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Comparativo entre usinas fotovoltaicas: usinas com sistema tracker ou com estruturas fixas

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Academic year: 2021

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CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E TELEMÁTICA

COMPARATIVO ENTRE USINAS FOTOVOLTAICAS:

USINAS COM SISTEMA TRACKER OU COM ESTRUTURAS FIXAS

MAX BARBONAGLIA SATHLER FIGUEIREDO THIAGO MÜLLER MARTINS

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2017

MAX BARBONAGLIA SATHLER FIGUEIREDO THIAGO MÜLLER MARTINS

COMPARATIVO ENTRE USINAS FOTOVOLTAICAS:

USINAS COM SISTEMA TRACKER OU COM SISTEMA DE ESTRUTURAS FIXAS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. André Tonon, Eng.

Palhoça/SC 2017

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Ao professor e orientador André Tonon pelo incentivo aos estudos e exemplo de profissional durante toda a graduação.

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AGRADECIMENTOS Thiago Müller Martins

Primeiramente gostaria de agradecer a toda minha família e amigos pelo apoio e paciência nestes longos anos de Engenharia Elétrica. Foi uma jornada com muitos obstáculos e imprevistos no caminho, que eu não teria conseguido atravessar sem o suporte de cada um de vocês. Gostaria de agradecer em especial aos meus avós, Rosimari Reitz Müller e Marledo Müller, por terem me acolhido na capital e ter cuidado de mim e da minha saúde durante este tempo para que eu pudesse concluir meus estudos. Também quero agradecer aos meus país Simone Reitz Müller e José Hermes Martins por terem me educado e ajudado a formar o meu caráter, fazendo eu chegar até aqui com muito orgulho da pessoa em que me tornei e das pessoas que me criaram. Um agradecimento especial ao meu padrasto, Jairo Ledra por todo apoio e suporte que o mesmo me proporcionou durante todo o curso, e também a minha namorada Gabriela de Almeida Rocha, por estar junto comigo em todos os momentos bons ou ruins desde o começo da faculdade, apoiando e acreditando em mim quando eu já não acreditava mais.

Todos são pessoas muito especiais para mim e eu gostaria de dedicar este trabalho para vocês como forma de agradecimento por tudo que vocês me proporcionaram nos últimos anos. Família e amigos, muito obrigado.

Max Barbonaglia Sathler Figueiredo

A Deus por ter me dado saúde e força para superar todas as dificuldades. A minha família por estarem sempre presentes me apoiando em todos os momentos. A todo corpo docente do curso de engenharia Elétrica e Telemática da UNISUL em especial ao professor André Tonon por ter aceitado o nosso convite como orientador ao longo do trabalho de conclusão de curso e por todo apoio durante minha graduação.

Agradeço a todos os amigos que fiz nesta vida acadêmica e profissional, compartilhando conhecimento, oportunidades e vivencias na área. A Rui Duarte e Lucas Andres por toda amizade e motivação ao longo deste curso. A minha namorada Mariana, por todo companheirismo e zelo com a minha pessoa em todos os momentos. A Francisco Alexandre Neto por todo conhecimento repassado no seguimento solar. A Eng° Diego Kelvin e Eng° Henry Golini por terem contribuído com este trabalho, compartilhando experiências e vivencias na área de engenharia elétrica. Agradeço em especial meu amigo THIAGO MÜLLER MARTINS por toda ajuda e conhecimento compartilhado.

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RESUMO

O presente estudo de caso tem por objetivo demonstrar qual o mais eficiente entre dois tipos de usinas fotovoltaicas, a com sistema de estruturas de fixação com rastreamento de radiação solar ou a usina com sistema de estruturas de fixação metálica convencional. Neste será apresentado um comparativo técnico e econômico entre os dois modelos de usina fotovoltaica, utilizando as ferramentas adequadas para o mesmo. Para efeito comparativo serão utilizados os mesmos equipamentos em ambos os sistemas, com exceção das estruturas de fixação. Também será utilizada a mesma localização geográfica nos dois sistemas para evitar distorções da radiação de uma usina para a outra. Quanto ao comparativo econômico, a opção escolhida para o estudo do retorno do investimento foi o Payback Simples, que vai ser embasado no investimento inicial para implantação do projeto e no valor da venda da energia gerada pelo mesmo no mercado livre de energia.

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ABSTRACT

The present case study aims to demonstrate the most efficient between two types of photovoltaic plants, the one with fixation structures with tracking of solar radiation or the plant with a system of conventional metal fixation structures. Here will be presented a technical and economical comparison between the two models of photovoltaic power plant, using the appropriate tools for it. For comparative purposes, the same equipment will be used in both systems, except for the fixing structures. The same geographical location will also be used in both systems to avoid distortions of radiation from one power plant to another. As for the economic base, the option chosen to study the return on investment was the Simple Payback, which will be based on the initial investment to implement the project and the value of the sale of the energy generated by it in the free energy market.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Sistema Offgrid ... 16

Figura 2 – Sistema de Geração Distribuída ... 16

Figura 3 – Usina Fotovoltaica 579 MW ... 17

Figura 4 – Modelo funcional efeito Fotoelétrico ... 22

Figura 5 – Usina com placas de Telureto de Cádmio ... 24

Figura 6 – Residência coberta com Disseleneto de Cobre ... 25

Figura 7 - Célula Fotovoltaica orgânica. ... 25

Figura 8 – Inversor Fotovoltaico de Corrente ... 26

Figura 9 – Organograma dos Tipos de Trackers ... 27

Figura 10 – Tracker de eixo único Horizontal ... 28

Figura 11 – Tracker de elevação Azimuthal ... 30

Figura 12 – Diagrama funcional de um sistema tracker ... 31

Figura 13 – Comparação entre energia gerada por sistema fixo e outra com sistema tracker . 32 Figura 14 - Terreno de implantação da Usina Fotovoltaica Modelo ... 34

Figura 15 - Layout da Usina Fotovoltaica Modelo... 35

Figura 16 - Esquemático da geração solar fotovoltaica ... 36

Figura 17 - Esquemático da ligação dos módulos em série e dos “strings” em paralelo ... 39

Figura 18 - Esquemático dos cabos de força e de supervisão ... 40

Figura 19 – Canaletas para a passagem dos cabos de força e controle ... 42

Figura 20 - Encaminhamento dos cabos de força e de supervisão e controle ... 42

Figura 21 - Arquitetura de Automação simplificada da Usina Fotovoltaica ... 46

Figura 22 - Desenho orientativo para o encaminhamento dos cabos de fibra óptica ... 47

Figura 23 - Desenho orientativo para o encaminhamento dos cabos de 13,8 kV... 50

Figura 24 – Esquema do Circuito CC do sistema com Tracker ... 52

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Curva característica Corrente pela Tensão ... 20

Gráfico 2 – Produção Específica do Sistema com Tracker ... 57

Gráfico 3 – Taxa de Desempenho do Sistema com Tracker ... 57

Gráfico 4 – Diagrama de Perdas Detalhado do Sistema com Tracker ... 59

Gráfico 5 – Produção Específica do Sistema sem Tracker ... 63

Gráfico 6 – Taxa de Desempenho do Sistema sem Tracker ... 63

Gráfico 7 – Diagrama de Perdas Detalhado do Sistema sem Tracker ... 65

Gráfico 8 – Comparativo Subsistema 1 e 2 - Alimentação da Rede ... 68

Gráfico 9 - Comparativo Subsistema 1 e 2 – Capacidade de Geração ... 69

Gráfico 10 - Comparativo Subsistema 1 e 2 – Perdas da Geração ... 69

Gráfico 11 – Fluxo de caixa do Subsistema 1 em 25 anos ... 71

Gráfico 12 – Fluxo de caixa do Subsistema 2 em 25 anos ... 71

Gráfico 13 – Valor em reais gerado pelo Subsistema 1 em 25 anos ... 72

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Balanço e Principais Resultados do Sistema com Tracker ... 58 Tabela 2 – Balanço e Principais Resultados do Sistema sem Tracker ... 64

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A - Ampere

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica BT – Baixa Tensão

CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua

CIGS – Cobre-Índio-Gálio-Selênio CO2 – Gás Carbônico

COSERN – Companhia Energética do Rio Grande do Norte GD – Geração Distribuída

IEC –International Electrotechnical Comission

IEEE – Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos kV– Quilovolts

kVA – Quilovolt Ampère kW – Quilowatts

MCOV – Máxima Tensão de Operação Contínua MT – Média Tensão

NBR – Norma Brasileira PE – Polietileno

PND – Plano Nacional de Desestatização PVC – Cloreto de Polivinila

SE – Subestação

SENDI – Seminários Nacionais de Distribuição de Energia Elétrica SIN – Sistema Interligado Nacional

