RBS Magazine ED. 32 by RBS Magazine

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ISSN 2526-7167

Vol. 04 - Nยบ 32 - JAN/FEV 2020

ÍNDICE

Avaliação de desempenho de strings de uma planta fotovoltaica

12 Otimização de uma

instalação de osmose reversa

18 Energia solar fotovoltaica: uma análise sobre a tarifação de excedente reativo

Impactos da sujidade

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Ivonne M. Dupont, Danielly N. Araujo, Paulo C. M. de Carvalho, Shakil B. J. Ribeiro, Natasha E. Batista, Paulo C. M. de Carvalho, Jessiane M. S. Pereira, Fabrício R. S. de Sousa, Danielly N. Araújo, Ivonne M. Dupont, Paulo C. M. de Carvalho, Ildo Bet

Os artigos e matérias assinados por colunistas e ou colaboradores, não correspondem a opinião da RBS Magazine - Revista Brasil Solar, sendo de inteira responsabilidade do autor.

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Artigo

AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE STRINGS DE UMA PLANTA FOTOVOLTAICA SOB DIFERENTES CONDIÇÕES CLIMÁTICAS

Ivonne M. Dupont1; Danielly Norberto Araujo2; Paulo Cesar Marques de Carvalho3

RESUMO O presente artigo tem como objetivo comparar o desempenho de uma planta fotovoltaica (FV) composta por dois arranjos de módulos chamados strings. A planta analisada está instalada nas dependências do Laboratório de Energias Alternativas (LEA) da Universidade Federal do Ceará (UFC). A análise foi realizada desde o início do funcionamento da planta FV (Outubro/2018) até Setembro/2019. A tolerância máxima no pico de potência para os módulos FV analisados é de ±3%. A capacidade de geração diária e mensal de cada string foi comparada para determinar se o nível de geração está dentro do esperado. Os resultados obtidos no período analisado mostram que a diferença entre a geração de eletricidade da string1 em relação à string2 atingiu um valor médio de 2,62%, demostrando que as strings operaram dentro do limite estabelecido. PALAVRAS-CHAVE: geração fotovoltaica, eficiência energética, desempenho.

1. Introdução

sobre o desempenho de 6 plantas FV de grande porte (de 370 kWp a A capacidade de geração dos 4,6 MWp) ao longo de vários anos módulos FV é influenciada por diver- de operação (2007-2013) instaladas sos fatores que afetam seu desem- na Espanha é apresentado em [1]. penho, e.g., localização geográfica, As plantas apresentam diferentes temperatura ambiente e de opera- topologias de montagem com conção, velocidade do vento, irradiação figurações que variam entre 4 e 6 solar incidente, orientação, disposi- strings por planta. A eficiência total ção e inclinação dos módulos, entre das plantas variou para todos os anos outros. Estes podem ser tanto de entre 10% e 12%. Os valores anuais origem elétrica e intrínsecos das tec- da taxa de desempenho (PR - Perfornologias utilizadas, como também da mance Ratio) variaram entre 75% e manutenção e cuidado dos sistemas. 90% aproximadamente para todas as O estudo de desempenho de plantas plantas ao longo dos anos estudados. FV em locais e/ou orientações dife- A análise do desempenho mensal e rentes é essencial para avaliar a gera- anual de uma planta FV de 11,2 kWp ção de energia elétrica sob condições conectado à rede elétrica instalada no telhado da Universidade Siksha reais de operação. ‘O’Anusandhan, Índia, é apresentado Vários trabalhos reportados na em [2]. A planta está composta por literatura apresentam estudos sobre 40 módulos FV de 280 Wp cada um, avaliação de desempenho de plan- divididos em 2 strings de 20 módutas FV conectada à rede. Um estudo los conectados em série que por vez estão conectadas em paralelo no inversor. A taxa de desempenho média Doutoranda em Eng. Elétrica - Universidade Federal do anual foi de 0,78 e a eficiência geral Ceará, email: ivonne.mdupont@dee.ufc.br do sistema foi de 12,05%, com forMestranda em Eng. Elétrica - Universidade Federal do necimento anual de 14.960 MWh à Ceará, email: danielly.araujo@ee.ufcg.edu.br Professor Doutor – Dept. Eng. Elétrica - Universidade rede elétrica. Em [3] é apresentada a 1 2 3

Federal do Ceará, email: carvalho@dee.ufc.br

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avaliação de uma planta FV de 5 kWp conectada à rede elétrica instalada em Tânger, Marrocos. Os módulos FV são dispostos em 2 strings paralelas compostas por 10 módulos de 250 Wp cada uma e conectadas ao inversor. Os parâmetros avaliados incluem produção de energia elétrica, rendimento final, temperatura e eficiência dos módulos, PR, entre outros. A planta FV forneceu à rede 6411,3 kWh durante 2015. O rendimento final variou de 1,96 a 6,42 kWh/kWp, o PR variou de 58% a 98% e o fator de capacidade anual foi de 14,84%. Observa-se que os estudos desenvolvidos nos artigos citados, mesmo quando apresentam configurações baseadas em strings, realizam a análise de desempenho no nível de planta. Segundo o conhecimento dos autores, não foi encontrado nenhum estudo que faça uma comparação de desempenho baseado nas distintas strings que compõem as plantas FV. Assim, a motivação da presente pesquisa se deu diante da escassez deste tipo de análise. O monitoramento individual da capacidade de geração de

Artigo

de monitoramento e diagnóstico assim como o desenvolvimento de novos testes e ferramentas para avaliar a confiabilidade e a vida útil dos módulos FV.

cada string é de extrema importância para detecção de falhas e garantir um melhor desempenho da planta FV. 2. Metodologia Esta seção descreve a metodologia para a análise de desempenho de distintas strings de uma planta FV conectada à rede elétrica. A. Local do trabalho A planta FV analisada está instalada nas dependências do Laboratório de Energias Alternativas (LEA) da Universidade Federal do Ceará (UFC), que tem parceria com o Núcleo de Ensino e Pesquisa em Agricultura Urbana (NEPAU) do Centro de Ciências Agrárias (CCA) da UFC. A Figura 1 mostra a planta FV instalada no LEA-UFC. A planta está composta por 12 módulos FV modelo JKM330PP de 330 Wp cada um, divididos em 2 strings de 6 módulos conectados em série que por vez estão conectadas em paralelo no inversor mostrado na Figura 2, totalizando uma capacidade instalada de 3,9 kWp. Os dados técnicos do módulo FV utilizado são apresentados na Tabela 1. A planta FV está localizada em ambiente urbano próximo a uma avenida de grande movimentação e cercada por abundante vegetação.

Figura 1. Planta FV instalada no LEA-UFC.

Figura 2. Inversor modelo PHB5000D-NS

O inversor do fabricante PHB Solar modelo PHB5000D-NS foi instalado junto aos módulos FV. O fabricante disponibiliza acesso a uma plataforma Web para obter os valores de tensão e corrente DC, potência de saída, quantidades diárias e totais de energia elétrica gerada pela planta monitorada. A plataforma Web disponibiliza as informações coletadas a cada 1 minuto podendo ser exportadas no formato .xls para posterior análise. Os dados de irradiação e temperatura ambiente são obtidos de um sistema de supervisão e aquisição de dados instalado no próprio laboratório. B. Procedimento

É conhecido da literatura que as medições das curvas I-V fornecem mais informações sobre a condição de operação dos módulos FV em comparação com apenas os pontos de máxima potência (MPP - Maximum Power Point) que normalmente são monitorados pelos inversores [5]. As curvas I-V além de fornecer informações sobre a condição e propriedades elétricas dos módulos, podem indicar a presença de sombreamentos e poeira/sujidades. No entanto, as curvas I-V são difíceis de serem obtidas é requerem um traçador de curvas cujo custo é relativamente caro e alguns inversores não fornecem essas informações [6]. Neste contexto, o presente trabalho propõe monitorar e analisar as grandezas elétricas disponíveis diretamente pelo inversor FV sem hardware adicional. Esta abordagem de diagnóstico de plantas FV tem sido estudada em outros estudos, no entanto, a aplicação deste método para a comparação de strings baseada em medidas diretamente do inversor não foi realizada anteriormente.

