UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÌFICA Período: 08/08/2016 a 06/03/2017 ( X ) PARCIAL ( ) FINAL IDENTIFICAÇÂO DO PROJETO RELATÓRIO TÉCNICO CIENTÍFICO TÍTULO DO PROJETO DE PESQUISA: AVALIAÇÃO OPERACIONAL DAS DIFERENTES ESTRATÉGIAS DE INTERLIGAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS À REDE ELÉTRICA. NOME DO ORIENTADOR: WILSON NEGRÃO MACÊDO TITULAÇÃO DO ORIENTADOR: DOUTOR FACULDADE: ITEC UNIDADE: ITEC LABORATÓRIO: GRUPO DE ESTUDOS E DESENVOLVIMENTO DE ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS (GEDAE) TÍTULO DO PLANO DE TRABALHO: AVALIAÇÃO OPERACIONAL DE MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NA TOPOLOGIA CONVERSOR C.C.-C.C.. NOME DO BOLSISTA: WESLLEY LEÃO MONTEIRO TIPO DE BOLSA:( ) PIBIC/CNPQ ( ) PIBIC/CNPQ-AF (X) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA-AF ( ) PIBIC/INTERIOR ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PARD ( ) PARD RENOVAÇÃO ( ) PADRC ( ) BOLSISTA PIBIC NO EDITAL CNPQ 001/2007
1. INTRODUÇÃO A geração distribuída com sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica vem ocupando cada vez mais espaço nas discussões sobre a inserção das energias renováveis na matriz elétrica nacional. Este crescimento possibilitou uma redução significativa no custo de produção da energia elétrica proveniente dos geradores fotovoltaicos, tornando a geração distribuída com pequenos sistemas fotovoltaicos uma alternativa energética competitiva, confiável e segura para o fornecimento de energia elétrica não somente às localidades isoladas e dispersas da rede elétrica convencional como também em regiões urbanas, através dos denominados Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica (SFCRs). A configuração básica de um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFCR) consiste de um gerador FV, constituído de um ou mais módulos, e um inversor. Este projeto teve como objetivo avaliar experimentalmente, comparando suas vantagens, desvantagens e particularidades, as configurações string, microinversor e conversor c.c.-c.c., de modo a contribuir para a construção do conhecimento cientifico da aplicação dessas configurações na região norte do país. Para viabilizar esse estudo, o Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas da Universidade Federal do Pará (GEDAE/UFPA) em parcerias com o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Energias Renováveis e Eficiência Energética da Amazônia (INCT-EREEA), disponibilizou, como contrapartida, 3 SFCR na configuração string, sendo 2,45 kwp, 1,47 kwp e 1,68 kwp, 1 SFCR na configuração micro inversor de 300 Wp, além de carga capacitiva para análises pontuais da curva I-V, osciloscópio e outros instrumentos necessários para realização da pesquisa. 2. JUSTIFICATIVA A execução do projeto tem grande relevância em face do tema ainda não ter sido estudado no Brasil, com grande importância científica em função das inúmeras perguntas as quais as informações produzidas podem ajudar a responder, como por exemplo: Como se pode saber se os microinversores foram projetados para operar com múltiplos valores de máximo consequentes do sombreamento parcial? Além do mais, a pesquisa possibilitará infraestruturas para desenvolvimento de trabalhos e consequente formação de recursos humanos na carente Região Norte do Brasil. O projeto será pioneiro na Amazônia no que diz respeito à geração de dados sobre o tema das tecnologias microinversor e conversor c.c.-c.c., além de contribuir