SiO2 – Dióxido de Silício TdCe – Telureto de Cádmio V – Volt

W – Watt Wh – Watt Hora

Wp – Watt Pico ou Watt Instalado W/m² - Watt por Metro Quadrado

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 13 1.2 OBJETIVOS ... 13 1.2.1 Objetivo geral ... 13 1.2.2 Objetivos específicos ... 13 1.3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 13 1.4 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA ... 14 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 14 2 ENERGIA FOTOVOLTÁICA ... 15

2.1 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 15

2.1.1 Sistema Fotovoltaico Remoto (Offgrid)... 15

2.1.2 Sistema Fotovoltaico de Geração Distribuída (GD) ... 16

2.1.3 Sistema Fotovoltaico Autônomo ... 17

2.1.4 Sistema Fotovoltaico de Micropotência... 17

2.1.5 Sistema Fotovoltaico de Usinas ... 17

2.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 18

2.3 TECNOLOGIA DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 21

2.3.1 Módulos de Silício ... 21

2.3.1.1 Silício Mono Cristalino ... 22

2.3.1.2 Silício Poli Cristalino ... 23

2.3.1.3 Silício Amorfo ... 23

2.3.2 Módulos de Telureto de Cádmio ... 23

2.3.3 Módulos de Disseleneto de Cobre e Indium ... 24

2.3.4 Módulos de Células Orgânicas ... 25

2.4 INVERSORES DE CORRENTE ... 26

3 SISTEMA DE RASTREAMENTO DE RADIAÇÃO SOLAR ... 27

3.1 TIPOS DE SISTEMA TRACKER ... 27

3.1.1 Tracker de eixo único ... 28

3.1.1.1 Tracker de eixo horizontal ... 28

3.1.1.2 Tracker de eixo vertical ... 29

3.1.1.3 Tracker de eixo inclinado ... 29

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3.1.2.1 Tracker de elevação azimutal ... 29

3.1.2.2 Tracker de rolo inclinado... 30

3.2 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA TRACKER ... 30

3.3 VANTAGENS DO SISTEMA TRACKER ... 32

3.4 DESVANTAGENS DO SISTEMA TRACKER ... 33

4 USINA FOTOVOLTAICA ... 34

4.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO ... 35

4.2 GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA NA USINA ... 37

4.3 ENCAMINHAMENTO DOS CABOS DE CORRENTE CONTÍNUA ... 39

4.4 SUBESTAÇÃO ... 42

4.4.1 Chegada, saída e distribuição dos cabos ... 43

4.4.2 Conversão CC/CA ... 43

4.4.2.1 INVERSORES CENTRAIS ... 43

4.4.3 Alimentação das cargas elétricas auxiliares... 45

4.4.4 Sistema de automação elétrica ... 46

4.4.5 Transformador elevador... 47

4.4.6 Painel de média tensão ... 48

4.5 ENCAMINHAMENTO DOS CABOS DE MÉDIA TENSÃO ... 49

4.6 CONEXÃO À REDE ELÉTRICA ... 51

4.7 SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E MALHAS DE ATERRAMENTO ... 51

4.8 PRINCIPAIS PARÂMETROS DE PERDA DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 51

4.8.1 Perdas térmicas ... 51

4.8.2 Perdas ôhmicas ... 51

4.8.3 Perdas por mismatch e qualidade do módulo ... 53

4.8.4 Perdas por sujeira ... 53

4.8.5 Perdas por efeito de incidência ... 53

4.9 FATOR DE SOMBREAMENTO... 53

5 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA NA USINA COM SISTEMA TRACKER ... 55

5.1 ORIENTAÇÃO ... 55

5.2 SISTEMA ELÉTRICO ... 55

5.2.1 Sistema elétrico da automação ... 56

5.3 RESULTADOS ... 56

(14)

5.5 OBSERVAÇÕES ... 61

6 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA NA USINA COM SISTEMA CONVENCIONAL .. 62

6.1 ORIENTAÇÃO ... 62

6.2 SISTEMA ELÉTRICO ... 62

6.3 RESULTADOS ... 63

6.4 FATOR ECONÔMICO ... 66

6.5 OBSERVAÇÕES ... 66

7 COMPARATIVO ENTRE USINA COM TRACKER E USINA CONVENVIONAL 68 7.1 COMPARATIVO TÉCNICO ... 68 7.2 COMPARATIVO FINANCEIRO ... 70 8 CONCLUSÃO ... 74 REFERÊNCIAS ... 76 ANEXOS ... 78

ANEXO A – DIAGRAMA UNIFILAR ... 79

ANEXO B – DATASHEET DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 80

ANEXO C – DATASHEET DOS INVERSORES ... 82

ANEXO D – DATASHEET DAS ESTRUTURAS TRACKERS ... 83

ANEXO E – SIMULAÇÃO PVSYST SISTEMA COM TRACKER ... 84

ANEXO F – SIMULAÇÃO PVSYST SISTEMA SEM TRACKER ... 87

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1 INTRODUÇÃO

A energia fotovoltaica está se destacando e crescendo cada vez mais no mercado mundial, e no Brasil não é diferente, com a sua localização geográfica privilegiada e seu tamanho continental, o Brasil deve integrar o ranking dos 20 maiores produtores de energia solar no ano de 2018 (PORTAL BRASIL, 2016). Por consequência, no ano de 2016 foi investido por meio de leilões de energia elétrica em 419 projetos fotovoltaicos, o equivalente a 13.388 MW de potência a se gerar. Deste montante, 101 projetos foram locados para o estado da Bahia, 55 para o Piauí, 58 para o Rio Grande do Norte e os demais espalhados pelo restante do país, utilizando como parâmetro para escolha dos locais de instalação a taxa de radiação solar e a disponibilidade dos terrenos (MASSALLI Fábio, 2016).

Neste TCC será abordado sobre energia fotovoltaica, sistema de rastreamento de radiação solar (Tracker¹) e sobre uma usina fotovoltaica modelo situada no estado do Rio Grande do Norte, mais especificamente na cidade de Alto do Rodrigues. A região citada foi escolhida devido a dados de radiação mais precisos fornecidos pela empresa Quantum Engenharia Ltda., que já construiu uma usina fotovoltaica na região (ANEXO G). A ideia principal é demonstrar um estudo desta usina modelo com o sistema tracker e outro estudo da mesma usina de 1 MWp sem este sistema, para posteriormente fazer a comparação entre investimento inicial e retorno do investimento ao longo do tempo.

A energia fotovoltaica será tratada neste TCC de maneira que passe uma base de seu funcionamento, características construtivas, tipos de placas, tipos de inversores e sistema básico de instalação.

Já o sistema tracker será visto mais a fundo, tendo como foco suas características construtivas, o algoritmo de rastreamento de radiação solar, tipos de tracker e seu padrão de funcionamento em usinas.

Sobre a Usina Fotovoltaica será abordada de forma a descrever um pouco sobre cada “componente” necessário para seu funcionamento, além da sua motivação de instalação.

Tudo isso com o objetivo de fazer uma análise comparativa entre os dois modelos de usina, sendo uma instalada com sistema Tracker e a outra sendo instalada com estruturas metálicas convencionais, serão comparados quesitos técnicos e econômicos dos mesmos.

1 Sistema que utiliza motores para mover estruturas de fixação de módulos fotovoltaicos na direção de maior

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1.1 JUSTIFICATIVA

Este estudo de caso foi escolhido por se deparar com um problema muito comum entre projetistas do setor de geração fotovoltaica, onde provoca a dúvida entre implantar uma usina solar com estruturas fixas ou com sistema automatizado de rastreamento do sol. Dúvida essa que por uma escolha errada pode trazer muitos “prejuízos” a um determinado projeto. 1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo geral

Determinar qual entre os sistemas com estruturas fixas ou sistemas “tracker” é o mais eficiente em uma usina fotovoltaica de determinada região do Brasil. Elaborar um estudo com a ajuda de um software de simulação de radiação solar, levantando os valores investidos em cada um dos sistemas e o seu retorno financeiro ao longo dos anos. Assim desenvolvendo uma comparação não apenas técnica dos dois sistemas, mas também econômica.

