Influência do fator de dimensionamento de inversor no desempenho termoenergético de sistemas fotovoltaicos de geração distribuída

Abstract

Tradicionalmente, no dimensionamento de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR), os projetistas optam por uma potência de gerador fotovoltaico (FV) maior que a potência do inversor, ou seja, fator de dimensionamento de inversor (FDI), inferior a unidade. Esta relação considera algumas premissas praticadas mundialmente e ainda depende de vários fatores como tecnologia do gerador FV, local de instalação, ângulos de azimute e de inclinação, aspectos climáticos, desempenho do inversor e a precificação. O inversor é considerado o componente mais suscetível a falhas, nesse sentido a presente Tese, rebate as premissas que embasam a escolha do FDI, avalia o desempenho e as características termoenergéticas de operação de SFCR, considerando distintos FDI´s, tecnologias e irradiância local, a fim de incrementar o desempenho energético dos SFCR e também reduzir a ocorrências de falhas ao longo de sua operação. No Brasil o perfil de dimensionamento foi obtido a partir de uma pesquisa com profissionais atuantes, para a região Sul, 70 % dos SFCR utilizam inversores subdimensionados. Utilizando dados de radiação solar de Florianópolis/SC, foram desenvolvidos métodos e modelos matemáticos que determinam a eficiência c.c./c.a. média em função da tensão c.c. de entrada e do FDI. Observou-se um intervalo de eficiências médias que podem variar entre 1 % e 2 %. Considerando inversores comercializados entre os anos de 1995 e 2016, SFCR foram simulados sob diferentes ângulos de inclinação, azimute e FDI. Os mapas dinâmicos evidenciam a evolução em termos de eficiência média, pois atualmente os inversores apresentam melhor desempenho de conversão em potências relativas entre 30-70 %. A partir de uma estação meteorológica, instalada no Centro de Ciências, Tecnologias e Saúde da Universidade Federal de Santa Catarina, verificam-se várias oscilações rápidas e eventos de sobreirradiância de até 1566 W/m², causados pelo efeito transiente de camada limite atmosférica. Além de a célula de referência apresentar 8,83 %, do período equivalente de operação de um SFCR ao longo do ano sob condição de irradiância maior que 1000 W/m². Dessa forma, na análise teórica observa-se maior frequência de sobrepotência para um SFCR com FDI = 0,7 quando comparado aos FDI´s mais próximos da unidade. Para análises de dados reais, foram monitorados sistemas de geração distribuída denominados SFCR A, B, C, D, E e F, com FDI entre 0,76 e 1,24. Comprova-se que acontecem eventos de sobrepotência e sobretemperatura em vários meses, de acordo com o FDI do SFCR. Os SFCR C, F e E que possuem maiores FDI´s, quando comparados aos seus pares (A, B e D), apresentam superioridade na produtividade. Considerando a base de dados do LABREN para as cidades onde os SFCR estão instalados, a diferença percentual média anual da irradiação foi de 8 %, enquanto a produtividade calculada apresentou média de 22 %. Os SFCR monitorados com menores FDI´s, são submetidos a maiores frequências de sobrepotência e a elevadas temperaturas de operação, atingindo até 80 °C. Foram utilizados modelos matemáticos para análise de confiabilidade e estimativa de falhas em relação a temperatura de operação. As maiores razões entre taxa de falhas são encontradas nos SFCR com os menores FDI´s, atingindo 21,14, 6,94 e 8,06 nos SFCR A, B e C, respectivamente. As maiores diferenças mensais acontecem entre o SFCR B e F, devido a maior diferença de FDI entre eles, uma vez que possuem inversores idênticos. Devido a temperatura ambiente, no inverno, a quantidade de defeitos estimada é menor do que no verão, entretanto para a condição de operação do SFCR A, tem-se 3,28 vezes mais danos do que para o SFCR C, que é de apenas 1,88. Dessa forma, os SFCR com inversores subdimensionados estarão perdendo geração de energia elétrica, além de reduzir sua vida útil devido ao estresse dos componentes, acarretando em trocas de inversor ao longo da vida útil do SFCR.

Abstract: Traditionally, when sizing the PV array, PV engineers have opted for higher PV generator power compared to the inverter power, i.e. inverter sizing factor (SFI) less than one unit. This relationship considers some assumptions practiced worldwide and still depends on several factors such as PV generator technology, installation location, azimuth and large angles, climatic aspects, performance of the inverter and a pricing. The inverter is considered the most susceptible component to failures, in this sense the present Thesis, rebates the premises that support the choice of SFI, evaluates the performance and thermoenergetic characteristics of SFCR operation, considering different SFI´s, technologies and local irradiance, in order to increase the energy performance of the SFCR and also reduce the occurrence of failures throughout its operation. In Brazil, the dimensioning profile was obtained from a survey of professionals, for the South region, 70 % of SFCR use inverters undersized. Using solar radiation data from Florianópolis/SC, mathematical methods and models were developed to determine the efficiency d.c./a.c. mean as a function of the d.c. and SFI. There was a range of average efficiencies that can vary between 1 % and 2 %. Considering inverters marketed between 1995 and 2016, SFCR were simulated under different angles of inclination, azimuth and SFI. Dynamic maps show the evolution in terms of average efficiency, as currently the inverters present better conversion performance in relative powers between 30-70 %. From a meteorological station, installed at the Center of Sciences, Technologies and Health of the Federal University of Santa Catarina, there are several rapid oscillations and events of up to 1566 W/m², caused by the transient effect of the atmospheric boundary layer. In addition to the reference cell having 8.83 %, of the equivalent period of operation of an SFCR throughout the year under irradiance conditions greater than 1000 W/m². Thus, in the theoretical analysis, a higher frequency of overpower is observed for an SFCR with SFI = 0.7 when compared to the SFI's closest to the unit. For real data analysis, distributed generation systems called SFCR A, B, C, D, E and F were monitored, with SFI between 0.76 and 1.24. Overpower and overtemperature events are proven to occur over several months, according to the SFCR's SFI. SFCR C, F and E, which have higher SFI´s, when compared to their peers (A, B and D), present superiority in productivity. Considering the LABREN database for the cities where the SFCR are installed, the average annual percentage difference in irradiation was 8 %, while the calculated productivity presented an average of 22 %. SFCR monitored with lower SFI´s, are subjected to higher frequencies of overpower and high operating temperatures, reaching up to 80 °C. Mathematical models were used to analyze reliability and estimate failures in relation to operating temperature. The biggest reasons for failure rates are found in SFCR with the lowest SFI´s, reaching 21.14, 6.94 and 8.06 in SFCR A, B and C, respectively. The biggest monthly differences occur between SFCR B and F, due to the greater difference in SFI between them, since they have inverters identical. Due to the ambient temperature, in winter, the amount of defects estimated is less than in summer, however for the operating condition of SFCR A, there is 3.28 times more damage than for SFCR C, which is only 1.88. In this way, SFCRs with undersized inverters will be losing electricity generation, in addition to reducing their useful life due to the stress of the components, resulting in inverter changes over the life of the SFCR.