Os sistemas solares fotovoltaicos dependem da luz solar. Os sistemas de armazenamento de energia da bateria são feitos para absorver e liberar energia no momento certo. Como exemplo de dia quente de verão, parece caber perfeitamente, já que tem muito sol, muita energia gerada e alta demanda por refrigeração, mas a realidade é bem mais complicada. Como resultado das crescentes ondas de calor, as temperaturas extremas começaram a funcionar como um teste que revela as falhas, acelera o processo de degradação e questiona o quão seguros são realmente os sistemas fotovoltaicos e de armazenamento.
O paradoxo solar: mais sol, menos energia?
Parece contra-intuitivo: os painéis fotovoltaicos convertem a luz solar em electricidade, então porque é que o tempo mais quente reduz a sua produção? A resposta está nacoeficiente de temperaturade células fotovoltaicas.
As condições de teste padrão avaliam os módulos fotovoltaicos a uma temperatura de célula de 25 graus com irradiância de 1000 W/m². No campo, entretanto, as temperaturas dos módulos normalmente sobem bem acima das temperaturas do ar ambiente em dias quentes e ensolarados. As células solares de silício cristalino-a tecnologia dominante atualmente-exibem um coeficiente de temperatura de energia negativo, normalmente entre –0,38% e –0,44% por grau Celsius. Isso significa que para cada aumento de 1 grau na temperatura da célula, a saída elétrica do módulo cai cerca de 0,38% a 0,44%.
Considere um exemplo prático: se a temperatura da célula subir de 25 graus para 65 graus -um cenário comum em uma tarde de verão-a perda de energia atinge cerca de 16% (assumindo –0,4%/grau). Em condições extremas de ondas de calor, as temperaturas das células podem exceder 70 graus, elevando a redução total para além de 17%. Estudos de campo demonstraram que durante ondas de calor prolongadas, os parques fotovoltaicos podem perder até 90% do seu potencial de geração horária, não por causa da cobertura de nuvens, mas puramente devido aos efeitos térmicos.
Contudo, deve-se notar que a temperatura raramente é o único fator envolvido. O calor desempenha um papel agravante quando já existem outros problemas. Módulos sujos, sombreamento parcial, crescimento de plantas e quaisquer partes danificadas dos módulos tornam-se especialmente importantes sob condições de alta irradiância e temperatura. O exemplo típico pode ser o fenômeno do “hot spot”, quando o módulo sombreado ou danificado consome energia em vez de gerá-la e, assim, a temperatura no local determinado aumenta. Além disso, os inversores fotovoltaicos são dispositivos eletrônicos com alcance limitado de operação. Assim, quando a temperatura ambiente aumenta, o grau de eficiência do resfriamento do inversor é reduzido, o que leva ao superaquecimento no interior do inversor e que pode provocar desclassificação ou até mesmo desligamento-do sistema, agravando o envelhecimento do módulo e reduzindo a eficiência da usina solar em geral.
Baterias sob fogo: o duplo golpe do calor
Para baterias de íons de lítio, o calor é ainda mais problemático. Esses sistemas eletroquímicos se degradam por meio de dois mecanismos principais: envelhecimento do calendário (dependente-do tempo, independentemente do uso) e envelhecimento cíclico (carga-descarga induzida). Ambos são fortemente influenciados pela temperatura, estado de carga (SoC), profundidade de descarga e taxas de carga/descarga.
A pesquisa mostra consistentemente que a alta temperatura, combinada com alto SoC e ciclos profundos, acelera drasticamente a perda de capacidade. Em aplicações acopladas a energia fotovoltaica, as baterias são frequentemente carregadas rapidamente durante os picos solares do meio-dia e, em seguida, mantidas em SoC elevado durante várias horas, enquanto a temperatura ambiente permanece elevada. Esse padrão de operação-carregamento rápido seguido por uma imersão prolongada em calor com alto SoC-é particularmente prejudicial. Para cada aumento de 10 graus na temperatura média de operação, a taxa de envelhecimento do calendário pode aproximadamente dobrar, de acordo com o comportamento do tipo Arrhenius observado em muitos produtos químicos de íons de lítio.
