Impactos da geração fotovoltaica distribuída em uma rede de distribuição

(1)

DEPARTAMENTO ACADˆ

EMICO DE ELETROT´

ECNICA

CURSO DE ENGENHARIA EL´

ETRICA - ELETROT ´

ECNICA

PABLO UBIRATAN PEREIRA MACEDO

IMPACTOS DA GERA ¸

C ˜

AO FOTOVOLTAICA DISTRIBU´

IDA

EM UMA REDE DE DISTRIBUI ¸

C ˜

AO

TRABALHO DE CONCLUS ˜

AO DE CURSO

CURITIBA

2018

(2)

IMPACTOS DA GERA ¸

C ˜

AO FOTOVOLTAICA DISTRIBU´

IDA

EM UMA REDE DE DISTRIBUI ¸

C ˜

AO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à disciplina de TCC 2, do Curso de Engenharia Elétrica - Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para a obten¸cão do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Raphael Augusto De Souza Benedito

CURITIBA

2018

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A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica

IMPACTOS DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA DISTRIBUÍDA

EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO

Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 20 de novembro de 2018.

____________________________________ Prof. Antonio Carlos Pinho

Coordenador de Curso Engenharia Elétrica

____________________________________ Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Mestre Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso

de Engenharia Elétrica do DAELT

ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA

______________________________________ Raphael Augusto de Souza Benedito, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador

_____________________________________ Raphael Augusto de Souza Benedito, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Ulisses Chemim Netto, Dr.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________ Érico Gurski, Eng

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A Deus por ter me dado sa´ude e for¸ca para superar as dificuldades. Agrade¸co a minha esposa Arianna Ramos pelo companheirismo e incentivo que me deu ao longo desses ´ultimos semestres na Universidade.

Agrade¸co a minha mãe Rosicler, hero´ına que me deu apoio, incentivo para sair de casa e vir morar em Curitiba para cursar Engenharia. Obrigado aos meus irmãos Fernando, Willian e Daniel, que nos momentos de minha ausência dedicados estudo superior, sempre fizeram entender que o futuro é feito a partir da constante dedica¸cão no presente!

Ao professor Dr. Raphael Augusto de Souza Benedito, por me acolher como orientado, apoiando e direcionando a constru¸cão deste trabalho, concedendo grande parte de seu tempo, aconselhando-me com muita disposi¸cão e paciência.

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MACEDO, Pablo. Impactos Da Gera¸cão Fotovoltaica Distribu´ıda Em Uma Rede De Distribui¸cão. 2018. 103 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica - Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

O uso de geradores fotovoltaicos (FV) conectados ao sistema de distribui¸cão de energia elétrica tem apresentado um crescimentos com taxas médias de 30% ao ano. Ainda que no Brasil a participa¸cão dessa matriz energética seja baixa quando comparada com ou-tras matrizes tais como hidroelétrica, a previsão é que a participa¸cão da energia solar fotovoltaica aumente a taxas de 358% do ano de 2017 para 2018. Associado a isso existe a necessidade de se conhecer os efeitos que a massiva implanta¸cão gera¸cão fotovoltaica terá nas redes de distribui¸cão, com o propósito mitigar ou prevenir problemas futuros, visando a uma opera¸cão normal e segura.Este trabalho aborda o estudo de impactos da gera¸cão fotovoltaica sobre uma rede de distribui¸cão de dom´ınio público do EPRI. Foram utilizados os mesmos critérios das concessionárias de energia brasileiras adotam, em termos de potência permitida, conexão com a rede de distribui¸cão, para modificar a rede de distribui¸cão original e formar cenários distintos, com diferentes n´ıveis de penetra¸cão fotovoltaica. Durante as simula¸cões foram considerados geradores FV distribu´ıdos de acordo com as cargas do modelo escolhido. Utilizando perfil de consumo e gera¸cão, foram considerados abordagens com varia¸cão temporal o perfil de carga, com caracter´ıstica de região residencial e irradiância solar, com caracter´ıstica de dia ensolarado sem nuvens. O programa escolhido para as simula¸cões foi o OpenDSS e as simula¸cões foram executadas no modo daily com intervalos de tempo de 15min. Para cada cenário de penetra¸cão FV, foi feita uma simula¸cão ao longo do dia. Em seguida foi feita a análise dos efeitos que o incremento da penetra¸cão fotovoltaica teve no modelo de distribui¸cão utilizado.

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MACEDO, Pablo. Impacts Of Distributed Photovoltaic Generation In A Distri-bution Network. 2018. 103 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica - Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

The use of photovoltaic (PV) generators connected to the power distribution network has grown in avegege 30% a year on the globe. Although in Brazil the solar energy participation is still low, comparing with hydropower for instance, it increased 358% from 2017 and 2018. Therefore; there is a need to know the impacts of high PV penetration on the distribution grid, in order to create solutions and technology to avoid undesired impacts that high PV penetration will have on the grid in terms of energy’s quality.This work addresses the study of distributed photovoltaic generation on a public domain distribution network of EPRI. It was used the same requirements of Brazilian power utilities to model the original distribution network into different scenarios with different PV penetration levels.The PV systems were distributed on the same buses than the loads. The profile for consumption used on the simulation has residential characteristic, and the solar irradiance has an sunny day and without clouds, profile. The software chosen to run the simulations was OpenDSS (an open souce software). All the simulation were ran on the daily mode with time intervals of 15min, for each PV penetration scenario. Then, it was made an analysis of the results, showing the impacts that PV penetration increase has on the distribution network.

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Figura 1 – Consumo mundial de energia separado por matriz energ´etica (gigawatts) 17

Figura 2 – C´elula fotovoltaica . . . 26

Figura 3 – Princ´ıpio da conversão fotovoltaica em um semicondutor tipo n-p. Na ilustra¸cão a potência gerada está sendo dissipada na carga resistiva R. 26 Figura 4 – Componentes de um módulo fotovoltaico . . . 28

Figura 5 – Planta fotovoltaica de 10 MW . . . 29

Figura 6 – Esquema el´etrico simplificado de uma c´elula solar. . . 29

Figura 7 – Rela¸cões de Tensão-Corrente e Potência-Tensão caracter´ısticas de uma célula solar de Si. . . 31

Figura 8 – Rela¸cões Potência-Tensão caracter´ısticas de uma célula solar de Si. . . 32

Figura 9 – Influência da radia¸cão solar e temperatura nas caracter´ısticas da curva I-V de uma célula fotovoltaica. . . 34

Figura 10 – Conexão em série e paralelo de dois painéis solares idênticos. (a) Conexão em paralelo.(b) Conexão em série. . . 34

Figura 11 – Esquema de conex˜ao de m´odulos fotovoltaicos. . . 35

Figura 12 – Inversor string conectado em apenas uma string de módulos fotovoltaicos. 42 Figura 13 – Esquema de inversor string com conexão de múltiplas strings na mesma entrada do inversor . . . 42

Figura 14 – Esquema de inversor string onde conex˜ao de diferentes strings ´e feita em inversores distintos. . . 43

Figura 15 – Esquema de duas strings, cada uma conectada em uma entrada MPPT de um inversor multi-string. . . 44

Figura 16 – Liga¸cão de um gerador à rede de distribui¸cão de baixa tensão através de um inversor. . . 48

Figura 17 – Equivalente de Th´evenin da subesta¸c˜ao no OpenDSS . . . 54

Figura 18 – Equivalente el´etrico de uma fase de um transformador . . . 55

Figura 19 – Diagrama do modelos do sistema fotovoltaico no OpenDSS . . . 61

Figura 20 – Curvas de irradia¸c˜ao e temperatura, utilizadas para caracterizar um modelo de sistema fotovoltaico. . . 63

(9)

rizar um modelo de sistema fotovoltaico. . . 64 Figura 22 – Diagrama unifilar do sistema de teste IEEE 33 barras. . . 66 Figura 23 – Redu¸cão da potência entregue pela subesta¸cão, de acordo com o aumento

do n´ıvel de penetra¸cão fotovoltaica . . . 70 Figura 27 – Tensão ao longo dos barramentos, para horário de gera¸cão FV máxima

em todos os cenários. . . 70 Figura 24 – Região em vermelho representa a área do sistema onde come¸cam haver

tensões abaixo de 0,95pu, para o carregamento utilizado . . . 71 Figura 25 – Tensão ao longo do dia nos barramentos Barra28 e Barra09. . . 71 Figura 26 – Tensão ao longo do dia nos barramentos Barra18 e Barra33, os mais

distantes da subesta¸c˜ao. . . 72 Figura 28 – Perdas nas linhas para per´ıodo de um dia para diferentes n´ıveis de

penetra¸cão FV. . . 73 Figura 29 – Energia total dissipada nas linhas de distribui¸cão ao longo da simula¸cão

diária para diferentes cenários de penetra¸cão FV. . . 73 Figura 30 – Distribui¸cão das cargas existentes no sistema original . . . 76 Figura 31 – Modelo de rede de distribui¸cão a ser utilizado Ckt5 publicado pelo EPRI. 76 Figura 32 – Perfil de consumo de cargas residenciais usado na simula¸cão . . . 77 Figura 33 – Perfil de consumo de cargas comerciais de médio porte usado na simula¸cão 77 Figura 34 – Perfil de consumo de cargas comerciais de pequeno porte usado na

simula¸c˜ao . . . 78 Figura 35 – Perfil de irradiˆancia solar para um dia ensolarado e um dia com nuvens,

no mês de mar¸co no hemisfério norte . . . 78 Figura 36 – Comportamento da corrente e tensão fornecida pelo painel a diferentes

n´ıveis de temperatura e irradia¸c˜ao solar . . . 81 Figura 37 – Perfis de consumo dos trˆes perfis de consumidores utilizados na

simula-¸cão, residencial, comercial pequeno porte (PQ) e comercial médio porte (MD) . . . 82 Figura 38 – Curva de gera¸cão fotovoltaica considerando conversor monofásico. . . . 82 Figura 39 – Curva de potência ativa entregue pelo alimentador, para diferentes