significativamente para a difusão e/ou disseminação das melhores práticas de uso de energias renováveis na Amazônia Brasileira. 3. OBJETIVO GERAL Avaliar experimentalmente comparando suas vantagens, desvantagens e particularidades, as tecnologias com conversor c.c-c.c usadas em sistemas fotovoltaicos à rede elétrica de baixa tensão, de modo a contribuir para a construção do conhecimento cientifico da aplicação das diferentes tecnologias de SFCRs, procurando fornecer informações que torne possível separar os mitos da realidade no que se refere a operação das diferentes configurações avaliadas. 4. MATERIAIS Para o alcance das metas e dos objetivos propostos, este projeto avaliará experimentalmente comparando suas vantagens, desvantagens e particularidades, as tecnologias string, microinversor e conversor c.c.-c.c. Estes sistemas serão instalados na região norte do país no laboratório do GEDAE/UFPA. Para realização dos estudos, parâmetros elétricos e ambientais devem ser monitorados e armazenados para posterior análise. Os principais equipamentos para aquisição de dados são listados a seguir: Sensores de temperaturas e transmissores; DataLogger; Além das grandezas mencionadas anteriormente, serão monitoradas e armazenadas as grandezas elétricas de entrada e saída de cada inversor (tensão, corrente, potência, etc.), para cada uma das tecnologias. Ressalta-se que todas as variáveis mencionadas serão igualmente monitoradas para cada um dos seis sistemas propostos e os intervalos de integração das mesmas serão de 5 minutos, podendo sofre modificações de acordo com a necessidade da análise a ser realizada. 4.1. Sistema na configuração conversor c.c.-c.c. (SI) O sistema S1 possui uma potência instalada de 3,18 kwp, é composto por doze módulos fotovoltaicos de modelo JAP6-60-265/3BB) do fabricante JAsolar, cada módulo está conectado a um conversor c.c.-c.c de modelo P350 do fabricante SolarEdge, estes formam uma string que está conectada a um inversor de modelo SE2200 também do fabricante SolarEdge.
A estrutura de instalação é constituída basicamente por tubos de alumínio e tubos retangular de aço-carbono galvanizado, também chamado de metalon. Na Figura 1 é mostrado em o desenho da estrutura de instalação e na Figura 2 a vista panorâmica do sistema. Figura 1 - Modelagem em 3D da estrutura de instalação. Figura 2 - Vista panorâmica do sistema Figura 3 - Inversor e Quadro de disjuntores
Tabela 1 - Especificações técnicas do módulo FV JASolar JAP6-60-265-3BB. Especificações técnicas Polic Tipo de célula ristalino Potência máxima Tensão de máxima potência Corrente de máxima potência Tensão de circuito aberto Corrente de curtocircuito Eficiência 265 Wp 30,96 V 8,56 A 38,14 V 9,10 A 16,21 % Tabela 2 - Especificações técnicas do inversor SolarEdge SE2200. Especificações técnicas Potência AC 2200VA Potência máxima AC Tensão AC Faixa operação AC Frequência Potência máxima DC Tensão máxima de DC 2200VA 220/230 Vac 184 264,5 Vac 50/60 Hz 2750 W 500 V
Tensão DC nominal 350V Corrente DC máxima 8,5 Adc Eficiência 97,6 % Tabela 3 - Especificações técnicas do conversor c.c.-c.c. SolarEdge P300. Especificações técnicas entrada entrada do MPPT entrada saída saída Máxima Potência nominal de Tensão máxima de Faixa de operação Corrente máxima de Eficiência máxima Corrente máxima de Tensão máxima de Corrente DC 3 00 V 4 8 V 8-48 V 1 0 A 9 9,5 % 1 0 A 6 0 V 8,5 Adc A aquisição de dados é realizada por um equipamento do mesmo fabricante do inversor denominado de SEgateway, que além de guardar os parâmetros elétricos e ambientais do sistema em servidor online do próprio fabricante, serve também para controlar remotamente alguns parâmetros do inversor, a instalação do SEgateway é mostrada na Figura 4. A aquisição de dados é realizada por um equipamento do mesmo fabricante do inversor denominado de SEgateway, que além de guardar os parâmetros elétricos e ambientais do sistema em servidor online do próprio fabricante, serve também para controlar
remotamente alguns parâmetros do inversor, a instalação do SEgateway é mostrada na Figura 5. Figura 4 - Instalação do SEgateway. Em virtude da indisponibilidade de sensores de irradiância e temperatura, foram utilizados dois módulos fotovoltaico de mesmo modelo que compõem o gerador FV. A irradiância pode ser determinada através da corrente de curto circuito de um módulo FV, pois esta varia proporcionalmente com a intensidade da incidência solar em seu plano. Já a tensão de circuito aberto Voc varia proporcionalmente com temperatura de operação do módulo FV. A irradiância pode ser definida conforme a Equação 1 e a temperatura de costa do módulo fotovoltaico pode ser determinada através da Equação 2 e corrigida com a Equação 3. ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) Onde: : Irradiância medida : Irradiância nas condições padrão : Corrente de curto circuito nas condições padrão : Corrente de curto circuito medida : Temperatura de célula medida : Temperatura de célula medida nas condições padrão