1.2.2 Objetivos específicos

Apontar o princípio de funcionamento de um sistema fotovoltaico; • Analisar o funcionamento de um sistema de rastreamento solar;

• Simular a geração de energia provida de um sistema com estrutura “tracker”;

Simular a geração de energia provida de um sistema com estrutura fixa; • Identificar qual entre os dois sistemas citados acima é o mais “eficiente”

técnica e economicamente. 1.3 METODOLOGIA DA PESQUISA

O tipo de pesquisa escolhida para o desenvolvimento deste presente trabalho é o Estudo de Caso. Tendo o intuito de simular e analisar um projeto de Usina Fotovoltaica modelo na cidade de Alto do Rodrigues, Rio Grande do Norte. O principal gerador de resultados deste estudo de caso será o software PVsyst, responsável pelos estudos de cada modelo de usina fotovoltaica. Este, que é abastecido pela base de dados Meteonorm da

(17)

Nasa-SSE e será utilizado tanto para simulação da usina fotovoltaica com estruturas fixas, quanto para simulação da usina com estruturas que utilizam sistema de rastreamento solar.

1.4 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA

Como o objetivo final deste estudo é a verificação de qual o melhor sistema a ser implementado em determinada usina, não será dado tanta ênfase em pontos específicos da usina fotovoltaica. Será apresentada a composição geral da mesma, mas sem detalhes mais técnicos visto que este não é o objetivo deste estudo de caso.

Da mesma forma sobre a energia fotovoltaica no geral. Apenas o conceito básico será apresentado, sem um foco nas tecnologias que não cabem neste trabalho.

1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho será dividido em 6 etapas de apresentação. Primeiramente iremos apresentar o funcionamento de um sistema fotovoltaico, desde o módulo até o inversor de corrente. Na segunda etapa será explicado sobre o funcionamento e os tipos de sistema de rastreamento solar. A seguir trataremos de descrever o funcionamento e composição de uma usina fotovoltaica usando como exemplo uma Usina Fotovoltaica modelo na cidade Alto do Rodrigues, que é a base do nosso estudo de caso. Já nas duas etapas seguintes, serão apresentados os estudos realizados nesta usina utilizando respectivamente o sistema com tracker solar e o sistema com estrutura fixa. Por último determinaremos qual dos dois modelos estudados é mais eficiente técnica e economicamente no decorrer do tempo.

(18)

2 ENERGIA FOTOVOLTÁICA

Sistemas fotovoltaicos, são meios que utilizam a energia do sol (Luz), para gerar energia elétrica. Energia solar essa que emana da atmosfera terrestre com cerca 1,5.1018 kW/h,

valor esse dez vezes maior que toda demanda energética mundial no mesmo período (SUBIDA, Antônio, 2015). Sendo assim uma inesgotável fonte de energia, fundamental para a manutenção da vida na terra e podendo ser utilizada como alternativa ecologicamente correta a queima de carvão e hidrocarbonetos.

2.1 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Atualmente os sistemas de energia fotovoltaica possuem rendimentos de 8 a 20%, se fosse possível utilizar 0,1% da superfície da Terra para que sejam alocados módulos convencionais seria o suficiente para suprir toda a necessidade em energia elétrica do mundo. (SUBIDA, Antônio, 2015).

2.1.1 Sistema Fotovoltaico Remoto (Offgrid)

Sistemas remotos (offgrid): são sistemas que alimentam locais distantes, onde as concessionárias de energia não se fazem presentes, sendo assim uma alternativa ao gerador a combustão a diesel. Possui vantagens por ser uma energia limpa, sem resíduos de gases derivados de combustão. Podendo ser combinados com bancos de baterias e carregadores de carga, fornecendo assim energia mesmo quando a luz solar não se faz presente. O sistema basicamente funciona com os módulos gerando energia em corrente continua, esta energia vai para um equipamento chamado controlador de carga, este por sua vez protege a bateria de sobre tensões e sob tensões fazendo com que a bateria trabalhe no seu regime ideal. Já as baterias alimentam um inversor hibrido que irá fazer a conversão 12V para a tensão ideal para residência em corrente alternada. Podemos ver isto com maior clareza na figura 1.

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Figura 1 – Sistema Offgrid

Fonte: ENERGIATECSOLAR, 2017

2.1.2 Sistema Fotovoltaico de Geração Distribuída (GD)

É um tipo de geração que se concentra em paralelo com a energia produzida e distribuída pela concessionaria. Devido aos inversores de corrente, é possível gerar a energia fotovoltaica e a injetar na rede de baixa tensão através do casamento de tensão e fases da rede. Contudo é possível comercializar energia com a própria concessionária em forma de créditos, quando houver uma geração excedente ao consumo da residência. A grande vantagem da geração distribuída é que a geração está extremamente próxima da carga e não há necessidade de se elevar tensões para se transmitir energia, além de ser uma energia limpa. Conforme a Figura 2 vemos como é constituída a geração distribuída.

Figura 2 – Sistema de Geração Distribuída

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2.1.3 Sistema Fotovoltaico Autônomo

São sistemas simples, que geralmente geram energia para sistemas como bombas de agua, sinalização ou telecomunicações. Tem sua vantagem pois o sistema fotovoltaico gera sua energia em corrente continua, precisando somente de um controlador de carga para que alimente esses equipamentos.

2.1.4 Sistema Fotovoltaico de Micropotência

Sistemas de micropotências, são aqueles que alimentam relógios, calculadoras e sistemas que demandam baixa corrente em tensões que não precisam passar por um controlador de carga.

2.1.5 Sistema Fotovoltaico de Usinas

Grandes sistemas fornecem energia e a comercializam normalmente em alta tensão. A energia fotovoltaica é gerada em grandes áreas, sendo distribuídas em média tensão até uma subestação que eleva a tensão para que a mesma seja transmitida para o SIN (sistema interligado nacional). Em sua maioria tem seu fomento através de leilões do mercado livre de energia, diversificando a matriz energética nacional, que tem em grande parte é composta por usinas hidrelétricas. São boas alternativas de geração suplementar devido a sua confiabilidade, pode ser utilizado em paralelo com hidrelétricas e termoelétricas.

Figura 3 – Usina Fotovoltaica 579 MW

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2.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Sendo o primeiro elemento de um sistema de energia solar, nada mais é que a associação de células de fotovoltaicas gerando eletricidade através de fótons vindos da luz solar, derivando uma tensão e uma corrente padrão e confiável, dependente de seu projeto de agrupamento. Uma única célula fotovoltaica produz cerca de 0,5 Volt, podendo ser agrupada em diversas séries e paralelos internos ao modulo comercializado. Desta maneira temos as tensões e correntes de operação dos módulos. Hoje o comercio possui módulos com potencias de 10 a 360W. Possuindo os exemplos de um modulo típico 12Volts com aproximadamente 630 x 1370 mm conterá 36 células interligadas em série para se produzir aproximadamente 17 volts pico. Já se o modulo for configurado para produzir 24 Volts, haverá 72 células de modo a agrupar dois módulos de 36 células cada. Proporcionando assim 24 Volts na saída. Abaixo segue o processo de fabricação dos módulos (SUBIDA, Antônio, 2015):

a) Ensaio eléctrico e classificação das células; b) Interconexão eléctrica das células.;

c) Montagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e laminas de vidro e plástico;

d) Laminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semiautomática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado;

e) Cura. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da cura, constitui uma única peça; f) Emolduramento. Coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do

laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injeção;

g) Colocação de terminais, bornes (terminais), díodos e caixas de conexões; h) Ensaio final.

Na sequência dos ensaios feitos nos módulos deve se ficar atento as seguintes características dos mesmos:

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a) Características eléctricas operacionais; b) Isolamento eléctrico (a 3000 Volt de C.C.); c) Aspectos físicos, defeitos de acabamento; d) Resistência ao impacto;

e) Resistência à tração das conexões;

f) Resistência à névoa salina e à humidade ambiente;

g) Comportamento a temperatura elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias);

h) Estabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos.

Os agrupamentos dos Módulos fotovoltaicos podem ser interligados em dois modos, em paralelo quando se aumenta a corrente, mantendo assim a tensão ou os ligando em série, mantendo assim a corrente e aumentando somente a tensão. As Junções em serie e paralelo fazem parte do projeto fotovoltaico, casando assim as saídas dos módulos com a entrada do inversor, evitando danos ao sistema e otimizando a geração e conversão da energia pelos mesmos.

