WILLIAN PAULINO BARATELI AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA INSERÇÃO MASSIVA DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ROSANA – SP 2021 WILLIAN PAULINO BARATELI AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA INSERÇÃO MASSIVA DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia de Energia do Campus Experimental de Rosana, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia de Energia. Orientador: Prof. Dr. Lucas Teles de Faria ROSANA – SP 2021 WILLIAN PAULINO BARATELI BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. LUCAS TELES DE FARIA Orientador/UNESP-Rosana Prof. Dr. JOSÉ FRANCISCO RESENDE DA SILVA UNESP-Rosana Prof. Drª. LETÍCIA SABO BOSCHI UNESP-Rosana Agosto 2021 ESTE TRABALHO DE GRADUAÇÃO FOI JULGADO ADEQUADO COMO PARTE DO REQUISITO PARA OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE “GRADUADO EM ENGENHARIA DE ENERGIA” APROVADO EM SUA FORMA FINAL PELO CONSELHO DE CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ENERGIA Prof. Dr. JOSÉ FRANCISCO RESENDE DA SILVA Coordenador AGRADECIMENTOS A Deus, pela minha vida, e por me permitir ultrapassar todos os obstáculos encontrados ao longo da realização deste trabalho, e durante a jornada na faculdade. A minha família que sempre me apoiaram e deram suporte para chegar até aqui, os puxões de orelha, mas que eram para o meu bem. A minha noiva pelo amor e carinho, que sempre esteve do meu lado durante a realização deste trabalho, me consolando nos momentos difíceis, e me ajudando a ser uma pessoa melhor. Agradeço à experiência adquirida durante o estágio e como funcionário da empresa ENGPONTAL. Essa experiência foi valiosa para a execução deste trabalho. A todos os colaboradores dela e de outras empresas que trabalhamos juntos na realização de algum serviço, que foram peças de extrema importância para todo aprendizado prático e teórico que adquiri e agregou muito para minha carreira profissional. Agradeço a todos os professores por me proporcionar o conhecimento não apenas racional, mas a manifestação do caráter e afetividade da educação no processo de formação profissional, por tanto que se dedicaram a mim, não somente por terem me ensinado, mas por terem me feito aprender. А palavra mestre, nunca fará justiça aos professores dedicados aos quais sem nominar terão os meus eternos agradecimentos. RESUMO A rede de distribuição de energia elétrica deve possuir um grau de qualidade que permita o funcionamento dos inversores dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Esses inversores são chamados de on-grid e monitoram a rede elétrica de forma que fornecem energia somente se a rede estiver presente e com seus níveis de tensão e frequência dentro dos limites de parâmetros dos inversores. Este trabalho apresenta um estudo de caso real realizado no distrito de Primavera Município de Rosana SP sobre como a qualidade da energia da rede de distribuição local impacta no mau funcionamento de inversores de energia solar fotovoltaica conectados à rede. Os sistemas fotovoltaicos deste estudo se desconectavam da rede várias vezes por ela estar com os limites de tensão fase-neutro acima dos parâmetros dos inversores devido à inserção de grande potência de GSF no mesmo ponto de conexão. Problema que foi solucionado alterando configuração de conexão dos inversores. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Fotovoltaicos Conectados à Rede. Geração Distribuída. Qua- lidade de Energia. Inversores. ABSTRACT The electricity distribution network must have a quality level that allows the operation of the inverters of photovoltaic systems connected to the grid. These inverters are called on-grid and they monitor the electrical grid so that they only supply energy if the grid is present and with its voltage and frequency levels within the inverter limits. This work presents a real case study carried out in the district of Primavera Município de Rosana SP on how the energy quality of the local distribution network impacts the malfunction of photovoltaic solar energy inverters connected to the grid. The photovoltaic systems in this study were disconnected from the grid several times because the voltage limits were above the inverter parameters due to the insertion of large GSF power at the same connection point. Problem that was solved by changing the inverter connection configuration. KEYWORDS: Grid connected PV Systems. Distributed generation. Power Quality. Inverters. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Ilustração de uma Usina Heliotérmica. .................................................................................................. 22 Figura 2: Insolação diária média anual do território brasileiro (horas). ................................................................ 