DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA DIMENSIONAMENTO E
SIMULAÇÃO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Milena Paim da Silva - milena_paim@hotmail.com Matheus Muller Borges - matheusmb@outlook.com Giuliano Arns Rampinelli - giuliano.rampinelli@ufsc.brUniversidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá
10 Desarollo de Software Aplicado a Energías Renovables o Eficiencia Energética
Resumo. O conceito de micro e minigeração distribuída é relativamente recente no Brasil, sendo que a primeira Resolução Normativa é datada do ano de 2012, gerando com isso, uma falta de conhecimento, por parte da sociedade e até mesmo da academia, sobre o funcionamento do sistema de compensação desta configuração. O objetivo deste artigo é apresentar o software PVGrid, de dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos para geração distribuída, a partir dos dados de localização, tipo de conexão e demanda mensal de energia elétrica, que são informações a serem inseridas pelo usuário. O software foi desenvolvido na linguagem JavaScript, e os códigos desenvolvidos são escritos em TypeScript, um superconjunto da linguagem JavaScript, e posteriormente transcompilados para JavaScript nativo e, foi projetado para possuir dois módulos, front e back-end. O relatório resultante da simulação no PVGrid fornece a potência necessária para o sistema fotovoltaico do usuário, a produtividade do sistema, a área estimada da ocupação do sistema, um comparativo da energia gerada pelo sistema fotovoltaico e a energia consumida que o usuário inseriu, a irradiação solar global inclinada em média diária para a localidade escolhida pelo usuário, além disso, fornece o quilowatt hora (kWh) faturado e o crédito acumulado mensalmente, em kWh. O software fornece também alguns dados do sistema, como a razão de performance e a temperatura. O trabalho tende a disseminar informações relevantes, além de um contato maior por parte do usuário, com o conceito de geração distribuída por sistema fotovoltaico.
Palavras-chave: Simulação, Geração distribuída, Sistema fotovoltaico, Sistema de compensação.
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas fotovoltaicos de geração distribuída apresentam, atualmente no Brasil, viabilidade econômica e segurança jurídica, uma vez que há normativas específicas regulamentando o setor. O cenário é promissor e a participação da energia solar fotovoltaica irá crescer significativamente nos próximos anos. De acordo com a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) a geração distribuída é caracterizada pela instalação de geradores de pequeno porte, normalmente a partir de fontes renováveis ou mesmo de combustíveis fósseis, localizados próximos aos centros de consumo de energia elétrica. A partir da inserção da geração distribuída no sistema elétrico brasileiro é possível notar importantes vantagens, como a geração de energia diretamente no ponto de consumo, reduzindo perdas na transmissão e distribuição de energia, bem como, a redução de investimentos para ampliar essas linhas. Além disso, observa-se um baixo impacto ambiental, a melhoria do nível de tensão da rede no período de carga pesada e a diversificação na matriz energética brasileira.
No Brasil, esse tipo de geração de energia elétrica foi regulamentado em 17 de abril de 2012, quando entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, sendo aprimorada e atualizada pela Resolução Normativa ANEEL nº 687/2015. Segundo estas resoluções, o consumidor brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade e compensar créditos em meses subsequentes. O sistema de compensação trata dos sistemas de micro e minigeração distribuídas de energia elétrica. A potência instalada que se enquadra como microgeração distribuída é até 75 quilowatts (kW) e a minigeração distribuída aquela com potência acima de 75 kW e menor ou igual a 5 MW (sendo 3 MW para fonte hídrica), conectadas na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
Nesse cenário, destaca-se a geração distribuída a partir de sistemas fotovoltaicos, por ser uma fonte de energia que não libera poluentes durante sua geração e por sua fácil integração com a edificação. No entanto, há muitas dúvidas por parte da sociedade em geral sobre o funcionamento do sistema de compensação de energia. O software PVGrid serve como uma ferramenta para suprir essa necessidade da população, exemplificando como o sistema de compensação funciona, servindo como um impulsionador nesse cenário, uma vez que, a simulação pode ser realizada de maneira simples por qualquer usuário, para qualquer localidade do Brasil, resultando em relatórios de fácil entendimento. O software PVGrid foi desenvolvido pelo Núcleo Tecnológico de Energia Elétrica (NTEEL) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e está disponível em http://pvgrid.plantapiloto.ufsc.br.