O objetivo principal do presente artigo é analisar a capacidade de geração das distintas strings que compõem uma planta FV conectada à rede elétrica no intuito de definir a Este trabalho propõe monitorar diferença de geração entre elas. Para a realização do trabalho proposto, a as relações: análise está dividida em três etapas:

- Obter dados de geração elétrica através da plataforma Web PHB Solar sendo string1 e string2 duas strincom frequência de 1 minuto. gs FV idênticas (mesma inclinação, - Calcular a média dos dados a orientação e tipo de módulo FV) cada 10 minutos tornando a análise onde a string2 é considerada como menos sensível a variações abruptas string de referência. dos parâmetros analisados. 4. Resultados e Discussões - Analisar o desempenho de cada Esta seção apresenta os resultastring através da eletricidade gerada. dos da avaliação de desempenho da 3. Monitoramento baseado em planta FV analisada sob diferentes condições climáticas. A análise foi medidas do inversor realizada desde a entrada em operaO desempenho dos Sistemas ção da planta FV (Outubro/2018) até Fotovoltaicos Conectados à Rede Setembro/2019 sendo o período de (SFCR) está fortemente relacionado amostragem de 12 meses. ao desempenho dos módulos FV que A eletricidade entregue pelos os constituem. Este fato dá margem para a elaboração de metodologias módulos FV depende de vários fatoRBS Magazine

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res. A irradiância solar e a temperatura ambiente são dois fatores que influenciam no desempenho dos módulos. Na Figura 3 é mostrado o comportamento da irradiação solar diária e da temperatura ambiente durante o primeiro mês de operação da planta FV (Outubro/2018). O mês de Outubro/2018 apresentou uma irradiação média mensal de 6,03 kWh/m2 e uma temperatura ambiente média de 27,90°C. Também neste mês foi registrado um acumulado de 5,40 mm de chuva. Como reportado em [7], a eficiência dos módulos FV dimnui 0,05%/°C com o aumento da temperatura ambiente. Uma comparação entre a eletricidade gerada pelas 2 strings no mês de Outubro/2018 é mostrada na Figura 4. Como pode ser observado, o dia 02/Out/2018 apresentou a maior geração média com 11,42kWh gerados pela string2 e 11,12 kWh gerados pela string1 com uma diferença de geração de 2,64%. Por outro lado, o dia 07/Out/2018 apresentou a menor geração média diária com 4,32kWh gerados pela string2 e 4,22 kWh gerados pela string1 com uma diferença de geração de 2,23%. A produção mensal foi de 299,06 kWh e 307,55 kWh para string1 e string2, respectivamente. A produção total gerada mensal foi 606.61 kWh. O comportamento diário da diferença entre a geração das strings no mês de Outubro/2018 é apresentado na Figura 5. Os resultados mostram que, embora os módulos FV sejam da mesma tecnologia e do mesmo modelo, fornecem uma quantidade desigual de energia elétrica. No mês de Outubro/2018, os módulos FV da string2 geraram aproximadamente 2,75% a mais do que os módulos da string1. Considerando que os módulos estão sujeitos à exposição de condições meteorológicas quase idênticas (irradiação solar, temperatura ambiente, velocidade do vento e precipitação) e ao mesmo ângulo de inclinação, a diferença na eletricidade produzida pelos módulos FV de cada string pode ser atribuída ao processo de fabricação ou possíveis sombreamentos como resultado de objetos próximos (árvores ou postes de energia) devido à localização física da planta FV (ambiente urbano). O sombreamento é um dos fatores que mais afetam o desempenho de plantas FV principalmente em áreas urbanas [8]. Uma comparação entre a eletricidade gerada pelas 2 strings durante o tempo de operação da planta é mostrada na Tabela 2. Como pode ser observado, os valores mensais alcançados confirmam o resultado obtido com a análise da geração de eletricidade durante o primeiro mês de operação da planta FV. Assim, os módulos FV de um mesmo lote de fabricação não são com6

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pletamente idênticos e apresentam diferenças de geração. A tolerância máxima no pico de potência (Pmax) para este tipo de módulo é de até ±3% ([4]). Este resultado pode ser confirmado na Figura 6, onde o comportamento mensal das diferenças entre a geração das 2 strings é apresentado. Observa-se que em geral, a diferença de eletricidade gerada por cada string varia entre os limites estabelecidos pelo datasheet dos módulos FV. A diferença entre a geração de eletricidade da string1 em relação à string2 no período estudado foi em geral menor do que o limite definido no datasheet dos módulos, atingindo valores mínimos e máximos de 1,90% e 4,29% nos meses Agosto/2019 e Novembro/2018, respectivamente e um valor médio durante o período analisado de 2,60 %, apontando assim, um nível de geração dentro do esperado. Como demostrado, a string2 pode ser considerada como string de referência para realizar um diagnóstico do desempenho da planta FV analisada dado que é a string com o maior desempenho.

Marina Meyer Falcão

Figuras 7a e 8a apresentam o comportamento dos parâmetros Impp e Vmpp ao longo de um dia ensolarado (13/Setembro/2019). Analisando uma comparação entre as relações propostas na metodologia (Figuras 7b e 8b) podemos observar que as duas strings apresentam um comportamento quase idêntico, exceto por um desvio nas curvas no início da manhã e durante o horário da tarde. A presença do sombreamento pode ser confirmada comparando Impp e Vmpp com os valores de referência medidos a partir de uma string idêntica não sombreada. A principal vantagem do monitoramento dessas relações é que elas permitem a detecção rápida de um desempenho baixo da planta FV. Como observado nas Figuras 7b e 8b, ambos parâmetros se desviam da unidade que representa um comportamento ideal, sugerindo uma mudança na localização do MPP. Foi constatado que no intervalo de 15:00 até 17:00 hs, um sombreamento dinâmico afeta o desempenho da planta FV. O sombreamento dinâmico refere-se a uma sombra que varia sua posição ao longo do tempo em relação ao sol [8]. Neste caso, um poste de energia gera um sombreamento projetado pelo sol sobre as strings da planta. A mesma análise foi realizada durante um dia com alta presença de nuvens no céu. Figuras 9a e 10a apresentam o comportamento dos parâmetros Impp e Vmpp ao longo de um dia nublado (22/ Setembro/2019). Da mesma forma, examinando o comportamento das relações definidas na meto8

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dologia mostradas nas Figuras 9b e 10b, pode-se observar desvio nas curvas durante o horário da tarde indicando que as strings não estão operando no MPP esperado devido a presença de um sombreamento dinâmico no intervalo 15:00 até 17:00 hs. 5. Conclusões No presente artigo foi comparado o desempenho de duas strings de uma planta FV de 3,9 kWp conectada à rede de distribuição do Campus do Pici/UFC. Embora os módulos FV analisados sejam do mesmo modelo, as strings fornecem uma quantidade desigual de energia elétrica. A diferença entre a geração de eletricidade da string1 em relação à string2 no período estudado esteve dentro do estabelecido pelo datasheet do módulo FV (±3%), atingindo valores mínimos e máximos de 1,90% e 4,29% nos meses Agosto/2019 e Novembro/2018, respectivamente. No período estudado esta diferença atingiu um valor médio de 2,62%, demostrando que as strings operaram dentro do limite estabelecido. Finalmente, foi demostrado que através do monitoramento e análise das grandezas elétricas disponíveis diretamente pelo inversor FV é possível detectar um desvio no desempenho da planta FV sem hardware adicional. Monitorando as relações definidas podem ser identificados possíveis sombreamentos que estejam afetando as strings. Agradecimentos À CAPES pela bolsa concedida ao primeiro autor e segundo autor, ao CNPq pelo apoio financeiro ao projeto (420133 / 2016-0 Universal 01/2016) e pela bolsa de pesquisador concedida ao terceiro autor, e ao UFC pela disponibilidade de laboratórios e instrumentos. Referências [1] Martín-Martínez S, Cañas-Carretón M, Honrubia-Escribano A, Gómez-Lázaro E. Performance evaluation of large solar photovoltaic power plants in Spain. Energy Convers Manag 2019;183:515–28. doi:10.1016/j.enconman.2018.12.116. [2] Sharma R, Goel S. Performance analysis of a 11.2 kWp roof top grid-connected PV system in Eastern India. Energy Reports 2017;3:76–84. doi:10.1016/j. egyr.2017.05.001. [3] Attari K, Elyaakoubi A, Asselman A. Performance analysis and investigation of a grid-connected photovoltaic installation in Morocco. Energy Reports 2016;2:261–6. doi:10.1016/j.egyr.2016.10.004. [4] Jinko. JKM330PP-72 2008:0–1. [5] Fadhel S, Delpha C, Diallo D, Bahri I, Migan A, Trabelsi M, et al. PV shading fault detection and classification based on I-V curve using principal compo-

