ANÁLISE DOS RESULTADOS PARA O PRIMEIRO ANO DE OPERAÇÃO DE UMA INSTALAÇÃO FOTOVOLTAICA DE 3 KWp NA SERRA GAÚCHA Júlio César De Bona - julio_debona@hotmail.com Alexandre J. Bühler - alexandre.buhler@farroupilha.ifrs.edu.br Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul, IFRS - Campus Farroupilha Resumo: Somente no ano passado, devido a uma crise hídrica no país, o custo da energia elétrica chegou a 40% de aumento em alguns locais. Para o setor industrial esse aumento no custo acaba sendo repassado ao consumidor ou absorvido em parte pela indústria, reduzindo a margem de lucro. Outros aumentos significativos no custo da energia podem surgir nos próximos anos e como forma de proteção a esses aumentos a empresa Silvestrin Frutas da cidade de Farroupilha-RS, Brasil optou pela instalação de um sistema de geração fotovoltaica a cerca de um ano atrás. O sistema instalado foi projetado para uma potência de 3 kwp, potência muito inferior a necessária para atender a demanda da empresa. O objetivo deste sistema era, portanto, analisar a viabilidade técnica de um sistema de geração fotovoltaica para a região da serra gaúcha, que é onde está localizada a empresa. Esse trabalho descreve em detalhes como o sistema foi dimensionado e apresenta algumas conclusões deste primeiro ano de monitoramento. Palavras chave: Sistema fotovoltaico, Performance ratio, Sistema conectado à rede. 1. INTRODUÇÃO Desde que a Resolução Normativa N 482 da Agência Nacional de Energia Elétrica entrou em vigor em 2012, possibilitando acesso à micro e minigeração de energia elétrica, tornou-se possível para o consumidor produzir parte ou toda a energia elétrica que consome. É possível também injetar o excedente de produção de energia na rede elétrica, tendo o consumidor um prazo de 60 meses para fazer uso deste crédito acumulado. De acordo com essa Normativa, o micro e mini produtor de energia elétrica não recebe valor algum pela energia produzida, porém o montante gerado é descontado do consumido, sendo o controle feito com um relógio bidirecional. Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2015), em 2013 houve um crescimento de consumo elétrico de 6,16% nas residências brasileiras, sendo que a matriz brasileira de geração de energia, que é predominantemente hidráulica, está em uma situação desfavorável com diminuição de geração ano após ano. Com esta situação, há um constante acréscimo do valor pago pelo kwh no Brasil, gerando a ascendência de mercado no setor de energias renováveis e proporcionando melhora nos preços dos componentes fotovoltaicos. Saber o tempo de retorno de um investimento em uma instalação fotovoltaica, conectada à rede de acordo com a Resolução Normativa Nº 687, é certamente a questão mais importante a ser respondida para um possível investidor. Esta resolução é a que regulamenta o acesso a micro (até 75 kw) e minigeração (de 75 kw até 5 MW) no país. Sistemas fotovoltaicos tem se tornado cada vez mais disseminados no Brasil, porém não há incentivos fiscais como ocorre nos países que dominam a geração mundial, visto que a potência de energia fotovoltaica instalada e regulamentada atualmente no Brasil equivale cerca de 23 MW segundo (ANEEL, 2016). Isto representa apenas 0,02% da matriz energética do país, enquanto a Alemanha, o país líder em geração fotovoltaica possuía 38.2 GW de potência fotovoltaica instalada em 2015 (Bühler et al. 2015). Principalmente devido ao grande aumento no custo da energia elétrica da rede no ano passado, que chegou a 40% em alguns locais, a empresa transportadora de frutas Silvestrin decidiu que começaria um processo serio de análise para instalar um sistema próprio de geração de energia solar e ou eólico. A Silvestrin Frutas é uma empresa preocupada com as questões ambientais e, portanto, adepta a ideia de gerar parte de sua demanda de energia através de uma fonte de energia limpa e de baixíssimo impacto ambiental, que é o caso da energia solar fotovoltaica. Por outro