3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
O interesse na integração de unidades de geração distribuída nos sistemas de distribuição e transmissão de energia surgiu devido ao crescimento de incentivos para uso de fontes alternativas de energia, à evolução tecnológica que resultou na queda dos preços dos sistemas de geração de energia e também devido às pressões ambientais.
Segundo Gonçalves (2004), o incentivo inicial à geração distribuída surgiu nos Estados Unidos da América (EUA) com as mudanças na legislação promovidas pela Public Utilities Regulatory Policies ACT (PURPA) em 1978, devido a uma crise econômica mundial, com o intuito de reduzir a dependência do uso do petróleo para geração de energia elétrica, promover fontes alternativas de energia mais eficientes e diversificar a indústria de geração de energia elétrica. Estas mudanças foram ampliadas em 1992 pelo Energy Policy Act nos EUA, e outros países também começaram a alterar sua legislação para se adequarem a esse novo conceito.
No Brasil, a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) publicou em 2012 a nota técnica intitulada “Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira”, contemplando as principais aplicações da energia solar para geração de eletricidade no Brasil, dando especial enfoque aos sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica. Os estudos mostraram que a inserção fotovoltaica estaria mais próxima de se realizar via geração distribuída. Concomitantemente, em 2012, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 482, e posteriormente a Resolução Normativa nº 687, estabelecendo as condições gerais para micro e minigeração distribuída no país, assim como o sistema de compensação de energia elétrica.
Uma importante inovação trazida por estas resoluções é o Sistema de Compensação de Energia Elétrica, que permite que a energia excedente gerada pela unidade consumidora com micro ou minigeração seja injetada na rede elétrica de distribuição, armazenando esse excedente de energia. Quando a energia gerada pela unidade consumidora for maior que a energia consumida por essa unidade ao longo de um mês, o consumidor receberá um crédito em energia (kWh), válido por 60 meses. Esse crédito de energia pode ser abatido no consumo em outro ponto tarifário (para consumidores com tarifa horária) ou na fatura dos meses subsequentes para os demais consumidos.
Há ainda a possibilidade de o consumidor utilizar esses créditos de energia em outras unidades consumidoras, segundo a Resolução Normativa nº 687 da ANEEL. Essa compensação de crédito em outra unidade consumidora só é permitida se ambas as unidades estiverem na mesma área de concessão e serem caracterizada como autoconsumo remoto, geração compartilhada ou integrante de empreendimentos de múltiplas unidades consumidoras, em local diferente do ponto de consumo.
De acordo com a ANEEL, o autoconsumo remoto é caracterizado por unidades consumidoras de titularidade de uma mesma pessoa jurídica, ou pessoa física que possua unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída em local diferente das unidades consumidoras, dentro da mesma área de concessão ou permissão, nas quais a energia excedente será compensada. A geração compartilhada é caracterizada pela reunião de consumidores, dentro da mesma área de concessão ou permissão, por meio de consórcio ou cooperativa, composta por pessoa física ou jurídica, que possua unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída em local diferente das unidades consumidoras nas quais a energia excedente será compensada. Por fim, o empreendimento com múltiplas unidades consumidoras, como condomínios, é caracterizado pela utilização da energia elétrica de forma independente, cada unidade consumidora é constituída por uma fração com uso individualizado e as instalações para atendimento das áreas de uso comum constituam uma unidade consumidora distinta, de responsabilidade do proprietário do empreendimento, da administração ou do próprio condomínio, com micro ou minigeração distribuída, e desde que as unidades consumidoras estejam localizadas em uma mesma propriedade ou em propriedades contíguas, sendo vedada a utilização de vias públicas, de passagem aérea ou subterrânea e a de propriedades de terceiros não integrantes do empreendimento.
Segundo dados da International Energy Agency (IEA, 2010), os sistemas residenciais e comerciais devem responder, em 2020, por aproximadamente 60% da geração fotovoltaica, enquanto as centrais fotovoltaicas representariam 30% do total, restando somente 10% em sistemas isolados. Tais estimativas refletem a maior atratividade econômica dos sistemas de pequeno porte ao longo desta década, que devem observar uma queda nos custos de aproximadamente 50% entre 2010 e 2020 (IEA, 2012). O cenário atual além de promissor, é desafiante para a geração distribuída com sistemas fotovoltaicos, uma vez que o gerenciamento da rede elétrica também exigirá a implementação de novas ferramentas. A sinergia entre governo, indústria, academia e sociedade é essencial para garantir uma inserção gradual e segura dos sistemas fotovoltaicos na matriz elétrica brasileira.