(10)

mento na rede,às 12 horas para penetra¸cão FV 115% . . . 84 Figura 41 – Curva de potência reativa entregue pelo alimentador, para diferentes

n´ıveis de penetra¸cão FV . . . 84 Figura 42 – N´ıvel de tensão para uma das fases do barramento 791 à 0,1km da

subesta¸cão. . . 85 Figura 44 – N´ıvel de tensão para uma das fases do barramento 74436 à 5,2194km

da subesta¸cão. . . 85 Figura 43 – N´ıvel de tensão para uma das fases do barramento 63662 à 0,9717km

da subesta¸cão. . . 86 Figura 45 – Perdas totais observadas, adotando as curvas de potência diária . . . . 87 Figura 46 – Comuta¸cão do tap no regulador de tensão para n´ıveis de penetra¸cão FV

de 0% e 25% . . . 88 Figura 47 – Comuta¸cão do tap ro regulador de tensão para n´ıveis de penetra¸cão FV

de 50% e 75% . . . 88 Figura 48 – Comuta¸cão do tap ro regulador de tensão para n´ıveis de penetra¸cão FV

de 104% e 115% . . . 89 Figura 49 – Rela¸cão entre n´ıvel de tensão e distância da subesta¸cão de cada

bar-ramento na rede, em um momento de atua¸cão do regulador na fase B. . . 89 Figura 50 – Rela¸cão entre n´ıvel de tensão e distância da subesta¸cão, penetra¸cão FV

25% e 50% . . . 90 Figura 51 – Rela¸cão entre n´ıvel de tensão e distância da subesta¸cão, penetra¸cão FV

(11)

Tabela 1 – Modo de conexão em fun¸cão da potência instalada. . . 47

Tabela 2 – N´ıveis de tensão aceitáveis para tensão nominal inferior ou igual a 1kV. 49 Tabela 3 – Tempo máximo de desconexão para condi¸cões cr´ıticas de tensão. . . . 49

Tabela 4 – Tempo máximo de desconexão para condi¸cões cr´ıticas de tensão. . . . 50

Tabela 5 – Parˆametros b´asicos do elemento Circuit . . . 54

Tabela 6 – Parˆametros b´asicos do elemento Transformer . . . 55

Tabela 7 – Parˆametros b´asicos do elemento RegControl . . . 56

Tabela 8 – Parˆametros b´asicos do elemento Load . . . 57

Tabela 9 – Parˆametros b´asicos do elemento Load . . . 58

Tabela 10 – Parˆametros b´asicos do elemento LineCode . . . 59

Tabela 11 – Parˆametros b´asicos do elemento Line . . . 59

Tabela 12 – Parˆametros b´asicos do elemento Capacitor . . . 60

Tabela 13 – Parˆametros b´asicos do elemento PVSystem . . . 61

Tabela 14 – Informa¸c˜oes de linha e carga do sistema de teste IEEE 33 barras. . . . 67

Tabela 15 – Comparativo entre os valores obtidos no OpenDSS do sistema de teste IEEE 33 barras com Durce (2012) . . . 69

Tabela 16 – Caracter´ısticas Gerais do sistema de distribui¸c˜ao Ckt5. . . 75

Tabela 17 – Dados El´etricos painel solar modelo CS3K-275 da CanadianSolar. . . 79

Tabela 18 – Cinco cen´arios de penetra¸c˜ao FV . . . 79

Tabela 19 – Inversores modelados no OpenDSS. . . 80

Tabela 20 – Quantidade de Inversores modelados no OpenDSS por cen´ario de gera-¸c˜ao. . . 80

(12)

REN21 Rede de Pol´ıticas de Energia Renov´avel para o S´eculo XXI

BNEF Bloomberg Novos Financiamentos de Energia

CO2 Di´oxido de carbono

COP21 Conferência das Na¸cões Unidas sobre as Mudan¸cas Climáticas de 2015

COS Centro de Opera¸c˜ao do Sistema

EIA Administra¸c˜ao de Informa¸c˜oes sobre Energia dos EUA

UCSD Univesidade da Calif´ornia San Diego

PMP Ponto de M´axima Potˆencia

FF Fator de Forma

FC Fator de Capacidade

FV Fotovoltaico (a)

MPPT Rastreamento de ponto de potˆencia m´axima

BoS Balance of system equipment

FD Fator de desiquil´ıbrio

(13)

Isaída Corrente entregue pela c´elula solar para realizar trabalho [A];

Iph Corrente fotovolt´aica [A]

ID Corrente de diodo [A]

I0 Corrente de satura¸c˜ao reversa do diodo (A);

ICC Corrente de curto-circuito entre os terminais de uma c´elula FV (A);

VCA Tens˜ao de circuito aberto entre os terminais de uma c´elula FV (V);

RS Resistência em série de um modelo de célula fotovoltáica [Ω]

RSH Resistência paralela de um modelo de célula fotovoltáica [Ω]

GT Irradia¸c˜ao solar [W/m2]

TC Temperatura de em uma c´elula solar [K]

n Fator de idealidade do diodo, valor adimensional determinado experi-mentalmente;

e Carga de elementar do el´etron [C];

k Constante de Boltzman [J/◦K]);

VC Tens˜ao nos terminais da c´elula solar [V]

ηF V Eficiência de conversão fotovoltáica.

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1 – INTRODU ¸C ˜AO . . . 16 1.1 Tema . . . 17 1.1.1 Delimita¸c˜ao do Tema . . . 18 1.2 Problemas e Premissas . . . 19 1.3 Objetivos . . . 20 1.3.1 Objetivo Geral . . . 20 1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 20 1.4 Justificativa . . . 20

1.5 Procedimentos Metodol´ogicos . . . 21

1.6 Estrutura do Trabalho . . . 21

2 – REVIS ˜AO DA LITERATURA . . . 23

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA . . . 23

2.1.1 A C´elula Fotovoltaica . . . 25

2.1.1.1 M´odulo fotovoltaico . . . 27

2.1.1.2 Caracter´ısticas de uma c´elula FV . . . 28

2.1.1.3 Associa¸cão de células e módulos fotovoltaicos . . . 34

2.1.2 Sistemas Fotovoltaicos . . . 35

2.1.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFI) . . . 36

2.1.2.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados `a Rede (SFVCR) . . 37

2.1.2.3 Sistemas H´ıbridos (SFH) . . . 37

2.1.2.4 Fator de capacidade (FC) . . . 38

2.1.2.5 Penetra¸c˜ao Fotovoltaica (F Vpen) . . . 38

2.1.3 Inversores e outros componentes de sistemas FV . . . 39

2.1.3.1 Inversores para a conexão à rede elétrica . . . 40

2.1.3.2 Rastreamento do ponto de m´axima potˆencia MPPT . . . . 41

2.1.3.3 Inversores String . . . 42

2.1.3.4 Inversores Multi-String . . . 43

2.1.3.5 Inversor Modular . . . 44

(15)

2.1.3.8 Detec¸c˜ao de Ilhamento . . . 45

2.1.3.9 Chave de desconex˜ao de corrente cont´ınua . . . 46

2.1.3.10 Prote¸c˜ao contra fuga de corrente . . . 46

2.1.4 Normas T´ecnicas . . . 46

2.1.4.1 Modo de conex˜ao . . . 47

2.1.4.2 Regula¸c˜ao de Tens˜ao . . . 48

2.1.4.3 Desequil´ıbrio de Tens˜ao . . . 49

2.1.4.4 Fator de Potˆencia . . . 50

2.1.4.5 Ilhamento . . . 50

2.2 Considera¸c˜oes finais sobre o cap´ıtulo . . . 51

3 – MODELAGEM DE UM CIRCUITO NO OPENDSS . . . 52

3.1 O software OPENDSS . . . 52

3.1.1 Fluxo de Potˆencia no OpenDSS . . . 52

3.1.2 Modelos dos Elementos do Sistema El´etrico . . . 53

3.1.2.1 Subesta¸cão . . . 53 3.1.2.2 Transformador . . . 54 3.1.2.3 Regulador de Tensão . . . 56 3.1.2.4 Cargas . . . 57 3.1.2.5 Linhas de Distribui¸cão . . . 58 3.1.2.6 Bancos de Capacitores . . . 59 3.1.2.7 Sistema Fotovoltaico . . . 60