lado, optar especificamente por uma instalação fotovoltaica, da ordem de 2 MWp, que é uma possibilidade em vista pela Silvestrin Frutas, necessita de antemão, ter uma estimativa do tempo de retorno de tal investimento. Para responder essa pergunta são necessárias informações sobre condições específicas, às quais uma instalação estaria sujeita. Essas condições são muito dependentes do local da instalação, tais como: acúmulo de poeira sobre os módulos, perda de potência por aquecimento dos módulos, perda de potência por variação espectral da radiação incidente, etc. Para o levantamento destes dados, foi então decidido instalar um sistema fotovoltaico de 3 kw. Por meio do monitoramento deste sistema, espera-se obter uma resposta consistente a respeito da viabilidade técnica e
econômica de um sistema de grande porte. 2. O SISTEMA FOTOVOLTAICO Os módulos fotovoltaicos devem ser escolhidos de modo a encontrar a melhor relação custo benefício para a aplicação em vista e para isto realizou-se uma pesquisa com o objetivo de encontrar um módulo que fosse capaz de satisfazer as necessidades proporcionando a melhor relação custo benefício. Como resultado encontrou-se o módulo da tecnologia de silício multicristalino da marca japonesa Kyocera - modelo KD250GH-4FB2, com um custo de R$ 3,48/Wp (cerca de U$ 0,93 na época da compra), sendo que esta tecnologia é bastante acessível no mercado brasileiro. Foi então projetado um sistema com doze módulos fotovoltaicos com potência nominal total de 3 kw ligados em série, sendo que cada um possui potência nominal de 250 Watts. Os módulos foram fixados em direção ao norte com inclinação equivalente à latitude do local de instalação, correspondente a aproximadamente 30 do solo. A Tab. 1 apresenta as características elétricas do módulo escolhido para o sistema: Tabela 1: Especificações técnicas do módulo escolhido para o sistema fotovoltaico Modelo PMAX VOC ISC VM IM [W/ C] KD250GH-4FB2 250 W 36,8 V 9,09 A 28,8 V 8,39 A -1,17 W/ C onde P MAX é a máxima de referência, V OC é a tensão de circuito aberto, I SC é a corrente de curto-circuito, V M e I M são a tensão e corrente de máxima potência e é a variação do ponto de máxima potência com a temperatura. Para a fixação dos módulos foi desenvolvido um suporte com capacidade para quatro módulos, separando-os em três suportes diferentes a fim de evitar danos provenientes do grande esforço gerado pelo vento. O suporte foi produzido em aço SAE 1020 e recebeu uma camada de pintura com o intuito de proteger contra a corrosão. É importante destacar que se optou por construir uma estrutura em aço pelo custo, porém para melhor durabilidade o suporte deve ser produzido com materiais com maior resistência à corrosão, ao exemplo de alumínio ou aço inoxidável. A superfície em que se fixou o sistema possui uma inclinação de 5,4 em relação ao solo sendo que houve a necessidade de realizar uma correção da inclinação para os módulos ficarem a 30. O projeto é apresentado na Fig. 1: Considerando a potência máxima, houve a necessidade de adquirir um inversor fotovoltaico com tensão máxima maior que 358 Volts e para isso adquiriu-se um inversor fotovoltaico da marca chinesa B&B - modelo SF5000TL o qual possui certificação pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia INMETRO. Este inversor possui uma tensão máxima de entrada de 550V e uma potência máxima de 5 kw. O inversor utilizado é sobredimensionado para a aplicação, pois existia a intensão por parte da empresa em aumentar ligeiramente o sistema até o limite de dezesseis módulos em série, correspondende ao máximo que o inversor suportaria. Assim, a tensão de máxima potência subiria para 477 Volts. Também foram consideradas situações de maior geração de energia devido a valores de irradiância superiores a 1000 W/m², evitando que valores de corrente muito elevados pudessem danificar o inversor. O valor pago pelo inversor foi de R$ 6300,00 (cerca de U$ 1.680 na época da compra).