Devido ao grande aumento do cobre no mercado financeiro e o advento de equipamentos de 1500Vdc, pode se operar com sistemas nesta tensão nominal. Com esta alta tensão contrasta uma baixa corrente. Devido à está baixa corrente é possível utilizar cabos de menores bitolas, porém com grandes isolações. As características de funcionamento dos módulos podem ser observadas na sequência (SUBIDA, Antônio, 2015):

a) Têm a energia solar como fonte de energia, substituindo os combustíveis e não libertando CO2;

b) Geram energia mesmo em dias nublados;

c) São leves compactos e de construção reforçada e duradoura; d) São de simples instalação;

e) Têm fácil manuseio e transporte;

f) Facilidade para ampliar os sistemas conforme a necessidade;

g) Têm uma longa vida útil. Usualmente têm garantia de 25 anos com 80% do rendimento inicial;

h) São compatíveis com qualquer tipo baterias; i) Têm funcionamento silencioso;

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k) Manutenção quase inexistente;

l) Não possuem partes móveis que podem se desgastar.

Em folha de dados de módulos fotovoltaicos temos uma potência pico, ou seja potência máxima em condições ideias de temperatura e irradiação incidente. Contudo, existem outras grandezas produzidas pelo módulo que são fundamentais para a produção de um projeto fotovoltaico, seguem as mesmas:

a) Tensão em Circuito Aberto (VOC) b) Corrente de Curto Circuito (ISC) c) Potência Máxima (PM)

d) Tensão Eléctrica à Potência Máxima (VMP) e) Corrente à Potência Máxima (IMP)

Como condição padrão para se obter curvas característica dos módulos são definidas pela radiação de 1000 W/m2, recebida na superfície da Terra em dias claros ao meio-dia, e temperatura de 25º C na célula (a eficiência da célula é reduzida com o aumento da temperatura.) Conforme gráfico abaixo (SUBIDA, Antônio, 2015):

Gráfico 1 - Curva característica Corrente pela Tensão

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2.3 TECNOLOGIA DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Com vasta aplicabilidade no cenário de geração fotovoltaica o elemento químico Si (Silício), tem sido vastamente utilizado em unidades geradoras de matriz solar.

Porém muitas outras tecnologias na área fotovoltaica foram desenvolvidas nos últimos anos, além das derivadas de silício (mais utilizadas) também tem sido utilizada para gerar energia tecnologias orgânicas e inorgânicas. Essas são divididas conforme a sua forma de estrutura química (SUBIDA, Antônio, 2015).

2.3.1 Módulos de Silício

Encontrando-se entre os mais comuns nos sistemas fotovoltaicos de pequenas e grandes ordens, os módulos feitos de silício podem ser divididos em três grupos: silício amorfo, silício mono-cristalino e silício poli-cristalino. Tendo sua matéria prima abundante na natureza presente na forma de dióxido de silício SiO2, encontrado em rochas de quartzo, granito e areia. Através de métodos que o purificam, somente o silício duro com brilho metálico e coloração acinzentada transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas.

O silício para a fabricação de módulos fotovoltaicos é obtido através da quartzite por meio de um processo árduo e oneroso, o que contribui para o alto valor agregado destes módulos. Tendo seus cristais com poucos elétrons livres, constituindo assim um mau condutor. Contudo é necessário assim adicionar em sua composição química, outros elementos, dopando o elemento e o dividindo em duas zonas: p e n. Devido ao processo de dopagem do silício com a adição de átomos de fosforo, obtendo elétrons livres em sua estrutura, sendo assim com cargas negativas (silício tipo N).

Já com a adição de átomos de boro temos um material com características inversas, com déficit de elétrons livres e com cargas positivas livres (silício do tipo P). Juntando as duas camadas, tipo “N” e tipo “P” teremos uma junção semicondutora. Se analisarmos de forma desmembrada temos ambas estruturas neutras, mas quando unidas na união P-N cria-se um campo elétrico devido os elétrons livres na camada N que ocupam o vazio das estruturas tipo P. Após a união das camadas o silício é tratado com um material antirreflexo para evitar as perdas por radiação neste fenômeno.

As células solares de silício são feitas baseadas em duas camadas de revestimento, uma do material tipo N e outra com maior espessura do material tipo P. Em sua essência, ou

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seja, de forma unitária cada uma tem sua carga neutra, mas ao serem unidas como explicado anteriormente da forma P-N gera-se um campo elétrico devido aos elétrons livres na camada N que migram pra camada tipo P. A incidência solar relacionada a uma junção do tipo N-P transfere energia na forma de fótons (pequenos pacotes de energia derivados da luz), fazendo com que os elétrons livres da camada N saltem da camada de valência e indo para a banda de condução, fazendo assim pares de elétrons livres na camada N e lacunas livres na camada tipo P, fazendo assim a movimentação dos elétrons entre as camadas.

Devido ao campo elétrico gerado na junção P-N, os elétrons são orientados a fluir da camada P para a camada N. Por meio de condutor externo é possível ligar a camada negativa a positiva, assim o efeito fotoelétrico produz um fluxo de elétrons nesses condutores externos. Os elétrons assim excitados através de fótons entram no circuito elétrico destes condutores, sendo assim o caminho de menos resistência e maior facilidade de transição de elétrons. Enquanto os fótons provenientes da luz do sol forem incidentes nas células de silício, o fluxo de elétrons se tornará constante. Já quando a quantidade de fótons proveniente desta iluminação solar variar, variará também a corrente deste sistema (SUBIDA, Antônio, 2015).

Figura 4 – Modelo funcional efeito Fotoelétrico

Fonte: What is a solar cell, 2013

2.3.1.1 Silício Mono Cristalino

Foi a primeira geração de células fotovoltaicas baseadas em silício, são obtidas em forma de barras através de silício purificado e exposto a altas temperaturas. Após todo processo de confecção dos elementos, as barras são cortadas em 0,4 a 0,5 mm de espessura. Possuem grande capacidade de geração e alto poder de conversão energético, elevado até

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aproximadamente 23% em laboratório e 16 – 18% em módulos comerciais. Tem suas técnicas de produção complexas de alto valor e requerem alta quantidade de energia para serem produzidas, pois utilizam elementos com altos níveis de pureza, sendo superiores a 99,99%. Possui alto valor perante as tecnologias baseadas em silício poli cristalino (SUBIDA, Antônio, 2015).

2.3.1.2 Silício Poli Cristalino

É a segunda geração de módulos produzidos a partir de silício. São produzidos através de blocos de silício fundido em moldes especiais. Internos aos moldes, o silício perde energia na forma de calor lentamente até se solidificar. Neste processo os átomos não se organizam em um único cristal, formando assim uma estrutura poli cristalina com superfícies de separação entre os cristais. São definidas no mercado com rendimentos de conversão médio de 18% em laboratório e 11-13% disponível nos módulos comerciais. Tendo suas técnicas de produção muito complexas, elevando assim seu preço. Tem vantagem em relação a tecnologia mono cristalina pois necessita de menos energia para ser produzida. Seu preço é intermediário entre as tecnologias de silício (SUBIDA, Antônio, 2015).

2.3.1.3 Silício Amorfo

É a terceira geração de módulos produzidos a partir de silício. São produzidas através de deposição de camadas extremamente finas de silício sobre superfícies de metal ou vidro. São comercialmente conhecidas por baixo rendimento de conversão energética, 13% em laboratórios e 8-10% disponível nos módulos comerciais. Podem ser produzidas em películas finas, assim como a tecnologia CIGS, e ser instaladas em superfícies irregulares, telhas e painéis de parede. Possui o menor preço entre as demais tecnologias de silício (SUBIDA, Antônio, 2015).

2.3.2 Módulos de Telureto de Cádmio

Foi desenvolvido para competir com as alternativas derivadas de silício, como silício cristalino e amorfo. Este teve seu início aplicado em sistemas de micropotências em relógios e calculadoras. Mas recentemente teve sua comercialização em empreendimentos de geração distribuídas e grandes aplicações fotovoltaicas, devido à redução de seu preço nos

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últimos anos. Tem seus módulos em forma comum sobre placas de vidro. Tem uma boa aplicação em locais de altas temperaturas semelhantes ao nordeste brasileiro, devido a menores perdas e maior eficiência com relação a módulos derivados de silício nestas situações com eficiência próxima a 16% (Antonio Subida, MANUAL DE ENERGIA SOLAR, 2015). Um de seus grandes problemas é sua produção em pequena escala em comparação a módulos de silício e sua alta toxidade, sendo derivado de material cancerígeno que é o Cádmio.