3.1.2.7.1 Curva de Irradia¸c˜ao e Temperatura . . . 62

3.1.2.7.2 Curva XY . . . 63

3.1.2.7.3 C´odigo para o OpenDSS . . . 64

3.2 Simula¸c˜ao do Circuito de Teste IEEE 33 Barras . . . 65

3.2.1 Caracter´ısticas do sistema . . . 65

3.2.2 Simula¸c˜ao e Resultados . . . 66

3.2.3 Circuito Original . . . 67

3.2.4 Circuito com GD . . . 68

3.2.5 Efeitos sobre a curva de carga . . . 68

(16)

4 – SIMULA ¸C ˜OES COMPUTACIONAIS E RESULTADOS . . . 75

4.1 Descri¸c˜ao do sistema de distribui¸c˜ao . . . 75

4.2 Curvas de Carga . . . 77

4.3 Perfil de irradia¸c˜ao solar . . . 78

4.4 Pain´eis Fotovoltaicos . . . 79

4.5 Resultados . . . 80

4.5.1 Caracteriza¸c˜ao das cargas e dos geradores fotovoltaicos . . . 81

4.5.2 Efeitos sobre a curva de carga . . . 82

4.5.3 Caracteriza¸c˜ao dos n´ıveis de tens˜ao . . . 85

4.5.4 N´ıveis de Perdas . . . 86

4.5.5 Regulador de Tens˜ao . . . 87

5 – CONCLUS ˜AO . . . 92

Referˆencias . . . 94

Apˆ

endices

97

APˆENDICE A–C´odigo OpenDSS Sistema IEEE 33 Barras . . . 98

APˆENDICE B–Perfis de irradiˆancia e de demanda . . . 100

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1 INTRODU ¸C ˜AO

A energia gerada pelo Sol, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano devido ao seu baixo impacto ambiental (TSOUTSOS; FRANTZESKAKI; GEKAS, 2005) e acessibilidade em termos de cobertura da irradia¸cão solar sobre a superf´ıcie da terra.

Hoje essa é a alternativa de gera¸cão de energia renovável com as maiores taxas de crescimento no mundo de acordo com (REN21, 2017) com taxa de cresciemnto do 25% ao ano no mundo. Estima-se que as instala¸cões do tipo tendem a crescer anualmente 80 GW (2020) , 143 GW (2030) e 206 GW (2040) (BNEF, 2015).

As proje¸cões ilustradas na Figura 1 mostram aumento na participa¸cão das fontes de energia renováveis na matriz energética mundial. Ainda que o mesmo gráfico ilustre maior participa¸cão de combust´ıveis fosseis, é de interesse mundial diminuir a participa¸cão dessa matriz no futuro dado seus efeitos nocivos para com o meio ambiente (TSOUTSOS; FRANTZESKAKI; GEKAS, 2005). O gás natural também é um combust´ıvel fóssil porém muito menos poluente do que os derivados do petróleo, isso explica o crescimento acentuado projetada para o consumo do gás nos próximos anos, mesmo que este seja poluente.

Ainda que as proje¸cões apontem para o crescimento acentuado das fontes reno-váveis, é poss´ıvel que essas previsões sejam conservadoras. Dado que diversas legisla¸cões recentes determinam a redu¸cão de emissões de CO2 na atmosfera, tais como a COP21,

que conta com pa´ıses tais como China e diversos outros que se comprometeram a reduzir a emissão de gases do efeito estufa na atmosfera. Dado que a maior parte da gera¸cão de energia elétrica consumida no planeta hoje, provêm da queima de combust´ıveis fósseis é de se esperar que esses pa´ıses diversifiquem sua matriz energética dando mais espa¸co para energias limpas tais como a solar.

(18)

Figura 1 – Consumo mundial de energia separado por matriz energ´etica (gigawatts)

petróleo e outros líquidos

gás natural renováveis nuclear carvão mineral 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 250 200 150 100 50 0 2015 Fonte: EIA (2017) 1.1 Tema

Como ilustrado na Figura 1 as fontes energéticas mais utilizadas na atualidade ainda são provenientes da gera¸cão térmica originada da queima de combust´ıveis fósseis. A preferência por esse modelo de gera¸cão se dá por diferentes fatores. Sob aspecto da gera¸cão de energia essas fontes possuem maior controle operativo, ou seja a gera¸cão pode ser facilmente controlada pela unidade geradora (PINHO; GALDINO, 2014).

Outro ponto positivo das fontes de gera¸cão clássicas é a capacidade das mesmas armazenarem energia em sua forma bruta: energia potencial da água na barragem, gás natural, urânio, entre outras. E quando solicitada pela carga esse potencial energético pode ser então imediatamente alocado para a gera¸cão de energia elétrica. Essa possibilidade de se armazenar energia em outras formas que não elétrica representa uma seguran¸ca para a opera¸cão e planejamento do sistema, uma vez que o controle do pre¸co e da qualidade da energia elétrica pode ser assegurado (PINHO; GALDINO, 2014).

Diferentemente dos recursos energéticos supracitados as fontes renováveis como solar e eólica, possuem matrizes energéticas que não podem ser armazenadas, (Sol e o vento respectivamente) além de serem fontes intermitentes, comprometendo portanto o controle da gera¸cão. Estas fontes de energia estão submetidas às varia¸cões diárias do tempo, não podendo portanto serem controladas, apenas estimadas pelo COS (Centro de Opera¸cão do Sistema) para uma melhor aloca¸cão dos recursos energéticos em determinada planta.

(19)

demais fontes renováveis apresenta, a particularidade de poder ser facilmente instalada em áreas urbanas, aproximando o consumidor da unidade geradora sem a necessidade do transporte de energia por linhas de alta tensão. O excedente de energia não utilizado pelo usuário que gera a energia pode alocado para outra carga no mesmo sistema de distribui¸cão, o que pode gerar descontos ou créditos na conta de luz do usuário, dependendo da pol´ıtica da companhia de distribui¸cão.

Portanto, visto o eminente aumento da penetra¸cão fotovoltaica nos Sistemas de Distribui¸cão, o estudo e a avalia¸cão dos poss´ıveis impactos que seus diferentes n´ıveis de penetra¸cão podem inferir no sistema é o objetivo deste trabalho. Os impactos a serem mensurados são: n´ıveis de tensão, fluxo de potência e opera¸cão de tap no regulador de tensão.

1.1.1 Delimita¸c˜ao do Tema

Este trabalho visa apresentar os efeitos causados por geradores FV em sistemas de distribui¸cão. Os aspectos a serem estudados terão foco no perfil de tensão, fluxo de potência ativa/reativa e opera¸cões de tap.

Para as simula¸cões foi utilizado um modelo de distribui¸cão de dom´ınio publico do EPRI (Electric Power Research Institute), bem como os perfis de demanda da carga. Também foram utilizados modelos computacionais de painéis solares baseados no compor-tamento real do elemento gerador. O perfil de irradiância utilizado foi concedidos pela UCSD (Universidade da Califórnia San Diego) para este estudo.

Nos barramentos do modelo computacional da rede de distribui¸cão, foram acresci-dos diferentes potências de arrays FV. A inser¸cão dos arrays foi distribu´ıda homogenea-mente no modelo de distribui¸cão, obedecendo os critérios da legisla¸cão brasileira que será abordado na Subse¸cão 2.1.4. Dessa formar utilizando-se do mesmo modelo de distribui¸cão do OpenDSS serão criados diferentes cenários de penetra¸cão FV, em cada cenário serão inclusos geradores FV com diferentes potências resultando em cenários com diferentes n´ıveis de penetra¸cão FV.

Os distintos cenários serão então utilizados nas simula¸cões diárias, utilizando-se o mesmo perfil de carga e de irradiância solar. Ao todo estabelecidos cinco cenários da rede de distribui¸cão com n´ıveis de penetra¸cão FV por volta de 25%, 50%, 75%, 104%, 115%. O motivo da escolha desses patamares é avaliarmos os efeitos com discretiza¸cões de

(20)

penetra¸c˜ao FV de 25%. Um perfil de irradiˆancia solar: um dia ensolarado.

Portanto serão realizadas ao todo 6 simula¸cões, 5 para cada um por cenário com diferentes n´ıveis de irradiância e um para o circuito original sem gera¸cão FV que é o caso base desse trabalho. Foi utilizado em todas as simula¸cões o mesmo perfil da carga.

A defini¸cão de penetra¸cão FV nesse trabalho é a razão da gera¸cão FV pela carga total instalada. Entende-se por gera¸cão FV instalada a soma dos valores nominais de todos os painéis FV, e a carga total instalada a soma de todas as cargas consumidoras. Podemos equacionar essa defini¸cão da seguinte forma.