Figura 1 Projeto da estrutura de fixação dos módulos fotovoltaicos sobre o telhado da empresa. As especificações técnicas do inversor utilizado estão dispostas na Tab. 2: Tabela 2: Especificações técnicas do inversor escolhido para o sistema. Fabricante/Modelo B&B/SF5000TL PMAX_DC VMAX_DC IMAX_DC VSTART Ligação PMAX_AC IMAX_AC 5200 W 550 V 15 A 120 V Monofásico 5000 W 24 A MAX 98,1 % Onde P MAX_DC é a máxima potência de entrada no inversor, V MAX_DC e I MAX_DC são as máximas tensão e corrente de entrada, V START é a tensão de arranque do inversor, P MAX_AC é a potência nominal, I MAX_DC é a máxima corrente de saída e MAX é máxima eficiência. O sistema foi instalado sobre o telhado de um dos pavilhões da empresa, de modo a evitar sombreamentos por objetos próximos, o que causaria perda na geração de energia tornando o sistema menos eficiente. A Figura 2 apresenta uma fotografia do sistema instalado:
Figura 2 Fotografia do sistema de 3 kwp instalado na empresa Silvestrin. Monitorou-se o sistema por vários meses com aquisição de dados referente à potência de entrada e de saída. Ao longo de dois meses, até o momento, foi realizada a aquisição de dados referentes a tensão e corrente de entrada e de saída, além do valor de irradiância incidente nos módulos. A aquisição foi realizada todos os dias, com intervalo de um minuto entre as medições, sendo que para isto utilizou-se um sistema de aquisição implantado em uma plataforma de prototipagem eletrônica Arduino com adaptação para relógio de tempo real (RTC) e memória flash (SD), salvando os dados obtidos em documentos de texto. Os dados obtidos foram analisados com a utilização de ferramentas matemáticas apropriadas e com este gerouse gráficos de radiação ao longo do dia e analisou-se o rendimento do sistema (Performance Ratio) que é uma informação bastante valiosa em se tratando de uma análise de viabilidade. A análise do Performance Ratio (PR) do sistema foi realizada por mês para proporcionar um valor mais apropriado em relação ao aproveitamento do sistema. 3. RESULTADOS OBTIDOS Os valores de radiação obtidos possibilitaram a geração de gráficos de dispersão da radiação ao longo de cada minuto do dia e assim podendo analisar quanta energia um dia ótimo do ponto de vista de geração fotovoltaica é capaz de gerar e o que ocorreu ao longo do dia para gerar tal quantidade de energia. Na Figura 3 são apresentados gráficos de radiação obtidos para três casos. A Fig. 3a representa um dia completamente nublado, e com geração de 2,7 kwh. A Fig. 3b representa um dia parcialmente nublado (com um turno ensolarado e um turno nublado), com geração de 15,19 kwh. A Fig. 3c, por sua vez, representa um dia de céu limpo, ideal para a geração fotovoltaica, com geração de 18,88 kwh: Estes três dias são referentes ao mesmo mês de medição, não havendo, portanto, variação na energia gerada por efeito de sazonalidade.
(a) (b) (c) Figura 3 Variação da irradiância ao logo de um dia a) totalmente nublado, b) parcialmente nublado e c) de céu limpo. Analisando a Fig. 3b pode-se perceber que a irradiância atinge níveis de até 1230 W/m², sendo que o para um dia ideal o valor máximo foi de 1040 W/m², ultrapassando então os níveis normais de radiação proveniente do Sol. Este fenômeno ocorre em dias de céu com nuvens e nos momentos em que as nuvens foram uma espécie de lente convergente, concentrando a radiação solar no local. A Performance Ratio é um índice de medida muito importante para a avaliação do desempenho de um sistema fotovoltaico. Na definição, Performance Ratio representa a relação entre a possível produção de energia real e teórica, sendo que esta não depende do posicionamento de um sistema fotovoltaico ou da radiação recebida pelo mesmo, possibilitando a comparação de sistemas fotovoltaicos em diferentes configurações. Matematicamente o índice PR é definido pela Eq. (1). E( T) PR PM G( t) dt (1) G * T Onde: E(T) é a energia real gerada pelo sistema no tempo T, P M é a potência pico instalada, G(t) é a irradiância incidente no sistema fotovoltaico e G* é a irradiância de referência (1000 W/m²). Embora o sistema fotovoltaico tenha sido instalado no final de setembro de 2015 a irradiância no local só começou a ser monitorada no início de julho de 2016. Por essa razão só foi possível calcular o índice de PR para os dois meses de análise. Foram encontrados valores de 0,85 para ambos os meses de julho e agosto. Segundo (Kymakis et al. 2008), o valor de Performance Ratio em média anual é de 0,67 na ilha de Creta para o sistema instalado, que possui 119 linhas paralelas de doze módulos fotovoltaicos da tecnologia de silício multicristalino de 120 W, interligados a 60 inversores fotovoltaicos de 2500 W. Entretanto valores entre 0,75 e 0,85 são comuns na literatura. Os valores obtidos referentes a energia gerada, medidos diretamente pelo inversor fotovoltaico em datas aleatórias são apresentados na Tab. 3: Tabela 3: Energia gerada pelo sistema medida pelo inversor fotovoltaico em algumas datas.
