Estado da técnica dos Sistemas de Geração Solar. Manoel de Andrade

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1 Estado da técnica dos Sistemas de Geração Solar Manoel de Andrade

2 Funcionamento de uma Planta Fotovoltaica P. 2 SunEdison Confidential

3 Funcionamento e Principais Componentes Funcionamento/Funções das principais partes de uma Planta Fotovoltaica: Conexão com a rede Campo gerador Inversor on-grid Medição Perdas ôhmicas Energia CA BT Transformação BT/AT Estruturas Seleção do ponto de trabalho ótimo do campo gerador Conversão CC/CA Forma de onda CA segundo padrões da rede Fixas: Inclinação/Orientação para otimizar energia anual incidente Rastreadores: Orientação do campo gerador em função da posição Conversão de radiação electromagnética em energia elétrica CC P. 3 SunEdison Confidential

4 Projetos representativos da SunEdison (1 de 2) P. 4 SunEdison Confidential

5 Projetos representativos da SunEdison (2 de 2) P. 5 SunEdison Confidential

6 Fator de Desempenho Performance Ratio, PR [%] ou Fator de Desempenho Relação entre a energia final gerada e a energia disponível após a conversão fotovoltaica. Assim, a energia gerada por um sistema fotovoltaico para um mês m pode definir-se como: com, PR E ger [kwh], Energia elétrica gerada e injetada na rede. m E E E FV [kwh], Energia disponível após a conversão fotovoltaica, f(potência campo gerador, Energia incidente) O Performance Ratio ou Fator de Desempenho é uma medida do rendimento da instalação descontando as perdas pela eficiência de conversão do painel. Valores típicos entre 70 e 80 % gen FV PR 1 L i i com L i, perda (Loss) i P. 6 SunEdison Confidential

7 Produção Especifica e Fator de Capacidade Produção Específica Yield, Y F [kwh/kwp] E YF P gen STC G, kwh 2 m 1 kw 2 Valores típicos para o Brasil: 1200 a 1700 kwh/kwp - sistemas fixos 2400 a 2600 kwh/kwp sistemas com rastreadores ef m PR % Fator de Capacidade, FC [%] FC P STC E AC ( kwh) ( kw ) 8760( h ) p Valores típicos para o Brasil: 19 a 25% para sistemas fixos 30 a 32% para sistemas com Rastreadores (trackers) P. 7 SunEdison Confidential

8 Garantia Fisica Fonte : doc. EPE-DEE-RE-065_2013-r3_UFV P. 8 SunEdison Confidential

9 Tipologia de Sistemas. Tipologias de Centrais Fotovoltaicas Sistemas Fotovoltaicos nas Edificações Sobre cobertura Superposição Integração arquitetônica (BIPV, Building Integrated Photovoltaics) Sistemas Fotovoltaicos em terreno Sistemas sobre estrutura fixa. Com rastreamento solar: Um eixo. Dois eixos. Concentração fotovoltaica: Sempre com rastreamento solar. Sempre em terreno P. 9 SunEdison Confidential

10 Tipologia de Sistemas Instalação Instalações sobre terreno. Considerações: Sombreamentos: para separação de filas. Estudo detalhado de terreno para ancoragem de estrutura: Estrutura cravada sem fundação. Estrutura cravada com fundação. Estrutura sobre fundação. Cálculo de estrutura suporte de placas fotovoltaicas. Seleção dos inversores: mais flexível e crítica. Compromisso entre redução de material e de quedas de tensão. Outras instalações. Sistemas de monitoramento. Sistemas de alarma e vigilância. Obra civil: Movimento de terras, caminhos. Eletrificação. Instalações de Média Tensão. P. 10 SunEdison Confidential

11 Tipologia de Sistemas Rastreadores (Trackers) Instalações com rastreamento solar. Classificação: Em função da estratégia de rastreamento: Com sensores. Procuram ponto de maior irradiância. Mais sensíveis. Astronômico: Com PLC programado. Programadas trajetórias solares. Mais utilizados. Estudo função da estrutura. Mono poste. Treliça Outros. Estudo função dos eixos do seguimento. Um eixo. Horizontal. Azimutal. Polar: Eixo inclinado orientado Norte-Sul. Dois eixos. Polares. Azimutal e em altura. P. 11 SunEdison Confidential

