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Sistema de rastreamento solar: a melhor maneira de os módulos fotovoltaicos seguirem o sol

Os sistemas fotovoltaicos (PV) são tradicionalmente instalados com orientação e ângulo de inclinação fixos, projetados para otimizar a produção de energia ao longo do ano. Como a posição do sol alterar no céu devido ao eixo inclinado da terra e sua órbita ao redor do sol, a produção de energia solar do sistema fotovoltaico pode ser diminuída, e é aí que os sistemas de rastreamento solar são úteis.

Os sistemas de rastreamento solar são uma ferramenta importante projetada para manter a produção de energia para sistemas fotovoltaicos em seu pico durante todo o ano. Esses sistemas de rastreamento vêm com diferentes graus de movimento, sistemas de direção e muito mais.

Neste artigo, você aprenderá os fundamentos dos sistemas de rastreamento solar, suas diferentes configurações e informações relevantes que o ajudarão a determinar se eles são adequados para você.

O que são rastreadores solares e como eles funcionam? Entendendo o básico

Os rastreadores solares atualizam os sistemas fotovoltaicos, concedendo aos módulos a capacidade para modificar a direção que eles estão enfrentando. Isto é conseguido através da instalação de uma ou mais juntas mecânicas ou eletromecânicas que introduzem movimento na base de um ou mais módulos. Um rastreador de painel solar pode ser categorizado por seu sistema de direção ou grau de movimento.

Os sistemas fotovoltaicos convencionais são instalados em uma orientação fixa do azimute e um ângulo de inclinação. A configuração ideal requer enfrentar os módulos verdadeiro sul ou 180º do azimute, com um ângulo de inclinação igual à latitude da sua localização.

Um sistema de rastreamento solar permite expor os módulos perpendicularmente ao sol durante todo o ano e ao longo do dia, aumentando a produção de energia de pico para todo o sistema. Como os rastreadores solares são mais caros, eles são mais comuns em aplicações industriais e de utilidade pública do que em aplicações residenciais.

Implementando tecnologia moderna, os sistemas de rastreamento solar tornaram-se mais robustos e tecnologicamente complexos. Os rastreadores solares agora incluem anemômetros, sensores solares, unidades de GPS e outros sensores que se integram ao software do Sistema de Informações Geográficas (GIS). Os sensores inteligentes podem rastrear o clima e trabalhar lado a lado com o software de rastreamento solar que usa aprendizado de máquina para prever padrões de nuvens, a posição do sol no céu e outros eventos relacionados ao clima.

Grau de movimento em rastreadores solares: eixo único vs. eixo duplo

Um dos principais aspectos usados ​​para categorizar um rastreador solar é o seu grau de movimento. Os sistemas de rastreamento solar geralmente apresentam um sistema de eixo único ou de eixo duplo.

Rastreador de eixo único inclinado (TSAT)

Um dos rastreadores solares mais comumente usados ​​e de baixo custo disponíveis é o rastreador de eixo único inclinado (TSAT). Esses rastreadores solares podem ser projetados para movimento do eixo horizontal ou vertical, com o rastreador específico necessário para cada sistema fotovoltaico variando de acordo com a localização geográfica onde os módulos estão instalados.

Rastreador solar horizontal de eixo único

O seguidor solar de eixo horizontal modifica o ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico com o movimento leste-oeste, mantendo a orientação constante ao longo do dia. Esses rastreadores solares são ideais para obter o melhor desempenho de sistemas fotovoltaicos localizados em baixas latitudes ou regiões tropicais. Nesses locais, os dias são mais curtos e o sol atinge uma posição mais alta no céu ao meio-dia.

O rastreador solar de eixo vertical mantém um ângulo de inclinação fixo enquanto usa um movimento de norte a sul para a orientação seguir o sol ao longo do dia. Os sistemas fotovoltaicos que obterão o melhor desempenho dos seguidores solares verticais são os instalados em locais de alta latitude, onde os dias duram mais durante o verão, mas o sol não atinge uma posição tão alta no céu.

Rastreador Solar de Eixo Duplo

Os sistemas de rastreamento solar mais versáteis e poderosos do mercado apresentam dois graus de movimento, conhecidos como rastreadores solares de eixo duplo. Um rastreador solar de eixo duplo pode inclinar o ângulo do módulo com um movimento horizontal leste-oeste e a orientação com um movimento vertical norte-sul, seguindo o sol com os módulos fotovoltaicos ao longo do dia.