P enF V = Pn i=1P otF V(i) Pm j=1P otCarga(j) (1) Onde:

• P otF V(i) - a potˆencia de pico do i-´esimo gerador FV instalado da rede [kW ];

• P otCarga(j) - a carga instalada da j-´esima unidade consumidora da rede;

• n - total de geradores FV instalados na rede; • m - total de unidades consumidoras na rede;

1.2 Problemas e Premissas

Devido a sua fácil instala¸cão em telhados e terra¸cos, a energia a solar possui caracter´ıstica distribu´ıda, portanto uma rede de distribui¸cão pode conter centenas de unidades microgeradoras que podem ser em centros urbanos ou rurais. Em termos de transporte de energia isso representa uma redu¸cão de perdas nos sistemas de transmissão, visto que menos potência é requerida pela subesta¸cão. Nesse novo cenário a unidade geradora também está alocada mais próxima da carga e será visto nesse trabalho o impacto que isso gera em termos de perdas nas linhas de distribui¸cão. A gera¸cão distribu´ıda também propicia mais flexibilidade no mercado energético, visto que o consumidor pode se tornar fornecedor de energia nas horas em que sua gera¸cão excede seu consumo.

Em alguns locais, como na Europa o cliente pode vender para a concessionária a energia que não consome, no Brasil esse excedente gera créditos ao cliente, que poderá consumir a energia que forneceu em algum outro momento em que seu consumo exceder sua gera¸cão (ANEEL, 2012). Tendo em vista os subs´ıdios fiscais da ANEEL (2012), é razoável admitir que em curto prazo muito do crescimento das fontes renováveis se dê por conta da gera¸cão distribu´ıda, visto os incentivos ao consumidor.

(21)

A rede de distribui¸cão como conhecemos, pode sofrer efeitos indesejados dados com a populariza¸cão da gera¸cão distribu´ıda. É esperado, por exemplo, que vari¸cões súbitas de irradiância solar causada por nuvens possa interferir nos n´ıveis de tensão de uma determinada área cujo n´ıvel de penetra¸cão solar seja alto, ou que o fluxo de potência ocorra em diferentes sentidos nos horários de máxima gera¸cão FV. Portanto estudos dos impactos da GD são importantes para que haja adequa¸cão dos sistemas de distribui¸cão para operar adequadamente em cenários de alta penetra¸cão FV.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

Nesse trabalho, será dado foco para a avalia¸cão dos impactos de diferentes n´ıveis de penetra¸cão de gera¸cão fotovoltaica distribu´ıda, em um modelo de rede de distribui¸cão. Para tal análise será feito uso do OpenDSS que possibilita fluxos de potências em intervalos discretos de tempo com auxilio da interface COM, que possibilita controlar as simula¸cões via outras plataformas, nesse estudo utilizamos a interface com o Matlab.

1.3.2 Objetivos Espec´ıficos

• Acrescentar arrays FV no modelo original do OpenDSS, de forma a obter cinco diferentes cen´arios de penetra¸c˜ao FV,

• Executar as simula¸cões no OpenDSS para o caso base onde não há GD,

• Executar simula¸cões no OpenDSS para os cinco cenários con GD, considerando perfil de irradiância solar de dia claro.

• Comparar os n´ıveis de tensão, consumo, perdas, fluxo de potência e opera¸cões de tap para os 6 cenários.

1.4 Justificativa

Como visto anteriormente em Se¸cão 1.2 a inclusão de grandes quantidades de renováveis em nossa matriz energética é iminente, e como consequência novos estudos e tecnologias estarão sendo desenvolvidos ao longo do extensivo processo da integra¸cão dessas novas matrizes energéticas nos sistemas elétricos de potência. Portanto a relevância deste estudo para a área da engenharia elétrica situa-se na no entendimento de como

(22)

futuros altos n´ıveis de penetra¸cão fotovoltaica podem afetar a qualidade da energia elétrica que deverá estar dentro dos n´ıveis de tensão, frequência e continuidade estipulados pelas normas das agências reguladoras.

1.5 Procedimentos Metodol´ogicos

Etapa 1 - Pesquisa bibliográfica: Estudar a respeito do assunto através da leitura de artigos, publica¸cões e livros a respeito da integra¸cão de renováveis nas redes de distribui¸cão de energia bem como seus impactos. Nessa etapa será feito um estudo a respeito dos recentes avan¸cos da integra¸cão de renováveis e das ferramentas e modelos que pesquisadores vem se utilizando para análises e pesquisas.

Etapa 2 - Modelagem e simula¸cões: Construir no OpenDSS um sistema de distri-bui¸cão pequeno, baseado em critérios apresentados na literatura, fazer o fluxo de potência e validar os resultados com valores dispon´ıveis na literatura. Neste modelo acrescentar de gera¸cão FV, e simular diferentes cenários de gera¸cão FV. Utilizar um modelo de rede de distribui¸cão de dom´ınio publico, acrescentar gera¸cão FV seguindo os critérios que serão discutidos nas próximas se¸cões.

Etapa 3 - Análise dos Resultados: Verificar altera¸cões nas caracter´ısticas de tensão, perdas técnicas, n´ıveis de tensão, regula¸cão da tensão e frequência, para cara um dos diferentes n´ıveis de penetra¸cão FV simulados.

1.6 Estrutura do Trabalho

O trabalho de conclusão de curso será desenvolvido considerando as seguintes etapas e separa¸cão de cap´ıtulos.

Cap´ıtulo 1: Introdu¸cão Possui a apresenta¸cão do trabalho, tema, problemas, objetivos, diretrizes e procedimentos metodológicos a serem seguidos.

Cap´ıtulo 2: Revisão da Literatura Apresentar conceitos básicos e defini¸cões de pai-néis FV. Apresentar as normas técnicas brasileiras que definem os critérios para a instala¸cão de GD no sistema de distribui¸cão, e que foram utilizados para modelar o sistema.

Cap´ıtulo 3: Modelagem dos Circuito no OpenDSS. Apresentar conceitos básicos sobre a ferramenta OpenDSS tais como: modelagem dos elementos constituintes sis-tema de distribui¸cão, geradores FV, transformadores e demais elementos. Elabora¸cão

(23)

de um modelo pequeno de sistema de distribui¸c˜ao.

Cap´ıtulo 4: Simula¸cão Computacionais e Resultados Desenvolvimento e implemen-ta¸cão de modelo de distribui¸cão no openDSS. Analisar os impactos causados pela conexão de distintos n´ıveis de penetra¸cão de geradores fotovoltaicos, focando nos aspectos de tensão, perdas técnicas, n´ıveis de tensão, regula¸cão da tensão.

(24)

2 REVIS ˜AO DA LITERATURA

Neste cap´ıtulo será dada ênfase à gera¸cão elétrica fotovoltaica, bem como para a composi¸cão do sistema elétrico de distribui¸cão, o qual é o ve´ıculo que torna poss´ıvel a gera¸cão distribu´ıda.

Como já visto no Cap´ıtulo 1, o crescimento do consumo mundial de energia elétrica ocorre de forma vertiginosa e as previsões são que as fontes de energia renováveis irão responder por grande parte dessa demanda. O modelo tradicional verticalizado da gera¸cão, transmissão, distribui¸cão e oferta de servi¸cos em energia, pode estar no come¸co de sofrer grandes mudan¸cas. Bem como o modelo onde grandes centrais geradoras são constru´ıdas para atender a carga (MASTERS, 2013).

A permissão de conexão ou acesso das linhas de transmissão e distribui¸cão para produtores de energia independentes, que queiram comercializar a energia a um pre¸co mais competitivo, possibilitam os clientes com demanda contratada superior à 500kW a escolher quem será seu fornecedor de energia elétrica (ANEEL, 2004). Já para clientes de pequeno porte a micro gera¸cão possibilitaria abater o excedente gerado, em sua fatura de energia gerando créditos ao consumidor. Além dos benef´ıcios econômicos, outras motiva¸cões ajudam a estimular o crescimento da gera¸cão distribu´ıda em pequena escala, como o aumento da preocupa¸cão ambiental ligado à constru¸cões de grandes centrais geradoras, vulnerabilidade de um sistema centralizado de gera¸cão e crescente demanda por confiabilidade no fornecimento de energia (MASTERS, 2013).

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

O efeito fotovoltaico foi primeiramente observado por Becquerel 1 _{em 1839, que}

iluminando uma solu¸cão de cloreto de prata (AgCl) e ácido observou gera¸cão de tensão e corrente nos eletrodos em contato com a solu¸cão. No ano de 1876 W.G Adams e R. G. Day observaram o mesmo efeito fotovoltaico sobre um material sólido feito de selênio o qual foi precursor dos primeiros dispositivos que poderiam ser chamados de células fotovoltaicas, fabricadas por C. E. Fritis em 1883.Por volta de 1887, H. Hertz descobriu o efeito fotovoltaico em eletrodos de metal expostos à radia¸cão ultra-violeta UV (PINHO;

1_{Alexandre-Edmond Becquerel (1820–1891), por causa de seu trabalho, o efeito fotovoltaico tem sido}

(25)

GALDINO, 2014).

