INTRODUÇÃO
Os sistemas fotovoltaicos possuem características particulares de acordo com a sua potência instalada, energia gerada e tecnologias empregadas. Diferentes usinas podem ser comparadas em função destas características e do local de instalação atrelado ao índice de irradiação disponível no plano do painel fotovoltaico (FV). É interessante utilizar a performance de cada usina instalada, e os índices de mérito expressam em valores e porcentagens o comportamento destes sistemas. Os índices de mérito se classificam em: Fator de Capacidade, Produtividade e Taxa de Desempenho.
O estudo do desempenho de sistemas fotovoltaicos contribui para o desenvolvimento e operação trazendo maior confiabilidade para os sistemas fotovoltaicos (MELLO, 2016).
Os índices de mérito estão relacionados à eficiência, energia, produtividade, desempenho e as perdas do sistema fotovoltaico (RAMPINELLI, 2010; FUSANO, 2013).
O IEA-PVPS, International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programm, padronizou a prática de monitoramento de sistemas fotovoltaicos, elaborando os índices de mérito. Esses índices são ferramentas de analise que permitem avaliar o desempenho dos sistemas fotovoltaicos, parâmetros que que caracterizam equipamentos, sistemas ou tecnologias de acordo com a sua performance de conversão de energia (MELLO, 2016).
É possível entender e determinar as perdas que ocorrem no sistema fotovoltaico que não podem ser mensuradas em uma avaliação direta do equipamento (MOREIRA et al., 2017).
ÍNDICES DE MÉRITO
Existem três parâmetros de performance que são utilizados para definir a eficiência de um sistema fotovoltaico conectado à rede: Fator de Capacidade (FC); Produtividade ou Yield (Final Yield ou 𝑌𝐹); e a Taxa de Desempenho (Performance Ratio ou PR).
Com a análise desses índices de mérito é possível comparar o desempenho de diversos sistemas operando com configurações, design, e tecnologias distintas e em diferentes localidades (FUSANO, 2013). Com esta análise realizada é possível identificar falhas nos sistemas (MELLO, 2016). Assim, é possível otimizar o sistema maximizando a eficiência de sistemas fotovoltaicos em novas aplicações (MELLO, 2016).
IRRADIAÇÃO SOLAR
Um dos parâmetros monitorados é a irradiação solar que está relacionada ao recurso solar disponível para o sistema fotovoltaico (MELLO, 2016). A irradiação média no plano do arranjo fotovoltaico H (γ,β) , sendo γ o ângulo do desvio azimutal e β a inclinação do arranjo fotovoltaico em relação ao plano horizontal, é definida pela equação abaixo. (IEC, 1998).
H (γ,β) = 1/Ƭ ∫G(t).dt
Onde:
G = irradiância no plano do arranjo fotovoltaico;
Ƭ = período de operação do sistema.
EFICIÊNCIA GLOBAL
Para determinar a eficiência global do sistema, é necessário calcular a razão entre a energia elétrica em corrente alternada entregue pelo sistema e a energia solar disponível para o arranjo fotovoltaico efetuar a conversão. A eficiência é dada pela equação abaixo. (IEC, 1998).
Onde:
n_s= eficiência global do sistema FV;
E_CA = energia elétrica entregue à rede;
E_FV= energia solar disponível para conversão no arranjo fotovoltaico;
P_CA = potência elétrica entregue à rede;
A_fv = área do arranjo fotovoltaico.
FATOR DE CAPACIDADE
O Fator de Capacidade representa a proporção entre a produção de energia real de um determinado sistema e a produção total teórica máxima se o sistema operasse todo o período analisado em sua potência nominal na condição STC (1000W/m2 e 25⁰C) em um período sendo responsável pela comparação das diferentes fontes de energia e suas gerações, conforme a equação 3 (IEC, 1998).
Ou alternativamente:
Onde:
E_CA= energia elétrica entregue à rede;
E_STD = energia elétrica que seria entregue à rede se o sistema operasse todo o período analisado na potência do sistema em condição padrão;
P_CA = potência elétrica ativa entregue à rede;
P_STD = potência do sistema na condição padrão.
