Geração Solar Fotovoltaica no Brasil: Potencial, Status, Perspec8vas e Desafios

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1 Geração Solar Fotovoltaica no Brasil: Potencial, Status, Perspec8vas e Desafios Prof. Ricardo Rüther Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC & Instituto para o Desenvolvimento das Energias Alternativas na América Latina - IDEAL

2 Photovoltaic choice of technologies

3 Photovoltaic choice of technologies

4 Photovoltaic choice of technologies Mono- Si Concentrador FV CIGS a- Si/μc- Si CdTe a- Si Mul8- Si

5 The solar resource availability

6 Solar resource availability Disponível para download em <h8p://sonda.ccst.inpe.br/publicacoes/atlas_solar.html>

7 Solar resource availability Assessing the potenaal of concentraang solar photovoltaic generaaon in Brazil with satellite- derived direct normal irradiaaon T. S. Viana, R. Rüther, F. R. MarAns & E. B. Pereira, Solar Energy, Vol. 85 (2011)

10 Ground measurements x satellite data Enio Pereira, Fernando Martins, Samuel Abreu & Ricardo Rüther, Atlas Brasileiro de Energia Solar, INPE, A variabilidade interanual da disponibilidade de radiação solar é da mesma ordem de grandeza das incertezas associadas aos dados de satélite!!! The interannual variability of the solar energy resource distribu8on and the uncertain8es related to satellite- derived solar radia8on data are in the same order of magnitude

11 Ground measurements x satellite data

12 Photovoltaics in Brazil

13 Photovoltaics in Brazil: DG Geração distribuída: ANEEL RN 482/ Microgeradores: até 100 kwp - Minigeradores: 100 kwp até 1000 kwp Net Metering: sistema de compensação de energia = auto- consumo, conectado na rede elétrica pública através da UC (créditos acumulados kwh - válidos por 36 meses) Em revisão (consulta pública): alterações na RN nova RN para geradores maiores com net metering esperada para Q2/2015 Compete com tarifa R$ /MWh