2 METODOLOGIA
Diante dos requisitos levantados da proposta do software, iniciou-se o estudo para a definição da plataforma e linguagem de programação a ser utilizada no desenvolvimento do software. Optou-se pelo uso da linguagem JavaScript devido a sua versatilidade e popularidade. Os códigos desenvolvidos são escritos em TypeScript, um superconjunto da linguagem JavaScript, e posteriormente transcompilados para JavaScript nativo. O software foi projetado para possuir dois módulos: front e back-end. Os módulos podem ser instalados e executados localmente como aplicativos nativos ou serem disponibilizados em um servidor remoto no qual o usuário pode acessar e executar o software como um website disponível em http://pvgrid.plantapiloto.ufsc.br.
O módulo front é o responsável pelo gerenciamento e interação com o usuário. A interface gráfica foi desenvolvida através de HTML/SCSS com o uso do framework Bootstrap em conjunto com as bibliotecas jQuery,
Knockout e Chart.js para a criação dos gráficos. Atualmente esse é o módulo responsável pela execução e processamento do modelo matemático, contudo o modelo necessita de informações sobre o índice de irradiação solar e temperatura média da região que está sendo simulada pelo usuário. Para tal as coordenadas de latitude e longitude são enviadas para o módulo backend que retorna os dados solicitados.
O módulo backend é o responsável pelo fornecimento das informações de irradiação solar e temperatura média para determinada longitude e latitude através de um serviço REST. Foi desenvolvido utilizando o ambiente de execução JavaScript Node.js em conjunto com o framework Express. Para o armazenamento dos dados geográficos é utilizando o banco de dados MongoDB.
O banco de dados possui duas coleções com dados geoespaciais com índices de geometria 2D. A primeira coleção armazena os dados de temperatura média anual e mensal em graus Celsius. Os dados dessa coleção foram obtidos do Dataset NASA Surface meteorology and Solar Energy (SSE) 6.0. A segunda coleção armazena os dados de irradiação inclinada média anual e mensal, é utilizado o dataset Brazil Latitude Tilted Solar Radiation Model (10 km) fornecido pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais).
O software PVGrid utiliza modelos matemáticos consolidados na literatura científica para realizar o dimensionamento do sistema fotovoltaico a partir dos dados de localização, tipo de conexão e demanda mensal de energia elétrica que são informações a serem inseridas pelo usuário.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O layout do software PVGrid está apresentado na Fig. 1. O usuário deve entrar com a localização onde pretende instalar o sistema fotovoltaico escrevendo na parte superior esquerda da Fig. 1, podendo especificar até a rua do local a ser simulado, não somente a cidade. O usuário também pode procurar no mapa, na parte direita da Fig. 1, a localização do sistema que deseja dimensionar e simular.
Figura 1 – Layout do software PVGrid.
Além disso, o usuário precisa inserir inicialmente o tipo de conexão, podendo ser monofásico, bifásico ou trifásico, conforme estabelecido na conta de energia. Essa informação é importante para o sistema de compensação de energia, pois é estabelecido pela ANEEL que para unidades consumidoras conectadas em baixa tensão (grupo B), ainda que a energia injetada na rede seja superior ao consumo, será devido o pagamento referente ao custo de disponibilidade – valor em reais equivalente a 30 kWh (monofásico), 50 kWh (bifásico) ou 100 kWh (trifásico). De forma análoga, para os consumidores conectados em alta tensão (grupo A) será devida apenas a parcela da fatura correspondente à demanda contratada.
Por fim, o usuário precisa inserir os dados de consumo mensal, que pode também ser retirado do histórico de consumo da conta de energia elétrica. Inseridos a localização, o tipo de conexão e o consumo mensal, basta clicar em calcular para o software realizar o dimensionamento e a simulação. Inicialmente o software dimensionará um sistema fotovoltaico que irá atender aproximadamente 90% da demanda de energia que foi inserida pelo usuário.
