ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE UMA USINA SOLAR FOTOVOLTAICA EM MOSSORÓ-RN

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1 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE UMA USINA SOLAR FOTOVOLTAICA EM MOSSORÓ-RN José Espínola Sobrinho 1, George Bezerra Ribeiro 2, Saulo Tasso Araújo da Silva 3, Isaac Alves da Silva Freitas 4, Anna Kézia Soares de Oliveira 5 1 Engenheiro Agrônomo, D. Sc. em Recursos Naturais, Professor, Universidade Federal Rural do Semi- Árido, Mossoró, RN, jespinola@ufersa.edu.br; 2 Engenheiro Eletricista, M. Sc. em Desenvolvimento e Meio Ambiente, Tecnologista Sênior, UFERSA/INPE, Mossoró, RN, george@ufersa.edu.br,; 3 Meteorologista, D. Sc. em Meteorologia, Professor, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Mossoró, RN, saulo@ufersa.edu.br; 4 Engenheiro Agrônomo, Mestrando Manejo de solo e Água, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Mossoró, RN, isaacntn@outlook.com; 5 Graduanda em Agronomia, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Mossoró, RN, annakezia@outlook.com. RESUMO: Este estudo teve como objetivo analisar a eficiência do conjunto de módulos fotovoltaicos de uma usina solar de 150,8 kwp, do tipo minigeração distribuída, instalada na seda da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), localizada no município de Mossoró-RN. Para isso, foram utilizados os dados de irradiação solar global diária, no plano horizontal, referentes ao período de 01 a 30/04/2017, coletados por uma estação meteorológica de superfície, equipada com um sensor de radiação global conectado a um registrador automático, tipo datalogger. Com o uso de modelos matemáticos, os dados de irradiação foram tratados em escala diária, separados em suas componentes direta e difusa e, posteriormente convertidos para o plano inclinado de instalação dos módulos. A irradiação diária média no plano dos módulos fotovoltaicos foi de 6.116,63 Wh/m 2 e a produção diária média de energia elétrica foi de 756,50 kwh. A eficiência diária média obtida foi de 13,88%. PALAVRAS-CHAVE: energia solar, energias renováveis, rendimento. ANALYSIS OF EFFICIENCY OF A SOLAR PHOTOVOLTAIC PLANT OPERATING IN MOSSORÓ-RN ABSTRACT: The aim of this study was to analyze the efficiency of the photovoltaic module set of a kwp grid-connected photovoltaic system, located on Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), in Mossoró-RN. For that, the global daily solar irradiance data, in the horizontal plane, collected by a surface meteorological station equipped with a global radiation sensor connected to a datalogger, from 01 to 04/30/2017, were used. Applying mathematical models, irradiation data were treated on a daily scale, separated into direct and diffuse components, and then converted to modules inclined installation plane. The mean daily irradiance in the photovoltaic modules was 6, Wh/m 2. The average daily electrical energy production was kwh. The average daily efficiency obtained was 13.88%.