Além das questões de desempenho interno, outro fator crítico é a segurança. As baterias de íon-de lítio podem encontrar uma série de problemas, como sobrecarga ou danos devido à força mecânica ou curtos-circuitos dentro de seus componentes. Como resultado, a temperatura da fonte aumenta para 130 graus; esse impulso-inicia uma série de reações dentro da bateria, incluindo a quebra do SEI e a evaporação do eletrólito. Se a temperatura continuar subindo, a célula poderá aumentar a temperatura da superfície para e acima de 1.200 graus e liberar gás inflamável em temperaturas acima de 600 graus. Para baterias grandes amplamente utilizadas hoje em soluções industriais, a temperatura durante o descontrole pode atingir níveis superiores a 800 graus.
Os sistemas de gerenciamento térmico-resfriamento de ar, resfriamento de líquido e materiais de mudança de fase-devem trabalhar mais em condições quentes, consumindo energia parasita e reduzindo a eficiência geral do sistema. Quando a temperatura de uma célula, rack ou outro recipiente chega perto de certos limites, o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) reduzirá automaticamente a produção e restringirá a funcionalidade. Embora os atuais sistemas de armazenamento de energia de bateria (BESS) contenham sensores de backup, sistemas de supressão de incêndio e sistemas de resfriamento, ainda existem riscos de fuga térmica, uma vez que defeitos na produção de células individuais podem permanecer sem serem detectados até serem expostos a temperaturas extremas. Portanto, é crucial projetar esses sistemas de forma a evitar o agravamento das falhas, identificar problemas que possam levar à liberação-de gases e evitar que incidentes locais se tornem desastres.
Desafios em nível de sistema: o tango do armazenamento fotovoltaico
Nas centrais híbridas solares e de armazenamento, os efeitos térmicos convergem e interagem. O arranjo fotovoltaico produz energia máxima durante o pico de irradiância, mas perde uma parte devido ao calor. O sistema de armazenamento, encarregado de absorver o excesso de energia do meio-dia, sofre simultaneamente o maior estresse de carregamento nas horas mais quentes. Isto cria um paradoxo operacional: do ponto de vista da otimização da rede, faz sentido carregar totalmente a bateria durante o meio-dia e mantê-la num SoC elevado para o pico de descarga noturno; no entanto, do ponto de vista da longevidade e da segurança, essa mesma estratégia acelera a degradação e aumenta o risco térmico.
Assim, pode-se dizer que não existe um “melhor” modo operacional universal. É necessário equilibrar as possíveis receitas provenientes da comercialização de energia, otimizando o auto-consumo, a resposta de frequência em relação à perda de eficiência, a energia de resfriamento, o desgaste acelerado das baterias e o maior risco de desligamentos não planejados. Sistemas modernos de gerenciamento de energia (EMS) estão sendo desenvolvidos para gerenciar essa complexidade-Os sistemas EMS monitoram as temperaturas de módulos e células, previsões meteorológicas, preços de mercado e sinais de rede e geram estratégias operacionais apropriadas. Por exemplo, congelar a bateria à noite, controlar a velocidade de carregamento durante o calor ou mesmo limitar deliberadamente a produção de eletricidade também pode ser justificado economicamente.
Conclusão: Resiliência de engenharia para um futuro mais quente
O calor intenso é agora um fenómeno comum e não uma excepção; está se tornando um teste regular para a tecnologia de energia renovável. A aprovação no teste exige uma reflexão-em toda a abordagem do sistema e não apenas a seleção de módulos com coeficiente de temperatura melhorado ou a instalação de dispositivos de resfriamento maiores. Em vez disso, é necessário um projeto térmico eficaz, modelagem-específica do local (levando em conta o microclima e a ventilação), manutenção adequada (incluindo inspeções infravermelhas e utilização de análise de dados-em tempo real) e decisões operacionais inteligentes que devem ser tomadas equilibrando os benefícios financeiros de curto-prazo e a saúde-do ativo a longo prazo.
Com a aceleração da transição energética e o desenvolvimento de mais capacidade solar e de armazenamento em zonas quentes, secas e tropicais, a capacidade de compreender e lidar com o stress térmico será essencial para todos os promotores, operadores e investidores. Para lidar com o calor, temos que tratá-lo não como uma reflexão tardia, mas como um parâmetro básico de design desde o início do projeto.