Data Energia Gerada 29/09/2015 0 kwh 24/06/16 3005 kwh 1/7/2016 3098 kwh 5/7/2016 3138 kwh 8/7/2016 3165 kwh 5/8/2016 3497 kwh 2/9/2016 3812 kwh Com os valores da Tab. 3 pode-se realizar a média da potência gerada por mês durante os últimos onze meses, que equivale a aproximadamente 347 kwh/mês ou 11,2 kwh/dia. Considerando dados do projeto SWERA (NREL, 2016), a média anual da irradiação para a região da serra gaúcha é de 4,68 kwh/m²/dia. Com esse valor, para o período de onze meses e uma potência instalada de 3 kw, seria possível produzir 4773,6 kwh, enquanto o sistema instalado produziu apenas 3812 kwh. A relação entre esses valores fornece uma Performance Ratio de 0,8. Considerando que o custo pago pela energia da rede no local onde está instalado o sistema fotovoltaico é de R$ 0,55, até a data de 02 de setembro o sistema economizou o equivalente a R$ 3.000. 4. CONCLUSÕES Foram apresentados os resultados do primeiro ano de monitoramento de um sistema fotovoltaico de 3 kwp instalado na serra gaúcha que tem como objetivo principal avaliar a viabilidade técnica e econômica desses sistemas para indústrias e residências da região. Analisando-se o Performance Ratio do sistema, foi possível verificar que o inversor fotovoltaico funciona muito bem para potências abaixo da nominal, sendo que este opera aproximadamente 40% abaixo do valor nominal de potência e para um sistema operando próximo aos 5 kwh, haverá melhora em seu desempenho. Os dados obtidos são válidos para a geração de um banco de dados da região da serra gaúcha e poderá contribuir para futuras instalações, além de proporcionar dados confiáveis quanto a viabilidade técnico econômica da geração de energia fotovoltaica nesta região. Realizou-se o cálculo da Performance Ratio por meio de duas fontes distintas. No primeiro cálculo, utilizou-se o potencial que realmente chegou aos modulos fotovoltaicos (medido no local), enquanto para o segundo cálculo utilizou-se o potencial médio mapeado pelo projeto SWERA. Houve uma variação dos resultados, sendo que o Performance Ratio de primeiro caso gerou um valor maior em comparação ao segundo caso. Entretanto é importante salientar que só foram utilizados dados de dois meses de medida para o cálculo do índice PR, enquanto o valor obtido do projeto SWERA envolve uma média anual de vários anos de medida. O cálculo da radiação global inclinada para o mês de julho resultou em um valor médio de 4,25 kwh/m²/dia, enquanto para o mês de agosto resultou em um valor médio de 4,33 kwh/m²/dia. Como esses dados são relativos a meses de inverno, a média anual certamente terá valor maior, se aproximando dos 4,68 do projeto SWERA. O sistema continuará a ser monitorado por prazo indefinido.
REFERÊNCIAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica- BIG- Banco de Informação de Geração (2016), Disponível em: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm. Acesso em: Outubro/2016. Bühler, A. J., Rampinelli, G. A., Gasparin F. P. e Krenzinger, A. (2015). Energia Solar Fotovoltaica e o Setor Elétrico Brasileiro: Situação Atual e Perspectivas. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol. 16. EPE (2015)- Empresa de Pesquisa Energética- Disponível em www.epe.gov.br- Acesso em junho/2015. Kymakis E., Kalykakis S. e Papazoglou T. M. (2008). Performance analysis of a grid connected photovoltaic park on the island of Crete. Energy Conversion and Management, (2009), 433 438. Nakabayashi, R., Geração Fotovoltaica no Brasil: Viabilidade Econômica, Instituto de Energia e Ambiente da USP, Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, São Paulo, 2015. NREL (2016)-National Renewable Energy Laboratory Disponível em maps.nrel.gov/swera/-acesso em outubro/2016. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul, IFRS - Campus Farroupilha pelo apoio financeiro para a realização deste trabalho e a empresa Silvestrin Frutas pelo apoio a realização deste trabalho. ANALYSIS OF RESULTS FOR THE FIRST YEAR OF OPERATION OF AN 3 kwp PHOTOVOLTAIC INSTALLATION FOR THE MOUNTAINS REGION OF RIO GRANDE DO SUL Abstract: Only in the last year, due to a hydric crisis in the country, the cost of electricity raised up to 40% in some sites. For the industrial sector this increase in the energy cost is passed to the consumers or absorbed in part by the industry, reducing the profit margin. Another significant increases in energy costs may arise in the coming years and as a form of protection to these increases the Silvestrin Fruit Company from Farroupilha-RS, Brazil opted for the installation of a photovoltaic generation system about a year ago. The system installed was designed for a capacity of 3 kwp, much less power than company s necessity. The purpose of this system was, therefore, analyze the technical viability of a photovoltaic generation system for the mountains region of Rio Grande do Sul, where the company is located. This paper describes in detail how the system has been projected and presents some conclusions from the first year of monitoring. Key words: Photovoltaic System, Performance ratio, Grid connected system.