeitos do horizonte e o sombreamento influenciam a irradiação recebida pelos módulos.

Os pressupostos de perdas também podem ser aplicados de forma incoerente. A sujidade, a temperatura, a conversão do inversor, a cablagem, a disponibilidade, a limitação de potência, o desajuste e as perdas do transformador não devem ser contados duas vezes nem escondidos em vários fatores sobrepostos.

Usar dados meteorológicos pouco realistas cria outro problema. Um modelo baseado em dados climáticos de longo prazo descreve as condições esperadas num período estatístico, ao passo que um ano de exploração pode ser mais soalheiro ou mais nublado do que essa referência.

As fronteiras de medição são muitas vezes esquecidas. A energia DC ao nível do módulo, a saída AC do inversor, a recolha AC da central e a energia do contador de injeção na rede não são a mesma grandeza.

Por fim, uma precisão excessiva pode fazer uma estimativa parecer mais certa do que os dados de entrada justificam. Um modelo de produção é tão fiável quanto os seus dados meteorológicos, os pressupostos sobre o equipamento, as estimativas de perdas, a conceção da central e os pressupostos de funcionamento.

Um cálculo de produção é uma estimativa até ser comparado com o funcionamento medido. Mesmo um modelo detalhado não pode garantir a quantidade exata de energia que uma central gerará num ano futuro, porque o clima, a disponibilidade, o estado do equipamento, a limitação de potência, a manutenção e as condições da rede podem mudar.

Pela mesma razão, a produção de energia não deve ser convertida diretamente num retorno financeiro garantido. O preço da eletricidade, a estrutura tarifária, os custos de exploração, os impostos, o financiamento, a limitação de potência, os pressupostos de degradação, os eventos de manutenção e outras variáveis comerciais afetam a receita.

Os dados medidos também têm limites. Os sensores podem desviar-se, os contadores podem usar fronteiras diferentes, os sistemas de comunicação podem perder registos e as estações meteorológicas podem não representar por igual as condições numa central de grande dimensão.

A inspeção termográfica pode ajudar a investigar alguns desvios de funcionamento, mas não calcula a produção por si só. A IEC 62446-3 trata da inspeção termográfica no exterior de sistemas FV em funcionamento, incluindo o equipamento, as condições ambientais, o procedimento, a competência do pessoal e o relatório. Não define um cálculo geral da produtividade energética nem um limiar térmico universal para a análise da produção.

A distinção útil é entre modelo e medição. Os modelos estimam o que a central poderia produzir com pressupostos declarados; os contadores registam o que atravessou um ponto de medição definido. A análise explica porque é que esses dois valores diferem e se a diferença é coerente com as condições reais de funcionamento da central.