Otimização do fator de carregamento de inversores para sistemas solares fotovoltaicos conectados à rede elétrica pública

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo qualitativo e quantitativo da otimização do fator de carregamento de inversores fotovoltaicos em sistemas FV de grande porte conectados à rede elétrica pública. É avaliado o recurso solar do local do projeto e comparado com as estimativas de satélite. São realizadas análises da distribuição de irradiância e seus potenciais efeitos no dimensionamento dos inversores. São avaliados os efeitos da resolução temporal de aquisição dos dados de irradiação nas curvas de distribuição de irradiância. Avalia-se também o desempenho das diferentes tecnologias que compõem o projeto mediante análise remota das variáveis ambientais, como irradiação e temperatura, e também variáveis elétricas do sistema. Essa avaliação é feita tendo como base uma das principais figuras de mérito para sistemas fotovoltaicos, a Performance Ratio (Taxa de Desempenho - PR). Por fim, é elaborada uma metodologia para estimar o fator de carregamento ótimo considerando aspectos como perdas por sobrecarregamento do inversor e aspectos econômicos, para diferentes fatores de carregamento do inversor, visando a otimização e redução dos custos de geração de energia solar fotovoltaica.Foi observado forte correlação entre o desempenho das cinco diferentes tecnologias avaliadas e fatores ambientais (temperatura, mudança espectral, acúmulo de sujeira). Foi observada a degradação inicial para a tecnologia de silício amorfo (a-Si). O fator de capacidade médio das tecnologias foi de 20% e a produtividade (yield) média mensal foi de 150 kWh/kWp.mês. A Taxa de Desempenho (PR) anual variou de 76,9% a 85,1%, dependendo da tecnologia. O recurso solar local, medido durante três anos, foi comparado com cinco diferentes bancos de dados de irradiação, apresentando maior aderência aos dados estimados pelo Atlas Solarimétrico Brasileiro. Foi obtida a distribuição de irradiância para cada mês dos três anos de dados de irradiação disponíveis, onde foi possível observar características locais marcantes, com maior nebulosidade nos meses de verão e consequentemente maior ocorrência do efeito borda de nuvem. No balanço anual, cerca de 4% da irradiação incidente possui níveis de irradiância superiores a 1200 W/m².A metodologia desenvolvida para a otimização do fator de carregamento de inversor foi aplicada sobre um ano completo de dados de geração para as cinco tecnologias. Observou-se que para carregamentos normalmente empregados no projeto de usinas FV (nas redondezas de 120%), as perdas por sobrecarregamento variam de 0,3% a 2,4%, dependendo da tecnologia. O FCI ótimo, para as tecnologias FV mais consolidadas e mais comumente empregadas em usinas FV (m-Si e p-Si), foi estimado em cerca de 126%.

Abstract : This work presents a qualitative and quantitative analysis of inverter sizing optimization for large scale grid connected solar photovoltaics. The local solar resource is evaluated and compared to the available satellite data. Analysis of the solar irradiance distribution and its potential effects on inverter sizing are performed. The effects of temporal resolution on solar data acquisition are considered for the solar irradiance distribution curves. It is also evaluated the performance of different PV module technologies, that are part of the project, by means of remote data analysis of the environmental variables, such as irradiation and temperature, and the electrical variables for the system. This is performed using the concept of the Performance Ratio (PR) for solar PV systems. At last, it is developed a methodology for estimating the optimal inverter sizing considering the overload losses and economic aspects for different inverter loading ratios, aiming for the optimization and reduction of costs for solar PV energy generation.A strong correlation between the performance of the five different technologies and environmental factors (temperature, spectral shift, soiling) could be observed. It was also possible to observe the initial degradation for amorphous silicon (a-Si) technology. Considering the five technologies, the mean capacity factor was 20% and the yield was 150 kWh/kWp on a monthly basis. The annual Performance Ratio ranged from 76.9% to 85.1% depending on technology. The local solar resource, measured during three years, was compared to five distinct solar databases and presented greater adherence to the Brazilian Solar Atlas. The cloud enhancement and cloud edge effect were observed through the monthly solar irradiation distribution over the three years of measurements. Around 4% of the incident annual irradiation was at irradiance levels above 1200 W/m². The developed methodology for the optimal inverter loading ratio was applied over one full year of solar generation data for the five technologies. It was observed that for inverter loading ratios commonly used on large scale solar PV (around 120%), the overload losses varied from 0.3% to 2.4%, depending on technology. The optimal ILR, for the most used solar technologies (m-Si and p-Si), was estimated to be 126%.