RearCPVbif: painéis solares agrivoltaicos partilham a luz com as culturas

Em todo o sul de Espanha, um novo tipo de painel solar está, de forma discreta, a alterar as regras sobre quem pode beneficiar da luz do sol.

Em vez de obrigarem a escolher entre produzir alimentos ou energia, investigadores de Jaén afirmam ter encontrado uma forma de partilhar a radiação solar. Os seus painéis protótipo produzem quantidades relevantes de eletricidade, deixando simultaneamente passar luz suficiente para manter hortícolas e árvores de fruto vivas e produtivas.

Como as centrais solares começaram a competir com os terrenos agrícolas

A transição energética europeia esbarra numa realidade simples e persistente: o solo disponível é limitado. A União Europeia pretende que, até 2030, pelo menos 30% da energia tenha origem em fontes renováveis e atingir a neutralidade climática em 2050. A energia solar à escala industrial é central neste objetivo, impulsionada pelo menor custo dos módulos e pelo grande volume de produção proveniente da China.

Contudo, à medida que os projetos aumentam de dimensão, os conflitos locais também se intensificam. Os promotores procuram campos planos e soalheiros; os agricultores veem nesses mesmos terrenos o seu meio de subsistência. As comunidades locais contestam a substituição de pomares ou pastagens por conjuntos de painéis. Em algumas regiões, a oposição entre energia solar e alimentos tornou-se um tema recorrente.

Esta tensão explica, em parte, o crescente interesse pela agrivoltaica. Em vez de afastarem a atividade agrícola, os sistemas agrivoltaicos elevam os painéis ou aumentam o espaçamento entre eles, permitindo que culturas, animais ou colmeias utilizem a mesma área. As plantas tolerantes à sombra podem beneficiar de microclimas mais frescos e de menor evaporação. As ovelhas pastam sob as estruturas e controlam a vegetação, enquanto os apicultores podem usar os locais solares como zonas de alimentação para as abelhas.

A agrivoltaica procura transformar um conflito de uso do solo numa dupla colheita: quilowatt-hora no alto, calorias em baixo.

O principal desafio técnico surge quando os painéis são instalados diretamente sobre as culturas. Os módulos convencionais, opacos, bloqueiam a maior parte da luz solar, o que pode atrasar o crescimento, deformar as plantas ou reduzir as colheitas. Existem painéis semitransparentes, mas, regra geral, sacrificam demasiada produção elétrica para satisfazer agricultores e investidores.

A abordagem de Jaén à energia solar semitransparente

Um grupo de investigação da Universidade de Jaén, no sul de Espanha, apresentou um novo desenho descrito num artigo recente sobre tecnologia agrivoltaica. O sistema chama-se RearCPVbif, abreviatura de “fotovoltaico bifacial com concentrador traseiro”. O nome é pouco simples, mas o princípio é direto: deixar passar luz para as plantas e, ao mesmo tempo, recuperar uma parte da radiação que de outra forma seria desperdiçada.

O que distingue o RearCPVbif

• Utiliza células solares bifaciais, capazes de gerar eletricidade tanto na face frontal como na traseira.
• Integra concentradores óticos na parte posterior, que redirecionam a luz refletida e dispersa para o verso das células.
• Mantém uma transparência ótica elevada, permitindo que chegue luz suficiente às culturas instaladas por baixo.

A maior parte dos sistemas fotovoltaicos semitransparentes, frequentemente designados STPV, limita-se a espaçar o material ativo ou a utilizar camadas mais finas. Isto permite a passagem de mais luz, mas diminui a produção elétrica. O sistema de Jaén propõe uma solução diferente: mantém a transparência e extrai eletricidade adicional da luz que se reflete e circula atrás do painel.

Os investigadores indicam um fator de transparência de cerca de 60%, um nível habitualmente considerado aceitável para muitas culturas hortícolas.