Um sistema de rastreamento de painel solar pode ser útil para sistemas fotovoltaicos instalados em qualquer lugar do mundo. Esses sistemas são precisos, mas também têm um preço consideravelmente mais alto, por isso são usado principalmente em usinas solares térmicas e fotovoltaicas concentradas.

Variações interessantes de rastreadores de eixo vertical

Arquitetos visionários de todo o mundo, trabalhando lado a lado com engenheiros elétricos, criaram aplicações altamente interessantes para rastreadores de eixo vertical. Em vez de aplicar o rastreador de eixo único típico em um módulo fotovoltaico, alguns projetos de habitação levam o rastreamento solar para o próximo nível, girando todo o edifício onde os módulos fotovoltaicos estão instalados.

Casa Gemini com fachada solar equipada com tecnologia de rastreamento solar
"Gemini House" de Roland Mosl, licenciado sob CC BY-SA. A imagem foi processada com corte.

Um dos protótipos é o Gemini House criada por Roland Mosl em 1991. Este projeto austríaco para uma casa retrata uma casa cilíndrica que gira constantemente, seguindo o sol para expor uma instalação fotovoltaica de 150 metros quadrados.

Um conceito semelhante ao Gemini House foi criado pelo arquiteto Ralph Disch com a criação de O Heliotrópio. O Heliotrope é uma casa elevada com uma instalação fotovoltaica montada no telhado constantemente exposta ao sol com o movimento do eixo vertical da casa. Esta casa de energia zero também inclui tubos solares térmicos e pode gerar até cinco vezes o que a família consome.

Outro conceito interessante é o Revolt House proposta pela equipe de Delft. A Revolt House é uma casa flutuante que gira sobre a água, que embora não seja especificamente projetada para aplicações fotovoltaicas, é projetada para rastrear o sol e aproveitar a radiação solar para aquecer a casa no inverno e resfriá-la durante o verão, no entanto, um sistema fotovoltaico pode ser instalado para aproveitar a casa já rotativa.

Sistemas de acionamento de rastreadores solares: rastreadores solares manuais, passivos e ativos

O segundo aspecto mais importante usado para categorizar um rastreador de painel solar é seu sistema de condução. Este é o mecanismo usado para mover o eixo para ajustar a posição do módulo. O sistema de acionamento para rastreadores solares pode ser manual, passiva ou ativa.

Rastreador solar manual

O sistema de rastreamento manual do painel solar é o sistema de direção mais básico. Os rastreadores solares com este sistema de acionamento incluem uma ou mais juntas mecânicas usadas para ajustar a posição do módulo, o número de partes móveis varia se o rastreador solar tiver um eixo único ou um eixo duplo.

Rastreador Solar Passivo

Rastreadores solares passivos implemente um fluido de gás comprimido de baixo ponto de ebulição para o atuador encarregado de reposicionar o módulo em função da iluminação desequilibrada. À medida que o fluido de gás comprimido recebe luz solar parcial, ele muda sua densidade, expandindo-se à medida que ferve ou contraindo-se à medida que esfria, variando a densidade e restabelecendo o equilíbrio no sistema de montagem.

Rastreador Solar Ativo

Os rastreadores solares ativos implementam atuadores que modificam ativamente a posição do módulo fotovoltaico em um eixo único ou eixo duplo. Os atuadores usados ​​para o sistema de acionamento em rastreadores solares ativos pode incluir um motor elétrico ou um sistema mecânico composto por cilindros hidráulicos. Esses sistemas movem automaticamente os módulos para expô-los diretamente ao sol com sensores de rastreamento em tempo real.

Onde estão instalados os sistemas de rastreamento solar?

Os sistemas de rastreamento solar são uma ótima ferramenta para melhorar o desempenho de um sistema fotovoltaico, mas nem sempre são adequados para todas as aplicações. Nesta seção, explicamos onde os sistemas de rastreamento solar são comumente instalados.

Aplicativos residenciais

Os sistemas de rastreamento solar mais avançados não são adequados para aplicações residenciais devido ao alto custo de aquisição e custos de manutenção. Outra razão para os rastreadores solares não serem usados ​​em aplicações residenciais é que a maioria desses dispositivos de rastreamento é projetada para instalações fotovoltaicas montadas no solo, enquanto a maioria dos sistemas fotovoltaicos domésticos é instalada no telhado da casa.