23 Figura 3: Aumento na Geração Distribuída. .......................................................................................................... 24 Figura 4: Célula de silício monocristalino e de silício policristalino. ...................................................................... 25 Figura 5: Ilustração sistema fotovoltaico off-grid. ................................................................................................ 26 Figura 6: Ilustração sistema fotovoltaico on-grid. ................................................................................................. 26 Figura 7: Influência da radiação solar no comportamento do módulo fotovoltaico. ............................................ 27 Figura 8: – Influência da temperatura no módulo fotovoltaico. ........................................................................... 28 Figura 9: Caixa de conexões com diodos by-pass. ................................................................................................. 29 Figura 10: Local das Instalações no Distrito de Primavera. ................................................................................... 34 Figura 11: Vista dos inversores da entidade. ......................................................................................................... 35 Figura 12: Disposição dos Módulos Fotovoltaicos da entidade ............................................................................. 35 Figura 13: Vista frontal dos módulos fotovoltaicos da entidade. .......................................................................... 36 Figura 14: Vista lateral dos módulos da residência (telhado oeste). ..................................................................... 37 Figura 15: Vista frontal dos módulos da residência (telhado leste e oeste). ......................................................... 37 Figura 16: Vista dos módulos da residência (telhado leste e oeste ao fundo e norte à frente). ............................ 38 Figura 17: Vista dos módulos da residência de cima (telhado norte). ................................................................... 38 Figura 18: Vista de um dos inversores da residência. ............................................................................................ 39 Figura 19: Tensão de fase no inversor 3 da entidade. ........................................................................................... 40 Figura 20: Tensão de linha no inversor 3 da entidade. .......................................................................................... 40 Figura 21: Sistema da entidade 2020. ................................................................................................................... 41 Figura 22: Sistema da residência 2020. ................................................................................................................. 41 Figura 23: Sistema da entidade no pico de potência no dia. ................................................................................. 43 Figura 24: Sistema da residência pico de potência no dia. .................................................................................... 43 Figura 25: Sistema da entidade após correção. .................................................................................................... 44 Figura 26: Sistema da residência após correção. .................................................................................................. 44 LISTA DE SIGLAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC Duração de interrupção individual por unidade consumidora DICRI Duração da interrupção individual ocorrida em dia crítico por unidade con- sumidora DMIC Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora DRC Duração relativa da transgressão de tensão crítica DRP Duração relativa da transgressão de tensão precária FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FIC Frequência de interrupção individual por unidade consumidora GD Geração Distribuída GSF Geração Solar Fotovoltaica kW Quilowatt kWh Quilowatt-hora MPPT Rastreador de Máximo Ponto de Potência MW Megawatt P&D Pesquisa e Desenvolvimento PCH Pequena Central Hidrelétrica QEE Qualidade de Energia Elétrica SFCR Solar Fotovoltaica Conectada à Rede THDi Distorção Harmônica Total da corrente elétrica THDv Distorção Harmônica Total da tensão elétrica W/m² Watts por metro quadrado SUMÁRIO 1 ESCOPO DO TRABALHO 11 1.1 CONTEXTO E JUSTIFICATIVA _____________________________________________ 11 1.2 OBJETIVO _______________________________________________________________ 12 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ___________________________________________ 