PRODUTIVIDADE OU YIELD
O índice de produtividade ou yield (𝑌𝐹 ou Final Yield) de um sistema reflete o desempenho de cada usina fotovoltaica, normalizado em relação à potência instalada, isto é, representa o quanto de energia elétrica um sistema produz, em kWh, por unidade de potência nominal instalada, em kWp normalizado em 1 kWp com objetivo de comparar a produtividade de determinadas plantas (MELLO, 2016). Este índice é dado em horas de sol na condição STC (1000 W/m2) no determinado período de estudo.
A produtividade está vinculada a um intervalo de tempo, normalmente atrelado a um ano de operação, podendo ser também considerado mensalmente. Esse índice é obtido através da equação abaixo (MOREIRA et al., 2017).
ou alternativamente:
A produtividade de referência é determinada abaixo. Este parâmetro caracteriza o recurso local onde o sistema estaria instalado. Este índice é dado em horas de sol na condição STC (1000 W/m2) em determinado período de estudo (IEC, 1998).
TAXA DE DESEMPENHO OU PERFORMANCE RATIO
A comparação entre a produtividade do sistema e a produtividade de referência é geralmente o parâmetro de performance para sistemas fotovoltaicos conectados à rede que representa a eficiência de todo o sistema de conversão de energia (MELLO, 2016). Assim, os dados sobre a energia produzida e sobre a energia disponível em forma de radiação solar são necessários para a determinação do rendimento do sistema FV (IEA-PVPS, 2014).
A taxa de desempenho ou performance ratio leva em consideração as perdas ocorridas no processo de conversão da energia solar em eletricidade. Representa a real capacidade em converter a energia solar disponível no plano dos painéis em eletricidade CA, normalmente vinculada a um ano de operação. Assim, é a relação percentual entre a energia elétrica entregue pelo sistema fotovoltaico e a energia solar que está disponível na superfície do painel. Esta diferença entre a energia disponibilizada e a entregue pelo sistema fotovoltaico é atribuída a diversas perdas, as quais nem sempre são mensuráveis, tais como temperatura, sombreamento, sujidade, perdas nos condutores, perdas nos inversores, entre outras. Fenômenos como sombreamento, aumento da temperatura, a degradação dos módulos, defeitos no inversor e o mau dimensionamento do inversor são fatores que influenciam na diminuição do índice PR (IEA-PVPS,2014).
Este índice pode ser calculado pelas equações abaixo.
ESTUDO DE CASO
O sistema estudado em questão é de uma distribuidora localizada no bairro Fazendinha, em Curitiba – PR, conforme figura 1.
Dados do local:
Endereço: R. Arnaldo Thá, 1158
Latitude: -25.485546
Longitude: -49.334911
Inclinação do telhado: 12º
Azimute: 135º sudeste
Esse sistema é constituído de um inversor da marca Ginlong de 15 kW, com potência máxima de saída em 16,5 kW. A quantidade de módulos instaladas nesse local é de 58 módulos fotovoltaicos, da marca Jinko, com potência individual de 340 Wp. A potência pico total do sistema é 19,72 kWp.
O inversor possui 2 MPPTs, com 2 strings cada MPPT.
Na primeira MPPT foram ligados 40 módulos, 20 em cada string, não excedendo a tensão máxima do inversor. Na segunda MPPT foram ligados duas strings com 9 módulos em série cada, o que contém tensão suficiente para partir o inversor.
Figura 1 – localização do empreendimento.
Figura 2 – vista do local no google earth
A figura 3 mostra a geração mensal do sistema em questão, utilizando a plataforma da própria fabricante de inversor:
Figura 3 – Geração de energia mensal do sistema
Utilizando o RADIASOL, obteve-se a irradiação no plano do modulo fotovoltaico. Para isso, colocou-se os dados de latitude e longitude do local, além da irradiação já convertida em kWh/m², coletada no site do INMET, conforme figura 4 e figura 5. Os dados inseridos foram apenas do mês de janeiro até março de 2021.
Figura 4 – dados inseridos no radiasol
Figura 5 – dados coletados no plano do modulo FV
CALCULAR OS ÍNDICES DE MÉRITO DO SFVCR
Os índices de mérito são três: fator de capacidade (FC), produtividade ou yield e a taxa de desempenho, ou ainda, performance ratio (PR).
