O percurso do Grupo de Sistemas Fotovoltaicos (GSF) do Instituto de Energia Solar (IES) da Universidade Politécnica de Madrid (UPM) na eletrificação rural fotovoltaica tem sido marcado pela procura de sistemas solares de elevada qualidade. Este princípio é ainda mais relevante quando se consideram aplicações em áreas descentralizadas, onde a escassez de infraestruturas, o isolamento e a difícil acessibilidade, aliados à baixa densidade populacional e aos limitados recursos económicos, impossibilitam a operação e a manutenção necessárias para garantir uma vida útil razoável a estes sistemas. Há quatro décadas que o IES é pioneiro no desenvolvimento de normas e protocolos de controlo de qualidade para inúmeros programas de eletrificação rural implementados na América Latina e em África.
Desde 2010, a investigação do GSF em electrificação rural tem-se centrado em duas áreas estratégicas: a qualidade nos programas descentralizados de electrificação rural em larga escala e a fiabilidade dos sistemas de bombagem fotovoltaica.

Programas de Eletrificação Rural Descentralizada em Grande Escala:
No que diz respeito à qualidade dos programas de eletrificação rural descentralizada em grande escala, os estudos conduzidos pelo Grupo de Sistemas Fotovoltaicos (GSF) realçaram a fragilidade destes programas implementados em todo o mundo até à primeira década do século XXI. Esta fragilidade decorre dos elevados custos de operação e manutenção, que levam a graves situações de insolvência para as empresas envolvidas.
Acresce às dificuldades inerentes à descentralização o facto de, geralmente, ao empreender um programa desta natureza, o ponto de partida ser a falta de conhecimento sobre os dados reais de fiabilidade dos componentes do sistema (controladores de carga, inversores, luminárias e, principalmente, baterias). Compreender as taxas de avaria dos equipamentos, o tempo médio entre avarias e a vida útil em ambientes descentralizados deve ser a ferramenta fundamental para o projeto de estruturas de manutenção eficientes e economicamente viáveis.
Os resultados obtidos no estudo do Programa Global de Electrificação Rural de Marrocos (2005-2010), que incluiu mais de 13.000 sistemas solares residenciais, mostraram que a vida média das baterias era inferior a um ano e que o programa subestimou os custos de operação e manutenção em 20% (exigindo, por isso, uma estrutura de manutenção muito maior do que a prevista), levando o vencedor do concurso a abandonar o projecto.

Recorrendo a modelos de otimização matemática, é possível projetar estruturas de manutenção capazes de garantir a vida útil dos sistemas. Estas ferramentas de modelação ajudam a determinar, entre outras coisas, a localização dos centros de manutenção com base na distribuição geográfica dos sistemas e dos seus pontos de acesso, no número de técnicos e veículos necessários e nas previsões de peças de substituição necessárias de acordo com os dados de fiabilidade dos dispositivos. “Na GSF, desenvolvemos uma ferramenta capaz de projetar estruturas de manutenção e aplicámo-la ao programa marroquino, otimizando essas estruturas de tal forma que conseguimos inverter a falta de rentabilidade do programa em 20% em algumas áreas”, afirma Luis Miguel Carrasco, que lidera a linha de investigação em eletrificação fotovoltaica rural no Grupo de Sistemas Fotovoltaicos (GSF).
A última década caracterizou-se por uma mudança de paradigma, abandonando os modelos tradicionais de eletrificação fotovoltaica rural, como o modelo de tarifação por serviço, e optando, de um modo geral, por dois novos modelos. Um deles passa pela venda direta de sistemas solares residenciais e pelos chamados pico-sistemas (sistemas pequenos, compactos e plug-and-play com menos de 10 Wp, equipados com lâmpadas LED e carregadores USB para telemóveis). O outro modelo consiste no desenvolvimento de mini-redes em áreas suficientemente densamente povoadas, com Contratos de Compra de Energia (PPAs) para a venda de energia aos utilizadores.
Neste novo cenário, o GSF participa na África Ocidental, em conjunto com o Centro de Energias Renováveis ​​e Eficiência Energética da CEDEAO (ECREEE), no desenvolvimento de uma nova norma para os sistemas solares residenciais na África Ocidental (CEDEAO - Comunidade Económica dos Estados da África Ocidental). O objetivo é garantir que os sistemas disponíveis no mercado são certificados, assegurando a sua qualidade. “Em trabalhos anteriores, e em linha com esta investigação, o IES já havia publicado as especificações técnicas e os procedimentos de controlo de qualidade para luminárias LED para sistemas fotovoltaicos residenciais, antecipando a sua aplicação em larga escala”, explica Luis Narvarte, investigador principal do Grupo de Sistemas Fotovoltaicos (GSF).