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nent analysis: Application to isolated PV system. Sol Energy 2019;179:1–10. doi:10.1016/j.solener.2018.12.048. [6] Chen Z, Chen Y, Wu L, Cheng S, Lin P. Deep residual network based fault detection and diagnosis of photovoltaic arrays using current-voltage curves and ambient conditions. Energy Convers Manag 2019;198:111793. doi:10.1016/j.enconman.2019.111793. [7] Hammad B, Al-Abed M, Al-Ghandoor A, Al-Sardeah A, Al-Bashir A. Modeling and analysis of dust and temperature effects on photovoltaic systems’ performance and optimal cleaning frequency: Jordan case study. Renew Sustain Energy Rev 2018;82:2218–34. doi:10.1016/j.rser.2017.08.070. [8] Chaves MDP, Dupont IM, Carvalho PCM de, Araujo DN. Estudo sobre sombreamento em planta fotovoltaica localizada em zona urbana de Fortaleza-CE. Rev Tecnol 2019;40:1–21. doi:10.5020/23180730.2019.8898.

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OTIMIZAÇÃO DE UMA INSTALAÇÃO DE OSMOSE REVERSA ACIONADA POR UMA PLANTA HÍBRIDA EÓLICA - FOTOVOLTAICA Shakil Bonnet Jossub Ribeiro1; Natasha Esteves Batista2; Paulo Cesar Marques de Carvalho3

RESUMO RESUMO O presente artigo apresenta o dimensionamento e simulação de um sistema híbrido (SH) eólico - fotovoltaico (EO-FV) com armazenamento em O presente artigo apresenta o dimensionamento e simulação de um sistema híbrido (SH) eólicodo- fotovoltaico (EO-FV) com armazenamento baterias para acionar uma planta de dessalinização por osmose reversa (OR). O desempenho SH é analisado sob dados climáticos típicosem de baterias acionar uma planta dessalinização por osmose reversa no (OR). O desempenho do SH eé os analisado sobda dados climáticos típicos de Petrolinapara durante o período de umde ano. O software HOMER é utilizado dimensionamento resultados simulação são utilizados Petrolina durante o período detendo um ano. software utilizado no dimensionamento do SH produzida. e os resultados da simulação utilizados para otimizar a planta de OR, em O vista o custoHOMER mínimo épor metro cúbico (m3) de água potável A carga da plantasão de OR de 120 para otimizar a planta OR, tendo vista de o custo mínimo porOmetro cúbicodo(m3) de água potávelrevela produzida. A carga otimizado da planta de OR de 120 W é programada para de funcionar no em período 8 horas por dia. resultado dimensionamento que o sistema é constituído W funcionar desendo 8 horas por dia. resultado do dimensionamento que oNuma sistema otimizado é constituído poré1programada aerogerador,para 3 módulos FVno e 4período baterias, o preço da Oeletricidade gerada (PEG) de 2,25revela R$/kWh. segunda etapa, o software por 1 aerogerador, 3 módulos e 4 baterias, da eletricidade gerada (PEG) de 2,25 R$/kWh. Numa etapa, o software WAVE é utilizado para simularFV a planta de OR,sendo sendooaspreço características principais o tipo de água salobra do poço, comsegunda salinidade de 1500 mg/L WAVE é utilizado paraECO simular a plantaAdepartir OR, sendo aspara características principais o tipo de água salobra específico do poço, com salinidade de 1500 mg/L e a membrana Filmtec PRO-440i. do PEG as características mencionadas, o consumo de eletricidade para a planta edea OR membrana ECO A partir do PEG para as uma características o consumo específico de eletricidade a planta é de 9,79Filmtec kWh/m3 dePRO-440i. água potável produzida, atingindo produção mencionadas, de 98L/h de funcionamento, significando um custopara de 22,02 R$/ de é deque 9,79 kWh/m3 água potável atingindo uma produção de 98L/h de funcionamento, significando um custo de 22,02 R$/ m3,OR valor está na faixadeencontrada naproduzida, literatura mundial. m3, valor que está na faixa encontrada na literatura mundial. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Híbrido; Eólico; Fotovoltaico; Osmose Reversa. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Híbrido; Eólico; Fotovoltaico; Osmose Reversa.

1. Introdução

solução na tentativa de reduzir o pro- (Fig. 1) tem sido bastante empregablema de abastecimento de água po- da como alternativa à forte escassez de água potável [3], por apresentar Conforme o Balanço Energético tável. maior eficiência e economia, operar Nacional (BEN) 2018 o percentual de penetração de energias renováveis Plantas de geração de energia em temperatura ambiente, ter dena matriz de energia elétrica do Brasil elétrica que combinam duas ou mais sign modular e baixos custos de provem crescendo ano a ano. Adicional- diferentes fontes são chamadas de dução de água potável. [4] mente, o Brasil é um dos signatários sistemas híbridos (SH). É comum os A Organização Mundial da Saúdo Acordo de Paris e, segundo o Gre- SH usarem energia solar e eólica; enpeace, pode ter até 2050 uma par- mas, apesar da sua disponibilidade, de (OMS) afirma que cada indivíduo ticipação de 100% das fontes renová- é indispensável o uso de métodos de deve consumir no mínimo 5 litros (L) veis em sua matriz, zerando emissões armazenamento para períodos de es- de água potável diariamente, defide gases de efeito estufa do setor. [1] cassez, como o caso de [2] que é SH nida organização como sendo água eólico-fotovoltaico (EO-FV) com ba- contendo menos do que 500 mg/L de sólidos totais dissolvidos (STD). [5] O Instituto Nacional de Pesquisas teria. Espaciais (INPE) afirma que o NordesSegundo [6], plantas de OR aciote brasileiro tem a melhor irradiação A eletricidade gerada por um SH solar (Wh/m2) seja comparado com pode ter diversas finalidades, sendo nadas por SH EO-FV produzindo até 20 m3 por dia, com custos menores alguns países europeus ou em rela- uma delas a dessalinização da água. ção às demais regiões do Brasil além Existem diversos de apresentar a menor variação ao longo do ano. A área mais seca do tipos de métodos de Nordeste, chamado de Polígono da dessalinização: DestiSeca, compreende cerca de 950.000 lação Solar (DS), Deskm2 (60% da superfície total da re- tilação Flash de Múlgião) e a dessalinização entra como tiplos Estágios (MSF), Destilação Múltiplos Efeitos (MED), DestiEngenheiro de Energias - Universidade Federal do Ceará, lação por Compressão Fortaleza, CE, email: shakil.ribeiro@gmail.com. de Vapor (VC), DessaMestre em Ciências Físicas Aplicadas - Universidade Estadual do Ceará, email: estevesnatasha@hotmail.com. linização por EletroProfessor Doutor – Departamento de Eng. Elétrica, diálise (ED) e Osmose Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, email: Reversa (OR). A OR carvalho@dee.ufc.br. 1 2 3

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do que 45 R$ por m3 de água potável apresentam uma boa relação custo/ benefício considerando o mercado atual. Neste contexto, o objetivo do presente artigo é demonstrar uma metodologia de dimensionamento técnico – financeiro para uma planta de OR acionada por SH para dessalinização de água salobra com a melhor relação custo/benefício no preço final do m3 de água potável produzido. 2. Metodologia Nesta seção será descrita a metodologia utilizada no presente artigo. Inicialmente foi utilizado o software HOMER para dimensionar a melhor configuração do SH EO-FV com bateria, para abastecer a carga da planta de OR de acordo com os recursos energéticos disponíveis em Petrolina. Em seguida, para fornecer água potável com menor custo, foi utilizado o programa WAVE para escolher a melhor configuração da planta de OR e simular o seu funcionamento de acordo com as condições pretendidas. [7] [8]

Onde TEG é o total de eletricidaA Fig. 4 apresenta a média mende gerada no SH. sal da velocidade do vento medida em Petrolina, que atingiu valor máximo de velocidade do vento de 7,8 m/s em agosto e mínimo de 5,4 m/s Onde CE é o consumo específico em janeiro, atingindo uma média da planta de OR. mensal de 6,68 m/s. A. Descrição dos dados Os dados meteorológicos (velocidade do vento e irradiação solar global) foram obtidos por meio de uma estação de medição instalada em Petrolina [9]. As medições foram realizadas a cada 5 minutos, com a média mensal para o período de julho de 2012 a junho de 2013. A estação foi instrumentada com um conjunto de medição, constituído de três anemômetros, da marca NRG 40c, instalados a 78, 50 e 20 m de altura; equipamento NRG 500P para medição de direção do vento, instalado a 78 m; sensor de temperatura, da marca NRG 110S e piranômetro da marca NRG LI –200SA, instalado a 14 m.