Figura 5 – Usina com placas de Telureto de Cádmio

Fonte: Usina Black Hills Energy – Colorado/EUA

2.3.3 Módulos de Disseleneto de Cobre e Indium

É uma tecnologia de pequena produção com relação ao silício, com eficiência próxima de 18% em pequenos módulos em situação de laboratório (Antonio Subida, MANUAL DE ENERGIA SOLAR, 2015). Já em grandes módulos aplicados em geração distribuída temos sua eficiência reduzida, para 11%. Devido à pouca abundancia de sua matéria prima e sua alta toxidade, assim como a tecnologia TdCe, os módulos de Disseleneto de Cobre e Indium são produzidos em pequena escala aumentando assim seu valor de mercado. A tecnologia tem como vantagem a sua reação de forma superior ao silício poli cristalino em ambientes com sombreamento e radiação difusa (com pouca luz). Tem fácil instalação e armazenamento devido a sua fabricação em rolos de filmes maleáveis e é popularmente chamado de filme fino (SUBIDA, Antônio, 2015).

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Figura 6 – Residência coberta com Disseleneto de Cobre

Fonte: Instalação vencedora Solar Decathlon / Alemanha

2.3.4 Módulos de Células Orgânicas

Existem ao redor do mundo inúmeras pesquisas sobre matérias orgânicos, polímeros dopados, capazes de gerar energia através do efeito fotoelétrico. Pesquisadores da universidade de Berkeley (EUA), desenvolveram células solares plásticas de baixo custo. São flexíveis e podem ser injetadas em quaisquer superfícies para aplicações de micropotências em eletrônicos portáteis. Formada de matérias híbridos em nano bastões com dimensões aproximadas de 1nm disperso em um polímero orgânico. Esses nano bastões são feitos em seleneto de cádmio. Uma camada de 200nm de espessura deste material pode produzir até 0,7 volts. Ao contrário de células fotovoltaicas derivadas de silício, estas podem ser produzidas sem os mesmos cuidados com a pureza do material, evitando assim bombas de vácuo e câmaras estéreis para manipulação de silício, permitindo um menor custo de uma futura produção em nível de larga escala (SUBIDA, Antônio, 2015).

Figura 7 - Célula Fotovoltaica orgânica.

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2.4 INVERSORES DE CORRENTE

O inversor solar é responsável por converter a corrente contínua (CC) provenientes das strings¹ de módulos fotovoltaicos em corrente alternada em 750V, em seguida com auxílio de um transformador elevador eleva está tensão do circuito para um nível mais apropriado para transmissão da energia. Conforme a Figura 8 segue o inversor utilizado no empreendimento usina fotovoltaica modelo.

Figura 8 – Inversor Fotovoltaico de Corrente

Fonte: Ingecon - Sun 500HE TL

O modelo de inversor de frequência Sun 500HE TL (utilizado neste projeto específico) foi projetado para prover sua potência nominal de 500kW com operação a fator de potência 1 em avanço ou atraso, evitando assim a utilização de bancos de capacitores para correções de efeitos indutivos na rede.

Provido de MPPT (Maximum power point tracking) o inversor consegue maximizar sua conversão de energia rastreando o ponto de máxima transferência de potência no sistema de corrente continua, para assim, entregar a máxima potência no sistema de corrente alterna. Tudo é baseado em um algoritmo embarcado no sistema microprocessado do elemento conversor de energia.

A configuração de inversores adotada para esse projeto modelo, segue no ANEXO C.

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3 SISTEMA DE RASTREAMENTO DE RADIAÇÃO SOLAR

O sistema de rastreamento de radiação solar, também conhecido como sistema Tracker, é um dispositivo que altera o ângulo de incidência da radiação nos módulos fotovoltaicos de acordo com o posicionamento do sol no decorrer do dia. Seu objetivo é de aumentar a geração de energia fazendo os módulos fotovoltaicos sempre trabalharem no seu melhor ângulo de apontamento para o sol.

O sistema Tracker pode funcionar por meio de motores elétricos ou por sistemas de aproveitamento de gravidade, ambos métodos têm de ser aliados a um algoritmo de rastreamento de incidência solar para movimentar uma estrutura metálica que suporta os módulos fotovoltaicos.

3.1 TIPOS DE SISTEMA TRACKER

O sistema Tracker pode ser dividido em dois tipos básicos que se ramificam conforme Figura 9:

Figura 9 – Organograma dos Tipos de Trackers

TRACKER

TRACKER 1 EIXO TRACKER 2 EIXOS

TRACKER DE EIXO HORIZONTAL TRACKER DE EIXO VERTICAL TRACKER DE EIXO INCLINADO TRACKER DE ELEVAÇÃO AZIMUTAL TRACKER DE ROLO INCLINADO Fonte: PRINSLOO, 2015

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3.1.1 Tracker de eixo único

O sistema tracker de eixo único é o que faz os módulos acompanharem o sol somente em um eixo de movimentação, Leste-Oeste ou Norte-Sul. Este sistema utiliza apenas um motor para realização do movimento, trazendo assim a vantagem de economia de energia utilizada pelo motor (PRINSLOO, 2015).

3.1.1.1 Tracker de eixo horizontal

Este tipo de tracker tem seu eixo de rotação horizontal em relação ao solo, tipicamente com a face do módulo orientada paralelamente ao seu eixo de rotação, fazendo assim os layouts projetados para esse modelo serem simples e flexíveis. Nos tracker’s horizontais de eixo único, um tubo horizontal longo é suportado em rolamentos montados sobre pilares ou armações, onde o eixo do tubo está em uma linha norte-sul ou leste-oeste, dependendo do local de implantação do sistema. A geometria simples significa que manter todos os eixos de rotação paralelos é tudo que é necessário para posicionar apropriadamente os tracker uns em relação aos outros. Lembrando sempre que um espaçamento adequado pode maximizar a relação entre a produção e o custo de energia, dependendo do terreno, local de instalação e das condições de sombreamento (PRINSLOO, 2015).

Figura 10 – Tracker de eixo único Horizontal

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3.1.1.2 Tracker de eixo vertical

Já os tracker’s de eixo único verticais tem seu eixo de rotação em relação ao solo vertical, girando de leste a oeste no decorrer do dia. Estes rastreadores tem sua eficiência elevada quando instalados em altas latitudes, ultrapassando até mesmo os rastreadores horizontais de eixo único. Os rastreadores de eixo único vertical tem tipicamente a face do módulo orientada em um ângulo colinear ao eixo de Zenith. No caso destes tracker’s, tem que se ter muita cautela no projeto quanto ao sombreamento de um módulo para outro, para não haver perda de energia desnecessária (PRINSLOO, 2015).

3.1.1.3 Tracker de eixo inclinado

Todos os tracker’s que tem seu eixo de rotação entre horizontal e vertical podem ser chamados de tracker’s de eixo inclinado. Seus ângulos de inclinação são limitados para reduzir o esforço causado pelo vento além de reduzir a altura máxima dos painéis sobre as estruturas. Estes rastreadores têm tipicamente a face do módulo orientada paralelamente ao eixo de rotação da estrutura metálica onde o eixo de rastreamento é inclinado a partir do horizonte por um ângulo orientado ao longo da direção norte-sul (PRINSLOO, 2015).

3.1.2 Tracker de dois eixos

Os tracker’s de eixo duplo são utilizados quando se deseja rotacionar a estrutura que sustenta os módulos em dois eixos para seguir o sol. Este sistema utiliza dois motores, o que acarreta em um maior gasto de energia deste sistema, mas também apresenta um maior rendimento no quesito geração de energia pelo fato de estar sempre apontando as placas fotovoltaicas diretamente para o sol (PRINSLOO, 2015).

3.1.2.1 Tracker de elevação azimutal

Este tipo de tracker em específico tem seu eixo primário, o eixo azimute, vertical ao chão e seu eixo secundário, o eixo de elevação, normal ao eixo primário. O mesmo possui dois motores, um que gira a estrutura em seu próprio eixo e o outro que controla o movimento da placa para cima e para baixo de acordo com o posicionamento do sol. Uma grande vantagem desse modelo além da eficiência da captação, é a disposição do seu peso ser bem distribuído dentro do seu raio de ação. O importante para se lembrar nesse tipo de instalação é

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justamente o raio de ação do tracker quanto ao sombreamento que o seu módulo produz sobre os demais (PRINSLOO, 2015).