Este valor de 60% é relevante. Estudos agronómicos sugerem que muitos vegetais começam a ter dificuldades quando a transmissão média de luz cai muito abaixo desse limiar. Acima dele, algumas espécies conseguem manter uma fotossíntese próxima do normal, sobretudo quando a temperatura e a humidade são bem geridas.

Duas métricas de luz essenciais para culturas e eletricidade

Para avaliar se um painel solar pode ser instalado com segurança sobre culturas, engenheiros e agrónomos analisam hoje dois valores, e não apenas a potência de pico indicada na placa do equipamento.

• Transmitância visível média (AVT): a proporção de luz visível que atravessa o painel.
• Transmitância fotossintética média (APT): a proporção da luz, nos comprimentos de onda efetivamente utilizados pelas plantas na fotossíntese, que chega às folhas.

A equipa de Jaén recorreu aos dois indicadores. Para as culturas, a APT tem maior importância do que a energia solar total. As plantas dependem sobretudo da chamada radiação fotossinteticamente ativa (PAR), aproximadamente entre 400 e 700 nanómetros de comprimento de onda. Se um painel bloquear uma parte excessiva desta faixa, as colheitas diminuem, mesmo que continue a passar bastante luz infravermelha ou ultravioleta.

Estudos anteriores sobre estufas e redes de sombreamento situam o limite inferior para um crescimento confortável das culturas em cerca de 60% de transmissão na gama PAR, consoante a espécie. O sistema RearCPVbif foi desenvolvido em torno dessa referência.

O estado atual da energia solar “transparente”

A indústria fotovoltaica em geral tem procurado alcançar transparência por duas vias.

• Painéis semitransparentes não seletivos, que reduzem a espessura das camadas absorventes ou introduzem intervalos microscópicos no material ativo. Estes módulos deixam passar mais luz em todo o espetro, mas normalmente sofrem uma grande redução da eficiência elétrica.
• Painéis seletivos por comprimento de onda, concebidos para absorver sobretudo radiação ultravioleta e infravermelha próxima, permitindo a passagem da luz visível. As plantas recebem grande parte do que necessitam, enquanto o painel aproveita zonas do espetro que o olho humano não utiliza.

O desenho de Jaén aproxima-se mais do segundo grupo, mas acrescenta concentradores óticos traseiros. Estes componentes procuram captar raios dispersos que atravessam inicialmente o painel, refletem no solo ou nas culturas e atingem depois a parte posterior do módulo. As células bifaciais podem converter essa luz refletida em eletricidade adicional.

Em vez de disputar cada fotão apenas na superfície frontal, o sistema aproveita a luz de segunda oportunidade que a exploração agrícola simplesmente devolveria ao céu por reflexão.

Esta solução também combina naturalmente com solos claros e refletivos ou coberturas mortas de cor clara, que aumentam a quantidade de luz disponível para a face traseira das células.

Manter as culturas frescas enquanto os painéis produzem

O calor constitui outra limitação quando se instalam módulos solares sobre culturas. Uma cobertura de vidro quente pode reter ar aquecido e criar um efeito de estufa indesejado. Temperaturas elevadas nos painéis prejudicam igualmente o desempenho elétrico, reduzindo a eficiência das células.

O estudo de Jaén monitorizou o comportamento térmico e verificou que as temperaturas das células se mantiveram abaixo de cerca de 70 °C. Este nível evita as perdas de desempenho mais graves e reduz o risco de sobreaquecimento da camada de ar imediatamente abaixo dos módulos. Para os agricultores, este controlo de temperatura pode ajudar a manter o desenvolvimento das plantas num percurso habitual, evitando situações de stress.

• Painéis mais frescos preservam uma produção mais estável durante as ondas de calor estivais.
• Temperaturas do ar mais moderadas reduzem a queda das flores e os danos nos frutos de culturas sensíveis.
• Os animais sob os painéis enfrentam uma carga térmica menos extrema do que sob coberturas de metal sem proteção.