B. Descrição do Sistema Híbrido O SH proposto no presente artigo é composto por aerogerador, módulos FV e baterias. A estrutura do SH é composta por dois barramentos conectados por um inversor, um de corrente alternada (CA) e outro de corrente contínua (CC), sendo que no primeiro estão conectados a carga (planta OR) e o aerogerador, no segundo os módulos FV e o conjunto de baterias, apresentada na Fig. 5.

A Fig. 2 apresenta o local da esA planta de OR tem uma potência tação. de 120W, e o seu funcionamento foi programa para 8 horas diárias entre o período das 9 ás 17 horas de modo Com o dimensionamento do a aproveitar melhor os recursos enerSH se calcula o valor total presente géticos na região de Petrolina. (VTP), que é o custo de todos componentes, definido por: Como dados financeiros de entrada para o HOMER como parâmetros financeiros, a Tabela 1 apresenta os componentes considerados que compõem os SH. Onde o CFV é o custo dos componentes da planta FV e manutenção, CAe o custo dos componentes do Aerogerador e manutenção CBat o custo das baterias, sua operação e A Fig. 3 apresenta dados de irmanutenção. radiação global horizontal (IGH) de Em seguida com o VTP e o total Petrolina, no qual observa-se o valor de eletricidade gerada (TEG) obtido máximo de irradiação de 7,76 kWh/ no HOMER, calcula-se o preço da ele- m2 em outubro e mínimo de 5,44 tricidade gerada (PEG) no SH. kWh/m2 em junho, atingindo uma média diária de 6,52 kWh/m2. Juntamente com os dados de produção de água potável obtidos no WAVE, calcula-se o custo específico da produção (CEP) de água potável na planta de OR. Estes conceitos são definidos por:

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Os resultados da modelagem do SH no HOMER servem como dados de entrada no WAVE, que simula o funcionamento da planta de OR. Além desses dados, são introduzidos A Fig. 5 demonstra o estado da os parâmetros de qualidade da água a ser processada, tipo de membrana carga das baterias ao longo da vida e modelo da bomba, de modo a ob- útil do SH, apresentando médias aciter os resultados das simulações. Na ma dos 80%. tabela 2 são apresentados os dados de entrada do WAVE. A Associação Brasileira de Água Subterrâneas (ABAS) afirma que a maior parte dos poços de água salobra no Nordeste do Brasil apresenta concentrações de 1500 mg/L de STD; assim, foi selecionada a membrana Filmtec ECO PRO-440i [13], que se Coletados os dados do HOMER, destaca pela boa performance para fluídos com os parâmetros mencio- de modo a atingir a meta de produção de água com o padrão aceitável nados anteriormente [14]. para consumo humano adotado pela OMS, o WAVE apresenta a melhor configuração para a planta de OR, caracterizada por 1 vaso de pressão com 1 membrana, e os resultados para cada etapa de 1 a 4, alimentação da planta OR, pós-bomba, concentrado e permeado, conforme a Fig 6.

3. Resultados e Discussões Uma vez inseridos os dados de IGH, velocidade do vento e custos dos componentes no HOMER, o programa apresenta a melhor combinação que tecnicamente atende com menor custo à carga da planta de OR. O resultado do Homer é um SH composto por uma planta FV de 1 kW, 1 aerogerador de 0,5 kW, 1 inversor de 1,5kW e um conjunto de 4 baterias com capacidade total nominal de 192Ah. O SH apresenta um custo inicial de 23.505 reais (R$) e um PEG de 2,32 R$/kWh, com um custo operacional de 869 R$ por ano e custototal do sistema de 34.615 R$ durante a sua vida útil, no qual são considerados a manutenção e troca dos componentes. Os dados de geração de eletricidade referentes ao SH são apresentados na tabela 3, no qual a percentagem é referente à participação de cada componente na geração de energia elétrica para o SH. 14

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A tabela 4 apresenta os resultados da simulação de acordo com as etapas da planta de OR no WAVE, como também as características da água.

-FV montado na Arábia Saudita com o intuito de produção de água potável por OR [15], que também usa o HOMER como metodologia de dimensionamento, é apresentado na tabela 5.

Petrolina apresenta um consumo específico de 9,79 kWh/m3, que se encontra na faixa apresentada pela literatura. A produção de água potável foi de 98 L/h apresentando o custo específico de 22,02 R$/m3. Esse valor é importante pois a produção de água potável atinge o valor final para o consumidor no mesmo nível que é encontrado mundialmente. 4. Conclusões Os resultados mostram que o SH EO-FV com bateria dimensionado na presente pesquisa consegue abastecer a carga da planta de OR, no qual se apresenta o programa HOMER como uma ferramenta fundamental no dimensionamento desse sistema. O SH dimensionado consegue suprir a carga por completo, sendo a geração de eletricidade eólica e solar total de 4.336 kWh no período de estudo, sendo dividida para as fontes em 13 % e 87 % respetivamente. Estas adicionam flexibilidade à produção de água potável reduzindo problemas de incompatibilidade na demanda de água e energia. As baterias atingiram os valores mínimos e máximos de carga na bateria de 30% e 100% respetivamente.

A simulação da planta de OR apresentou uma produção de 98 L/h Pode-se observar que a planta de com 377,7 mg/L, atingindo assim o OR consegue produzir 98 L/h, sendo valor 22,02 R$/m3 produzido de água que o permeado atinge um STD da potável, coerente com os resultados água potável de 377,7 mg/L o que encontrados na literatura. significa que a qualidade da água é apropriada ao consumo humano. Assim o presente artigo fornece uma referência útil para dimensioUm comparativo entre os resul- namento de SH com aplicação em tados desta simulação e um SH EO- plantas de OR. Por fim, vale ressaltar

que os resultados obtidos neste estudo são válidos para o estudo de caso considerado (Petrolina), uma vez que os resultados de SH de energia renovável são diretamente afetados por condições locais (iradiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento) e o tipo de componentes. Agradecimentos Agradecemos a CAPES/FUNCAP pela bolsa de estudo do primeiro autor. Ao CNPq e Equinor pela bolsa de pesquisa para o segundo autor. Ao CNPQ pela bolsa de produtividade em pesquisa 2 ao terceiro autor e ainda pelo financiamento do Projeto “Previsão de potencial eólico visando operação integrada ótima de unidades geradoras de eletricidade: estudo de caso para o Nordeste do Brasil”. Referências [1] Balanço Energético Nacional, Ministério de Minas e Energia. Avaliable in: < http://epe.gov.br/sites-pt/ publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-303/topico-419/BEN2018__Int. pdf > Accesso em: 12/05/2019. [2] Barun K. Das, et al., A techno-economic feasibility of a stand-alone hybrid power generation for remote area application in Bangladesh, Energy 134 (2017) 775–788. [3] CARVALHO, Paulo C. M. et al. Feasibility study of photovoltaic powered reverse osmosis and pumping

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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA:

UMA ANÁLISE SOBRE A TARIFAÇÃO DE EXCEDENTE REATIVO EM UNIDADE CONSUMIDORA ENQUADRADA NA MODALIDADE TARIFÁRIA B OPTANTE APÓS INSTALAÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDEÍTULO DO TRABALHO Jessiane Mônica Silva Pereira1; Fabrício Ronier Sabóia de Sousa2