No in´ıcio do s´eculo XX M. Planck desenvolveu a teoria que explica a radia¸c˜ao do corpo negro (publicado em 1901)2_{, estabelecendo a rela¸c˜}_{ao entre energia do f´}_{oton E}

(expressa em joules [J] ou elétrons-volt [eV]) e a frequência de ressonância f (expressa em Hetz [Hz]) como E = hv, onde h ´e conhecido como a constante de Plank. Logo depois em 1905, A. Einstein descobriu que fótons possuem n´ıveis de energia discretos demoninados quanta de luz e usou isso para desenvolver uma teoria que explicaria o efeito fotoelétrico3

observado por Hertz em 1887.

Em 1916 o cientista polônes J. Czochralski, descobriu um método (publicado em 1918) para a confeçcão de lingotes de cristais de sil´ıcio, método que é utilizado ainda hoje na fabrica¸cão de semicondutores. O lingote de sil´ıcio monocristalino que é uma estrutura cristalina única é cortadas por lâminas de diamante em finas bolachas chamadas wafers, que são finas fatias de sil´ıcio puro, as quais são matéria-prima da indústria eletrônica para a fabrica¸cão de componentes eletrônicos tais como células fotovoltaicas (KIRK, 2014).

Entre os anos 1939 e 1940 R. Ohl, um engenheiro da Bell Telephone Laboratories, e seu grupo de pesquisadores desenvolveram um material semicondutor com a jun¸cão p-n e observaram efeito fotovoltaico nas amostras de Si quando iluminadas por uma lâmpada incandescente de 40W. Essas jun¸cões p-n eram conhecidas originalmente como “barreiras”e agora são usadas em larga escala em dispositivos comutadores de estado sólido, tais como células fotovoltaicas de alta eficiência (KIRK, 2014).

As primeiras células fotovoltaicas fabricadas à partir de lâminas de sil´ıcio cristalino atingiram uma eficiência de conversão de energia solar para energia elétrica de 6%, gerando uma potência de 5mW com ´area de 2cm2 _{(PINHO; GALDINO, 2014). Por muito tempo o}

efeito fotovoltaico permaneceu como curiosidade cientifica, até que a explora¸cão espacial e a crise do petróleo, propiciaram grande avan¸co no setor.

No in´ıcio da gera¸cão fotovoltaica, por volta de 50 anos atrás, a energia necessária para produzir um painel fotovoltaico era superior do que a energia que aquele painel poderia produzir ao longo de todo seu tempo de vida útil. Durante as últimas décadas, através de melhorias na eficiência dos painéis e métodos de manufatura, o tempo de retorno energético foi reduzido para 3-5 anos, dependendo dos n´ıveis de irradia¸cão solar

2_{A lei de Planck descreve a densidade espectral da radia¸}_c˜_{ao eletromagn´}_{etica emitida por um corpo}

negro em equil´ıbrio t´ermico a uma determinada temperatura T.

(26)

na localidade onde o painel ´e instalado. Hoje o custo da energia fotovoltaica chega a USD 2,5 por watt-pico e o objetivo para 2020 ´e reduzir esse custo para USD 1 por watt pico (KALOGIROU, 2013).

Apesar de seu custo elevado se comparado com outras matrizes mais tradicionais, sistemas fotovoltaicos são economicamente viáveis em diversas regiões remotas, especial-mente onde o suprimento de potência das fontes convencionais é impraticável e custoso. Obtém-se outra vantagem, quando sistemas FV distribu´ıdos estão conectados na rede de distribui¸cão. Pelo fato potência FV ser ofertada em horários de pico de demanda (horas do dia) aliviando a carga sobre os equipamentos que compõem o sistema de distribui¸cão visto que as a gera¸cão de eletricidade FV ocorre próximo aos lugares onde esta é consumida, reduzindo perdas no sistema e aumentando a confiabilidade no sistema (KALOGIROU, 2013).

Atualmente o material mais utilizado na fabrica¸cão de células solares é o Sil´ıcio. Embora este não ofere¸ca os melhores n´ıveis de eficiência este tipo de célula solar possui os menores custos de fabrica¸cão, além de fazer uso de uma matéria-prima, barata abundante e não tóxica. Portanto ao longo desse trabalho será dado foco apenas à essa tecnologia de célula solar.

2.1.1 A C´elula Fotovoltaica

A célula solar ou célula fotovoltaica (Figura 2) é um dispositivo eletrônico que converte diretamente energia luminosa em eletricidade pelo efeito fotovoltaico. Suas caracter´ısticas de tensão, corrente e resistência, variam quando submetidas à luminosidade. Individualmente esses dispositivos possuem tensão de circuito aberto de 0,3 até 0,7 volts (PINHO; GALDINO, 2014). Portanto, para aplica¸cões práticas diversas células solares são combinadas em série formando módulos fotovoltaicos, que são capazes de fornecer n´ıveis de tensão adequados para uso. Na Figura 2 pode ser observado uma fotografia de uma célula fotovoltaica.

Uma célula solar é um semicondutor de grande área plana, consistindo de uma jun¸cão p-n criada pela adi¸cão de impurezas (dopantes) no cristal semicondutor (para as células solares mais comuns de sil´ıcio, o cristal é formado de quatro liga¸cões covalentes com os átomos vizinhos). Na situa¸cão em que essas impurezas sejam átomos de fósforo, que possuem 5 elétrons na camada de valência, apenas quatro elétrons serão necessários

(27)

Figura 2 – C´elula fotovoltaica

Fonte: http://www.siliconsolar.com/solar-panels.html

para alocar o átomo dentro da estrutura cristalina do sil´ıcio. Portanto o quinto elétron pode ser movido livremente no material. Essa região do cristal, por conter excedente em cargas negativas livres, é chamado de região-n.

O mesmo se aplica para a região p: através da dopagem do cristal com átomos de boro, o qual possui apenas três elétrons na camada de valência, um elétron sempre será necessário para que as liga¸cões na estrutura do cristal estejam completas. Esse el´ e-tron poderia ser emprestado de algum átomo vizinho, logo a posi¸cão do elétron faltante seria trocada. Esse elétron faltante pode, portanto, ser visto como um “buraco”com uma carga positiva, tal que pode se movimentar livremente pelo material. Dessa forma exis-tem muito mais cargas positivas do que elétrons livre nas regiões tipo-p (KRAUTER, 2010).

Figura 3 – Princ´ıpio da conversão fotovoltaica em um semicondutor tipo n-p. Na ilustra¸cão a potência gerada está sendo dissipada na carga resistiva R.

parte traseira raio solar

incidente contato frontal

Fonte: (KRAUTER, 2010)

(28)

uma metade e átomos de fósforo na outra, será formado que se chama jun¸cão-pn. Nesse tipo de jun¸cão os átomos livres do lado n passam para o lado p preenchendo as lacunas do material; isso gera excesso de cargas negativas na jun¸cão p e ausência de elétrons na jun¸cão n. Logo essas cargas aprisionadas criam um campo eletromagnético entre as duas jun¸cões que torna mais dif´ıcil para o elétron sair da região n e ir para a região p. O processo alcan¸ca o equil´ıbrio quando os elétrons livres no material tipo n não são capazes de quebrar a barreira de potencial gerada pelo campo elétrico (KRAUTER, 2010).

Quando fótons com energia superior à barreira de potencial (“gap”), incidem sobre a jun¸cão-pn, ocorre a gera¸cão de pares elétron-lacuna, gerando uma diferen¸ca de potencial entre o lado p e o lado n isso é ilustrado na Figura 3. Quando uma carga é adicionada entre as jun¸c˜oes uma corrente (Iph) flui para a jun¸cão de menor potência através de um

condutor passando pela carga e potˆencia ´e dissipada.

2.1.1.1 M´odulo fotovoltaico

A célula fotovoltaica produz sozinha pouca eletricidade, gerando diferen¸cas de potencial podem chegar à 0.3 V para células de germânio e 0.7 para células de sil´ıcio). Para conseguir tensões mais adequadas para aplica¸cões práticas essas células são agrupadas em série, formando o que são chamadas de “strings” (elemento plano de cor preta ilustrado na Figura 4).

Cada módulo é tipicamente constitu´ıdo de 6x10 células fotovoltaicas, por causa da fragilidade das “strings”, elas são alocadas entre duas lâminas de plástico e dentro de uma estrutura de alum´ınio é coberta por vidro, por onde a luz solar incide, formando um estrutura a qual chamamos de painel fotovoltaico. O material plástico entre as “strings” ´

e geralmente EVA (Etileno Acetato de Vinila) que é um material translúcido que após submetidos a um processo térmico de cozimento à vácuo se transforma em um gel, encapsulando o painel prevenindo a entrada de umidade e impurezas no mesmo aumentando a vida útil do equipamento. Os vidros são feitos de materiais não refletivos para evitar perdas por reflexão (VILLALVA, 2013). A Figura 4 ilustra os elementos constituintes de um painel fotovoltaico.

Um sistema ou uma planta fotovoltaica pode conter centenas de módulos que são conectados em série ou paralelo formando arrays que são ilustradas na Figura 5. Adiante será abordado as configura¸cões mais utilizadas.

(29)

Figura 4 – Componentes de um m´odulo fotovoltaico

Vidro temperado, anti-reflexivo Material encapsulante - EVA Células fotovoltaicas Material encapsulante - EVA Conectores de cobre "Back Sheet"

Conector MC4 (padronização para painés FV). 1 2 3 4 5 6 9 1 2 5 4 3 6 9 7 8 _{Caixa de junção} Frame de alumínio 7 8

Fonte: Componentes de um m´odulo fotovoltaico. Cortesia: Bosh Solar Energy AG.