14 Como Fazer EDUARDO CARVALHAES NOBRE RUA JACARANDA 272 CS RETIRO DAS PEDRAS Referente a Nº DO CLIENTE MAI/ BRUMADINHO, MG Código de Débito Automático CPF ª VIA - CONTA DE ENERGIA ELÉTRICA Classe Subclasse Datas de Leitura Datas da Nota Fiscal Nº DA INSTALAÇÃO Residencial Residencial Ger Anterior Atual Próxima Emissão Apresentação Trifásico Distribuida 15/04 14/05 15/06 15/05 21/ Informações Técnicas Tipo de Medição Medição Leitura Anterior Leitura Atual Constante de Multiplicação Consumo kwh Energia Injetada ARZ Energia kwh ARZ Informações Gerais Tarifa vigente conforme Res Aneel nº 1.872, de 7/4/2015 Nota fiscal de 04/2015 quitada em 06/05/2015. Considerar nota fiscal quitada após débito em sua c/c. O pagamento desta conta não quita débitos anteriores. Para estes, estão sujeitas penalidades legais vigentes (multas) e/ou atualização financeira (juros)baseadas no vencimento das mesmas. ABR/2015 Band. Vermelha - MAI/2015 Band. Vermelha Valores Faturados Descrição Quantidade Tarifa/Preço (R$) Valor (R$) Energia Elétrica kwh 491 0, ,16 Energia Injetada kwh 133 0, ,30- Encargos/Cobranças Contrib. Custeio Ilum. Pública 25,25 Tarifas Aplicadas (sem impostos) Energia Elétrica kwh 0, Adicional Bandeiras - Já incluído no Valor a Pagar Bandeira Vermelha 31,13 Yield mpico ± 1500 kwh/kwp/year Indicadores de Qualidade de Fornecimento Nova Lima 1-Mês:03/2015 Valores Permitidos Apurado Mensal Mensal Trimestral Anual DIC 0,00 5,79 11,58 23,16 FIC 0,00 3,42 6,85 13,70 DMIC 0,00 3, DICRI 0,00 12, Tensão: Nominal= 220/127 V Mín.= 201/116 V Máx.= 231/133 V Valor Encargo Uso Sist. Distribuição: R$ 96,74. Informações de Faturamento VALOR(R$) % PARCELAS VALOR(R$) PARCELAS % Energia 97,45 30,47 Enc. setoriais 36,93 11,55 Distribuição 59,07 18,46 Tributos 117,69 36,79 Transmissão 8,72 2,73 Totais 319,86 100,00 Histórico de Consumo MÊS/ANO CONSUMO kwh MÉDIA kwh/dia Dias MAI/ ,93 29 ABR/ ,77 30 MAR/ ,91 32 FEV/ ,97 29 JAN/ ,93 30 DEZ/ ,26 31 NOV/ ,35 31 OUT/ ,91 32 SET/ ,14 29 AGO/ ,43 30 JUL/ ,06 32 JUN/ ,83 29 MAI/ ,29 31 VENCIMENTO VALOR A PAGAR 06/06/2015 R$ 345,11 Reservado ao Fisco SEM VALOR FISCAL ICMS PASEP COFINS Base de cálculo (R$) Alíquota (%) Valor (R$) Valor (R$) Valor (R$) Ouvidoria CEMIG: Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL - Telefone: Ligação gratuita de telefones fixos e móveis Unidade de leitura Conta Contrato Vencimento Total a pagar /06/2015 R$345, Maio/2015 ATENÇÃO: DÉBITO AUTOMÁTICO NnNnWwNwNnWnNnNnWwWnNnNwNnNnWwWwNnNnNnWwWwNnNnNnWwWwNnNnNnWwWwNnNnNnWwWwNnNnNnWwWwNnWwNwNnNnWnWnNnNwWwNnNnNnWwWwNnNnNwWwWnNnNnNnWwWwNnNwWnNnNnWwWnNwNnNnWwWwNwNnWnNnWnWnNwNwNnWnNnNwWwNnWwWwNnNnNnNnNnWwWnNwWnWnNwNnNwNnWwNwNnWnWnN

15 How to get there? h8p:// de- microgeradores- fotovoltaicos/

16 Solar Simulator h8p://

17 Installers Map h8p://

18 Photovoltaics in Brazil: U8lity- scale Geração centralizada: Usinas em solo, escala MW; comercializam energia através dos leilões de energia promovidos pelo governo 122 R$ 228,00/MWh (Dez 2013) (leilão de Pernambuco) MWp em Dezembro 2014 leilão R$ 215,00/MWh (+ 2 leilões 2015) Compete com R$ 100,00/MWh

19 Photovoltaics: distributed x centralized Alemanha: 1.5 milhão de geradores solares distribuídos A maioria (80%) é pequeno (< 1 MW) A maioria está conectada no sistema de distribuição em BT

20 Photovoltaics: distributed x centralized Projeto Eletrosul Megawal Solar

21 Photovoltaics: distributed x centralized

22 Photovoltaics: distributed x centralized (choice of technologies) Pituaçu Solar, 400 kw COELBA, Salvador- Bahia, 2012

23 Photovoltaics: distributed x centralized Mineirão Solar, 1500 kw CEMIG, Belo Horizonte- MG, 2013

24 Photovoltaics: distributed x centralized MARACANÃ SOLAR Fotomontagem de um gerador de 3.3 MWp na cobertura do Maracanã

25 Photovoltaics: distributed x centralized Maracanã Solar, Rio de Janeiro RJ (inaugurado em junho/2013) 390 kwp

26 ANEEL R&D project call 013/2011 Arranjos técnicos e comerciais para inserção da geração solar fotovoltaica na matriz elétrica Brasileira Projeto: Implantação de usina solar fotovoltaica (FV) de 3MWp e avaliação do desempenho técnico e econômico da geração FV em diferentes condições climá8cas na matriz elétrica brasileira Proponente: Tractebel Energia Coordenação técnica: UFSC Parcerias: 11 empresas do setor elétrico Orçamento: R$ 56,3 milhões (~ 20 Million Euros) Duração: 36 meses