RESUMO Esta pesquisa tem por objetivo analisar os impactos negativos na atratividade econômica dos sistemas fotovoltaicos considerando a tarifação de excedente reativo de unidade consumidora B optante após instalação de sistema fotovoltaico conectado à rede. Nesse sentido, a análise versou sobre um sistema fotovoltaico de microgeração dimensionado para atender 100% (cem por cento) do consumo ativo de um consumidor enquadrado na modalidade de tarifação B optante. Para tanto, foi necessário o estudo de utilização de sistemas conectados à rede, conceitos de geração distribuída, tarifação, fator de potência, resoluções e dados obtidos por fontes de referência nacional como ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), CELPE (Companhia Energética de Pernambuco) e EPE (Empresa de Pesquisa Energética). Em geral, os SFCRs (sistemas fotovoltaicos conectados à rede) fornecem apenas energia ativa para a unidade consumidora, ou seja, trabalhando com o fator de potência unitário, que tem como consequência a redução dos custos do consumo ativo após cada ciclo de faturamento. Porém tal redução no consumo ativo fará com que o fator de potência da unidade consumidora seja reduzido próximo de zero, de forma que as distribuidoras passarão a cobrar excedentes de reativos, levando a impactos negativos na atratividade econômica dos sistemas fotovoltaicos. Os resultados obtidos após o estudo de caso demostraram que a instalação de um SFCR pode não trazer a redução esperada na conta, uma vez que o custo com energia reativa pode ser igual a redução obtida através do abatimento do consumo ativo. Assim, em termo quantificáveis tem-se uma redução na fatura de energia elétrica de apenas 78,80%. PALAVRAS-CHAVE: Geração distribuída; Microgeração; Energia reativa.

Introdução

A implantação de SFCR em unidades consumidoras do B optantes tem como características atender apenas o consumo de energia ativa faturada

Dentre as tecnologias utilizadas em geração distribuída a partir de fontes renováveis, o emprego de sistemas fotovoltaicos tem alcançado grande espaço nos sistemas elétricos do Brasil. A publicação da resolução normativa 482/2012 pela ANEEL que regulamenta a conexão de micro e minigeração à rede elétrica, somada aos elevados índices de radiação solar do território brasileiro, o aumento das tarifas de energia elétrica no Brasil e a redução nos custos de equipamentos fotovoltaicos fizeram com que os investimentos em geração distribuída passassem a ser recuperados Mestranda em Engenharia da Computação, Especialista em Energias Renováveis, Graduada em Engenharia Elétrica– Universidade de Pernambuco (UPE) , Recife, Pernambuco, jmsp@ecomp.poli.br.

2 MBA em gestão de equipes, Graduado em Engenharia Elétrica– Centro Universitário Maurício de Nassau (UNINASSAU) , Recife, Pernambuco, fabricioronier@hotmail. com.

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em um período de três a sete anos. Esse cenário favoreceu o aumento significante da implantação de sistemas fotovoltaicos distribuídos conectados à rede elétrica tanto para consumidores do grupo B quanto para consumidores B optante (EPE, 2012). A implantação de SFCR em unidades consumidoras do B optantes tem como características atender apenas o consumo de energia ativa faturada. Se considerar que o intuito de se colocar um sistema fotovoltaico conectado à rede seja a redução dos gastos com energia elétrica, esse aumento do excedente de reativos pode ocasionar impactos negativos na atratividade econômica dos SFCR para esse tipo de unidade consumidora o que poderia ser um impeditivo para a promoção desses sistemas. Nesse sentido, o presente estudo se faz necessário para pensarmos em

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tais impactos e sua viabilidade para a corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), que é por sua vez inas unidades consumidoras do B. jetada no Quadro Geral de Baixa TenOs SFCRs (sistemas fotovoltaicos são (QGBT) do consumidor via disjunconectados à rede) fornecem apenas tores (ZILLES et al., 2012). energia ativa para a unidade consuCaso o gerador fotovoltaico esmidora, ou seja, atendendo apenas teja produzindo energia durante o o consumo ativo e trabalhando com o fator de potência unitário, tendo período de sol, a energia AC gerada como consequência a redução dos pelo sistema fotovoltaico é injetada custos do consumo ativo faturado diretamente nas cargas elétricas do após cada ciclo de faturamento. Po- consumidor via QGBT. Caso as carrém a redução no consumo ativo gas não estejam absorvendo toda fará com que o fator de potência a energia gerada durante o dia pelo da unidade consumidora seja redu- sistema fotovoltaico, o excedente de zido próximo de zero, de forma que energia retornará à rede da concesas distribuidoras passarão a tarifar sionária via medidor de energia com esses excedentes de reativos. Desta fluxo bidirecional (ou via medidor forma, surge-nos um questionamen- de fluxo reverso) e irá contabilizar a to: Quais os impactos negativos na energia reversa injetada na rede da atratividade econômica dos sistemas concessionária (VILLALVA; GAZOLI, fotovoltaicos considerando a tarifa- 2012). ção de excedente reativo de unidade 2 Geração Distribuída consumidora B optante após instalação de sistema fotovoltaico conectaDesde 17 de abril de 2012, do à rede? quando entrou em vigor a ResoluPara o melhor entendimento ção Normativa ANEEL nº 482/2012, deste assunto e qual será o seu im- o consumidor brasileiro pode gerar pacto na atratividade dos sistemas sua própria energia elétrica a partir fotovoltaicos é necessário conhecer de fontes renováveis ou cogeração a forma como é feito o faturamento qualificada e inclusive fornecer o exda distribuidoras de energia elétrica, cedente para a rede de distribuição entender e analisar através de um de sua localidade. Essa resolução estudo de caso os impactos negati- estabelece as condições gerais para vos na atratividade econômica dos o acesso de microgeração e minisistemas fotovoltaicos considerando geração distribuída aos sistemas de a tarifação de excedente reativo de distribuição de energia elétrica, o unidade consumidora B optante após sistema de compensação de energia instalação de sistema fotovoltaico elétrica fornecendo outras providênconectado à rede e também analisar cias. Com vistas a reduzir os custos o Payback do investimento conside- e o tempo para a conexão de micro rando o custo com o consumo exce- e da minigeração e compatibilizar o Sistema de Compensação de Energia dente reativo. Elétrica com as Condições Gerais de Fornecimento, a Resolução NormaMetodologia tiva ANEEL nº 482/2012 foi alterada para nº 687/2015. A. Fundamentação téorica A Resolução conceitua a micro1 Sistemas Fotovoltaicos cogeração Distribuída: central geradonectados à Rede ra de energia elétrica, com potência Um Sistema Fotovoltaico Conec- instalada menor ou igual a 75 kW e tado à Rede (SFCR) é ilustrado na que utilize fontes com base em enerFigura 1. Os módulos fotovoltaicos gia hidráulica, solar, eólica, biomassa são combinados em série ou paralelo ou cogeração qualificada, nos termos criando as “strings” que são agrupa- de regulamentação específica, codos na caixa de combinação gerando nectada na rede de distribuição por a corrente contínua (CC) total de sa- meio de instalações de unidades conída. A saída CC dessa combinação é sumidoras e Minigeração Distribuída injetada no inversor que transforma como central geradora de energia

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elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 5 MW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, nos termos de regulamentação específica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. 3 Fator de Potência O fator de potência é uma medida da diferença de fase entre a tensão e corrente em um sistema CA (Corrente Alternada). Em cargas puramente resistivas (como uma lâmpada incandescente ou uma chaleira elétrica) a corrente está em fase com a tensão, logo o fator de potência é unitário (igual a 1). Já com cargas capacitivo e indutivo (como bancos de capacitores ou motor indutivo) respectivamente, fará com que a corrente seja "adiantada" ou "atrasada” em relação a tensão, resultando em um fator de potência não-unitário (MAMEDE, 2017). Um fator de potência não unitário significa que uma carga encontra-se consumindo energia ativa e reativa. A potência ativa conhecida como a energia útil, que contribui ao trabalho realizado em um sistema. A potência reativa, no entanto, é necessária para manter a tensão em um sistema, fornece o poder de magnetização aos motores e facilitar a transmissão da energia ativo através do circuito de corrente alternada (CREDER, 2016). Os vetores para potência ativa - Pat (medida em Watts) e potência reativa - Pre (as medidas em Volt Amps reativa - VAr) são adicionadas perpendicularmente para dar potência aparente - Pap em VA). Potência aparente é o que um gerador deve produzir. O ângulo de fase é dado pelo ângulo entre o vetor de potência ativa e aparente vetor de energia. O fator de potência pode então ser calculado tomando o cosseno deste ângulo. Como potência reativa aumenta, o ângulo de fase também aumenta, resultando em um fator de potência menor. Se a potência reativa é reduzida a zero, o ângulo de fase também se torna zero, dando um fa-