O que o RearCPVbif pode representar para agricultores e promotores

Se sistemas como o RearCPVbif alcançarem maturidade comercial, poderão alterar a forma como os promotores solares encaram os terrenos rurais em regiões ricas em sol, como a Andaluzia, a Califórnia ou o sul de Itália. Em vez de deslocarem as culturas, os promotores poderiam negociar contratos de arrendamento de longo prazo em que a exploração agrícola e a instalação solar funcionassem em conjunto.

Na perspetiva do agricultor, uma cobertura semitransparente pode atenuar alguns riscos climáticos. A sombra parcial consegue limitar o stress térmico durante períodos de calor cada vez mais frequentes. Os painéis podem reduzir a velocidade do vento junto ao solo e diminuir a evaporação. Onde a água é escassa ou cara, isso pode estabilizar as colheitas.

Em vez de pagarem renda por campos perdidos, os agricultores poderiam receber dois rendimentos pelo mesmo hectare: um da colheita e outro da eletricidade.

O desempenho no terreno dependerá de uma seleção cuidadosa das culturas e do desenho do sistema. Hortaliças de folha, frutos vermelhos e determinadas ervas aromáticas podem desenvolver-se bem sob luz filtrada. As culturas de cereais e as árvores de fruto que exigem muito sol podem necessitar de maior espaçamento entre filas ou de estruturas mais altas para evitar perdas de produtividade.

Questões que ainda exigem resposta

Tal como acontece com qualquer conceito promissor de laboratório, subsistem vários obstáculos antes de painéis agrivoltaicos deste tipo se tornarem comuns sobre linhas de tomateiros ou jovens oliveiras.

• Custo da ótica: os concentradores traseiros e as células bifaciais tornam o sistema mais complexo. Os fabricantes terão de demonstrar que os quilowatt-hora adicionais compensam o acréscimo no custo dos materiais.
• Durabilidade: os componentes óticos têm de resistir, durante décadas em explorações agrícolas ativas, a poeira, humidade, granizo e operações de limpeza.
• Acesso para manutenção: os agricultores precisam de espaço para tratores, colhedoras e sistemas de rega, o que condiciona a disposição das estruturas.
• Regulação: as regras de planeamento e os apoios agrícolas na Europa e noutros locais continuam, em grande medida, a assumir que um terreno ou produz culturas ou acolhe energia solar, mas não ambos.

Como avaliar o potencial agrivoltaico numa exploração real

Para os proprietários rurais que ponderem estes sistemas no futuro, algumas verificações básicas já podem orientar a análise, mesmo antes de esta tecnologia específica estar plenamente comercializada.

• Medir a radiação solar média e a temperatura ao longo da época de crescimento.
• Identificar as culturas da exploração que toleram sombra parcial ou coberturas mais frescas.
• Modelar diferentes densidades de painéis, procurando atingir pelo menos 60% de transmitância fotossintética onde os rendimentos elevados são mais importantes.
• Simular a poupança de água resultante da menor evaporação e compará-la com qualquer alteração prevista na produtividade.

Simulações simples mostram que, em locais quentes com forte radiação solar, uma redução moderada da luz direta pode, por vezes, ser compensada por menor stress térmico e por poupança de água, especialmente em horticultura de elevado valor. Quando se junta a isso uma fonte fiável de receitas de eletricidade, altera-se o enquadramento financeiro de parcelas marginais ou propensas à seca.

Para os responsáveis pelo planeamento energético, desenhos agrivoltaicos como o de Jaén ampliam o leque de locais capazes de acolher energia solar. Os parques de estacionamento e os telhados continuarão a ser importantes. Ainda assim, as estruturas semitransparentes e bifaciais sobre culturas permitem aumentar a capacidade solar dentro de zonas agrícolas já existentes, em vez de expulsar as explorações ou de as empurrar para terrenos menos adequados. Em regiões pressionadas simultaneamente pelas alterações climáticas e pelas metas energéticas, este modelo de partilha da luz solar poderá passar gradualmente de ensaios experimentais a uma opção habitual no desenho da próxima geração de infraestruturas rurais.