Análise de modelos de estimativa de temperatura para módulos fotovoltaicos bifaciais

Abstract

Com a crescente adoção de módulos fotovoltaicos bifaciais, torna-se essencial aprimorar a modelagem térmica desses dispositivos para garantir previsões energéticas mais precisas. Nesse contexto, esta tese analisa e adapta a modelagem térmica de módulos fotovoltaicos bifaciais por meio da aplicação e validação experimental dos modelos de Ross, Faiman e PVsyst® sob condições de albedo entre 0,26 e 0,54, considerando diferentes resoluções temporais e tecnologias de célula. A pesquisa utiliza dados experimentais obtidos em uma usina fotovoltaica piloto em escala real para investigar sistematicamente os principais fatores que influenciam a estimativa da temperatura operacional dos módulos. Os resultados demonstram que a resolução temporal dos dados impacta significativamente a acurácia dos modelos. Ainda assim, os modelos podem apresentar bom desempenho em resoluções sub-horárias quando seus coeficientes térmicos são adequadamente ajustados. A inclusão da irradiância refletida mostra-se essencial para representar corretamente o balanço térmico de sistemas bifaciais, enquanto a utilização exclusiva da irradiância frontal conduz a erros sistemáticos, especialmente em cenários de médio e alto albedo. A comparação entre modelos indica que o modelo PVsyst® apresenta maior robustez em aplicações práticas de simulação, com erros térmicos típicos da ordem de 2?3 °C. Observa-se ainda que o coeficiente de transferência de calor constante U_c varia sistematicamente com o albedo do solo, evidenciando que esse parâmetro depende das condições de instalação e não deve ser tratado como parâmetro universal constante. A análise de sensibilidade mostra que diferenças na parametrização térmica podem resultar em variações de aproximadamente 1,3?1,5% na produção anual de energia, correspondendo a incrementos de 420 a 460 kWh/ano por tracker, o equivalente a aproximadamente 24?28 kWh/kWp/ano considerando as potências instaladas dos sistemas analisados. Esta tese contribui para o avanço da modelagem térmica de sistemas fotovoltaicos bifaciais ao fornecer validação experimental em escala real e diretrizes práticas para o aprimoramento de ferramentas de simulação energética, contribuindo para o aumento da confiabilidade das previsões de desempenho de usinas fotovoltaicas bifaciais.

Abstract: With the increasing adoption of bifacial photovoltaic modules, improving the thermal modeling of these devices has become essential to ensure more accurate energy predictions. In this context, this thesis analyzes and adapts the thermal modeling of bifacial photovoltaic modules through the application and experimental validation of the Ross, Faiman, and PVsyst® models under albedo conditions ranging from 0.26 to 0.54, different temporal resolutions, and cell technologies. The research uses experimental data obtained from a full-scale pilot photovoltaic plant to systematically investigate the main factors influencing the estimation of module operating temperature. The results show that the temporal resolution of the data significantly affects model accuracy, but that the models can achieve good performance at sub-hourly resolutions when their thermal coefficients are properly adjusted. The inclusion of rear-side irradiance is essential to correctly represent the thermal balance of bifacial systems, whereas the exclusive use of front-side irradiance leads to systematic errors, particularly under medium and high albedo conditions. Model comparison indicates that the PVsyst® model shows greater robustness for practical simulation applications, with typical thermal errors on the order of 2?3 °C. The results further show that the constant thermal transfer coefficient U_c varies systematically with ground albedo, demonstrating that this parameter depends on installation conditions and should not be treated as a universal constant. Sensitivity analysis reveals that differences in thermal parameterization can result in variations of approximately 1.3?1.5% in annual energy production, corresponding to increases of 420 to 460 kWh/year per tracker, equivalent to approximately 24?28 kWh/kWp/year based on the installed capacities of the analyzed systems. This thesis advances the thermal modeling of bifacial photovoltaic systems by providing full-scale experimental validation and practical guidelines for improving energy simulation tools, thereby contributing to the increased reliability of bifacial photovoltaic plant performance predictions.