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O artigo 100 da Resolução Normativa ANEEL nº 414/2010 determina que para o cliente se enquadrar De acordo com a resolução nor- como B optante deve atender alguns mativa n° 414/10 da ANEEL (ANEEL, requisitos. Esses requisitos são para 2010), “fator potência é a razão en- consumidores convencionais a potre a energia elétrica ativa e a raiz tência nominal total dos transforquadrada da soma dos quadrados madores devem ser igual ou inferior das energias elétricas ativa e reati- a 112,5 kVA. Já para consumidores va, consumida num mesmo período que são classificados como cooperaespecificado”. Matematicamente tiva de eletrificação rural a potência podemos expressar de acordo com a nominal total dos transformadores deve ser igual ou inferior a 750 kVA, equação 1 abaixo: caso a unidade consumidora esteja localizada em área de veraneio ou Onde: turismo cuja a atividade seja serviços de hotelaria ou pousada é indepenFPmedido – Fator de Potência medido; de da potência do transformador. E quando, as instalações são para prákWh – Consumo ativo medido; tica de atividade esportivas, parques de exposição agropecuária e também kVArh – Consumo reativo medido; quando a unidade consumidora posAinda sobre a legislação vigen- sui 2/3 (dois terços) ou mais da sua te, estabelecida pela Resolução 414 carga instalada referente a iluminae alterada pela Resolução 569 de ção. 23/07/2013, que disciplina os limites Os clientes B optantes são fatudo fator de potência deve ser controlado de forma que permaneça den- rados pelo consumo ativo e pelo contro do limite de 0,92 indutivo e 0,92 sumo reativo excedente. O Consumo capacitivo, bem como a aplicação da ativo é medido através do medidor cobrança pelo excedente de energia eletrônico que registra o consumo ativo em kWh em um determinareativa excedente. do ciclo de faturamento. Já Consumo de Energia Reativa Excedente é calculado através de expressão abaixo: 4 Faturamento da energia excedente reativa tor de potência de unitário (MAMEDE, 2017).

A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) regulamenta através da Resolução Normativa ANEEL nº 414/2010 que estabelece as Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada, determina a cobrança de energia reativa excedente para um fator de potência abaixo de 0,92 capacitivo ou indutivo. Essa cobrança é efetuada apenas para clientes do Grupo A (Grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão igual ou superior a 2,3 kV, ou atendidas a partir de sistema subterrâneo de distribuição em tensão secundária, ANEEL nº 414/2010) e cliente conectados em tensão superiores a 2,3 kV mas que se enquadre na modalidade Grupo B optante.

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FPmedido – Fator de Potência medido; kWh – Consumo ativo medido; EER – Energia Excedente reativa; Segundo o artigo 97 da resolução 414 da ANEEL (ANEEL, 2010), o custo do consumo ativo é o valor do consumo ativo medido (kWh) multiplicado pela tarifa do consumo ativo e o consumo reativo excedente é o valor do EER multiplicado pela tarifa de energia "TE" da bandeira verde aplicável ao subgrupo B1. Esses valores dependem de cada concessionária de energia elétrica e são regulamentos pela ANEEL.

B. Procedimento O presente estudo se configura num estudo de caso, considerando que seu uso é, consoante Gil (2009), adequado quando se pretende explorar situações da vida real cujos limites não estão claramente definidos. Desse modo, o estudo de caso se apresenta como ideal para que possamos analisar o problema levantado em condições reais de operação. Nesse sentido, esta pesquisa se utiliza do estudo de caso sobre um sistema fotovoltaico instalado em um cliente rural com perfil de aquicultura rural, pertencente a uma unidade consumidora do grupo B optante (tensão de fornecimento igual a 13,8 kV). A unidade consumidora possui uma subestação aérea de 45kVA que faz o rebaixamento da tensão de 13,8 kV para 380 V. Para o início do estudo de caso foi necessário dimensionar o SFCR para atender cem por cento do consumo ativo do consumidor. O segundo passo foi a instalação do sistema e a homologação junto a concessionária local, posteriormente acompanhar e registar durante um ano, a energia injetada, a compensação do sistema e o consumo excedente reativo faturado e a última etapa verificar se a situação considera no cálculo do payback inicial permanece ou houve alguma alteração. Resultados e Discussões 5 Característica do SFCR Para analisar os efeitos da instalação do SFCR em cliente B optante, primeiro faz-se necessário descrever as características desse sistema. O SFCR foi projetado considerado o histórico de consumo do cliente no período de 1 (um) ano, as condições de radiação solar do local, análise de sombreamento e local de instalação para tal foi utilizado o software PVsyst, a tabela 01 apresenta o resumo técnico desse sistema. Na construção e modelagem em 3D do SFCR foi utilizado o software SketchUp, conforme pode ser observado na Figura 1.

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6 Comportamento da Unidade Consumidora antes da Instalação do SFCR A unidade consumidora estudada é uma granja, enquadrada na modalidade B2 RURAL - AQUICULTURA RURAL e devido a sua atividade tem variações no consumo a depender do número de aves presente da granja. Essa unidade apresenta um fator de potência indutivo e geralmente abaixo de 0,92. Conforme se observa na tabela abaixo, a média anual do consumo ativo faturado (kWh), reativo faturado (kVArh), fator de potência médio antes da instalação do SFCR.

Observa-se que a unidade consumidora sempre foi cobrada pelo fator de potência abaixo do determinado pela resolução.

tivos valores de referência mensal (Cliente B2 RURAL - AQUICULTURA). Este é um dos parâmetros cobrados pela distribuidora, utilizado aqui como uma referência na economia de energia ativa pelo sistema fotovoltaico.

Observa-se uma mudança expressiva no custo da energia ativa em termos de economia após a instalação do sistema, confirmando sua vantagem e crescente utilização. Cabe agora analisar também o impacto do sistema fotovoltaico na parcela da tarifa correspondente à energia reativa, o que é mostrado na Tabela 6.

7 Comportamento da Unidade Consumidora depois da Instalação do SFCR

O sistema em análise utilizou 84 painéis fotovoltaicos da empresa Jinko Solar e 1 inversor da empresa Fronius, totalizando um custo aproximado de R$156.000,00, conforme demostrado na tabela abaixo:

Após a instalação do SFCR para atender 100% do consumo ativo, observa-se que a média anual do consumo ativo faturado (kWh) foi a taxa de disponibilidade mais as perdas por transformação de 2,5%, reativo faturado (kVArh), fator de potência médio tendeu a zero.

8 Análise econômica A Tabela 5 indica o valor pago pelo consumo ativo, que é calculado apenas multiplicando-se os consumos ativos (kWh) pelos seus respec24

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Houve uma diminuição da tarifa por consumo de energia ativa, com uma queda de R$ 2.078,67 enquanto o valor pago pelo excedente da energia reativa subiu R$310,59. Assim, o investimento apresenta Payback Simples (Anos) de 5,78 anos sem considerar o problema do consumo excedente reativo após a instalação do SFCR. O Payback Simples calculado a partir dos parâmetros descritos na tabela 7. Considerando o aumento sobre consumo excedente reativo após a instalação do SFCR o Payback Simples (em anos), utilizando os mesmos

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A presente pesquisa permitiu a compreensão dos conceitos de micro e minigeração distribuída, de fator de potência e sobre a tarifação do consumo ativo e excedente reativo...

parâmetros apresentados na tabela 7, passa a ser de 6,75 anos. Dentro da visão financeira, mesmo com o aumento no Payback o investimento ainda é viável e rentável. Considerações Finais A presente pesquisa permitiu a compreensão dos conceitos de micro e minigeração distribuída, de fator de potência e sobre a tarifação do consumo ativo e excedente reativo. Também possibilitou o entendimento sobre as características dos conceitos e fundamentos dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede, bem como dos impactos causados após sua instalação em cliente B optante. No tocante a utilização do estudo de caso foi perceptível o aumento no faturamento de energia reativa após a instalação do SFCR. Desse modo, a economia da fatura de energia elétrica não foi a esperada e, devido a

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isso, o Payback simples calculado inicialmente sem considerar o aumento excedente reativo faturado após a instalação do SFCR foi recalculado e aumentou cerca de um ano após a consideração. Assim, foi possível concluir que devemos considerar o aumento no consumo do excedente reativo faturado após a instalação do SFCR nas análises financeiras dos consumidores que fazem parte da modalidade tarifária B optante, pois esse consumo leva a impacto negativo no Payback do investimento.