: Tensão de circuito aberto nas condições padrão : Tensão de circuito aberto medida : Tensão térmica da célula : Coeficiente de temperatura para : Temperatura medida corrigida : Temperatura de célula nas condições normais de operação : Eficiência do módulo : Coeficiente de temperatura para. Para a medição de de um dos módulos fez-se necessário a utilização de resistor shunt (75mV 20A), pois houve a necessidade de conversão de um sinal de corrente em um sinal de tensão, já para a medição de foi necessário utilizar um divisor de tensão para adequar o nível de tensão proveniente do módulo FV com os limites suportados pelo datalogger. Na Figura 5 é mostrado um diagrama unifilar do Sistema. Figura 5 - Diagrama unifilar do sistema S1 4.2.Sistema na configuração inversor string (S2) O módulo fotovoltaico usado para compor o gerador do sistema S2 foi o modelo YL245P-29b da fabricante Yingli Solar, com potência nominal de 245 Wp e composto por 60 células de silício policristalino. O gerador é formado por 6 módulos. Suas especificações têm como referência as Standard Test Conditions (STC): irradiância de 1000 W/m², massa de ar
de 1,5 e temperatura de célula de 25 C. A Tabela 4 apresenta as características do módulo fotovoltaico utilizado no sistema.. Tabela 4 - Especificações técnicas do módulo FV utilizado no gerador Módulo Fotovoltaico YL245P-29b Potência máxima 245 W Tensão de máxima potência 30,2 V Corrente de máxima potência 8,11 A Tensão de circuito aberto 37,8 V Corrente de curto-circuito 8,63 A Eficiência do módulo 15 % O inversor utilizado no sistema foi o Sunny Boy 1200 do fabricante SMA, com tensão nominal de entrada de 120 Vcc e tensão nominal de saída de 240 Vca, com frequência de 60 Hz, potência nominal de saída de 1200 W e um grau máximo de rendimento de 92,1%. A Figura 6 e as informações da Tabela 5 foram retiradas do manual do fabricante e apresentam informações técnicas acerca deste inversor. Figura 6 - Inversor Sunny Boy 1200/1700. Tabela 5 - Especificações técnicas do inversor Sunny Boy 1200 da SMA. Especificações técnicas do inversor solar Sunny Boy 1200 Potência C.C. máxima com cos φ =1 P CC 1320 W Potência nominal C.A. P CA nom. 1200 W Tensão C.C. máxima U CC máx. 400 V Tensão nominal C.C. U CC nom. 120 V Tensão nominal C.A. U CA nom. 220 V/230 V/240 V Corrente máxima de entrada I FV máx. 12,6 A Corrente nominal C.A. I CA nom. 5,2 A
Amplitude da tensão C.A. V CA 180 V... 265 V Frequência de rede C.A. F CA nom. 50 Hz / 60 Hz A disposição dos módulos foi escolhida de tal forma que o peso estivesse uniformemente distribuído sobre os pés de sustentação da estrutura, com um espaço de 1 cm entre os módulos, além da melhor forma que viesse facilitar a conexão elétrica entre os mesmos. O gerador em questão está orientado a 19 noroeste e inclinado de 12 com relação à horizontal. O projeto da estrutura foi realizado com o auxílio do programa computacional AutoCAD 2016 e está apresentado na Figura 7. Figura 7 - Estrutura desenvolvida para o sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica de baixa tensão. O painel demonstrativo da operação do sistema, que pode ser visto na Figura 8 foi elaborado com base nos diagramas encontrados na NTD 26 de 2013, da distribuidora de energia da cidade de Belém/PA e nas literaturas a respeito da instalação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede. O painel de demonstração já conta atualmente com quatro displays que são utilizados com o intuito de melhor demostrar o desempenho do sistema, eles estão mostrando a radiação solar, temperatura de costa do módulo, tensão e corrente, tanto c.a. como c.c.. Um sistema de aquisição de dados (SAD) foi implantado para que seja possível analisar tecnicamente o desempenho operacional do SFCR.