Figura 11 – Tracker de elevação Azimuthal

Fonte: Disponível em:<http://www.solar-tracking.es/>. Acesso mar. 2017

3.1.2.2 Tracker de rolo inclinado

Também conhecido como tracker de ponta-inclinação, é chamado assim pois sua matriz de painel é montada na parte superior de um poste. Este tipo de tracker se movimenta de leste-oeste sendo conduzido pela rotação da matriz em torno do topo do poste. No topo do rolamento rotativo age um mecanismo, normalmente em forma de “T” ou “H”, que fornece a rotação vertical dos painéis e os principais pontos de montagem para a matriz. Este tracker traz a vantagem de que seus bornes encontrados em cada extremidade do eixo principal de rotação podem ser compartilhados entre as demais estruturas rastreadoras, baixando assim os custos do projeto (PRINSLOO, 2015).

3.2 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA TRACKER

Não importando o tipo de tracker, os componentes essenciais para o seu funcionamento são os sensores de iluminação, que são responsáveis pela medição da incidência solar, e os motores elétricos, que são responsáveis pela movimentação das estruturas e/ou dos módulos. Uma pequena observação sobre os motores é a de que a energia consumida por eles geralmente é a mesma gerada pelos módulos (APPLEYARD, 2009).

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A composição básica para o funcionamento de um rastreador de incidência solar é mostrada diagrama funcional a seguir e explicado logo abaixo conforme citado pelo Dr. Levitan, D.:

Figura 12 – Diagrama funcional de um sistema tracker

Fonte: (LEVITAN, D.)

No bloco “Aquisição” são fornecidos os dados de latitude e longitude da região instalada, além de suas coordenadas e hora solares para que os módulos fotovoltaicos sejam devidamente orientados.

Em “Sensores” são fornecidas informações que tornam o rastreamento solar independente das informações do bloco “Aquisição”. Estes sensores podem ser LDR’s (Light Dependent Resistor), os próprios módulos fotovoltaicos, amperímetros, medidores de potência, medidores de irradiância ou até mesmo medidores de ruído térmico.

O bloco “Acionador” consiste em seus motores, responsáveis pelos eixos de rotação das placas fotovoltaicos.

Já o “Controlador” é onde se realiza o manejo por meio de microcontroladores. A este bloco podem agregar-se os relógios solares, datalogger’s¹, temporizadores, alarmes, display’s e interfaces humanas no geral dependendo de sua aplicação.

A este sistema de blocos é importante lembrar que para o emprego vantajoso do sistema tracker é necessário que a energia por ele exigida seja menor que o acréscimo de energia fornecida pelo sistema tracker.

Em usinas fotovoltaicas, que são o objetivo deste estudo de caso, existem dois tipos principais de funcionamento para o sistema tracker. Um deles é o Tracker Passivo que utiliza fluidos aquecidos para alterar a inclinação, e o outro é o Tracker Ativo que utiliza os motores mencionados anteriormente (PRINSLOO, 2015).

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3.3 VANTAGENS DO SISTEMA TRACKER

Pesquisas apontam que um sistema com rastreamento de radiação solar pode aumentar a sua capacidade de geração de 15% a 35% (APPLEYARD, 2009) dependendo da região de instalação. Esse aumento na geração se deve ao melhor ângulo de recebimento da radiação solar pelos módulos em todos os horários do dia em que há radiação solar.

Figura 13 – Comparação entre energia gerada por sistema fixo e outra com sistema tracker

Fonte: VALLDOREIX GREENPOWER.

Conforme item 3.1, existem vários tipos de tracker’s que possibilitam soluções de projetos que se adequam a diferentes ambientes de instalação (BUSHONG, 2016).

Isso nos leva a vantagem na qual um sistema com tracker gera mais energia usando basicamente o mesmo espaço utilizado por um sistema com estruturas fixas (BUSHONG, 2016).

O sistema de estruturas com tracker’s necessitam de pouca manutenção devido aos avanços nos seus estudos. Gerando assim baixo custo para manter o sistema durante o seu funcionamento (BUSHONG, 2016).

Também se percebe a discrepância entre a capacidade máxima de geração de um módulo fotovoltaico e o seu aproveitamento real. Isso acaba dando mais uma vantagem para o sistema tracker que aumenta a eficiência da placa relacionado a sua potência máxima de geração, normalmente chamada de quilowatt pico (kWp).

Vale salientar que em locais com área limitada, o sistema tracker aumenta a previsão de geração solar do local comparado ao sistema de estruturas fixas tradicional.

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3.4 DESVANTAGENS DO SISTEMA TRACKER

Como desvantagens do sistema tracker é possível falar primeiramente sobre algo diretamente relacionado ao tema deste estudo de caso, o seu custo. Os rastreadores solares em si são ligeiramente mais custosos do que os sistemas com estruturas fixas tradicionais, devido a sua tecnologia de software e suas peças movíveis (BUSHONG, 2016).

Também como desvantagem pode se citar o fato de que os motores que movimentam os tracker’s também consomem a energia, que normalmente é a própria energia que os módulos geram, assim reduzindo seu rendimento.

Mesmo com a alta confiabilidade nas estruturas móveis do sistema tracker, as estruturas fixas ainda requerem menos manutenção, isso principalmente se deve a queda do rendimento do sistema tracker no tempo (BUSHONG, 2016).

As bases para um sistema tracker são mais custosas devido a diferença de esforços causada pelo movimento das estruturas.

Os sistemas rastreadores de radiação não são adequados para utilização em locais onde pode ocorrer neve. A mesma causa um peso geralmente não calculado nas estruturas além de afetar o rastreador de radiação solar para achar o melhor ângulo de recepção. Com isso se percebe que em regiões que nevam o sistema tracker precisaria de mais manutenção e geraria menos energia do que o planejado inicialmente, problema que o sistema de estruturas fixas não encontraria.

Os tracker’s também não são adequados para instalações em residências, pois o mesmo funciona em uma altura mínima de execução de seus movimentos, fazendo assim aumentar o custo da estrutura sobre a residência juntamente do seu peso. Com o aumento do peso se diminui o número de módulos sobre a casa dependendo da resistência do telhado. Outro problema deste caso é a incidência de vento sobre uma estrutura elevada no telhado de uma residência, um caso deste tipo traz consigo o alto risco do arrancamento da placa pelo vento.

E por final pode se mencionar a desvantagem do seu sombreamento. Não importando o tipo de tracker, é importante sempre levar em conta o fato de que um módulo tem um afastamento padrão de um para o outro que é aumentado devido a estrutura tracker, isso pode causar um problema de sombreamento de um módulo para o outro, fazendo assim diminuir a geração prevista em seus projetos.

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4 USINA FOTOVOLTAICA

A Usina Fotovoltaica modelo será implantada em um terreno pertencente à Usina Termelétrica Jesus Soares Pereira (UTE-JSP) localizado dentro da região administrativa do município de Alto do Rodrigues (RN) e pertencente a Petrobras, na qual serão utilizadas as normas condizentes. A mesma foi escolhida por ter dados de radiação no local atualizados (ANEXO G). A Figura 14 mostra a localização desse empreendimento em relação à UTE-JSP, no interior da área determinada pelo polígono vermelho. Suas coordenadas geográficas são 5º23’S/ 36º49’O.

Figura 14 - Terreno de implantação da Usina Fotovoltaica Modelo

Fonte: Google Maps

Sendo que o projeto envolve dois modelos de geração (com Tracker e sem Tracker), será levantada a capacidade de geração energética média de cada uma delas para posterior execução do mais rentável.

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4.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO

Conforme consta no diagrama unifilar geral (ANEXO A) do sistema elétrico da Usina Fotovoltaica, está prevista uma subestação para essa usina, cuja área ocupada está em destaque na Figura 15. Esta figura também apresenta o arranjo preliminar dos painéis solares dentro da área destinada à construção da usina.

Figura 15 - Layout da Usina Fotovoltaica Modelo

Fonte: PETROBRAS, 2012

O sistema elétrico da Usina é ilustrado sucintamente pelo diagrama de blocos apresentado na Figura 16. Ele consiste em um sistema de corrente contínua formado pelos painéis solares, responsáveis pela geração de energia elétrica a partir da luz do sol, e pelas caixas de junção, que fazem a ligação desses painéis em paralelo, como será descrito nas seções 4.2 e 4.3. Esses equipamentos estão localizados em campo e são ligados à subestação por cabos de força de baixa tensão (menor que 1000 V).