ANEEL. Resolução Normativa Nº 687, de 24 de Novembro de 2015. 2015. CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 16ª ed. Rio de Janeiro, LTC, p. 362, 2016. EPE. Nota Técnica: Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira. Rio de Janeiro. 2012.

GIL, A. C. Como elaborar projetos de pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas, Para estudos futuros será verificado a possibilidade do SFCR for- 2009. necer não só a potência ativa como também a potência reativa, o que MAMEDE FILHO, João. Instalações pode possibilitar a redução no ex- elétricas industriais. 9ª ed. Rio de cedente reativo faturado pela disJaneiro: LTC. 2017. tribuidora em cliente B optantes.

VILLALVA, M. G., Gazoli, J. R., 2012. Energia Solar Fotovoltaica. Referências Conceito e Aplicações. Sistemas Isolados e ANEEL. “Resolução Normativa Nº 414, de 09 de Setembro de 2010”. Conectados à Rede, Ed. Érica, São 2010. Paulo. ANEEL. Resolução Normativa Nº 482, ZILLES, R., Macêdo, W. N., Galharde 17 de Abril de 2012. 2012. do, M. A. B., Oliveira, S. H. F., 2012. ANEEL. Resolução Normativa Nº 589, Sistemas Fotovoltaicos Conectados de 23 de Julho de 2013. 2013. à Rede Elétrica, Oficina de Texto.

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IMPACTOS DA SUJIDADE NO DESEMPENHO DE UMA PLANTA FOTOVOLTAICA EM AMBIENTE URBANO: ESTUDO PARA FORTALEZA, CE Danielly Norberto Araújo1; Ivonne Montero Dupont2; Paulo Cesar Marques de Carvalho3

RESUMO Sujidade é um parâmetro que afeta o desempenho de plantas Fotovoltaicas (FV) em todo o mundo. A avaliação detalhada do impacto da sujidade em plantas FV é uma questão complexa e específica do local em que o estudo é realizado. Desse modo, uma análise dos efeitos da sujidade no desempenho de uma planta FV instalada no Laboratório de Energias Alternativas da Universidade Federal do Ceará (LEA-UFC) é realizada no presente trabalho. O desempenho da planta é avaliado a partir da comparação da taxa de desempenho diário em períodos com chuva e sem chuva. Como principais resultados, para as condições de uma planta FV próxima a uma avenida de grande movimento em Fortaleza, CE, depois de um período de 23 dias sem chuvas é constatado uma diminuição de 12,50% da taxa de desempenho; durante o período com chuva, a planta FV opera como o esperado, tendo sua taxa de desempenho com valor médio de 87,22%. PALAVRAS-CHAVE: Sujidade, Desempenho, Geração Fotovoltaica.

1. Introdução

Com o crescimento do uso de módulos FV para geração de eletriciGeração Distribuída (GD) pode dade, é crescente o número de pesser definida como um modelo de quisas relacionadas aos fatores que produção de eletricidade descentra- afetam o desempenho dos módulos, lizada que utiliza recursos renováveis que varia usualmente entre 14% e ou não-renováveis, conectados di- 20% [1]. Alguns desses fatores são: retamente ou próximo aos locais de orientação dos módulos, irradiação solar, velocidade do vento, tempeconsumo [1]. ratura ambiente, sujidade, sombreaO uso da tecnologia FV para con- mento e perdas no inversor [5]. versão de energia solar em eletriciSujidade é um parâmetro que dade tem ganhado bastante atenção para aplicação na GD nos últimos causa perdas em plantas FV instalaanos, devido a inúmeros fatores, tais dos em todo o mundo e é devido ao como: abundância e disponibilidade acúmulo de poeira, partículas de pode luz solar, sistemas FV construídos luição ou outros contaminantes na em pequenas áreas e de forma mo- superfície dos módulos FV. A sujidadular, e políticas específicas para seu de reduz a produção de eletricidade, aumenta os custos de operação e uso [2]. manutenção (O&M) e introduz incerNo Brasil, o uso da fonte solar na teza no rendimento dos módulos [6]. GD é crescente, cuja representação Os efeitos da sujidade nos mófoi de 46,20% em 2017 e de 63,50% em 2018 [3]. Espera-se que em 2019, dulos FV é minimizado pela limpeza haja um crescimento de mais de 97% periódica dos módulos, que pode ser da potência FV na GD em relação ao feita de forma manual ou pela incidência de chuvas, por exemplo, sentotal adicionado em 2018 [4]. do observado que chuvas frequentes podem tornar a quantidade de sujiMestranda em Engenharia Elétrica - Universidade dade pouco impactante, se não desFederal do Ceará, Fortaleza, CE, email: danielly.araujo@ prezível [2]. ee.ufcg.edu.br 1

Doutoranda em Engenharia Elétrica - Universidade Federal do Ceará, , Fortaleza, CE, email: ivonne.mdupont@dee.ufc.br 3 Professor Doutor – Dept Engenharia Elétrica - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, email: carvalho@ dee.ufc.br. 2

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tos fatores que a influenciam, tais como: fatores ambientais, propriedades do módulo FV e características do local e da instalação [7]. Segundo [8], devido ao número de parâmetros que influenciam a sujeira, grande parte das informações disponíveis na literatura se aplica apenas ao local específico em que o trabalho experimental foi realizado. Na Figura 1 é mostrada a sujidade de módulos FV instalados no Egito [9].

Figura 1: Sujidade de módulos FV instalados no Egito.

Nesse sentido, o presente artigo O estudo detalhado dos impac- tem como objetivo avaliar os impactos da sujidade nos módulos FV é um tos da sujidade no desempenho de problema complexo devido aos mui- uma planta FV próxima a uma aveni-

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da de grande movimento em Fortaleza, CE, instalada no LEA-UFC. 2. Metodologia Nesta seção é descrita a metodologia utilizada no presente artigo. A. Local do estudo O impacto da sujidade em módulos FV é avaliado a partir de uma planta FV conectada à rede elétrica e instalada no LEA-UFC, cujas coordenadas UTM (Universal Transversa de Mercator) são: latitude 3º 44’ 15” S e longitude 38º 34' 22'' W. A planta FV do LEA-UFC possui potência instalada de 3,90 kWp, está orientada para o norte geográfico e possui inclinação de 10º. Essa planta é composta por 12 módulos FV de 330 Wp, cada, divididos em duas strings de seis módulos, cada string, conforme mostrado na Figura 2. Na Tabela 1 são mostradas as especificações do módulo da planta.

Figura 2: Planta FV do LEA-UFC.

objeto em observação [10]. No presente trabalho, dois sistemas independentes de aquisição de dados são utilizados.

SCADA adquire dados a cada minuto, que são exportados em formato .xls. Além disso, no LEA, o piranômetro está instalado na mesma direção e orientação das plantas FV, porém O primeiro sistema coleta as va- não possui a mesma inclinação (0º). riáveis elétricas da planta FV: tensão, corrente e potência; e o segundo coOs dados de chuva são fornecileta os dados de irradiância solar inci- dos pela Estação Agroclimatológica dente nos módulos FV do local. de Fortaleza, localizada no Centro de Ciências Agrárias (CCA) da UFC, camO sistema para aquisição e moni- pus do Pici, cujas coordenadas UTM toramento das variáveis elétricas de são: latitude de 3° 44' 15''S e longituplantas FV tem como equipamento de de 38° 34' 18'' W. principal o datalogger. O datalogger da planta em estudo é integrado ao C. Parâmetro de Desempenho inversor, que possui conexão Wi-Fi, permitindo conexão com vários disPara análise do impacto da sujipositivos. dade nos módulos FV instalados no LEA-UFC, dados diários de Taxa de O tempo de amostragem desse Desempenho (PR, Performance Radatalogger é de 1 minuto, sendo os tio) da planta FV em períodos secos e dados enviados e armazenados, au- chuvosos são comparados. O período tomaticamente, no servidor web do seco estudado compreende do dia fabricante. Os dados podem ser visu- 30/10/2018 até o dia 22/11/2018 e o alizados no site do fabricante ou ex- período chuvoso do dia 19/07/2019 portados em formato .xls. Na Figura 2 até o dia 11/08/2019. é mostrado o inversor da planta. PR é uma medida de qualidade que é independente da localização da planta FV e descreve a relação entre a produção de eletricidade real e a teórica da planta. Essa métrica quantifica o efeito geral das perdas devido à: ineficiência do inversor, fiação, incompatibilidade de células, temperatura elevada do módulo FV, reflexão da superfície frontal do módulo, sujeira, tempo de inatividade do sistema, sombreamento e falhas de components [11].