Para exemplificar o dimensionamento e simulação, foi realizada uma simulação para a cidade de Araranguá, Santa Catarina – Brasil, o tipo de conexão monofásico e o consumo mensal de energia elétrica ao longo de um ano conforme a Tab. 1.
Tabela 1 – Consumo mensal de energia ao longo de um ano.
Mês Consumo em KWh Janeiro 890 Fevereiro 750 Março 920 Abril 770 Maio 850 Junho 530 Julho 670 Agosto 600 Setembro 710 Outubro 890 Novembro 910 Dezembro 1050
A primeira parte do relatório é referente aos dados do sistema fotovoltaico e está mostrado na Fig. 2, onde indica o endereço e o tipo de conexão escolhido pelo usuário. Na sequência é fornecida a potência nominal do sistema, a produtividade do sistema e a área estimada ocupada pelo sistema fotovoltaico.
A potência nominal fornecida é a potência que o inversor fornece à carga em regime contínuo (GALDINO; PINHO, 2014). A produtividade do sistema pode ser definida como sendo a razão entre a energia elétrica mensal produzida pelo sistema em kWh e a potência nominal do sistema em kW e a área ocupada é a área estimada necessária para o sistema fotovoltaico. É importante ressaltar que esta é a área dos módulos fotovoltaicos que compõem o sistema.
Os dados do sistema foram determinados considerando módulo de silício cristalino, que são os mais usuais. As células de c-Si (silício cristalino) corresponderam em 2011 a 87,9% do mercado mundial (PINHO; GALDINHO, 2014).
Figura 2 – Relatório da simulação: dados do sistema fotovoltaico.
O gráfico da esquerda na Fig. 2 relaciona a energia gerada pelo sistema fotovoltaico (barras azuis) e a energia consumida (barras rosas). Observa-se que na maioria dos meses a energia consumida é superior a energia gerada pelo
sistema fotovoltaico, isso é uma característica do software, uma vez que, o crédito de energia tem um determinado tempo para ser utilizado. A Resolução Normativa nº 678/2015, regulamenta que os créditos de energia gerados são válidos por 60 meses, não sendo vantajoso que o sistema sempre tenha créditos de energia. É importante ressaltar que a normativa estabelece também uma modalidade chamada de autoconsumo remoto, onde os créditos de energia de uma unidade consumidora podem ser alocados para compensar o consumo de energia de outras unidades consumidoras, desde que sob o mesmo titular e na mesma área de concessão da distribuidora.
O gráfico da direita na Fig. 2 indica a irradiação solar global inclinada em média diária para a localidade escolhida para a simulação. Comparando os dois gráficos da Fig. 2, observa-se que a irradiação solar é diretamente proporcional à geração de energia.
A Fig. 3 representa o sistema de compensação de energia, esse sistema permite que a energia excedente gerada pela unidade consumidora com micro ou minigeração seja injetada na rede da distribuição, a qual funcionará como uma bateria armazenando esse excedente, segundo a ANEEL.
A Fig. 3 informa o quanto de energia é consumido para cada mês ao longo de um ano, informa também o quanto de energia o sistema fotovoltaico produzirá, indica o crédito de energia para cada mês, o KWh faturado que é o quanto o usuário pagará por mês, considerando a energia gerada pelo sistema fotovoltaico e também a disponibilidade da rede, que depende do tipo de conexão, e por fim, indica o crédito acumulado.
Figura 3 – Relatório de simulação: sistema de compensação.
Observa-se que sem o sistema fotovoltaico o usuário pagaria a energia referente a 9.549,00 kWh e com o sistema fotovoltaico o usuário pagaria 1.329,27 kWh, ou seja, o usuário deixará de pagar para a concessionara a energia referente a 8.341,40 kWh. É importante ressaltar que nessa simulação não é levado em conta nenhum tipo de imposto incidente sobre a tarifa de energia elétrica.
A razão de performance indicada na Fig. 4, também conhecido como performance ratio, é considerado o índice de Desempenho Global, pois quantifica as perdas globais ocorridas no sistema devido à ineficiência do inversor, às perdas na fiação, incompatibilidades na conversão DC para AC, aos componentes de proteção, temperatura dos módulos, instalação incorreta do painel, sujeira e eventuais desligamentos. Esse índice representa a real capacidade do sistema fotovoltaico em converter a energia solar disponível no plano dos painéis em eletricidade, pois é a razão entre a energia entregue pelo sistema e a energia que esteve disponível no plano considerado (MARION et al, 2005).