A subestação tem o objetivo de converter a tensão contínua em tensão alternada 60 Hz e elevar o seu valor para 13,8 kV, tensão do sistema elétrico no qual a usina será integrada (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015). Ela será descrita na Seção 4.4, assim como seus principais equipamentos, que são:

• inversores, responsáveis por converter a tensão contínua em tensão alternada em baixa tensão (Item 4.4.2). Associadas a eles estão as caixas de recombinação, que são

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importantes para organizar os diversos cabos de corrente contínua que chegam das caixas de junção em campo para encaminhá-los aos inversores;

• transformador, responsável por elevar a tensão da saída dos inversores para a tensão padrão da concessionária de energia em 13,8 kV (Item 4.4.5);

painel de média tensão, com o objetivo de fazer a manobra, proteção e seccionamento do sistema, além de possuir o sistema de medição para faturamento da usina (Item 4.4.6).

Esses equipamentos serão descritos em mais detalhes nos itens posteriores desse documento. Essa subestação também será responsável pela alimentação das cargas auxiliares da usina a partir da concessionária de energia quando não houver geração fotovoltaica disponível (Item 4.4.3) e também por centralizar os equipamentos de automação elétrica (Item 4.4.4).

Após o condicionamento e transformação da energia gerada na subestação, ela será encaminhada até o ponto de conexão com a COSERN¹, concessionária de energia local (PETROBRAS, 2012). Mais informações serão obtidas nas seções 4.5 e 4.6.

Figura 16 - Esquemático da geração solar fotovoltaica

Fonte: PETROBRAS, 2012

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4.2 GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA NA USINA

A nomenclatura utilizada nesse projeto está de acordo com as normas NBR 10899:2013 e IEC 60364-7-712:2017. Abaixo, seguem algumas definições:

• Célula fotovoltaica (ou solar): dispositivo elementar desenvolvido especificamente para realizar a conversão direta de energia solar em energia elétrica;

Módulo fotovoltaico: unidade formada por um conjunto de células solares interligadas eletricamente e encapsuladas com o objetivo de gerar energia elétrica;

• “String” de módulos: conjunto de módulos ligados em série;

• Arranjo de módulos: conjunto de “strings” ligados em paralelo por meio de uma caixa de junção.

A usina fotovoltaica será formada por um sistema de geração de energia elétrica, com uma potência nominal de pico instalada de 1,0 MWp. Como dito anteriormente, este projeto fará estudo de dois modelos de geração no qual após a análise de investimento e retorno, será selecionado o mais adequado para a região. Cada estudo será chamado de subsistema:

• Subsistema 1: será composto por 3.780 (três mil setecentos e oitenta) módulos de silício mono cristalino de 265 Wp cada (ANEXO B) montados sobre rastreadores de um eixo horizontal (ANEXO D), somando a potência de 1,0 MWp;

Subsistema 2: será composto por 3.780 (três mil setecentos e oitenta) módulos de silício mono cristalino de 265 Wp cada (ANEXO B) montados em estruturas fixas, somando a potência de 1,0 MWp;

A ligação dos módulos fotovoltaicos em série é realizada com o intuito de elevar a tensão em corrente contínua. Já a ligação das “strings” em paralelo é feita com o objetivo de aumentar a corrente fornecida pelo conjunto. Assim, busca-se estabelecer uma potência para a planta atuando nesses dois parâmetros do arranjo (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

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• Corrente de máxima potência; • Corrente máxima de curto-circuito; • Tensão máxima sem carga;

• Menor tensão de máxima potência; • Maior tensão de máxima potência.

O arranjo dos módulos em série e paralelo é montado fisicamente em campo sobre uma mesa. Em cada mesa haverá uma caixa de junção para receber o cabeamento de cada “string”. A Figura 17 ilustra a ligação desses módulos, contudo, esse desenho é apenas ilustrativo, sendo que o número de módulos por “string” e o número de “strings” por arranjo, assim como a quantidade de arranjos por mesa no projeto são diferentes do apresentado na figura (PETROBRAS, 2012).

A tensão máxima sem carga do conjunto de “strings” não pode ser superior à máxima tensão suportável em corrente contínua pelo inversor, pela caixa de recombinação, pelos próprios módulos e pelo isolamento dos cabos. Essa tensão não poderá ser superior a 1000 V (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

Em carga, essa tensão deve ficar na faixa entre a mínima e a máxima tensão de máxima potência do inversor. O número de módulos em série escolhido teve de ser um que garantisse uma tensão CC adequada para que o inversor trabalhasse na máxima eficiência de acordo com os dados do fabricante. Dessa maneira, devido a área disposta de 6.175 m² (seis mil cento e setenta e cinco), por string serão utilizados 18 módulos, somando um total de 210 strings tanto no subsistema 1 quanto no subsistema 2.

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Figura 17 - Esquemático da ligação dos módulos em série e dos “strings” em paralelo

Fonte: PETROBRAS, 2012

Em cada subsistema quatro módulos serão monitorados individualmente nas seguintes grandezas: tensão, temperatura, irradiância no plano dos módulos e inclinação do rastreador (para o subsistema de 1,0 MWp). Essas informações serão enviadas para o painel de automação da subestação e depois encaminhadas para o sistema supervisório da usina, localizado na sala de controle da UTE-JSP, onde serão registrados a cada segundo (PETROBRAS, 2012).

4.3 ENCAMINHAMENTO DOS CABOS DE CORRENTE CONTÍNUA

Das caixas de junção partem cabos de força e de supervisão dos “strings” de módulos, conforme mostrado na Figura 18. Esses cabos seguem para a subestação para serem ligados às caixas de recombinação de modo que sejam rearranjados para alimentar os

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inversores. Os cabos de supervisão seguem para os PLCs de automação local, localizados no painel de automação dentro da subestação. Esses cabos são de cobre, blindados e do tipo par-trançado (PETROBRAS, 2012).

Assim, as caixas de junção, além de fazerem o paralelismo entre essas “strings”, são responsáveis pela medição da corrente de cada um para a detecção de defeito e para registro no sistema supervisório da usina. Elas também devem medir a tensão desse conjunto de “strings”. Os valores obtidos por meio dessas medições devem ser registrados a cada segundo no sistema (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

Figura 18 - Esquemático dos cabos de força e de supervisão

Fonte: PETROBRAS, 2012

As caixas de junção deverão possuir o número de entradas de “strings” compatível com o tipo de arranjo dos painéis fotovoltaicos, de modo a se utilizar, idealmente, uma caixa para cada mesa. Assim, por exemplo, uma mesa composta por um arranjo de 14 “strings” em paralelo, será utilizada apenas uma caixa de junção para ela, com um total de 14 entradas. Essa caixa deve ser fixada em uma das pernas da mesa, abaixo dos painéis, de forma que esteja protegida da incidência direta da radiação solar. Dessa forma, ela terá de possuir grau de proteção IP 54. Em casos onde a mesa tenha poucas “strings”, será utilizada uma caixa de junção para mais de uma mesa (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

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Cada entrada de “strings” deve possuir um dispositivo de proteção contra sobrecorrente. De acordo com o diagrama unifilar geral da planta (ANEXO A), devem ser utilizados disjuntores de corrente contínua. Também deverá possuir dispositivos de proteção contra surtos para proteção contra sobretensão, além de um disjuntor geral para as caixas. A eletrônica envolvida no sistema de monitoramento da tensão e das correntes dos “strings” e no envio dos dados para o sistema supervisório também deve ter dispositivos de proteção (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

Os cabos de força de corrente contínua apresentados na Figura 19, que ligam as caixas de junção das mesas em campo às caixas de recombinação na subestação, serão dimensionados de modo a minimizar as perdas no cobre. Portanto, a potência perdida nesses cabos não irá ultrapassar 1%. Eles também serão capazes de suportar a corrente de máxima potência dos painéis e a corrente máxima de curto-circuito dos mesmos em funcionamento contínuo (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

Para sistemas de baixa tensão, serão empregados cabos multipolares de força para seções iguais ou inferiores a 50 mm2 para todo o percurso dos circuitos. Para seções superiores a 50 mm2, os cabos empregados devem ser unipolares. A seção mínima para os condutores de circuitos de força e controle deve ser 2,5 mm2. Os cabos de controle devem ser multipolares, com isolamento mínimo de 600 V. O isolamento dos cabos de força de corrente contínua deve suportar a tensão máxima sem carga do arranjo de módulos e a tensão resultante sobre ele quando ocorre uma falta à terra (PETROBRAS, 2012).