12 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES LIMPAS E RENOVÁVEIS 14 2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA __________________________________________________ 14 2.1.1 Energia Solar Fotovoltaica 15 2.1.2 Energia Solar Térmica 16 2.1.3 Energia Eólica 16 2.1.4 Biomassa 16 2.1.5 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH 17 2.2 VANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SETOR ELÉTRICO, PARA O CONSUMIDOR E PARA A SOCIEDADE ______________________________________ 17 2.2.1 Redução na Conta de Energia do Usuário 17 2.2.2 Sistema de Compensação de Energia 17 2.2.3 Redução das Perdas 18 2.2.4 Redução dos Impactos Ambientais 18 2.3 DESVANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SISTEMA ELÉTRICO ___ 18 2.3.1 Flutuação da Geração 18 2.3.2 Distorções Harmônicas 18 2.3.3 Fluxo de Potência Reverso 19 2.4 DEFICIÊNCIAS DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO QUE IMPACTAM DIRETAMENTE NO FUNCIONAMENTO DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA ________________________________________ 19 2.4.1 Afundamento de Tensão ou Subtensão 20 2.4.2 Elevação de Tensão ou Sobretensão 20 2.4.3 Distorções Harmônicas 20 3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 21 3.1 CONCEITOS SOBRE ENERGIA SOLAR ______________________________________ 21 3.1.1 Radiação Solar 22 3.1.2 Irradiância 22 3.1.3 Insolação 22 3.1.4 Massa de Ar 23 3.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ______________________________________________ 23 3.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NA INTERMITÊNCIA DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA _________________________________________________________ 27 3.3.1 Influência da Radiação Solar 27 3.3.2 Influência da Temperatura 27 3.3.3 Efeito de Sombreamento 28 4 QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA 30 4.1 INTRODUÇÃO____________________________________________________________ 30 4.2 PRODIST ________________________________________________________________ 30 4.3 QUALIDADE DO PRODUTO ________________________________________________ 30 4.3.1 Indicadores de Conformidade do Nível de Tensão em Regime Permanente 30 4.4 QUALIDADE DO SERVIÇO _________________________________________________ 31 4.4.1 Indicadores Coletivos de Continuidade 31 4.4.2 Indicadores Individuais de Continuidade 32 5 ANÁLISE DOS IMPACTOS DA QUALIDADE DE ENERGIA DEFICITÁRIA SOBRE OS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS 33 5.1 INTRODUÇÃO____________________________________________________________ 33 5.2 DESCRIÇÃO DAS INSTALAÇÕES FOTOVOLTAICAS __________________________ 33 5.3 DESCRIÇÃO DAS INTERRUPÇÕES NA geração solar fotovoltaica _________________ 39 5.4 SOLUÇÃO DOS PROBLEMAS DE DESCONEXÕES ____________________________ 43 6 CONCLUSÕES 46 6.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ____________________________________ 46 7 REFERÊNCIAS 47 11 1 ESCOPO DO TRABALHO De acordo com REN21 (2016), hoje os sistemas solares fotovoltaicos são as prin- cipais fontes de energia para os sistemas de geração distribuída. Entre os anos de 2015 e início de 2016, a energia solar e a energia eólica combinadas corresponderam a cerca de 77% dos novos sistemas de geração distribuída no mundo inteiro (apud Naruto, 2017). No Brasil de 2019 para 2020 houve 137% de aumento na geração de energia elétrica com as GDs segundo o BEN (2021). Ao longo deste trabalho, será tratado como a qualidade da energia deficitária da rede de distribuição local impacta nos inversores de energia solar fotovoltaica conectados à rede. 1.1 CONTEXTO E JUSTIFICATIVA Geração distribuída (GD) é o termo dado à energia elétrica gerada no local de con- sumo ou próximo a ele, sendo válida para diversas fontes de energia renováveis como a energia solar, eólica e hídrica. Além de proporcionar maior eficiência energética, pois mitiga as perdas da trans- missão e distribuição, a GD possibilita aos consumidores diminuírem seus custos com energia elétrica, colaborando para a robustez da matriz elétrica. Essas vantagens incluem trazer maior segurança energética e contribuição para o uso de uma energia limpa e renovável. Na GD, a redução da necessidade de linhas de transmissão de energia e o caráter descentralizado do sistema fazem com que os custos e os impactos ambientais próprios da ge- ração convencional sejam evitados. Como desvantagem a inserção da GD no sistema elétrico principal modifica os parâmetros que já estavam estabelecidos e modelados para os procedi- mentos de operação e manutenção da rede convencional. A GD também pode ocasionar sobre- tensões e fluxos de potência reverso em locais onde a proteção não está ainda dimensionada na forma direcional adequada. Os tipos de GD são: • Cogeradores; • Geradores de emergência; • Geradores para operação no horário de ponta; • Energia solar fotovoltaica; • Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCHs. 12 Dentre esses tipos falaremos sobre a energia solar fotovoltaica neste trabalho. Uma usina solar fotovoltaica é um sistema de grande ou pequeno porte onde a energia dos raios solares é convertida através dos painéis fotovoltaicos em energia elétrica para ser vendida para a rede no caso dos grandes sistemas e convertida em créditos para os sistemas de pequeno porte. Uma usina solar térmica é aquela que utiliza coletores solares para absorver a energia do sol e aquecer um fluido, armazenar o calor e utilizar para gerar vapor e alimentar uma turbina a vapor acoplada à um gerador elétrico. Os impactos da alta penetração fotovoltaica na rede de distribuição são: sobreten- são, distorção harmônica, perdas elétricas e alteração no fator de potência (DANTAS, 2019). A falta de atendimento a certos parâmetros de qualidade da energia elétrica que flui pela rede pode interferir no funcionamento da geração solar fotovoltaica (GSF) do tipo on-grid, fazendo o inversor se desconectar da rede elétrica e assim impedindo a geração de energia pelo sistema fotovoltaico. 1.2 OBJETIVO A maioria dos estudos focam nos impactos ocasionados pela geração solar fotovol- taica (GSF) na rede de distribuição tais como: sobretensão, sobrecorrente, aumento das perdas elétricas, fluxo reverso, etc. Esses aspectos também serão abordados neste estudo. No entanto, pretende-se dar ênfase no sentido contrário, isto é, no mau funcionamento dos sistemas fotovol- taicos devido à falta de atendimento de alguns parâmetros de qualidade da energia elétrica da rede de distribuição. Isso é feito através da análise de exemplos reais com unidades consumi- doras (UCs) residenciais e comercias do distrito de Primavera, Rosana, SP. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO A organização deste trabalho será feita da seguinte forma: No capítulo 2 abordará a GD com fontes limpas e renováveis. Serão apresentadas as vantagens e desvantagens da GD para o sistema elétrico e como a qualidade da energia elé- trica da rede de distribuição impacta diretamente na GSF. No capítulo 3 serão apresentados os conceitos de energia solar, os sistemas fotovol- taicos on-grid e off-grid e os fatores que influenciam na intermitência da GSF. No capítulo 4 serão apresentados conceitos fundamentais sobre a qualidade da ener- gia elétrica. 13 No capítulo 5 é feita a análise dos impactos da qualidade de energia deficitária sobre os sistemas solares fotovoltaicos reais e instalados em UCs residenciais e comerciais perten- centes ao distrito de Primavera, Rosana, SP. Em último, no capítulo 6, têm-se as conclusões deste estudo. 14 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES LIMPAS E RENOVÁVEIS Neste capítulo serão apresentados alguns aspectos introdutórios sobre a GD: defi- nição, como funciona, como são classificadas as fontes energéticas, suas vantagens e desvanta- gens, como a GD afeta a rede elétrica de distribuição e como ela é afetada pela rede elétrica no caso da inserção massiva da GSF. 2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA A GD é considerada um novo modelo de produção de energia elétrica, gerada pelo agente no local do consumo ou próximo de onde a energia será consumida. É um meio de produção de energia elétrica a partir de pequenas centrais geradoras que utilizam fontes de energia renováveis, como energia solar fotovoltaica, por exemplo, energia eólica ou biomassa (ESCRICH, 2020). A produção fotovoltaica ocorre no Ambiente de Contratação Regulada, onde as unidades são conectadas à rede da distribuidora, que será a responsável por emitir desde os pareceres de acesso (permitindo que a Usina entre em operação), até os documentos de fatu- ramento (que irão informar os créditos gerados pela usina) (ESCRICH, 2020). No Brasil, a definição de GD é feita pelo Artigo 14º do Decreto Lei nº 5.163 de 2004. Decreto nº 5.163 de 30 de julho de 2004 Regulamenta a comercialização de energia elétrica, o processo de outorga de conces- sões e de autorizações de geração de energia elétrica, e dá outras providências. Art. 14. Para os fins deste Decreto, considera-se geração distribuída a produ- ção de energia elétrica proveniente de empreendimentos de agentes concessionários, permissionários ou autorizados, incluindo aqueles tratados pelo art. 8o da Lei no 9.074, de 1995, conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do com- prador, exceto aquela proveniente de empreendimento: I - Hidrelétrico com capacidade instalada superior a 30 MW; e II - Termelétrico, inclusive de cogeração, com eficiência energética inferior a setenta e cinco por cento, conforme regulação da ANEEL, a ser estabelecida até de- zembro de 2004. Parágrafo único. Os empreendimentos termelétricos que utilizem biomassa ou resíduos de processo como combustível não estarão limitados ao percentual de eficiência energética prevista no inciso II do caput. 