A razão de performance é fornecida em porcentagem, quanto mais próximo de 1 ou 100% estiver o valor da razão de performance estipulado para um sistema fotovoltaico, mais eficaz é este sistema. Entretanto, um valor de 1 não é atingível na realidade, pois durante a operação do sistema fotovoltaico ocorrem perdas, como por exemplo, perdas térmicas devido ao aquecimento dos módulos fotovoltaicos.
Sistemas eficientes atingem, entretanto, uma razão de performance em torno de 0,8, com isso, analisando a razão de performance para cada mês na Fig. 4 observa-se que os valores são adequados para todos os meses ao longo de um ano.
Na terceira coluna da Fig. 4 é calculado a produtividade do sistema, em kWh/kW, que pode ser definida como sendo a razão entre a energia elétrica mensal produzida pelo sistema em kWh e a potência nominal do sistema em kW.
A quarta coluna da Fig. 4 apresenta a irradiância solar, em kWh/m², em média diária para cada mês ao longo de um ano. E por fim, na quinta coluna da Fig. 4 é apresentada a média diária de temperatura para cada mês ao longo de um ano, uma vez que a temperatura influencia na produtividade do sistema fotovoltaico.
Figura 4 – Relatório de simulação: razão de performance e produtividade do sistema.
O software PVGrid ainda tem a opção de adicionar parâmetros avançados, como a razão de performance e a potência padrão. No caso da razão de performance, o usuário que tem conhecimento e estimativa da razão de performance de seu sistema fotovoltaico pode adicioná-lo nos parâmetros avançados, de forma que a simulação atenderá de forma mais realista o dimensionamento do sistema, desde que o valor de razão de performance inserido seja, de fato, o mais próximo do real.
Uma vez dimensionado o sistema fotovoltaico pelas próprias recomendações do software, o usuário tem a opção de alterar a potência do sistema, caso queira que o sistema fotovoltaico gere mais energia elétrica, o usuário pode aumentar a potência do sistema até atender sua necessidade ou o usuário pode diminuir a potência do sistema e consequentemente reduzir a geração de energia elétrica.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho apresentou e descreveu informações técnicas sobre o desenvolvimento e funcionamento de um software de dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos enquadrados no sistema de compensação de energia estabelecido pela resolução normativa ANEEL 687/2015.
O software PVGrid é uma ação de incentivo à energia solar e a geração distribuída, possibilitando que o usuário simule a geração de energia elétrica para atender sua necessidade. Dessa forma, o usuário com geração distribuída a partir de sistema fotovoltaico, está contribuindo com o meio ambiente, por estar gerando energia elétrica a partir de uma fonte de energia classificada como limpa, e também contribuindo com o sistema de transmissão e distribuição do país, além de economizar em sua conta de energia elétrica.
A geração distribuída apresenta ampla vantagem, uma vez que, o consumidor que depende somente da distribuidora de energia está sujeito a tarifas publicadas pela ANEEL e intervenção do governo no mercado, dessa forma, impossibilitando o planejamento futuro do custo de energia elétrica.
Entretanto, um software de simulação de um sistema fotovoltaico para geração distribuída disponível para a população tende a contribuir de forma positiva para que esse sistema seja cada vez mais conhecido pela polução, resultando em um número crescente de usuários desse sistema.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
REFERÊNCIAS
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Abstract. The concept of distributed generation and net metering are recent in Brazil and the regulations are new. This paper presents the development of PVGrid software. PVGrid is a software of the design and simulation of photovoltaic systems for distributed generation. The user must enter with location data, type of grid connection and energy consumption. The software was developed in JavaScript and developed codes are written in typescript, a superset of JavaScript. Subsequently, the codes are compiled to native JavaScript. The software has two modules, front and back end. The report shows the power of the PV system, yield final, the estimated area of the PV system, the energy balance and other information. The Software is a tool for dissemination of distributed generation with photovoltaic systems. Key words: Simulation, Distributed generation, Photovoltaic system, Net metering.