Figura 2: Inversor da planta FV em estudo.

Quanto mais próximo o valor de PR se aproximar de 100%, mais eficientemente a planta FV opera. Em situações reais, devido às perdas operacionais, as instalações FV de alto desempenho podem atingir uma PR de até 80% [11].

O cálculo de PR diário é realizado Para coleta dos dados de irradiância, um piranômetro, instrumento da seguinte forma: que mede irradiância solar global incidente sobre um plano horizontal, modelo LP02 da empresa Hukseflux B. Sistema de Aquisição e Moni- com sensibilidade de 18,56x10-6V/ A produção real de eletricidade toramento de Dados (W/m2), foi utilizado. da planta FV pode ser lida no final do A aquisição de dados para caracO sensor de irradiância está di- dia a partir do inversor. Já a produterização e monitoramento de siste- retamente conetactado a um CLP, ção nominal diária é calculada pelo mas é um dos principais mecanismos sendo este conectado a um compu- produto da irradiação solar incidente de ação e análise de desempenho do tador que possui o sistema SCADA. O na superfície dos módulos FV com a 30

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eficiência dos módulos e a área da planta FV.

odos estudados, sendo indicado nas figuras as chuvas diárias observadas.

A partir dos dados diários de eletricidade produzida pela planta FV e da irradiação solar incidente no plano inclinado (calculada por meio de modelos matemáticos), além dos dados de eficiência do modulo (17,01%) e da área da planta (23,3 m²), os valores de PR foram calculadas a partir da Para o conhecimento da efetiva equação 1. irradiação solar incidente, os modelos matemáticos desenvolvidos por [12] e [13] são aplicados. Devido à complexidade da explicação dos moNas Figuras 5 e 6 são mostradas delos e do limite de páginas do preos dados diários de irradiação e de sente artigo, os mesmos não serão eletricidade produzida dos períodos apresentados. selecionados. 3. Resultados e Discussões Nas Figuras 7 e 8 são mostrados os valores de PR diários durantes o A análise dos dados usados comperíodo seco e chuvoso, respectivapreende um período de 48 dias, dimente. vidido em um período seco e outro chuvoso. Durante o período seco, Pela Figura 7 pode ser percebido as precipitações ocorridas somaram que, durante o período seco, os valoapenas 1,4 mm de chuva, enquanto res de PR possui tendência de decaique no período chuvoso, as precipimento e variam entre 70% e 80%. O tações somaram 38,1 mm. máximo valor de PR é no começo da análise, depois de uma chuva de 0,80 Nas Figura 3 e 4 são mostradas mm no dia 30/10/2018. as precipitações registradas nos períA irradiação solar incidente no plano em que os módulos FV estão instalados depende de como estão orientados e inclinados. No LEA, o piranômetro possui a mesma orientação da planta FV, porém a inclinação é diferente.

O máximo valor atingido de PR se aproxima de 80% porém decai com o passar dos dias sem chuva. Depois de 23 dias sem chuva, o PR diário calculado atingiu um valor aproximado de 70%, representando uma diminuição de aproximadamente 12,50% do PR inicial. O valor médio calculado para o PR durante o período seco é de 76,38%. Já durante o período chuvoso, conforme a Figura 8, nota-se que os valores de PR são mais altos do que no período seco, variando entre 80% e 90%. O valor médio calculado de PR foi de 87,22% para o período chuvoso. No período chuvoso analisado, o intervalo máximo de dias que passou sem chover foi de 10 dias, do dia 22/07 até o dia 02/08. Analisando a diminuição de PR neste período, mais precisamente, do dia seguinte a chuva do dia 22/07 para o dia anterior a chuva do dia 02/08, tem-se que em

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Referências dez dias sem chuva, PR decaiu so[1] VILLALVA, M. G. Energia Solar Fomente 2,22%. tovoltaica: Conceitos e Aplicações. 2o Ed ed.: Editora Érica, 2015. 4. Conclusões No presente trabalho o impacto da sujidade no desempenho de uma planta FV conectada à rede elétrica e instalada em ambiente urbano foi analisado. A análise foi realizada a partir da comparação entre as taxas de desempenho diárias da planta em períodos secos e chuvosos.

[2] SAID, S. A. M. et al. The effect of environmental factors and dust accumulation on photovoltaic modules and dust-accumulation mitigation strategies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 82, n. October 2017, p. 743–760, 2018.

[3]ANEEL. Geração Distribuída – regulamentação atual e processo de revisão. Disponível em: <https://www.aneel.gov.br/documents/655804/14752877/ Geração+Distribuída+–egulamentação+atual+e+processo+de+revisão.pdf/3def5a2e-baef-bb59-2ce1-4f69a9cb2d88>. Acesso em: 15 set. Durante o período chuvoso, os 2019. valores de PR variaram entre 90% e 80%, e teve valor médio de 87,22%. [4] ABSOLAR. ENERGIA SOLAR FOTONeste período, após 10 dias sem chu- VOLTAICA ULTRAPASSARÁ A MARCA va, o valor de PR diminuiu apenas DE 3.000 MEGAWATTS NO BRASIL EM 2019. Disponível em: <http:// 2,22% absolar.org.br/noticia/noticias-externas/energia-solar-fotovoltaica-ultrapassara-a-marca-de-3000-megawattAgradecimentos s-no-brasil-em-2019.html>. Acesso À CAPES pela bolsa concedida em: 15 set. 2019. ao primeiro autor e segundo autor, ao CNPq pelo apoio financeiro ao [5] TONOLO, É. A.; MARIANO, J. D. projeto (420133/2016-0 Universal A. Análise Do Efeito Do Acúmulo De 01/2016) e pela bolsa de pesquisador Sujeira Nos Sistemas Fotovoltaicos concedida ao terceiro autor. Os auto- Da Utfpr – Câmpus Curitiba. . In: VII res agradecem à Estação Agroclima- Congresso Brasileiro de Energia Sotológica do CCA da UFC pela disponi- lar, Gramado: 2018. bilidade dos dados de precipitação e à UFC pela disponibilidade de labora- [6] MICHELI, L.; DECEGLIE, M. G.; MULLER, M. Predicting photovoltaic tórios e equipamentos. Foi visto que, no período seco, os valores de PR possuem tendência de decaimento, sendo que após 23 dias sem chuvas, o valor de PR decaiu, aproximadamente 12,50%. O valor médio de PR no período seco foi de 76,38%.

soiling losses using environmental parameters: An update. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, v. 27, n. 3, p. 210–219, 2018. [7] ILSE, K. K. et al. Fundamentals of soiling processes on photovoltaic modules. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 98, p. 239–254, 2018. [8] JASZCZUR, M. et al. The field experiments and model of the natural dust deposition effects on photovoltaic module efficiency. Environmental Science and Pollution Research, p. 1–16, 2018. [9] GHAZI, S., SAYIGH, A., & IP, K. (2014). Dust effect on flat surfaces–A review paper. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 33, 742-751. [10] CHAVES, M. de P. et al. Estudo sobre sombreamento em planta fotovoltaica localizada em zona urbana de fortaleza-ce. Revista Tecnologia, v. 40, n. 2, 2019. DOI: DOI: http://dx.doi. org/10.5020/23180730.2019.8898. [11] SMA. Performance ratio - Quality factor for the PV plant. 2019. [12] MAXWELL, E. L. A quasi-physical model for converting hourly global horizontal to direct normal insolation. Unknown, 1987. [13] SANDIA, N. L. PVPerformance Modeling Collaborative. 2019. Disponível em: <https://pvpmc.sandia. gov/>. Acesso em: 02.10.2019

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