Figura 8 - Painel desenvolvido para demonstrar a operação do SFCR. Fonte: Amorim, A.S., 2015. O painel demonstrativo foi instalado na estrutura de sustentação dos módulos fotovoltaicos, ele apresenta em um dos lados o desenho de uma fachada com a finalidade estética de simular uma residência, a Figura 9 mostra o desenho de uma fachada elaborada para ser pintada na parte frontal do painel da bancada. Figura 10 e Figura 11 apresentam o painel e uma vista frontal do sistema com iluminação, respectivamente, já instalado. Figura 9 - Fachada do sistema projetada para simular uma residência Fonte: Amorim, A.S., 2015.
Figura 10 - Painel demonstrativo de operação do sistema instalado na estrutura do gerador. Fonte: Amorim, A.S., 2015. Figura 11 - Iluminação do sistema acionado por um relé fotoelétrico Fonte: Amorim, A.S., 2015. A visualização dos dados é realizada por meio de dois medidores eletrônicos da série SMT 1510 do fabricante MECAF/Diebold Procomp, sendo que um mostra a quantidade de energia gerada e o outro a energia enviada pela distribuidora. A Figura 12 mostra os dois medidores utilizados.
Figura 12 - Equipamentos de medição e visualização de dados da MECAF. Fonte Amorim, A.S., 2015. Os dados de geração diária de energia são obtidos através da leitura direta e diária do display do medidor. Consequentemente, nos dias em que esta leitura não é realizada, como por exemplo, em fins de semana, a contabilização da geração de energia é realizada de forma indireta, com base na geração do período. Para isso, faz-se uma proporção entre a energia total gerada no período e a disponibilidade de energia solar diária no local com base nos dados de irradiação e da produção diária do sistema medido para outros dias. Dessa forma, é possível estimar uma linha de tendência da qual obtém-se uma função, utilizada para estimar a geração do dia em função do recurso solar. Tal aproximação é viabilizada pelo fato de que os dados de irradiância são adquiridos diariamente e armazenados, mesmo em finais de semana (Amorim, 2015). Para averiguar a confiabilidade da medição, realizou-se, com o auxílio de um osciloscópio portátil, fabricante Fluke modelo 199C, o qual apresenta exatidão de ± 0,5 % para tensão c.c. e menor que 4 % para a corrente c.c., a validação da medição mostrada no display do medidor. A Figura 13 mostra os medidores utilizados nesse procedimento comparativo. Figura 13 - Validação do valor de tensão e corrente mostrados no medidor e no osciloscópio portátil.
4.3. Sistema na configuração micro inversor (S3) O sistema S3 é composto por um gerador FV de 245 Wp constituído de um único módulo de 60 células em série, e um microinversor de 215 W interligado em um barramento da rede elétrica de 220 V c.a.. O gerador FV está instalado em uma estrutura no solo, com uma inclinação de aproximadamente 12º e orientado para o norte geográfico. Para compor o gerador FV foi utilizado um módulo modelo Aleo S19G245, com potência de 245 Wp. As características elétricas nominais do módulo são apresentadas na Tabela 6, onde η é a eficiência, α é o coeficiente da variação da corrente de curto circuito com a temperatura, β é o coeficiente da variação da tensão de circuito aberto com a temperatura e γ é o coeficiente de variação da potência com a temperatura. Tabela 6 - Características elétricas do módulo FV utilizado Potência nominal Módulo FV S19G245 Corrente de curto-circuit Tensão de circuito aberto Corrente no ponto potência Tensão no ponto de máx 245 Wp 8,1 A 30,2 V 8,66 A 37,7 V η α β γ 14,6 0 % + 0,04 %/ C - 0,31 %/ C + 0,44 %/ C A estrutura de sustentação para o gerador FV utiliza perfis de alumínio de 1.1/2 3/16, fixados a um bloco de concreto, e foi projetada para permitir a variação angular, cuja regulação é feita por duas barras chatas de alumínio de 1 1/4. Para a