2.1.1.2 Caracter´ısticas de uma c´elula FV

Um gerador FV é composto por um conjunto de células solares, conexões e suportes. Como visto anteriormente na Subse¸cão 2.1.1 células solares são feitas de materiais semicondutores, geralmente sil´ıcio, que são especialmente tratadas para formar um campo elétrico positivo (parte de trás) e negativo no outro lado, o qual é direcionado ao Sol. Quando energia solar (fótons) incidem sobre a parte negativa da célula, elétrons se desprendem dos ´

atomos do semicondutor, criando um par “elétron-buraco”, este elétron impossibilitado de atravessar a barreira de potencial entre as jun¸cões, é conduzido para a jun¸cão n por condutores elétricos que ligam as duas partes do painel. Essa corrente elétrica é denominada fotocorrente, Iph. Durante os per´ıodos escuros as células solares não estão ativas e portanto

funcionam como diodos, e se estiverem ligadas `a um gerador geram uma corrente chamada “corrente de diodo”, ID. Uma c´elula solar pode ser representada por um equivalente de

modelo de diodo como pode ser visto na Figura 6 (KALOGIROU, 2013). O circuito pode ser usado para c´elulas, m´odulos ou arrays FV.

(30)

Figura 5 – Planta fotovoltaica de 10 MW

Fonte: By AleSpa (Own work) [CC BY-SA 3.0

(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Figura 6 – Esquema el´etrico simplificado de uma c´elula solar.

Fonte: (KALOGIROU, 2013)

Como mostrado na Figura 6, o modelo cont´em uma fonte de corrente Iph, um

diodo e uma resistência em s´erie RS que representa a resistência em série dentro de cada

c´elula solar. O diodo tamb´em apresenta uma resistˆencia de shunt, RSH, como mostrado na

Figura 6. Aplicando a equa¸c˜ao de Kirchhoff das corrente no circuito da Figura 6, pode-se determinar a corrente entregue para a carga, I, em fun¸c˜ao das demais correntes no circuito.

Iph− ID − IRSH − I = 0

(31)

I = Iph− ID −

V + IRS

RSH

(2)

Uma vez que a resistˆencia de shunt, RSH, ´e muito maior do que a resistˆencia

na carga, enquanto a resistência em s´erie, RS, é muito menor, a dissipa¸cão de potência

no interior da célula pode ser considerada nula. Portanto, ignorando o terceiro termo da Equa¸cão (2), a corrente entregue pela célula fotovoltaica ´e a diferen¸ca da fotocorrente, Iph

pela corrente no diodo, ID a qual deriva da equa¸c˜ao de Schokley4, dado por:

Isaída= Iph− ID = Iph− I0.[exp( eVC

nkTC

) − 1] (3)

Onde:

• Isaída - Corrente entregue pela c´elula solar para realizar trabalho [A];

• Iph - corrente fotogerada [A];

• I0 - corrente de satura¸c˜ao reversa do diodo [A];

• n - fator de idealidade do diodo, valor adimensional determinada experimentalmente; • e - carga de el´etron (1,602 × 10−19[C]);

• k - constante de Boltzman (1,38 × 10−23_[J/K]);

• TC - temperatura da c´elula [K];

• VC - tens˜ao nos terminais da c´elula [V].

A Figura 7 ilustra a curva I-V de uma c´elula solar quando submetida um certo n´ıvel de irradia¸c˜ao solar (GT) e de temperatura (TC). A corrente proveniente de uma

célula solar depende do n´ıvel de tensão sobre a mesma e a quantidade de irradia¸cão solar incidente. Quando os terminais da célula s˜ao curto-circuitados a corrente (Isaída) é levada

ao valor igualando-se ao valor da corrente de curto-circuito (ICC), e a tens˜ao sobre a c´elula

´ e nula.

Quando os terminais da célula estão abertos a tensão alcan¸ca valor máximo (tensão de circuito-aberto, VCA), e a corrente é zero. Porém, em cada um desses casos a potência

entregue pela célula é nula. A curva t´ıpica de tensão e corrente mostrada na Figura 7 apresenta o intervalo de combina¸cões de corrente e tensão. Nessa representa¸cão, uma conven¸cão de sinais é utilizada, o qual toma como positiva a corrente gerada quando o Sol ilumina a célula e uma tensão positiva é aplicada sobre os terminais da mesma.

4_{William Bradford Shockley Jr. (1910-1989), f´ısico e inventor norte-americano, ganhador do prˆ}_emio

(32)

Figura 7 – Rela¸cões de Tensão-Corrente e Potência-Tensão caracter´ısticas de uma célula solar de Si.

A

B

C

D

1/𝑅

ó𝑡𝑖𝑚𝑜

E

1/𝑅

𝐼

_á

𝑉

á

0 I

V

Fonte: Adaptado de Kalogirou (2013)

Supondo que uma resistência variável seja conectada nos terminais de uma célula, o ponto de opera¸cão seria determinado em fun¸cão da interseçcão da curva I-V da célula solar, com a reta I-V da equa¸cão resistência da carga que ´e dada por R = V /I. Duas poss´ıveis interseçcões estão ilustradas na Figura 7.

Nesse caso a interseçcão seria entre a reta da condutˆancia S (S = 1/R), com a curva I-V da célula fotovoltaica. Portanto, a potência entregue seria o produto da tensão e corrente circulando pela resistência à medida que variamos a mesma de zero (onde

Isaída = ISC e Vsaída = 0) at´e a resistˆencia m´axima (onde Vsaída = VOC e Isaída = 0 ). Se

para cada incremento na resistência, for plotado um gráfico da potência dissipada no resistor pela tensão nos terminais do mesmo, será obtido um gráfico com as caracter´ısticas da Figura 8.

A máxima potência de entregue pela c´elula ser visualizada no ponto C da Figura 7 onde a resistˆencia Rótima propicia a maior entrega de potência FV, podendo ser calculada

por:

Pmax = Imax× Vmax (4)

O ponto C da Figura 7 ´e chamado de ponto de máxima potência (PMP), o qual é ponto de opera¸c˜ao Pmax,Imax, Vmax onde a sa´ıda é maximizada. Pode-se escrever a

(33)

potência m´axima Pmax, em fun¸cão de um parâmetro adicional chamado fator de forma,

FF, podendo-se calcular a potˆencia m´axima da seguinte forma:

Pmax = ISC × VOC × F F (5)

Fazendo-se uso da Equa¸c˜ao (4) pode-se reescrever a Equa¸c˜ao (5) da seguinte forma:

F F = Pmax ISCVOC

= ImaxVmax

ISCVOC

(6)

O valor de FF, descreve a caracter´ıstica da curva I-V. Para célula FV de qualidade, esse valor atinge valores torno de 0,7 para as condi¸cões de teste. Porém esse valor diminui a medida que a temperatura aumenta, como será visto mais adiante nessa se¸cão.

Figura 8 – Rela¸cões Potência-Tensão caracter´ısticas de uma célula solar de Si.

C

E

𝐼

á

𝑉

á

0 P

V

Fonte: adaptado de Kalogirou (2013)

Eficiência é um outro parâmetro que descreve a performance de uma célula FV. A eficiência de convers˜ao fotovoltaica ηF V é definida pela razão entre a potência elétrica

gerada, pela irradiˆancia solar incidente sobre as c´elula (GT), conforme equacionado na

Equa¸c˜ao (7). ηmax = Ppmp Pirrad = VmaxImax AGT (7) Onde:

(34)

• Ppmp - Potência no ponto de máxima potência;

• Pirrad - potência luminosa sobre a área da célula FV;

• Vmax - tensão no ponto de máxima potência;

• Imax - corrente no ponto de m´axima potˆencia;

• A - ´area da c´elula solar[m2_];

• GT - irradia¸c˜ao solar [W/m2]

A eficiência declarada pelo fabricante, é determinada sob condi¸cões padronizadas de teste, considerando o n´ıvel de irradiˆancia solar de 1000W/m2 perpendicular à superf´ıcie da célula, temperatura da célula fotovoltaica de 25◦C e espectro da irradia¸c˜ao solar distribu´ıdo de sob um ângulo de eleva¸c˜ao de 41,8◦ através da atmosfera (AM1,5)5 (KRAUTER, 2010).

Por razões f´ısicas, a eficiência da conversão FV de uma célula de sil´ıcio, tem um limite teórico de 28%, as células FV dessa tecnologia hoje no mercado possuem eficiência em torno de 16% (KRAUTER, 2010).

As caracter´ısticas da curva I-V observada na Figura 7, s˜ao v´alidas apenas para para certo n´ıvel de irradia¸c˜ao (GT), e temperatura da c´elula TC. Os efeitos desses dois

parˆametros sobre as caracter´ısticas da curva I-V s˜ao ilustradas na Figura 9.Como mostrado na Figura 9 a tens˜ao de circuito aberto VCA, aumenta logaritmicamente com o n´ıvel de

irradia¸c˜ao solar (Gt), enquanto a corrente de curto-circuito (ICC) cresce linearmente.

