Usinas Solares Flutuantes

O beneficio mais significativo de uma usina solar flutuante consiste em que esta não ocupa espaço valioso em terra que pode ser usada para outros propósitos.  A instalação de uma usina solar flutuante em  lagos e ou  em reservatórios diversos evita este  dilema. Outro benefício consiste em que estas usinas  exercem um efeito de resfriamento que melhora a performance dos painéis fotovoltaicos entre  cerca de  5 e 10%. No decorrer do tempo isto resulta em economias significativas .Outros benefícios incluem ainda o sombreamento reduzido, diminuição de obras civis, redução da interconexão com a rede elétrica, reduzida  evaporação e melhoria da qualidade de água  e redução da proliferação de algas.

O potencial futuro para o crescimento da geração de energia elétrica através das usinas solares flutuantes é bastante significativo. Somente os reservatórios de usinas hidroelétricas abrangem mundialmente mais de 250000 Km2, o bastante para gerar 2,5 vezes a eletricidade produzida por toda a capacidade hídrica   já conhecida  no mundo.A geração combinada de painéis solares flutuantes com usinas hidroelétricas pode apresentar resultados muito promissores. Em Portugal, por exemplo, uma  coleção de 840 painéis solares flutuantes foi  instalada  no reservatório de uma usina hidroelétrica no rio Rabagão, com uma capacidade de 220 KW, fato que excedeu as expectativas da EDP Renováveis, empresa portuguesa internacional de energia. A potência adicional dos painéis solares equilibrou o fornecimento de energia da usina hidroelétrica , bem como a locação da infraestrutura de distribuição  representando uma  vantagem importante.

Noções sobre a tecnologia das usinas solares flutuantes

O layout geral da usina solar flutuante é semelhante ao de uma usina semelhante construída em terra firme, exceto pelo fato de que os painéis solares e frequentemente os inversores são montados numa plataforma flutuante, conforme Figura 1.

Fonte: Solar Energy Research – Institute of Singapore – World Bank Group - 2018

 A corrente contínua – CC gerada pelos painéis solares é dirigida a dispositivos especiais denominados inversores e transformada em corrente alternada – CA. Os inversores solares são equipamentos destinados a converter a eletricidade gerada pelos painéis solares  em corrente continua para corrente alternada. Para as usinas de menor porte  e mais  próximas da terra firme é possível posicionar os inversores em terra , isto é, a uma curta  distância   dos painéis solares. A plataforma flutuante inclusive seu sistema de amarrações de ancoragem constitui parte integrante da usina solar flutuante. Atualmente as usinas solares de maior porte são montadas usando flutuadores tipo pontões, com os painéis fixos montados em ângulo inclinado . Tipicamente a estrutura flutuante pode ser feita através de flutuadores usuais  combinados com suportes metálicos como mostra a Figura 1. A concepção usual utiliza corpos flutuantes especialmente projetados aos quais são diretamente afixados os painéis solares.

 Esta configuração é a mais comum. Podem ser fornecidas por inúmeros fabricantes e já representam uma capacidade globalmente instalada  de centenas de megawatts. Outro tipo usa as estruturas metálicas para suporte dos painéis solares de maneira semelhante aos sistemas em terra firme. Estas estruturas são fixadas aos pontões cuja  única função é propiciar a flutuação. Neste caso não há necessidade de equipamentos especialmente projetados.

A plataforma flutuante é mantida em sua posição pelas ancoragens e respectivas amarrações sendo o projeto dependente de fatores como a carga do vento, tipo de flutuador, profundidade e variabilidade do nível da água. A plataforma flutuante pode ser geralmente ancorada na margem do reservatório e em seu fundo, em pilares ou uma combinação das três hipóteses. O empreendedor  seleciona um projeto compatível com o posicionamento da  plataforma, considerando a batimetria, condições geotécnicas e a variação do nível d’água. A ancoragem na margem é particularmente aplicada para reservatórios menores e mais rasos , entretanto,  a maioria das instalações flutuantes é posicionada ancorada no fundo. Qualquer que seja o método selecionado a ancoragem necessita ser projetada para manter a instalação por 25 anos ou mais. As linhas das amarrações precisam de ser selecionadas corretamente para suportar as tensões e a variação do nível da água.

Os sistemas de usinas solares flutuantes localizam-se  em reservatórios de todos os tipos, lagos naturais e artificiais, canais de irrigação , etc. Um reduzido numero destes sistemas solares encontra-se na  França, Índia, Japão, Coreia do Sul , Reino Unido, Singapura e Estados Unidos, com exceção da China que apresenta  maior capacidade instalada.  