2 KEY-WORDS: solar energy, renewable energy, efficiency. INTRODUÇÃO A quantidade de sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil vem crescendo nos últimos anos, principalmente após a regulamentação, em 2012, da implantação de usinas de micro e minigeração distribuída conectada à rede, por parte da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Apenas no ano de 2016, o número de usinas instaladas saltou de para unidades, um aumento de 347,2%. Neste mesmo intervalo, a potência instalada aumentou de kwp para kwp, o que significou um crescimento de 359,1% (ANEEL, 2017). Esse ritmo de crescimento do uso da tecnologia fotovoltaica torna cada vez mais importante o conhecimento sobre o desempenho dessas usinas solares operando em condições climáticas diversas daquelas especificadas nas Condições Padrão de Teste (STC) e em temperaturas superiores à Temperatura Nominal de Operação da Célula (NOCT). Assim, este estudo teve como objetivo analisar o rendimento do conjunto de módulos fotovoltaicos da usina solar instalada na sede da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), no município de Mossoró-RN, que tem potência instalada total de 150,8 kwp. MATERIAL E MÉTODOS A usina solar da UFERSA (05 02' 03'' S e 37º 34' 16'' W, alt. 27m) é constituída basicamente por 580 painéis fotovoltaicos policristalinos, modelo Canadian Solar CS6P-260P-SD, de potência de pico de 260 W cada, conectados a dez inversores trifásicos, modelo Ginlong Solis-15K, que têm a função de converter a energia de corrente contínua produzida pelos painéis em energia de corrente alternada, 220/380V@60Hz, que, em seguida é injetada na rede de distribuição elétrica do campus. A eficiência de um conjunto de módulos fotovoltaicos, conforme definida por Cardona e Lopez (1999), é medida como a relação entre a energia elétrica diária produzida e a energia solar incidente no plano dos painéis, no mesmo intervalo. Outra figura de mérito também utilizada na análise de eficiência de sistemas fotovoltaicos é o índice de produtividade, definido como a relação entre a energia elétrica gerada e a potência de pico dos módulos fotovoltaicos (TORRES et al., 2015). Os dados da produção diária dos módulos fotovoltaicos, correspondentes ao período de 01 a 30 de abril de 2017, foram obtidos a partir dos registros, realizados de forma automática pelos inversores e disponibilizados em banco de dados acessível via interface web. Os dados de irradiação solar global incidente nos painéis foram obtidos de forma indireta. Inicialmente foram utilizadas os valores de irradiação solar no plano horizontal, medidos pela Estação Meteorológica Automática (EMA) da UFERSA, por meio de um piranômetro modelo Kipp&Zonen CM3, que opera na faixa espectral de 305 a 2800 nm, conectado a um registrador tipo datalogger modelo Campbell Scientific CR3000, configurado para realizar leituras a cada 10 segundos e totalizar os valores

3 diários. Em seguida, foi utilizado o modelo de Liu e Jordan (1963) e modificado por Collares-Pereira e Rabl (1979) para decompor a irradiação medida no plano horizontal em suas componentes direta e difusa. Então, foi utilizado o modelo apresentado por Klein (1977) para, a partir das componentes direta e difusa da radiação solar, obter os valores da irradiação solar no plano inclinado de montagem dos painéis, ou seja, 10 graus para o norte. Por fim, a partir da relação entre os valores diários medidos de energia elétrica e os valores estimados de irradiação solar diária no plano dos painéis, foram obtidos os rendimentos diários do conjunto de módulos fotovoltaicos. RESULTADOS E DISCUSSÃO Por meio da Figura 1 observa-se que a irradiação solar global no plano horizontal apresentou no período analisado valor médio de 5.963,12 Wh/m 2, com máxima de 7.293,60 Wh/m 2 (08/04/2017) e mínima de 3.667,20 Wh/m 2 (13/04/2017). O desvio padrão foi de 1.033,06. Ressalta-se que, de acordo com Ribeiro (2004), abril é o mês de maior variabilidade da irradiação diária em Mossoró, devido, principalmente à modulação produzida pelas nuvens, uma vez que este período está inserido na quadra chuvosa da região. Os valores calculados de irradiação no plano dos painéis fotovoltaicos, inclinado em 10º no sentido norte, foram de 6.116,63 Wh/m 2, 7.495,12 Wh/m 2 e 3675,75 Wh/m 2, respectivamente para a média, a máxima e a mínima. Os resultados mostram que, no período analisado, a operação no plano inclinado resultou em um ganho médio de 2,57% na irradiação diária incidente nos painéis instalados no plano inclinado, em comparação com a irradiação no plano horizontal. A produção diária média de energia elétrica dos painéis (Figura 1) foi de 756,50 kwh, com máxima de 910,40 kwh (04/2017) e mínima de 476,80 kwh, coincidindo com as mesmas datas de máximos e mínimos de irradiação solar. Pode-se observar, ainda na Figura 1, que há uma forte proporcionalidade entre a produção diária de energia elétrica gerada pelos módulos fotovoltaicos e a irradiação incidente neles, tendo sido observada uma correlação de 0,9938. O índice de produtividade mensal foi de 150,50 kwh/kwp, valor 7,23% maior que o encontrado para o mês de abril, por Torres et al (2015), quando analisou dois sistemas fotovoltaicos policristalinos instalados em Cascavel-PR. A Figura 2 apresenta os valores diários de eficiência dos módulos e de irradiação solar. O conjunto de módulos fotovoltaicos apresentou uma eficiência média de 13,88%, com máxima de 14,53% e mínima de 13,04%. A eficiência média observada é 14,11% inferior ao valor definido pelo fabricante nas condições padrão de teste (STC), que é de 16,16%. Observou-se, também, que há uma certa relação inversa entre a eficiência do conjunto de módulos fotovoltaicos e a irradiação solar diária incidente.