A influência da temperatura na célula é mostrada na Figura 9b, o principal efeito do incremento da temperatura pode ser observado na tens˜ao de circuito-aberto (VCA) que

decresce linearmente conforme, diminuindo portanto a eficiência da c´elula (η). Nesse caso, também pode ser observado que há um pequeno incremento da corrente de curto-circuito (ICC) com o aumento da temperatura.

Portanto dados aos efeitos da irradiância e temperatura ao longo do dia, a tensão ideal (para que máxima potência possa ser extra´ıda da célula) a ser aplicada sobre os terminais da célula FV variam. Será visto mais a frente que o inversor de potência tem um papel fundamental em garantir que a máxima potência seja obtida da célula, esse recurso ´

e chamado rastreamento de ponto de potˆencia m´axima (MPPT).

(35)

Figura 9 – Influência da radia¸cão solar e temperatura nas caracter´ısticas da curva I-V de uma célula fotovoltaica.

𝐼 0 I 𝑉 á 0 V 0 I 𝐼 𝑉 á 0 I V Irradiância Temperatura da Célula FV (a) (b)

2.1.1.3 Associa¸cão de células e módulos fotovoltaicos

Na prática, painéis solares podem ser conectados em série ou paralelo. A Figura 10 ilustra como a curva I-V é modificada no caso de duas células FV idênticas serem conectadas em série ou paralelo. Como pode ser visto no caso das células serem colocadas em paralelo a tensão de circuito aberto permanece inalterada entretanto a corrente de curto-circuito duplica; no caso da conexão ser feita em série a tensão de cicútio aberto dobra enquanto a corrente de curto-circuito permanece a mesma.

Figura 10 – Conexão em série e paralelo de dois painéis solares idênticos. (a) Conexão em paralelo.(b) Conexão em série.

𝐼 + 𝐼 0 I 𝑉 0 V 0 I 𝐼 0 I V Duas células (a) (b) Uma célula 𝐼 , 𝐼 𝑉 , 𝑉 𝑉 , 𝑉 Uma célula Duas células

Na conexão em série o terminal positivo de um painel solar é ligado ao terminal negativo de outro painel, assim subsequentemente, até que se o n´ıvel de tensão desejado

(36)

seja alcan¸cado. Já na associa¸cão em paralelo os terminais positivos são conectados entre si bem como os terminais negativos. Em uma planta fotovoltaica têm-se as duas configura¸cões, que possibilitam a gera¸cão de energia em correntes e tensões adequadas para aplica¸cões prática (PINHO; GALDINO, 2014). A Figura 11 apresenta um diagrama esquemático com as nomenclaturas que diferentes configura¸cões de células podem levar, de acordo com as liga¸cões que são feitas entre elas.

Figura 11 – Esquema de conex˜ao de m´odulos fotovoltaicos.

Módulo FV

Células solares conectadas em série

"String"

Módulos FV em série

"String" é projetada para fornecer nível de potência adequado para o

inversor utilizado. Em alguns sistemas pequenos, a

"String" é o próprio "Array"

"Array" Strings em paralelo Módulo FV ≈36 células 36 células em série = 12V nominal (Vmp 18V aprox.) 72 células em série = 24V nominal (Vmp 36V aprox.) Célula FV 0,5V 5A = 2.5watts

Fonte: Adaptado: Stapleton e Neill (2012)

2.1.2 Sistemas Fotovoltaicos

Existem três configura¸cões distintas de instala¸cões FV podendo estes ser: Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFI) - que em geral necessitam de algum tipo de armazenamento

(37)

sendo estes geralmente baterias, Sistemas Fotovoltaicos Conectados `a Rede (SFVCR) e Sistemas H´ıbridos (SFH) (PINHO; GALDINO, 2014).

2.1.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFI)

Os sistemas fotovoltaicos isolados são também chamados de sistemas autônomos, são empregados em locais onde não há servi¸co de distribui¸cão elétrica. Esse tipo de instala¸cão é comum em zonas rurais, ilhas ou qualquer outro lugar remoto, distante dos principais centros de consumo de energia, o que torna a constru¸cão de redes elétricas para essas regiões financeiramente inviáveis para as concessionárias de energia.

Nesse tipo de sistema o gerador, independentemente da natureza da matriz energética, deve ter potência nominal suficiente para atender à carga a qualquer instante de tempo. Dessa forma o dimensionamento do mesmo deve ser feito de forma que a demanda máxima requisitada pela carga seja atendida. No caso de um sistema residencial convencional, a demanda máxima pode ocorrer em horários onde não haja incidência solar suficiente para atender à potência demandada. Portanto, é necessário que hajam baterias, ou outros acumuladores de energia, que não só sejam capazes de armazenar o excesso de energia gerada, mas que possam entregar a potência para estas situa¸cões de alta demanda.

Sob o ponto de vista da instala¸cão fotovoltaica, sistemas isolados diferem grande-mente dos sistemas conectados à rede de energia. Naquela configura¸cão há necessidade de uma unidade responsável pelo controle e condicionamento de potência, composta por um inversor (que e converte a energia cont´ınua para alternada em casos de necessidade) e um controlador de carga o qual distribui a energia gerada entre as cargas enviando o excedente para as baterias. A carga da bateria é administrada por esse dispositivos obedecendo seu perfil de carga da mesma, prolongando a vida útil das baterias e oferecendo diversos tipo de prote¸cão. Portanto para todo o tipo de instala¸cão fotovoltaica com baterias o controlador de carga é um dispositivo obrigatório (VILLALVA, 2013).

Em sistemas fotovoltaicos isolados o uso de baterias é indispensável, pois a instala¸cão não é conectada na rede de energia, logo a bateria funciona como um elemento que armazena o excedente da energia gerada durante o dia a qual fica dispon´ıvel para posterior consumo durante as horas da noite. Na maioria dos sistemas fotovoltaicos a bateria também funciona como uma fonte de tensão estável para o controlador de carga e o inversor de frequência, isso é necessário visto que a tensão nos terminais dos módulos é

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inst´avel devidos efeitos de sombreamento que ocorrem durante o dia que geram perfil de tens˜ao com diversas rampas.

2.1.2.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados `a Rede (SFVCR)

Diferentemente do sistema autônomo, o sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica opera em locais já atendidos pela rede, operando em paralelismo com a mesma. Esse tipo de sistema supre parcialmente ou totalmente a demanda de consumidores residenciais, comerciais e industriais, direcionando o excedente da energia gerada para a rede de distribui¸cão à qual o consumidor está ligado. Em alguns pa´ıses esse excedente é revertido em compensa¸cões monetárias para o produtor, já a legisla¸cão brasileira (ANEEL, 2012) permite apenas que esse excedente seja revertido em créditos na conta de luz do consumidor.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede podem ser classificados de acordo com a maneira como a gera¸cão é configurada, podendo estas serem centralizadas, constituindo-se plantas com centenas de módulos fotovoltaicos, que somam grande capacidade de gera¸cão elétrica; ou micro e mini-sistemas que possuem natureza distribu´ıda conectadas radial-mente no sistema de distribui¸cão, sistemas os quais podem ser instalados por consumidores comuns. De acordo com Villalva (2013) os SFVCR podem ser divididos em três categorias.

Microgera¸cão: potência instalada até 100kW;

Minigera¸cão: potência instalada entre 100kW e 1MW; Usinas de eletricidade: potência acima de 1MW.

Neste trabalho será dado foco aos efeitos da Micro e Minigera¸cão FV em sistemas de distribui¸cão, portanto será abordado mais a fundo aos elementos constituintes desses sistemas, de modo que esse conhecimento seja usado para modelar os equipamentos nas simula¸cões.

2.1.2.3 Sistemas H´ıbridos (SFH)

Os sistemas h´ıbridos, levam esse nome pois possuem outras fontes de gera¸cão de energia além da fotovoltaica por isso são chamados de h´ıbridos. Podendo também ter parte de sua matriz energética composta por energia eólica, queima de combust´ıveis fósseis

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entre outra fontes. Devido à sua complexidade, estes sistemas necessitam de algum tipo de controle capaz de integrar os vários geradores, de forma a otimizar a opera¸cão para o usuário. Em geral este sistema é utilizado para atendimento a cargas em corrente alternada (CA) necessitando-se, portanto, de um inversor (PINHO; GALDINO, 2014).

2.1.2.4 Fator de capacidade (FC)

O fator de capacidade é um dos ´ındices utilizados na caracteriza¸cão de empre-endimentos de gera¸cão de energia elétrica. Este indicador pode ser calculado pela razão da energia fornecida pelo equipamento dentro do intervalo de tempo definido, pelo total da energia que o equipamento teria fornecido se estivesse operando em potência nominal dentro desse intervalo de tempo.