15 Mais à frente, em 2012, foi criada a Resolução Normativa 482 que estabelece as condições regulatórias para a inserção da GD na matriz energética brasileira, apresentando as seguintes definições: Microgeração distribuída: Sistemas de geração de energia renovável ou cogeração qualifi- cada conectados à rede com potência de até 75 kW; Minigeração Distribuída: Sistemas de geração de energia renovável ou cogeração qualificada conectados à rede com potência superior a 75 kW e inferior a 5 MW. 2.1.1 Energia Solar Fotovoltaica A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). A célula fotovoltaica é um dispositivo fabricado com material semicondutor que é a unidade fundamental desse processo de conversão. Segundo Pinho et al (2014) são classificadas em três gerações as principais tecno- logias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos. Sendo a primeira geração di- vidida em duas cadeias produtivas: Silício Policristalino (p-Si) e Silício Monocristalino (m-Si). As células de silício representam mais de 85% do mercado, por ser considerada uma tecnologia consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível. Comercialmente conhecida como filmes finos, a segunda geração é dividida em três cadeias produtivas: Silício Amorfo (a-Si), Disseleneto de cobre e índio (CIS) ou Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e Telureto de cádmio (CdTe). Apresentam menor eficiência do que a primeira geração e têm uma modesta participação do mercado, competindo com a tecnologia c-Si (Silício cristalino). Alguns fatores que afetam sua utilização em grande escala são: dispo- nibilidade dos materiais, rendimento das células, vida útil e a toxicidade do cádmio. Por fim a terceira geração também é dividida em três cadeias produtivas, ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento que são: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovol- taica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics), células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics) e células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell). A indústria solar fotovoltaica tem o desafio de desenvolvimento de acessórios e equipamentos complementares, com qualidade e durabilidade comparáveis às dos módulos fo- tovoltaicos de silício cristalino têm garantia de 25 anos em média. 16 2.1.2 Energia Solar Térmica A energia solar é captada através de painéis solares térmicos, também chamados de coletores solares. São os sistemas mais simples, econômicos e conhecidos de aproveitar o sol, sendo utilizados em casas, hotéis e empresas para o aquecimento de água para chuveiros ou piscinas, aquecimentos de ambientes ou até em processos industriais. Os painéis são simples e têm a função de transferir o calor da radiação solar para a água ou óleo que passa por dentro deles para então ser utilizado como fonte de calor. 2.1.3 Energia Eólica A Energia eólica é a transformação da energia do vento em energia útil. Exemplos: • Aerogeradores: Para produzir eletricidade (a partir do século XIX); • Moinhos de vento: Para produzir energia mecânica (moagem de grãos, bomba para irrigação, etc.) ou velas para impulsionar veleiros. Até o século XIX, todos os moinhos de vento produziam somente energia mecânica. Com o advento da eletricidade, os engenheiros rapidamente perceberam que os moinhos de vento podiam ser usados como geradores elétricos e que a potência gerada poderia ser usada para iluminação e aquecimento Oliveira (2013). 2.1.4 Biomassa Biocombustível: substância derivada de biomassa renovável, tal como biodiesel, etanol e outras substâncias estabelecidas em regulamento da ANP, que pode ser empregada diretamente ou mediante alterações em motores a combustão interna ou para outro tipo de ge- ração de energia, podendo substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil Brasil (2020). Biomassa (matéria orgânica) de origem vegetal ou compostos de origem animal. As fontes mais conhecidas são cana-de-açúcar, milho, soja, semente de girassol, madeira, resíduos. A partir dessas fontes é possível produzir biocombustíveis como etanol e biodiesel. Os gases gerados na queima do biocombustível são absorvidos no crescimento da safra seguinte, assim há um equilíbrio entre a emissão e a absorção de poluentes. Além disso, os biocombustíveis que contêm oxigênio em sua composição, ajudam a reduzir as emissões de monóxido de car- bono (CO) quando adicionados aos combustíveis fósseis. O cultivo da biomassa como fonte energética tem uma grande importância para a matriz energética, um fator é a sua sazonalidade, que contribui ao reforço da diversificação energética no país. O período de safra da biomassa é complementar ao período de baixa 17 capacidade hídrica das grandes hidrelétricas, nas quais o período seco (de maio a outubro) é compensado pelo período da safra da biomassa de cana, por exemplo. 