12 Módulos Fotovoltaicos. Módulos Si-Monocristalino (1) Módulos Si-Policristalinos (2) Módulos Filme fino (thin film) (3) Silício amorfo (a-si) (3.1) Cadmio-Teluro, CdTe (CdTe) (3.2) Cobre/Indio/Galio/Selênio (CIGS) (3.3) Módulos multi-união (tandem,triple-junction,etc) (4) (1) Sistemas concentração (5) (2) (3.1) (3.3) (4) (5) P. 12 SunEdison Confidential

13 Módulos Fotovoltaicos considerações Silício monocristalino: Estrutura cristalina ordenada, com comportamento uniforme e previsível. Eficiência comercial STC entorno a 17%. Si Policristalino/Multi-cristalino: Formado por regiões de silício cristalino separadas por bordes ou dominhos de grãos onde os enlaces são irregulares (bloqueando fluxo de carga). Eficiência comercial STC entorno a 15%. Filme fino (thin-film): Não existe ordem na disposição estrutural dos átomos. A espessura para formar uma célula solar é muito pequena. Eficiência comercial STC entorno a 10%. Rendimento estável (espectro solar) e bom comportamento a elevadas temperaturas. Degradação inicial maior. P. 13 SunEdison Confidential

14 Módulos Fotovoltaicos Parametros técnicos Potência pico, Pmp (Wp): Potencia entregada em condições STC Condições stándard (STC): - Irradiância solar: 1000 W/m2 - Temperatura célula=25ºc - Distribuição espectral, AM=1,5 Coeficiente de Temperatura de Pmp, δ(%/ºc ou W/ºC): A porcentagem de potência que perde o painel pelo fato de se esquentar a célula. Menor Coef de Temp, Maior estabilidade frente a temperatura Menores perdas TONC ou NOCT(ºC): Temperatura de Operação Nominal da Célula. Facilidade de se esquentar a célula exposta à radiação solar. Condições Nominais: 800 W/m2; Tamb=20ºC; v=1m/s; AM=1,5) Menor TONC Menor sensibilidade térmica Menores perdas T c T (º C) a TONC(º C) I( W / m Eficiência do painel (%): Porcentagem da radiação que converte em energia elétrica: P ( W ) m 2 2 S( m ) G( W / m ) 2 ) P. 14 SunEdison Confidential

15 Inversores on-grid. Funções: Transformar a corrente CC do gerador fotovoltaico e a injetam na rede elétrica. São geradores de corrente ( copiam a onda da rede). Devem rastrear o ponto de máxima potência. Devem garantir a qualidade da onda gerada. - Harmônicos - Margem de tensão da rede [0,85*Un 1,1*Un] - Margem de freqüência da rede [57,5 62 Hz*] P f f 0, 5 R rede nomin al com, R = 40%/Hz (taxa de redução da potência) Incorporam dispositivos de segurança (equipamentos, pessoas, rede) - Isolamento galvânico - Proteções de sobre-corrente - Proteção anti-ilhamento - Desconexão e reconexão automática P. 15 SunEdison Confidential

16 Funcionamento e Perdas. Perdas Orientação/Inclinação Perdas sombreamento Perdas devido ao ângulo de incidência e espectrais Perdas Sujeira Perdas por Temperatura Perdas Mismatch Perdas ôhmicas CC Perdas inversor Perdas disponibilidade Perdas por elevação de tensão Perdas ôhmicas CA Conexão com a rede Campo gerador Inversor on-grid Medição Energia BT Transformação BT/AT P. 16 SunEdison Confidential