Para aplica¸cões solares, o fator de capacidade é expresso para um intervalo de tempo de 24horas, e pode ser escrito conforme equa¸cão abaixo (URBANETZ et al., 2010):

F C = Rt2 t1 Psaídadt PF V × (t2− t1) (8) Onde:

• Psaída - é a potência instantânea gerada nos módulos fotovoltaicos;

• PF V - é potência de pico do conjunto de módulos FV no sistema;

• t1 e t2 - valores inicial e final do intervalo de tempo observado.

2.1.2.5 Penetra¸c˜ao Fotovoltaica (F Vpen)

Outro ´ındice utilizado para caracterizar um sistema de gera¸cão distribu´ıdo é a penetra¸cão fotovoltaica, este ´ındice é a razão do potencial FV instalado no sistema de distribui¸cão pela soma de todas as cargas instaladas. A penetra¸cão FV esta expressa na Equa¸cão (9). F Vpen= Pn i=1PF V(i) Pm j=1PCarga(j) (9) Onde:

• PF V(i) - a potˆencia de pico da i-´esimo gerador FV instalado da rede [kW ];

• PCarga(j) - a carga instalada da j-´esima unidade consumidora da rede;

• n - total de geradores FV instalados na rede; • m - total de unidades consumidoras na rede;

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2.1.3 Inversores e outros componentes de sistemas FV

Os sistemas fotovoltaicos de microgera¸cão são pequenos sistemas, com potência de até 100kW que englobam geralmente pequenas instala¸cões residenciais e comerciais de baixo consumo de energia. Já a minigera¸cão é geralmente observada em comércios e industrias, que possuem potência de gera¸cão fotovoltaica entre 100kW até 1MW.

Os principais componentes de um conjunto fotovoltaico são os módulos FV e o inversor do qual será abordado na próxima se¸cão. Os demais elementos necessários são conhecidos coletivamente como balance of system equipment (BoS) e frequentemente devem obedecer a regula¸cões regionais e/ou nacionais dependendo de onde o conjunto fotovoltaico seja instalado (HANKINS, 2010). Os componentes principais que compõem o BoS são listados abaixo:

• Cabeamento CC incluindo o cabeamento inter-array (cabeamento usado para conec-tar os vários módulos e strings juntos para formar um painel fotovoltaico), o cabo do gerador fotovoltaico para a caixa combinadora PV (se necessário) e o cabo da caixa combinadora fotovoltaica para o inversor.

• Combinador fotovoltaico, normalmente necess´ario apenas quando o gerador fotovol-taico tem mais de uma cadeia paralela e est´a localizado entre o gerador fotovoltaico e o inversor.

• Caixas de jun¸cão do módulo localizadas na parte de trás de cada módulo; nessa caixa estão os fios usados para conectar as células fotovoltaicas que formam o módulo. • Os dispositivos de prote¸cão e desconexão, como os disjuntores / seccionadores

principais CC e CA, são frequentemente exigidos por muitos padrões e códigos locais. • Prote¸cão contra raios e surtos.

• Medi¸cão: o edif´ıcio terá um medidor de eletricidade usado para medir os fluxos de eletricidade dentro e fora da edifica¸cão. Os instaladores podem incorporar esse medidor no novo sistema fotovoltaico ou instalar um novo medidor, dependendo se o medidor atual atende aos requisitos do sistema. Os medidores podem ser brutos ou l´ıquidos.

• Cabeamento CA conectando ao inversor ao medidor e o medidor `a rede el´etrica. • Aterramento / cabos de aterramento para o array.

• Monitoramento: a maioria dos sistemas fotovoltaicos incorpora algum tipo de moni-toramento para que o propriet´ario possa ver as sa´ıdas de seu sistema e quaisquer

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problemas, como uma diminui¸c˜ao na produ¸c˜ao de energia, possam ser rapidamente identificados.

Neste trabalho será dado foco às caracter´ısticas dos inversores que compõem o sistema fotovoltaico.

2.1.3.1 Inversores para a conexão à rede elétrica

Os inversores utilizados em instala¸cões fotovoltaicas, têm como fun¸cão principal converter a corrente cont´ınua gerada nos módulos fotovoltaicos em corrente alternada, que pode ser então tanto, consumida pelo usuário quanto enviada para a rede de distribui¸cão.Nos sistemas autônomos os inversores CC-CA fornecem tensões elétricas alternadas em seus terminais. Já nos sistemas conetados à rede os inversores CC-CA funcionam como fonte de corrente e não tem a capacidade de fornecer tensão para os consumidores. Este tipo de inversor funciona apenas quando a rede elétrica estiver operando dentro de determinados n´ıveis de tensão e frequência. Todos os inversores conectados à rede possuem as fun¸cões básica descritas abaixo:

• Converter corrente cont´ınua do array FV em corrente alternada, a qual pode ser utilizada pelo usuário ou enviada para a rede de distribui¸cão através do medidor de energia. Sem esse tipo de inversor é imposs´ıvel exportar a energia fotovoltaica gerada para a rede de distribui¸cão.

• Garantir que a potência alimentada para a rede de distribui¸cão está dentro dos n´ıveis de tensão e frequência especificados pela concessionária. Caso o inversor não seja capaz de converter a potência CC para condizer com a frequência e tensão adequada da rede, o equipamento não deve transmitir energia para a rede.

• Utilizar o recurso de MPPT (rastreamento de ponto de potência máxima) para garantir que a máxima potência poss´ıvel está sendo extra´ıda do array fotovoltaico, para as atuais condi¸cões de insola¸cão e temperatura.

• O inversor tem sistemas de prote¸cão embutidas, para garantir que o inversor se auto-desligue quando a rede de distribui¸cão não está operando dentro dos n´ıveis tolerados de tensão ou frequência.

Os inversores conectados `a rede podem possuir algumas diferen¸cas as quais est˜ao relacionadas aos fatores abaixo:

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• se o inversor possui ou não um transformador; • a frequência de comuta¸cão do inversor ;

• como o array FV e o inversor se conectam um com o outro; • se o inversor permite entrada de um ´unica ou m´ultiplas strings;

• se o inversor foi desenvolvido para alimenta¸cão monofásica ou trifásica.

2.1.3.2 Rastreamento do ponto de m´axima potˆencia MPPT

Conforme abordado na Subsubse¸cão 2.1.1.2 o MPPT (Maximum Power Point Tracking), ou rastreamento do ponto de máxima potência, tem a fun¸cão de garantir que para todo instante de tempo a potência entregue pelo conjunto de módulos fotovoltaicos seja máxima levando-se em conta o n´ıvel de irradia¸cão e temperatura do módulo a Figura 7 ilustra a rela¸cão tensão-potência no MPPT.

Devido às condi¸cões de insola¸cão e temperatura variarem aleatoriamente ao logo do dia, o propósito dessa fun¸cão, nos inversores conectados à rede, é encontrar uma tensão ´

otima a ser aplicada pelo inversor nos terminal do conjunto. Essa tensão proporcionará que os módulos entreguem a potência máxima poss´ıvel para as condi¸cões de temperatura e insola¸cão naquele momento.

O princ´ıpio de funcionamento do MPPT consiste em um algoritmo, alterando in-tencionalmente a tensão terminais do conjunto fotovoltaico, e observando o comportamento da potência fornecida pelo conjunto determina a tensão ideal para a melhor eficiência do equipamento. O algoritmo consiste em incrementar ou decrementar a tensão em pequenos steps até que encontre um ponto de máximo na curva PxV o joelho da curva ilustrada na Figura 8.

Para os casos onde há sombreamento parcial de uma string conectada ao inversor o perfil da curva PxI apresenta outra forma, nesse tipo de situa¸cão a curva PxI apresenta um máximo local e um global, e o algoritmo pode nesse caso situar o n´ıvel da tensão em um m´ınimo local.

Uma estratégia para contornar esse problema é em casos onde o sombreamento é inevitável, na concep¸cão do projeto, o projetista prefira que o sombreamento ocorra apenas sobre apenas uma sobre uma string do que parcialmente em várias (VILLALVA, 2013). Em conjunto com essa a¸cão, o projeto deve contemplar inversores multi-strings (explicado em Subsubse¸cão 2.1.3.4) dessa forma o inversor aplicará a tensão ideal para a obten¸cão

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de máxima potência individualmente para cada uma das string conectadas no mesmo, eliminando a possibilidade do inversor trabalhar em um máximo local na curva PxV.

2.1.3.3 Inversores String

São utilizados em sistemas de pequeno porte que variam 1kWp ate 11kWp. Inversores desse tipo possuem apenas um rastreador de ponto de potência (MPPT) e a tensão CC entrada pode variar de extra baixa tensão (ELV) até 1000 volts CC (baixa tensão, LV). Esse tipo de inversor pode ser conectado em grande variedade de maneiras conforme as configura¸cões estão ilustradas nas figuras: Figura 12, Figura 13 e Figura 14.

Figura 12 – Inversor string conectado em apenas uma string de m´odulos fotovoltaicos.

Inversor String Quadro de distribuição Rede Inversor de String Quadro de distribuição Rede Inversor String

Fonte: Stapleton e Neill (2012)

Figura 13 – Esquema de inversor string com conex˜ao de m´ultiplas strings na mesma entrada do inversor Inversor String Quadro de distribuição Rede Inversor de String Quadro de distribuição Rede Inversor String