inclinação do gerador, deve-se levar em conta a latitude do local de instalação. A cidade de Belém está a uma latitude de 1º 27, e a inclinação escolhida para o gerador foi aproximadamente 12º orientada para o Norte, visando também minimizar o acúmulo de sujeira na parte superior do gerador FV. Para melhor ilustrar o projeto da estrutura, a Figura 14 foi dividida em quatro partes, onde a primeira mostra uma visão geral da estrutura. Em A está detalhada a forma de fixação da estrutura na base de concreto (parafusos do tipo rosca soberba e buchas). Em B está apresentada a cantoneira em alumínio utilizada para fixar o módulo na estrutura, confeccionada de tal forma que possa deslizar sobre o perfil, permitindo que sejam testados diversos tipos de módulos com diferentes dimensões. Em C mostra-se o mecanismo de variação angular do suporte do módulo. O projeto completo da estrutura, já mostrando o módulo FV é apresentado na Figura 14(D). Figura 14 - Detalhes de fixação da base (a), suporte do módulo (b), variação angular do mesmo (c) e renderização do projeto da estrutura (d). Para conversão de energia c.c. para c.a. utiliza-se um microinversor modelo Enphase M215 (Figura 15), cuja potência de entrada é compatível com a fornecida pelo gerador FV. As principais características técnicas são: potência nominal de 215 W, tensão de saída entre 211 a 264 V, frequência entre 59,3 a 60,5 Hz, fator de potência maior que 0,95, e eficiência de pico da ordem de 96% a uma temperatura ambiente de 25ºC. Figura 15 - Microinversor Enphase M215.
A energia gerada pelo sistema é computada através de um medidor do mesmo modelo utilizado nos sistemas S2, ou seja, a energia injetada é obtida através da leitura feita diretamente no display do medidor, realiza-se o mesmo procedimento descrito para a aquisição de dados do sistema S2, para obter a valor da energia produzida em finais de semanas ou feriados. A Figura 16 (a) mostra a disposição do medidor, micro inversor e módulo fotovoltaico na estrutura de instalação e Figura 16(b) apresenta uma vista panorâmica do sistema instalado. Figura 16 - (a) Disposição dos componentes do sistema na estrutura e (b) vista. (a) (b) 5. CONCLUSÃO Durante toda esta etapa realizada tivemos um melhor conhecimento dos sistemas fotovoltaicos e algumas de suas configurações de interligação a rede elétrica convencional. Aprendizado essencial para o ensino da engenharia elétrica e aplicação das diversas áreas do conhecimento, bem como a geração de energia e seu posterior uso para fins de desenvolvimento tecnológico. Após finalização desta etapa que se conclui com a elaboração deste relatório parcial o qual atende as atividades propostas no plano de trabalho do projeto até a instalação dos equipamentos de geração e aquisição de dados que compõe a parte experimental, inicia-se então a aquisição de dados para realização de teste operacionais preliminares seguindo assim até a validação de dados. Desta forma será então realizada a avaliação de desempenho teórico-experimental e custo de implementação para então elaboração do relatório final. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SMA SOLAR TECHNOLOGY, 2013. Manual de instalação do Inversor Sunny Boy 1200/1700. YINGLI SOLAR. Especificações Técnicas do Módulo Fotovoltaico YL245P-29b.
AMORIM, A. S., 2015. Montagem para testes, ensino e divulgação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica de baixa tensão. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal do Pará, Belém. TORRES, P.F.; MACÊDO, W.N. Análise da eficiência de um microinversor conectado à rede elétrica. V Congresso Brasileiro de Energia Solar, Recife, 2014. TELES, M. B.; RODRIGUES, M. J. S.; CAVALCANTE, R. L.; PINHO, J. T.; MACÊDO, W.N.; OLIVEIRA, L. G. M. Análise do desempenho de dois sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica instalados na região norte do brasil. VI Congresso Brasileiro de Energia Solar, Belo Horizonte, 2016. RODRIGUES, M. J. S.; TELES, M.B.; MAIA, K.; MACÊDO, W. N.; Resultados experimentais de 8 meses de operação de um SFCR. VI Congresso Brasileiro de Energia Solar, Belo Horizonte, 2016. DATA: 15/ 03/ 2017 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO