Análise de indicadores de desempenho e de qualidade de energia de um sistema fotovoltaico com distintos fatores de dimensionamento de inversor

Abstract

A instalação de sistemas fotovoltaicos apresenta crescimento nos últimos anos no Brasil, tanto na geração centralizada quanto na geração distribuída. Frequentemente os sistemas de micro geração distribuída são instalados aproveitando-se a estrutura dos telhados e coberturas das edificações. A integração ou aplicação de sistemas fotovoltaicos em edificações, não raramente, implica em instalações não ótimas quanto aos ângulos de inclinação e de azimute. O impacto destas características não ótimas no desempenho do sistema fotovoltaico pode ser estudado a partir de simulação em software ou a partir do monitoramento dos sistemas fotovoltaicos. Esta Dissertação analisa o desempenho energético e aspectos relacionados à qualidade de energia elétrica de um sistema fotovoltaico integrado à edificação do Campus Criciúma do IFSC, considerando os fatores de dimensionamento dos inversores (FDI) do sistema e a orientação azimutal de seus arranjos de módulos fotovoltaicos. Esse sistema tem potência de 73,28 kWp, e é composto por 5 inversores de 15 kW e 229 módulos fotovoltaicos de 320 Wp. Os dados de desempenho do sistema foram obtidos a partir de sistema online do fabricante dos inversores. Foram analisados os dados de dois anos de operação do sistema, entre novembro de 2017 e outubro de 2019. Os parâmetros referentes à qualidade de energia elétrica foram obtidos por meio de um analisador de energia, sendo que as medições foram realizadas individualmente nos subsistemas em intervalos de uma semana a um mês. Em relação ao desempenho do sistema, observou-se que a produtividade ou rendimento final médio diário anual foi de 3,67 kWh/kWp no primeiro ano e de 3,29 kWh/kWp no segundo ano, sendo que os valores máximos de rendimento final médio diário mensal foram de 4,77 kWh/kWp e 5,10 kWh/kWp, registrados em dezembro de cada ano. A taxa de desempenho teve médias mensais anuais de 81,63 % e 89,06 %, sendo que o valor máximo mensal foi de 95,4 %, e o valor mínimo mensal foi de 75,7 %. O fator de capacidade médio mensal anual foi de 14,67 % e 13,72 %, sendo que a diminuição foi ocasionada pela menor irradiação solar registrada no segundo ano de análise. Os valores médios mensais anuais de geração de energia elétrica nos dois anos foram de 7.830 kWh e 7.330 kWh, com valor máximo mensal de 11.580 kWh e valor mínimo mensal de 4.330 kWh. As maiores perdas registradas foram as de captura, com médias mensais anuais de 15,1 % e 7,6 %. No âmbito da dissertação também foi realizada a análise individual dos subsistemas, comparando-se o desempenho para subsistemas com fatores de dimensionamento de inversor (FDI) diferentes. O subsistema 1, com FDI de 1,12, apresentou os índices de taxa de desempenho, rendimento final, eficiência global e fator de capacidade superiores nos meses próximos ao inverno, e inferiores nos meses próximos ao verão, em relação ao subsistema 2, de FDI 0,76. As perdas foram maiores no subsistema 2 no verão, devido principalmente aos cortes de potência em virtude do menor FDI desse subsistema. Ao se analisar subsistemas com arranjos em diferentes orientações azimutais, sendo o subsistema 1 de orientação norte e o subsistema 5 com orientação leste-oeste, constatou-se que os índices de desempenho não apresentaram diferenças significativas entre os dois subsistemas, considerando as diferentes épocas do ano. Excetue-se a taxa de desempenho, que, nos meses próximos ao inverno foi menor para o subsistema 5. As perdas apresentaram valores próximos para os dois subsistemas nos meses de verão, e superiores para o subsistema 5 nos meses de inverno. As poucas diferenças entre os índices se devem à baixa inclinação dos arranjos, que é de 10 ° apenas. A análise dos índices de qualidade de energia mostrou que há distorção de tensão na rede de conexão dos subsistemas, mas em valores totais em torno de 5,0 %, o que está dentro das normativas. Já a distorção harmônica total de corrente (THDi), para valores de potência relativa inferiores a 10 %, apresentou valores elevados. Em potências relativas próximas a 100 % foi constatado, via modelagem matemática que a THDi dos subsistemas 1, 2 e 5 ficou em torno de 3,6 %. As componentes harmônicas de maior influência na THDi foram as de ordem 5 e 7. O fator de potência apresentou valores também dependentes da potência relativa, sendo constatado que, para valores de potência relativa superiores a aproximadamente 8,5 %, o fator de potência assume valores superiores 0,92, que é o mínimo exigido pelas normativas vigentes. Constatou-se também que, entre 20 % e 100 % da potência relativa, o fator de potência é praticamente constante e igual a 1.

Abstract: The installation of photovoltaic systems has grown in recent years in Brazil, both in centralized and distributed generation. The integration or application of photovoltaic systems in buildings can result in installations that are not optimal in terms of the tilt and azimuth angles. This Dissertation analyzes the energy performance and aspects related to the power quality of a building integrated photovoltaic at IFSC Criciúma Campus. This study considers different sizing factors inverter (SFI) and azimuth angles. This system has a power of 73.28 kWp, and is composed of 5 inverters of 15 kW and 229 photovoltaic modules of 320 Wp. The data from two years of operation of the system, between November 2017 and October 2019, were analyzed. Regarding the performance of the system, it was observed that the annual average final productivity or annual yield was 3.67 kWh/kWp in the first year and 3.29 kWh/kWp in the second year. The performance ratio had annual monthly averages of 81.63 % and 89.06 %. The average monthly capacity factor was 14.67 % and 13.72 %, and the decrease was caused by the lower solar radiation recorded in the second year of analysis. The annual average monthly values of electricity generation in the two years were 7,830 kWh and 7,330 kWh. The largest losses recorded were the capture losses, with monthly annual averages of 15.1 % and 7.6 %. The individual analysis of the subsystems was also performed, comparing the performance for subsystems with different inverter sizing factors (SFI). Subsystem 1, with SFI of 1.12, presented the performance rate, final yield, overall efficiency and capacity factor indices higher in the months close to winter, and lower in the months close to summer, in relation to subsystem 2, of SFI 0.76. Losses were greater in subsystem 2 in the summer, mainly due to power cuts due to the lower SFI in this subsystem. When analyzing subsystems with arrangements in different azimuth orientations, with subsystem 1 oriented north and subsystem 5 oriented east-west, it was found that the performance indices did not show significant differences between the two subsystems, except for the performance ratio, which in the months close to winter was lower for subsystem 5. Losses showed values close to both subsystems in the summer months, and higher for subsystem 5 in the winter months. The few differences between the indices are due to the low inclination of the arrangements, which is only 10 °. The analysis of the power quality indexes showed that there is a distortion of voltage in the grid connection of the subsystems in total values around 5.0 %. The total harmonic current distortion (THDi), for values of relative power below 10 %, showed high values. In relative powers close to 100 %, it was found, via mathematical modeling, that the THDi of subsystems 1, 2 and 5 was around 3.6%. The harmonic components of greatest influence in THDi were those of order 5 and 7. The power factor also showed values that depend on the relative power, and it was found that, between 20 % and 100% of the relative power, the power factor is practically constant and equal to 1.