27 Project details Usina solar de 3 MWp ualizando 3 tecnologias FV (c- Si, a- Si, CIGS) e várias configurações de carregamento de inversor Módulos de Avaliação (MAs): 8 MAs, ualizando 7 tecnologias FV disantas em 8 regiões climáacas Brasileiras disantas Módulos de Avaliação (MAs): Inversores: Power One (ABB) Módulos (7 tecnologias): MulA/c- Si (Hanwha) Mono/c- Si (Yingli); a- Si (Dupont Apollo) a- Si/µc- Si (Dupont Apollo) CdTe (First Solar) CIGS (Saint Gobain) CPV InGaP/GaAs/Ge (Daido Steel) Tracker: BSQ Solar Usina solar de 3MWp 8 Módulos de Avaliação (~ 70kWp cada)

28 3 MWp research PV plant Desenvolvimento de Técnicas e Procedimentos de Inspeção 1 second resolu8on

29 8 iden8cal test 8 different Brazilian climates Desenvolvimento de Técnicas e Procedimentos de Inspeção 1 second resolu8on

30 Project details Existem 7 tecnologias comercialmente disponíveis, que apresentam disantas eficiências: 1) CPV (InGaP/GaAs/Ge): 53.5 m kwp (4m 2 /kwp) 820 Suns (38.5% eff) 0.1 o tracking accuracy 2) mono- Si: 58.8m kWp (6.3m 2 /kwp) 3) mula- Si: 64.3m kWp (7m 2 /kwp) 4) a- Si: 140.7m 2 9kWp (15.6m 2 /kwp) 5) a- Si/µc- Si: 100m kWp (11m 2 /kwp) 6) CdTe: 80.6m kWp (9m 2 /kwp) 7) CIGS: 81.5m kWp (8.9m 2 /kwp)

31 What is the size of uality- scale PV plants in Brazil and around the world?

32 What is the size of uality- scale PV plants in Brazil and around the world? ~ 2 km x 2 km Thin- Film CdTe First Solar Desert Sunlight- CA, 550 MWp (AC) (~ 500 ha) Technological advances in efficiency: CdTe has reached 18% efficiency in 2015 This same PV plant would be 25% smaller if built with today s Series 4 First Solar PV modules

33 The challenges (and why you should not simply import technical solu8ons developed for different climates!)

34 Is this technology reliable? D.M. Chapin, C.S. Fuller & G.L. Pearson, A New Silicon p- n- Junc8on Photocell for Conver8ng Solar Radia8on into Electrical Power. Journal of Applied Physics, vo. 25, p

35 Is this technology reliable?

36 Is this technology reliable?

37 How professional is the Brazilian PV market?

38 Where is the North??!!

39 PV system design soywares (e.g. PVsyst, PVSol, etc.) were not developed for the Brazilian clima8c condi8ons % da irradiação (média histórica ) 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% This is reality (15 year 5 minute intervals) 0% Irradiância (W/m²) % da irradiação (Dados Sintéticos) % do desvio relativo ( média histórica e dados sintéticos) 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 5% 4% 3% 2% 1% 0% - 1% - 2% - 3% - 4% - 5% Irradiância (W/m²) Irradiância (W/m²) Undersizing of inverters is quesaonable! This is what PVSyst will use for PV system sizing

40 12 80% 90% 100% 110% 120% Power [kw] MWp solar power plant with various inverter loading ra8os (80% to 170%) Clipping on sunny days is expected for high inverter loading ra8os!! 23/10/2014 (DD/MM/ YYYY) Photovoltaic Technology: Mul8- Si Max. Irradiance: 1150 W/m² Inverter: ABB(Aurora) PVI TL Undersizing of inverters is quesaonable!