FATOR DE CAPACIDADE (%)
Utiliza-se a fórmula: FC=(Energia Gerada)/(Potência FVx24xdias) (%)
YIELD (kWh/kWp)
Utiliza-se a fórmula: Y=(Energia Gerada)/(Potência FV) (kWh/kWp)
PERFORMANCE RATIO (kWh/kWp)
Utiliza-se a fórmula: PR=(Energia Gerada)/(Irradiação/1000) (%)
CONSIDERAÇÕES FINAIS
É importante entender e calcular esses índices de mérito para verificar se o que foi prometido ao cliente final está sendo cumprido e, se não está, o motivo do sistema não estar conseguindo gerar o que foi estimado.
O Sistema fotovoltaico é influenciado por diversos fatores, tais como, método de instalação, local de instalação, inclinação dos módulos fotovoltaicos, tipo e modelo de inversor, tipo e modelo de módulo, condições climáticas, entre outros. Então, conhecer o problema para poder solucionar é a maneira mais fácil de lidar com ele. Com os índices é possível ter uma ideia do que pode estar ocorrendo com o Sistema fotovoltaico em questão. A análise dos índices de mérito é relevante para a compreensão e determinação de perdas ocorridas em sistemas fotovoltaicos, assim como, identificar falhas nos sistemas possibilitando a otimização do sistema e maximizando a eficiência de novos sistemas fotovoltaicos e o tornando mais confiável.
É perceptível que o fator de capacidade de um Sistema fotovoltaico não será tão alto, pois ele consegue gerar por algumas horas, ao contrário de uma usina hidrelétrica por exemplo, cuja capacidade de geração é de praticamente 24 horas.
Já o PR, ficou acima de 70%, o que é muito bom para um Sistema fotovoltaico, visto que muitos fatores influenciam em seu desempenho. Entretanto, se visto no gráfico comparando com a geração, fevereiro teve uma performance ratio menor, mas com mais geração.
REFERÊNCIAS
URBANETZ, JAIR. Sistema Fotovoltaicos Conectados à Rede. p.109. 2020
URBANETZ JR, J.; CHINVELSKI, T.; SIMÃO, C. A. F.; MAKISHI, L. M. M. Primeiro Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica Homologado pela COPEL. V Congresso Brasileiro de Energia Solar – Recife, 2014.
PINHO, João T.; GALDINO, Marco A.; Grupo de Trabalho de Energia Solar (GTES). CEPEL - GTES. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro, 2014, 529 p.
MELLO, Arthur Durigon. Análise de desempenho de sistemas fotovoltaicos conectados à rede a partir da determinação de índices de mérito. 2016. 46 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Energia, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Araranguá, 2016. Disponível em:< https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/164812/TCC%20%20Vers%C3%A3o%20Final.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Acesso em 18 de maio de 2022.
MOREIRA, A. DOS R.; MOREIRA, B. L. P.; SILVEIRA, C. DE O. Estudo de viabilidade da geração distribuída por sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica em Curitiba. Trabalho de Conclusão de Curso - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, 2017.
FUSANO, Renato Hideo. Análise Dos Índices De Mérito Do Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede Do Escritório Verde Da UTFPR. 2013. 94 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
IEA. International Energy Agency. IEA-PVPS. Analysis Of Photovoltaic Systems. St. Ursen: Report Iea-pvps T2-01: 2000, 2000. 233 p.
IEA. International Energy Agency. IEA-PVPS. Analytical Monitoring of Grid-connected Photovoltaic Systems: Good Practices for Monitoring and Performance Analysis. St. Ursen: Report Iea-pvps T13-03:2014, 2014. 90 p.
IEA. International Energy Agency. Photovoltaic Power Systems Programme. Snapshot of Global Photovoltaic Markets, 2018. Report IEA PVPS T1-33:2018. Disponível em: <http://www.iea-pvps.org/ >.
IEA. International Energy Agency. Power Systems Programme. Trends 2017 in Photovoltaic Applications, 2017. Report IEA PVPS T1-33:2017. Disponível em: <http://www.iea-pvps.org/ >.
RAMPINELLI, Giuliano Arns. Estudo De Características Elétricas E Térmicas De Inversores Para Sistemas Fotovoltaicos Conectados À Rede. 2010. 285 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010.