Fiabilidade de Sistemas de Bombagem Fotovoltaicos
. Em 2013, o Grupo de Sistemas Fotovoltaicos (GSF) lançou uma nova linha de investigação focada no bombeamento fotovoltaico de alta potência para aplicações agrícolas. Esta investigação materializou-se no projeto MASLOWATEN, financiado pelo programa Horizonte 2020 (H2020) da Comissão Europeia. Este projeto aumentou com sucesso a potência de saída dos sistemas de rega fotovoltaicos para satisfazer as necessidades dos regantes, resolveu os problemas associados à intermitência de energia sem o uso de baterias e integrou o sistema solar no sistema de rega existente através de projetos inovadores, maximizando assim a utilização da energia fotovoltaica.
Anteriormente, foi conduzido um projecto-piloto em Marrocos, financiado pela Universidade Politécnica de Madrid (UPM) e pela Agência Espanhola de Cooperação Internacional para o Desenvolvimento (AECID). Este projeto envolveu um sistema de rega fotovoltaico descentralizado, que desenvolveu os algoritmos de controlo necessários para facilitar este salto tecnológico. O gerador fotovoltaico era alimentado por um seguidor de eixo horizontal Norte-Sul autónomo. Este projeto foi fundamental para o desenvolvimento da tecnologia de irrigação fotovoltaica e a sua posterior introdução no mercado, graças ao MASLOWATEN.
Com a tecnologia de sistemas de rega fotovoltaica de alta potência já consolidada, em 2020 a GSF coordenou o projeto SOLAQUA, também integrado no programa H2020, cujo objetivo é expandir o mercado da rega solar combinando a tecnologia fotovoltaica e hidráulica com a rega de alta eficiência.

Paralelamente a estes projetos europeus, a GSF está a abrir uma nova linha de trabalho que procura integrar sistemas de rega fotovoltaica de alta potência em ambientes descentralizados, através do desenvolvimento de sistemas de rega altamente fiáveis, minimizando as taxas de falha e possibilitando o controlo remoto do sistema. Para tal, estão a ser abordados vários aspetos-chave: o desenvolvimento de geradores fotovoltaicos adaptados à rega agrícola (utilizando módulos solares bifaciais em estruturas fixas que geram perfis de potência constantes); o desenvolvimento de sistemas de controlo universais (capazes de operar com diferentes modelos e marcas de conversores de frequência) e a utilização de sistemas de controlo remoto robustos e económicos.
“Com estas melhorias, pretendemos aumentar a fiabilidade dos sistemas destinados à irrigação agrícola em ambientes rurais descentralizados, com o objetivo de introduzir esta tecnologia nos mercados dos países em desenvolvimento”, concluem os investigadores.

LM Carrasco, L. Narvarte, E. Lorenzo, Custos operacionais de um programa de eletrificação rural com 13.000 sistemas solares residenciais, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 20, 2013, Páginas
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Alfonso Gago Calderón, Luis Narvarte Fernández, Luis Miguel Carrasco Moreno, Javier Serón Barba, Especificação técnica e procedimento de teste de lâmpadas LED para sistemas solares residenciais, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 41, 2015, Páginas 506-520, ISSN 1364-0321.
L.M. Carrasco, FJ Martín-Campo, L. Narvarte, MT Ortuño, B. Vitoriano, Projeto de estruturas de manutenção para eletrificação rural com sistemas solares domésticos. O caso do programa marroquino, Energia, Volume 117, Parte 1, 2016, Páginas 47-57, ISSN 0360-5442;
L. Narvarte, J. Fernández-Ramos, F. Martínez-Moreno, LM Carrasco, RH Almeida, IB Carrêlo; Soluções para adaptar a energia fotovoltaica a grandes sistemas de irrigação para a agricultura, Tecnologias e Avaliações de Energia Sustentável, Volume 29, 2018, Páginas 119-130, ISSN 2213-1388;
C. Lorenzo, RH Almeida, M. Martínez-Núñez, L. Narvarte, LM Carrasco; Avaliação económica de grandes sistemas de rega fotovoltaica na região da CEDEAO, Energia, Vol. 155, 2018, Páginas 992-1003, ISSN 0360-5442