41 But the effect needs to be quanafied on an annual basis Yield [kwh/kwp] Yield 140-0,12% 0,00% 0,00% - 2,65% - 1,40% - 2,56% - 3,84% 130-7,74% - 10,72% ,24% % 90% 100% 110% 120% 130% 140% 150% 160% 170% Load Factor Undersizing of inverters is quesaonable! 90 Energy [kwh]

42 Effects of solar resource measurement Ame resoluaon: inverter sizing Undersizing of inverters is quesaonable! Inverter sizing of grid- connected PV systems in the light of local solar resource distribuaon characterisacs and temperature B. Burger & R. Rüther, Solar Energy, Vol. 80 (2006)

43 Effects of solar resource measurement Ame resoluaon: inverter sizing Undersizing of inverters is quesaonable! Inverter sizing of grid- connected PV systems in the light of local solar resource distribuaon characterisacs and temperature B. Burger & R. Rüther, Solar Energy, Vol. 80 (2006)

44 Effects of solar resource measurement Ame resoluaon: inverter sizing Energy Time G<= % 42% G<=700 45% 71% 700<G< % 16% G>= % 13% G>=1200 6% 2% 28% extra energy Undersizing of inverters is quesaonable!

45 Cloud- edge and cloud- enhancement effects

46 Cloud- edge and cloud- enhancement effects M. P. Almeida, R. Zilles & E. Lorenzo, 2014, Extreme overirradiance events in São Paulo, Brazil Solar Energy, Vol. 110,

47 Cloud- edge and cloud- enhancement effects Módulo de Avaliação de IAquira- MT 1822 W/m²

48 Cloud- edge and cloud- enhancement effects Módulo de Avaliação para Cachoeira Dourada- GO 3 min 1 min

49 Possible revision of maximum fuse ra8ng by PV module manufacturer Fuse esamated temperature of 70 C Dera8ng factor due to high fuse temperature Long over irradiance events Manufacturer specified fuse blows

50 Acúmulo de poeira (soiling)

54 Acúmulo de poeira (soiling) Soiling losses (> 10%) 6 months with li8le rainfall

55 Cleanliness index under development Sunshine Pyranometer typespn1 Delta T Devices Ltd - UK

56 Utility-scale PV plant quality control

60 The trend in Brazil (and some interes8ng opportuni8es!)

61 The New Trend in Brazil

62 The New Trend in Brazil add PV to exisang and planned wind

63 The trend Add PV to exis8ng or planned wind power plants Solar and wind resource availability are complementary in some regions in Brazil

64 The trend Add PV to exis8ng or planned wind power plants Add 30 MWp of PV to exisang 90 MW wind park (100 MVA substaaon) No need to upgrade substa8on?

65 Choice of PV Technologies: Temperature Effects Overview of Temperature Coefficients of Different Thin Film Photovoltaic Technologies A. Virtuani, D. Pavanello, G. Friesen Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana (SUPSI) IsAtuto per la Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito (ISAAC), Canobbio CH- 6952, Switzerland 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and ExhibiAon / 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain

66 Choice of PV Technologies: Spectral Effects <- blue red - > Wavelength (nm) Normalized spectral response for seven PV technologies and the standard ASTM G spectrum EsAmaAva da distribuição espectral da radiação solar sobre o território brasileiro através de análise mulainstrumental Ph.D. Thesis - Rafael Haag 2012 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, orientador: Prof. Arno Krenzinger

67 Choice of PV Technologies: Spectral Effects <- blue red - > EsAmaAva da distribuição espectral da radiação solar sobre o território brasileiro através de análise mulainstrumental Ph.D. Thesis - Rafael Haag 2012 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, orientador: Prof. Arno Krenzinger

68 Choice of PV Technologies: Spectral Effects <- blue red - > infrared - >

69 Choice of technology price x cost x efficiency roadmap Solar and wind complementarity Distributed PV makes sense now! tariffs x excellent solar resource availability needs market development (financing) Utility-scale market is coming = need to diversify Brazilian energy mix and grow > 5 GW/year! Outlook still needs incentives! Qualified workforce needed: + training