Até o momento acredita-se que tais sistemas apresentam vantagens  superiores em relação às usinas solares em terra firme. Entretanto, o custo de aquisição de terras para estas usinas é mais caro e adicionalmente ainda permanecem  poucas instruções e regulamentos para instalação de usinas solares em reservatórios e lagos não utilizados para recreação. Diferentemente da maioria das usinas solares em terra firme, as usinas solares flutuantes passam desapercebidas porque se encontram fora da visão do público . As flutuantes alcançam eficiência superior àquelas posicionadas em terra firme devido ao fato de que a água resfria os painéis solares e estes possuem ainda revestimento especial  para prevenir ferrugem e corrosão. Recentemente, usinas solares com capacidade desde dezenas até centenas de megawatts foram instaladas na China e outras estão sendo planejadas na Índia e no Sudeste da Asia. A primeira usina solar de capacidade superior a 10 Mwp foi instalada em 2016 e em 2018 o mundo acompanhou o surgimento de inúmeras usinas maiores do que 100 MWp, a maior delas com 150 MWp. Com o incremento de novos mercados a capacidade de usinas flutuantes vem crescendo exponencialmente desde meados de 2018, aproximando-se da escala de GWp, o mesmo patamar que as usinas solares em terra firme alcançaram no ano de 2000.

Figura 2 – Capacidade Global de Usinas Solares Flutuantes no Mundo - 2018

Custos de Usinas Solares Flutuantes inclusive Projetos

O custo de uma usina solar flutuante é até o momento  ligeiramente superior ao da usina solar em terra firme devido principalmente à necessidade de flutuantes, ancoragens e amarrações bem como componentes elétricos mais resilientes . Espera-se entretanto que o custo de flutuantes diminua  futuramente com o crescimento deste tipo de geração de energia em todo o mundo. O custo das instalações de usinas solares flutuantes sob forma comercial de  “turnkey” está geralmente entre US$ 0,80 até US1,20 / Wp ( base 2018), conforme Figura 3 a seguir, dependendo da locação do projeto, da profundidade do reservatório e da escala da usina. A China é o único país que já instalou projetos desde dezenas até centenas de MWp. O custo de usinas solares flutuantes em outras regiões pode variar consideravelmente.  O Japão apresenta ainda preços relativamente altos para as usinas solares flutuantes enquanto a China e a Índia já apresentam preços bem menores.

 Figura 3 – Custos de Investimento de Usinas Solares Flutuantes entre  2004 e 2018

 Fonte: Solar Energy Research – Institute of Singapore – World Bank Group - 2018

 Angulação dos painéis solares

É extremamente importante a angulação dos painéis solares uma vez que isto afeta diretamente na produtividade dos painéis. Deve-se esclarecer que nem sempre é conveniente produzir a quantidade máxima de eletricidade  pois deve ser também levado em consideração as necessidades de consumo. Por exemplo, se o objetivo é consumir a eletricidade fornecida pela usina solar flutuante ao invés de vende-la de volta para a rede, a orientação dos painéis solares pode não ser necessariamente a mesma de quando se está consumido a eletricidade. Consequentemente,  a inclinação dos painéis tem grande importância porque estes produzirão o máximo de energia quando o sol estiver diretamente na posição perpendicular a eles. Durante o inverno no hemisfério norte, por exemplo, o sol permanece baixo relativamente  ao horizonte. Neste caso, para se obter o melhor desempenho dos painéis solares, deve-se adotar o ângulo de 60 graus. Durante a primavera o melhor ângulo seria 45 graus e durante o verão, estando o sol mais alto no céu, seria melhor adotar um ângulo com inclinação baixa, da ordem de 20 graus.

 A inclinação dos ângulos dos painéis solares da usina flutuante e as velocidades dos ventos devem ser adequadamente  consideradas nos projetos  para cada localidade. O efeito dos ventos representa  também  um papel vital no que concerne à  decisão de quanta  força de arraste deve ser considerada  no projeto da  estrutura da usina flutuante. Assim  é de extrema importância a correta angulação dos painéis neste tipo de usina uma vez que um ângulo incorreto pode induzir forças de arraste e causar  severos  danos para toda a estrutura da usina. Baseando-se na experiência passada de vários  grupos especialistas os ângulos de inclinação dos painéis para este tipo de usina  são dados pela tabela 4 a seguir:

Figura 4 - Angulo de inclinação do painel solar com relação à velocidade do vento

Nos anos que estão por vir, as melhorias da energia solar tornarão mais economica este tipo de geração. Por volta de 2030 a energia solar se tornará a mais importante fonte de energia na produção de eletricidade em grande parte do mundo, trazendo um enorme impacto positivo para o meio ambiente e para as alterações climáticas.

Jose Augusto Pimentel Pessôa

Eng. Sênior - julho de 2021

Referências:

 1- Floating Solar Photovoltaic (FSPV): A Third Pillar to Solar PV Sector? Floating Solar Photovoltaic (FSPV): A Third Pillar to Solar PV Sector? - 2018

2-Where Sun Meets Water FLOATING SOLAR MARKET REPORT - 2018

3-Floating Solar Photovoltaic on the Rise – May 2020

4- Floating Solar Photovoltaic (FSPV): A Third Pillar to Solar PV Sector? - 2019