Embora não seja comum, os proprietários ainda podem adquirir um kit de rastreador solar e usá-lo para melhorar o desempenho do sistema fotovoltaico em suas residências. Rastreadores solares de baixo custo podem melhorar o desempenho dos módulos fotovoltaicos até% 37, porém são mais viáveis ​​economicamente em locais onde a energia elétrica é mais cara e o desempenho adicional pode proporcionar grande economia de energia elétrica.

Os rastreadores solares de eixo duplo podem exigir quase o dobro das partes móveis que os de eixo único. O alto número de componentes se traduz em um custo mais alto para os rastreadores solares de eixo duplo em comparação com os de eixo único. É por isso que é recomendável instalar rastreadores horizontais de eixo único em locais de baixa latitude e verticais de eixo único em locais de alta latitude, em vez de usar rastreadores de eixo duplo.

Rastreadores manuais de baixo custo também são recomendados para aplicações residenciais, pois podem ser usados ​​para ajustar os módulos em um ângulo de 15 graus durante o inverno para compensar a posição deslocada do sol no céu. Os seguidores solares passivos também têm um custo relativamente baixo, razão pela qual são uma opção viável, enquanto os seguidores solares ativos, com seu alto custo, não representam uma opção economicamente viável na maioria dos casos.

Aplicações comerciais e industriais

Os sistemas fotovoltaicos comerciais, industriais e de escala de serviços públicos podem se beneficiar muito da implementação de sistemas de rastreamento de painéis solares. O aumento de potência que uma instalação fotovoltaica de grande escala pode obter com seguidores solares sobe para 45%, e é por isso que os sistemas de rastreamento são comuns em usinas de energia solar altamente lucrativas.

A instalação de rastreadores solares de eixo único em uma usina de energia solar provou aumentar a produção de energia em 25% em alguns estudos, enquanto outros mostram uma aumento de desempenho de 40%. Rastreadores solares de eixo duplo podem levar esses ganhos de energia em até 45%, mas alguns investidores de usinas fotovoltaicas tendem a optar por rastreadores solares de eixo único porque oferecem um lucro maior por seu custo mais baixo.

Aplicações C&I de Sistemas de Rastreamento Solar

O sistema de acionamento para instalações fotovoltaicas de grande porte geralmente varia entre passivo e ativo. Os rastreadores solares manuais representam um alto custo operacional, sendo economicamente viável apenas em países em desenvolvimento com menor custo de mão de obra. Rastreadores solares passivos e ativos representam uma melhor opção em países desenvolvidos, mas o sistema específico deve ser determinado após uma análise detalhada considerando o Custo Nivelado de Energia (LCOE) e a lucratividade considerando o custo dos rastreadores e manutenção.

Prós e contras de rastreadores solares

Os rastreadores solares podem ter diferentes graus de movimento e sistemas de acionamento, mas no geral eles apresentam muitas vantagens aos sistemas fotovoltaicos e representam apenas algumas desvantagens. Nesta seção, apresentamos e analisamos os prós e contras mais importantes dos rastreadores solares.

Prós

A produção de energia solar é maximizada ao longo do dia

Os rastreadores solares expõem Módulos fotovoltaicos perpendicularmente ao sol ou o mais próximo possível, aumentando a produção de energia solar em um sistema fotovoltaico. Isso aumenta os ganhos solares e o desempenho do sistema de 20% até 45% dependendo do tipo de rastreador solar usado.

Os rastreadores solares se adaptam a todos os tipos de sistemas fotovoltaicos em todos os locais

Uma das melhores vantagens de um rastreador de painel solar é que eles foram fortemente pesquisados ​​e fornecem soluções adequadas para sistemas fotovoltaicos em todo o mundo. Dependendo da sua localização e espaço disponível, você pode usar diferentes soluções de rastreamento para melhorar o desempenho do seu sistema fotovoltaico.

Sistemas fotovoltaicos com espaço limitado podem melhorar os ganhos solares em até 45%

Em alguns casos, os proprietários de sistemas fotovoltaicos podem ter recursos suficientes, mas espaço limitado para instalar um painel solar. Nesse caso, investir em um sistema de rastreamento solar pode ser lucrativo, melhorando os ganhos solares em até 45% ao usar rastreadores solares de eixo duplo.