70 Geração Solar Fotovoltaica no Brasil: Potencial, Status, Perspec8vas e Desafios Prof. Ricardo Rüther Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC & Instituto para o Desenvolvimento das Energias Alternativas na América Latina - IDEAL

71 As regras do jogo

79 Efeito borda de nuvem Cachoeira dourada (intervalo de integração 1 segundo)

80 Efeito borda de nuvem Cachoeira dourada (intervalo de integração 10 segundos)

81 Efeito borda de nuvemcachoeira dourada (intervalo de integração 1 minuto)

82 Efeito borda de nuvem Cachoeira dourada (intervalo de integração 5 minutos)

83 Efeito borda de nuvem Cachoeira dourada (intervalo de integração 15 minutos)

84 Efeito borda de nuvem Cachoeira dourada (intervalo de integração 1 hora)

85 Cloud- edge and cloud- enhancement effects Global Tilted Irradiance Diffuse IrradiaAon Direct IrradiaAon 1822 W/m² I8quira (MT) 05/01/2015 (DD/ MM/YYYY) Irradiance [W/m²] :00:00 8:24:00 10:48:00 13:12:00 15:36:00 18:00:00 20:24:00 22:48:00

86 Irradiance [W/m²] Cloud- edge and cloud- enhancement effects Extreme 3 min irradiance events observed are much longer than reported in the literature Cachoeira Dourada (GO) 10/12/2014 (DD/MM/ YYYY) :59 15:00 15:01 15:02 15:03 15:04 15:05 15:06 15:07 15:08 15:09 15:10 15:11 15:12 15:13 15:14 15:15 15:16 15:16 15:17 15:18 15:19 15:20 15:21 15:22 15:23 15:24 15:25 15:26 15:27 15:28 15:29 15:30 15:31 15:32 15:33 15:34 15:35 15:35 15:36 15:37 15:38 15:39 15:40

87 The New Trend in Brazil add PV to exisang and planned wind complementary solar x wind profiles

88 The New Trend in Brazil add PV to exisang and planned wind Velocidade do vento (m/s) :00 0:50 1:40 2:30 3:20 4:10 5:00 5:50 6:40 7:30 8:20 9:10 10:00 10:50 11:40 12:30 13:20 14:10 15:00 15:50 16:40 17:30 18:20 19:10 20:00 20:50 21:40 22:30 23: Geração Eólica (MW) Velocidade do Vento Geração Eólica complementary solar x wind profiles

89 Solar Irradia8on Resources Assessing the potenaal of concentraang solar photovoltaic generaaon in Brazil with satellite- derived direct normal irradiaaon T. S. Viana, R. Rüther, F. R. MarAns & E. B. Pereira, Solar Energy, Vol. 85 (2011)

90 O recurso solar disponível O deserto do Atacama tem um dos maiores potenciais solares do planeta! Irradiação na inclinação da laatude: melhor local no Chile tem ~ 15% mais irradiação solar do que o melhor local no Brasil

91 O recurso solar disponível O deserto do Atacama tem um dos maiores potenciais solares do planeta! La8n America Total installed PV < 500 MW DNI: melhor local no Chile tem ~ 30% mais irradiação solar do que o melhor local no Brasil

92 Qual o potencial desta tecnologia? geração fotovoltaica x hidrelétrica Usina hidrelétrica de ITAIPU: 1350 km 2 (Lago de Itaipu) = 14 GW = 80 a 90 TWh / ano ± 20% da energia elétrica consumida no Brasil Cobrindo o lago de Itaipu com gerador solar fotovoltaico (com a irradiação solar da região do lago e 10% de eficiência) 1350 km 2 de módulos fotovoltaicos = 135 GWp = ±200 TWh / ano 40% da energia elétrica consumida no Brasil Área da Ilha de Florianópolis = 424,4 km2

93 O pico de consumo no Brasil esta mudando!!

94 Compromissos entre forma e função Urbanetz, J., Zomer, C. & Rüther, R., Compromises between form and func8on in grid- connected, building- integrated photovoltaics (BIPV) at low- la8tude sites, Building and Environment (Elsevier), Vol. 46 (2011), pp