4 Eficiência dos Painéis Fotovoltaicos (%) 01/04 02/04 03/04 04/04 05/04 06/04 07/04 08/04 09/04 10/04 11/04 12/04 13/04 14/04 15/04 16/04 17/04 18/04 19/04 20/04 21/04 22/04 23/04 24/04 25/04 26/04 27/04 28/04 29/04 30/04 Irradiação Solar (kwh) Energia (kwh) XX Congresso Brasileiro de Agrometeorologia Data Irrad Solar (10) Figura 1. Irradiação solar global diária incidente nos módulos fotovoltaicos da usina solar da UFERSA e energia elétrica produzida pelos módulos, entre 01 e 30/04/ ,0 14,5 14,0 13,5 13,0 y = -0,0003x + 15,736 R² = 0, , Irradiação Solar Diária no Plano dos Painéis (kwh) Figura 2. Eficiência diária do conjunto de módulos fotovoltaicos e irradiação solar global diária incidente nos módulos fotovoltaicos, entre 01 e 30/04/2017. O comportamento identificado na Figura 2 pode ser explicado pela caraterística, própria das células fotovoltaicas, de apresentar uma relação inversa entre a temperatura de operação e a eficiência da conversão da radiação em energia elétrica. Assim, há uma tendência de que quanto maior for a radiação solar incidente nos módulos, maior deverá ser o seu aquecimento, consequentemente, resultando na redução da eficiência de geração de energia elétrica. A diferença entre o valor de eficiência obtido no campo, comparativamente com o valor especificado para STC mostra que esta característica é muito relevante e não deve ser desconsiderada quando da elaboração do projeto do sistema de geração fotovoltaica, especialmente nos casos em que o sistema será instalado em regiões de temperaturas e radiação solar mais elevadas, como a região semiárida do Brasil, sob risco de ocorrer o subdimensionamento do sistema.

5 CONCLUSÕES A eficiência média diária do conjunto de módulos fotovoltaicos policristalinos operando na região de Mossoró-RN, foi de aproximadamente 13,88%, valor que corresponde a 85,89% do que é definido para os mesmos módulos, quando operando nas Condições Padrão de Teste (STC). A Produção diária de energia elétrica apresentou uma correlação de 99,38% com a irradiação no plano dos painéis, para uma faixa de irradiação diária variando entre 3.667,20 e 7.293,60 Wh. REFERÊNCIAS BRASIL. Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Unidades consumidoras com geração distribuída com Tipo de Geração: UFV. Disponível em: Acesso em 08 mai CARDONA, M. S.; LÓPEZ, M. L. Performance Analysis of a grid-connected photovoltaic system. Energy, New York, v. 24, n.1, p , COLLARES-PEREIRA, M.; RABL, A. The Average Distribution of Solar Radiation. Correlations Between Diffuse and Hemispherical and Between Daily and Hourly Insolation Values. Solar Energy, Freiburg: v. 23, p , KLEIN, S. A. Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces. Solar Energy. Freiburg: v. 19, p , LIU, B. Y. H.; JORDAN, R. C. The long term average performance flat plate solar energy collectors. Solar Energy, Freiburg: v. 7, p , RIBEIRO, G. B. Energia solar fotovoltaica: estudo de dimensionamento e viabilidade de sistemas autônomos em Mossoró- RN. Mossoró: UERN, Dissertação de mestrado, Universidade do Estado do Rio Grande do Norte. 128p. TORRES, I. C.; TIBA, C.; BARBOSA, E. M. S. Análise de desempenho de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica, instalado em um escritório comercial. Avances em Energias Renovables y Medio Ambiente, Buenos Aires: v. 19, p , 2015.