A lucratividade é bastante aumentada em sistemas fotovoltaicos de grande escala montados no solo

Os sistemas fotovoltaicos de pequena escala apresentam pequenos ganhos quando o custo do sistema de rastreador solar é comparado com os ganhos solares, mas a lucratividade se torna mais perceptível em instalações fotovoltaicas de grande escala montadas no solo. A instalação do sistema de rastreamento de painel solar correto também aumentará os ganhos solares, mantendo o custo mínimo.

Integração com software rastreador solar

O software de rastreamento solar pode se integrar com rastreadores solares, analisando os padrões climáticos e climáticos futuros para prever o potência de saída dos módulos. As informações meteorológicas coletadas também podem ser usadas para outros fins de pesquisa multidisciplinar relacionados ao clima.

Desvantagens

Mais caro do que os sistemas de montagem fixa

O alto custo dos seguidores solares é uma das principais desvantagens em comparação com os sistemas de montagem fixa. Em alguns casos, o custo é tão alto que a implementação de rastreadores solares pode aumentar o ROI em alguns anos.

Maior necessidade de manutenção

Além de um custo inicial mais alto, os rastreadores solares também exigem manutenção regular. Isso não apenas introduz uma tarefa adicional a ser executada no sistema fotovoltaico, mas também um custo adicional para o LCOE.

Qual é o custo estimado dos sistemas de rastreamento solar? Eles são viáveis ​​para aplicações residenciais?

Os rastreadores solares podem apresentar uma ampla faixa de preço, considerando os diferentes sistemas de direção e graus de movimento que podem ser usados ​​para projetar o rastreador. Outros fatores, como o número de módulos alocados por rastreador, o design, a qualidade dos materiais e o fabricante, podem afetar o preço de varejo.

O custo de um rastreador solar de eixo único pode ser estimado em cerca de US$ 500, enquanto um rastreador solar de eixo duplo pode aumentar o preço para cerca de US$ 1,000. Considerando esses altos custos para o sistema de rastreamento, adicionar rastreadores solares a um sistema fotovoltaico pode aumentar o preço em 40% até 100%.

Os sistemas fotovoltaicos nos EUA têm um retorno médio do investimento (ROI) de 10 anos. Embora os rastreadores solares possam aumentar o desempenho do sistema fotovoltaico em cerca de 40%, eles também podem aumentar o custo em cerca de 40% ou mais, mantendo o ROI em 10 anos ou mais. Neste caso particular, a instalação de seguidores solares para uma aplicação residencial não parece economicamente viável.

Uma opção alternativa seria projetar e fabricar um rastreador solar mais acessível. Entre os projetos disponíveis, alguns incluem a fabricação de um rastreador solar de eixo duplo usando um Arduino, e outro projeta um rastreador solar de baixo custo personalizado com preço de pouco menos de US$ 150.

Prefácio: Os rastreadores solares são adequados para o seu sistema fotovoltaico?

A viabilidade econômica de um rastreador solar deve ser analisado considerando o ROI, desempenho aprimorado na saída de energia do sistema, LCOE e custo de operação e manutenção (O&M).

Para aplicações comerciais, industriais e em escala de serviços públicos, os rastreadores solares incluídos no LCOE provaram ser um ajuste certo para o sistema fotovoltaico, aumentando o desempenho e a rentabilidade do sistema e fazendo o investimento valer a pena.

Para aplicações residenciais, recomendamos analisar cada caso em particular. Alguns locais com altos custos de eletricidade podem tirar proveito de um sistema de rastreamento de painel solar, mas, em geral, eles não são recomendados, pois os rastreadores solares de varejo custam caro e introduzem um requisito de manutenção desnecessário, provando ser mais caro do que lucrativo.

Analisar o ROI do seu sistema fotovoltaico e procurar rastreadores solares de baixo custo, incluindo projetos DIY ou kits de rastreadores solares, pode acabar tornando os rastreadores solares adequados para você. A implementação de rastreadores solares acessíveis em um sistema fotovoltaico com ganhos solares de até 40% pode reduzir bastante o ROI em alguns anos e até mesmo aumentar o valor geral do seu sistema fotovoltaico.

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