O encaminhamento dos cabos de força em corrente contínua e dos cabos de supervisão e controle será feito por meio de canaletas separadas. Nessas canaletas, os cabos estarão sobre eletrocalhas, bandejas ou leitos de cabos, dimensionados de acordo com a N-1997. A Figura 19 ilustra o tipo de canaleta que deve ser utilizado. Os cabos de força em corrente alternada e média tensão poderão compartilhar trecho da canaleta com os cabos de baixa tensão, desde que sejam segregados dos mesmos conforme a norma Petrobras mencionada. A distância entre essas canaletas também deve ser determinada conforme a N-1997 (PETROBRAS, N-1997).

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Figura 19 – Canaletas para a passagem dos cabos de força e controle

Fonte: PETROBRAS, 1997

A Figura 20 mostra o encaminhamento desses cabos, das caixas de junção até a subestação.

Figura 20 - Encaminhamento dos cabos de força e de supervisão e controle

Fonte: PETROBRAS, 2012.

4.4 SUBESTAÇÃO

A subestação da Usina Fotovoltaica Modelo será compacta e deve ser dimensionada considerando que não haverá ampliações futuras. Ela poderá ser construída em alvenaria ou ser do tipo modular, pré-fabricada, desde que atenda aos requisitos das normas ABNT e IEC aplicáveis. Caso a subestação seja do tipo pré-fabricada, o conjunto deverá ter um grau de proteção IP 65.

As principais características dessa subestação e seus principais equipamentos são descritos nos itens a seguir.

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4.4.1 Chegada, saída e distribuição dos cabos

As canaletas chegarão às intermediações do passeio da subestação, onde devem ser previstas caixas de passagem. Sob o passeio os cabos serão conduzidos para dentro da subestação por meio de eletrodutos em envelopes de concreto. Nas caixas de passagem devem ser adotadas medidas para evitar a entrada de água nos eletrodutos que vão para a subestação. Esses eletrodutos conduzirão os cabos até as canaletas internas, cuja altura deve ser dimensionada de modo a comportar no mínimo dois níveis de bandejas ou leitos de cabos: o superior para cabos de supervisão e controle e o inferior para os cabos de força. Os cabos de média e baixa tensão devem ser segregados por uma barreira física, conforme N-1997 (PETROBRAS, 1997).

4.4.2 Conversão CC/CA

Nesse projeto serão utilizados dois inversores para a conexão do sistema fotovoltaico à rede elétrica da concessionária. Tanto para o subsistema 1 quanto para o subsistema 2, de potência de 1 MWp, devem ser usados inversores típicos de plantas fotovoltaicas centralizadas, chamados ao longo do texto de inversores centrais. O modelo de inversor utilizado é o Ingecon Sun 500 TL 275AC da empresa Ingeteam com capacidade para 500 kW. A folha de dados deste inversor se encontra no ANEXO C deste documento.

4.4.2.1 INVERSORES CENTRAIS

De acordo com o diagrama unifilar geral da planta (ANEXO A), estão previstos dois inversores centrais, que estarão localizados dentro da subestação da usina.

Associada a cada inversor existirá uma caixa de recombinação, que receberá os cabos de corrente contínua provenientes das caixas de junção em campo. Cada entrada dessa caixa deve ter um disjuntor termomagnético tipo caixa moldada. Na saída são dois cabos, polo positivo e polo negativo, com a corrente total gerada pelos painéis fotovoltaicos, que são ligados diretamente no inversor, que ficará ao lado da caixa, formando um painel único. Ela também deve possuir um dispositivo de proteção contra surtos.

Assim, a proteção desses cabos será feita por um disjuntor aberto, presente no painel onde se encontra o inversor. Deve ser prevista a possibilidade de abertura e fechamento desse disjuntor remotamente.

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A eficiência de conversão desses inversores, chamada de Eficiência Europeia (Euro-Eta), deve ser igual ou superior a 98%. O fabricante do inversor forneceu relatórios de ensaios realizados conforme os critérios da IEC 61683 comprovando uma eficiência mínima de 98%.

Os inversores ligados aos arranjos de módulos devem incorporar a função de Rastreamento do Máximo Ponto de Potência (do inglês Maximum Power Point Tracker – MPPT) que ajusta continuamente a impedância da carga para poder fornecer a máxima potência gerada pelos módulos solares.

A saída em corrente alternada desses inversores também deve ser protegida por um disjuntor aberto do tipo “power” comandado remotamente. Esse disjuntor também deve estar presente no painel dos inversores.

A tensão alternada de saída dos mesmos, de frequência de 60 Hz, deverá ser menor que 1000 V. Esses inversores não devem possuir transformador interno, para não reduzir sua eficiência nem aumentar o tamanho de seu painel.

O seccionamento dos circuitos de corrente contínua e alternada deve ser feito por chaves seccionadoras localizadas dentro ou fora do painel do inversor, conforme mostrado no desenho do Anexo A.

Para esses inversores deve ser previsto um sistema de monitoramento de falta a terra, tanto para seus circuitos CC, quanto para os circuitos CA, uma vez que ambos são isolados. Eles devem ser capazes de suportar afundamentos de tensão de 100% da rede elétrica da concessionária por 150 ms sem desligar (Low Voltage Ride Through). Seu sistema CA deve ser capaz de fazer compensação do fator de potência (cos φ) por meio do controle do fluxo de potência reativa (VAR Control). A taxa de distorção harmônica total da corrente gerada deve ser menor que 3%. Essa distorção total na saída do inversor deve ser monitorada pelo sistema supervisório da usina, assim como os harmônicos de 1 a 33 medidos individualmente. Contudo, esses parâmetros não precisam ser registrados em meio magnético.

Os painéis desses inversores devem possuir equipamentos de medição de tensão e corrente em suas entradas CC. Para suas saídas CA, deve ser previsto um sistema de medição de tensão, corrente, potência ativa, potência reativa e fator de potência em cada fase. Além disso, esse sistema também deve ser capaz de medir a frequência da tensão do sistema e as potências e energias, ativa e reativa, trifásicas. Essa informação será enviada para o sistema supervisório da usina, onde será registrada a cada segundo (SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2015).

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4.4.3 Alimentação das cargas elétricas auxiliares

As cargas elétricas auxiliares são constituídas basicamente pela carga de iluminação perimetral da região da usina solar, pelos motores dos painéis com rastreamento de um eixo e pelo sistema de automação da planta. Elas serão alimentadas a partir da rede elétrica da concessionária de energia por um transformador a seco localizado dentro da subestação e ligado ao mesmo painel onde estão conectados os circuitos dos inversores de “strings”, conforme mostrado no Anexo A.

A tensão secundária desse transformador será 220/127 V e a primária será definida pela tensão de saída do circuito CA do inversor central. Como nas demais saídas desse painel, haverá um contator para manobra remota desse transformador e um disjuntor termomagnético em caixa moldada para sua proteção, além de equipamentos de medição de tensão e corrente em cada uma das três fases e de medição de potências e energias ativa e reativa, com o objetivo de monitorar e enviar para o sistema supervisório da usina o consumo elétrico do conjunto dessas cargas mais o do transformador.

Esse transformador alimentará um painel (220/127 V) que fará a distribuição dos circuitos para as cargas auxiliares. Esse painel deve ter equipamentos de medição de tensão e corrente em cada uma das três fases e de medição de potências e energias ativa e reativa na saída do circuito que alimenta os painéis de distribuição local para os motores dos rastreadores para monitorar seu consumo elétrico. Essa informação será enviada para o sistema supervisório da usina, onde deve ser registrada a cada segundo.

A alimentação das fontes auxiliares de energia dos inversores centrais e do CDC presentes na subestação deve ser feita em 127 V, com a previsão de um UPS¹ para fazer a alimentação de “back-up”. Não está previsto um sistema de corrente contínua para a subestação, ou seja, todas as cargas críticas devem estar conectadas ao UPS.

O UPS deve ser constituído por bateria de acumuladores, carregador de bateria, inversor e um quadro de distribuição, com uma tensão monofásica de saída de 127 V. O dimensionamento das baterias de acumuladores deve ser feito para um período de emergência não inferior a 1 (uma) hora e deve ser feito de acordo com as normas NBR-15254 (acumuladores chumbo-ácidos) e IEEE Std. 1115 (acumuladores alcalinos). Para tal deve-se considerar a condição mais severa, ou seja, todas as cargas críticas são continuamente energizadas durante todo o ciclo, com o disjuntor abrindo no início do ciclo e fechando em seu final (PETROBRAS, 2012).

Referências

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