95 Compromissos entre forma e função Urbanetz, J., Zomer, C. & Rüther, R., Compromises between form and func8on in grid- connected, building- integrated photovoltaics (BIPV) at low- la8tude sites, Building and Environment (Elsevier), Vol. 46 (2011), pp

96 Compromissos entre forma e função

97 Compromissos entre forma e função Geração anual específica (kwh/kwp) UFSC flat reference ELETROSUL curved # 1 ELETROSUL curved # 2 ELETROSUL curved # 3 ELETROSUL full system Yield (kwh/kwp) % YIELD (kwh/kwp) Jun- 09 Jul- 09 Aug- 09 Sep- 09 Oct- 09 Nov- 09 Dec- 09 Jan- 10 Feb- 10 Mar- 10 Apr- 10 May- 10 UFSC flat reference ELETROSUL curved # 1 ELETROSUL curved # 2 ELETROSUL curved # 3 ELETROSUL full system Urbanetz, J., Zomer, C. & Rüther, R., Compromises between form and func8on in grid- connected, building- integrated photovoltaics (BIPV) at low- la8tude sites, Building and Environment (Elsevier), Vol. 46 (2011), pp

98 O jogo dos sete erros: quão profissional é o mercado Brasileiro?

99 Índice de limpeza: em desenvolvimento Em operação desde 1997! Disponível para download em <h8p:// Livro disponível em

100 Índice de limpeza: em desenvolvimento

101 Índice de limpeza: em desenvolvimento

102 Índice de limpeza: em desenvolvimento T mod E eff Isc STC Uoc STC Impp STC Vmpp STC Pmpp STC Fill factor C W/m2 (A) (V) (A) (V) (W) (%) String 1 - Limpa ,15 611,44 0,88 404,84 354,4 50,2 String 1 - Suja ,09 5,7% 607,10 0,7% 0,83 5,7% 401,85 0,7% 332,9 6,5% 50,3 0,0% String 2 - Limpa ,14 5,8% 609,30 1,0% 0,86 6,1% 401,50 0,4% 344,9 6,6% 49,7-0,3% String 2 - Suja ,07 603,36 0,81 399,80 323,5 49,9 String 3 - Limpa ,14 615,28 0,86 410,81 351,6 50,3 String 3 - Suja ,08 4,9% 615,54 0,0% 0,82 4,9% 410,23 0,1% 334,7 5,1% 50,2 0,2% String 4 - Limpa ,11 5,7% 614,62-3,2% 0,82 5,6% 405,13-1,6% 330,7 3,9% 48,7 1,6% String 4 - Suja ,05 635,14 0,77 411,68 318,2 47,9 String 5 - Limpa ,97 604,96 0,73 404,54 295,6 50,5 4,9% -2,0% 5,9% -1,5% 4,3% 1,4% String 5 - Suja ,92 617,26 0,69 410,66 283,5 49,8 Média 5,4% -0,7% 5,6% -0,4% 5,3% 0,6%

103 Índice de limpeza: em desenvolvimento 5,3% perda em 2 anos 220kWh R$75,00

104 Selo Solar h8p://

105 Evolução dos custos da geração solar

106 Desenvolvimento de Técnicas e Procedimentos de Inspeção

107 Desenvolvimento de Técnicas e Procedimentos de Inspeção

108 A questão da temperatura! Overview of Temperature Coefficients of Different Thin Film Photovoltaic Technologies A. Virtuani, D. Pavanello, G. Friesen Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana (SUPSI) IsAtuto per la Sostenibilità Applicata all Ambiente Costruito (ISAAC), Canobbio CH- 6952, Switzerland 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and ExhibiAon / 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain

109 Efeitos espectrais no desempenho de disposiavos fotovoltaicos M. Iqbal, An IntroducAon fo Solar RadiaAon, 1983, Academic Press J. A. Duffie & W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 1980, John Wiley & Sons