17 Funcionamento do Sistema Principais Perdas Resumo das Principais Perdas I: Perdas por sombreamentos próximos. Sombreamentos totais ou parciais no campo gerador devido, principalmente, às interferências com a trajetoria solar das filas de painéis anteriores em determinadas horas do dia e dos obstáculos próximos ao campo gerador. Perdas pelo ângulo de incidência, Fator IAM (Incidence Angle Modifier). Considera a debilitação da radiação na superfície dos painéis devido a não incidência normal dos raios solares. Estas perdas obedecem à Lei de Fresnel relativas às propriedades de transmissão e reflexão do vidro do módulo e da célula. Perdas por sujeira. A existência de sujeira ou pó acumulado na superfície do campo gerador é um fator atenuante da energia incidente. Perdas devido ao nível de irradiância. Desvio das condições de operação comparadas com as condições STC. Irá implicar uma redução na eficiência do módulo com descréscimo da potência gerada. Inclui as perdas espectráis (espectros diferentes aos das condições STC). Perdas devido à Temperatura. Produzidas pelo aquecimento da célula nas condições de operação acima de 25ºC, o que favorecerá a recombinação de eletróns, disminuindo a potência de saída. P. 17 SunEdison Confidential

18 Funcionamento do Sistema Principais Perdas Resumo das Principais Perdas II: Perdas por interconexão ou Mismatch. Perdas de potência devidas à conexão entre módulos de diferentes características elétricas ou curva I-V num mesmo mppt. Diferença entre a soma dos mpp dos módulos de um string ou arranjo e o mpp do sistema obtido pelo rastreador do inversor. Perdas no cabeamento CC/CA. Perdas resistivas ou perdas ôhmicas no cabeamento da parte CC e da parte CA. Perdas na conversão CC/CA do inversor. Perda de eficiência no inversor na conversão CC/CA e no rastreamento do ponto de máxima potência. Perdas nos transformadores (elevação de tensão). Perdas no Cobre dos enrolamentos por efeito Joule e perdas magnéticas no núcleo. Perdas por disponibilidade. Considera paradas do sistema devido à: - Indisponibilidade da rede. - Paradas para manutenção. P. 18 SunEdison Confidential

19 Funcionamento do Sistema Principais Perdas Resumo das Principais Perdas II: Perdas por interconexão ou Mismatch. Perdas de potência devidas à conexão entre módulos de diferentes características elétricas ou curva I-V num mesmo mppt. Diferença entre a soma dos mpp dos módulos de um string ou arranjo e o mpp do sistema obtido pelo rastreador do inversor. Perdas no cabeamento CC/CA. Perdas resistivas ou perdas ôhmicas no cabeamento da parte CC e da parte CA. Perdas na conversão CC/CA do inversor. Perda de eficiência no inversor na conversão CC/CA e no rastreamento do ponto de máxima potência. Perdas nos transformadores (elevação de tensão). Perdas no Cobre dos enrolamentos por efeito Joule e perdas magnéticas no núcleo. Perdas por disponibilidade. Considera paradas do sistema devido à: - Indisponibilidade da rede. - Paradas para manutenção. P. 19 SunEdison Confidential

20 Parametros de Projeto ALGORITMO BÁSICO PARA ANÁLISE DE PROJETOS I. Definição objetivos. II. Análise do Local Estudo Topográfico e Geológico; Capacidade da rede. Simulações pré-liminares de produção energética Pré-seleção módulos (tecnologia, preço,etc) Solução Construtiva (Rastreamento, Estrutura fixa, etc) III. Estudo de capacidade: f(espaço/sombreamentos, investimento, módulo) n módulos, PFVmáx IV. Seleção inversor Intervalo Vmpp funcionamento, ICCmáx V. Configuração campo gerador-inversor VI. Definição Diagrama Elétrico. Dimensionamento cabos VII. Seleção de proteções VIII. Estimativa de produção energética: f(perdas) IX. Estudo de Viabilidade Econômica. P. 20 SunEdison Confidential

21 Informações adicionais e contato Manoel de Andrade Greenfield Development Director BD Brazil Recife: São Paulo: Mobile: SunEdison Brasil Energia Av Conselheiro Rosa e Silva, 1460 sl 302, Aflitos Recife, Pernambuco Brasil Av. das Nações Unidas, ªandar/CJ 28 e 29A São Paulo - SP Brasil A SunEdison Company P. 21 SunEdison Confidential

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