2.1.5 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH As pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) são usinas hidrelétricas menores em ta- manho e em potência, conforme classificação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) de 1997. A ANEEL estabelece todas as normas que regem as PCHs no Brasil. Tais usinas usam a força e a pressão da água para gerar energia, devem ter entre 5 e 30 megawatts de potência (quantidade de energia gerada por hora de funcionamento com a usina operando com capacidade máxima) e menos de 13 km² em área total de reservatório. 2.2 VANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SETOR ELÉTRICO, PARA O CONSUMIDOR E PARA A SOCIEDADE A GD traz inúmeros benefícios para o setor elétrico e para a sociedade. Além de reduzir a necessidade de linhas de transmissão e a sobrecarga do sistema elétrico, pois a geração está próxima a carga, também ameniza impactos ambientais e fortalece as fontes de energia renováveis, diversificando a matriz energética. 2.2.1 Redução na Conta de Energia do Usuário Na GD existe a possibilidade de redução parcial dos custos do gasto energético. O consumidor torna-se mais independente da energia fornecida pela distribuidora e pode pagar apenas o custo mínimo obrigatório da fatura de energia, denominado de “Custo de Disponibi- lidade”, e que inclui as despesas para disponibilizar energia mesmo quando o consumidor não a utiliza. 2.2.2 Sistema de Compensação de Energia Na GD quando a quantidade de energia gerada em determinado mês for superior à energia consumida naquele período, o consumidor fica com créditos que podem ser utilizados para diminuir a fatura dos meses seguintes. Esses créditos têm validade de 60 meses, e podem ser usados para abater o consumo de UCs do mesmo titular situadas em outro local, que sejam atendidos pela mesma distribuidora. Essa utilização dos créditos é denominada “autoconsumo remoto”. 18 2.2.3 Redução das Perdas A GD está mais próxima da carga; portanto, temos redução das perdas. As perdas Joule são diretamente proporcionais ao comprimento dos cabos e inversamente proporcionais à área da seção reta dos mesmos. 2.2.4 Redução dos Impactos Ambientais As GD do tipo solar (fotovoltaica e térmica), eólica, biomassa, PCH são renováveis, pois, ao contrário dos combustíveis fósseis (petróleo, carvão mineral, gás), podem gerar energia indefinidamente. Não emitem gases poluentes, não alagam grandes áreas como nas grandes centrais hidrelétricas e não necessitam da construção de longas linhas de transmissão. 2.3 DESVANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SISTEMA ELÉTRICO A inserção da GD no sistema elétrico principal modifica os parâmetros que já esta- vam estabelecidos e modelados para os procedimentos de operação e manutenção da rede con- vencional. Em horários de baixa carga e alta geração pode ocorrer o surgimento de fluxo re- verso da potência produzido pela inserção da geração próxima à região de carga. Deve-se con- siderar o eventual aumento na dificuldade de controle de frequência e da tensão da rede produ- zida pelos novos geradores que não são despachados pelos operadores na região de carga e GD. 2.3.1 Flutuação da Geração No caso da GD em que a potência disponibilizada pelas fontes de energia pode ser afetada por variações de maior amplitude relativa, como no caso das fontes eólicas e fotovol- taicas, a intermitência da geração em relação a energia demandada pode causar alterações na tensão e na frequência relativamente maiores, mesmo que por um curto período de tempo, afe- tando o sistema elétrico principal e, principalmente, os consumidores, estejam eles conectados direta ou indiretamente à geração referida. 2.3.2 Distorções Harmônicas Com a expansão dos sistemas de GD, especialmente a fotovoltaica e a eólica que se utilizam de inversores, ocorre um aumento no número de conversores que são fontes de alimentação chaveadas e, consequentemente, um aumento no conteúdo harmônico injetado no sistema elétrico. 19 Segundo Naruto (2017), a presença de distorções harmônicas compromete a quali- dade da energia e pode provocar diversos impactos negativos como o aparecimento de tensões ressonantes, vibrações em máquinas rotativas ocasionando desgaste, superaquecimento, perda de rendimento e da vida útil, erros na medição das grandezas elétricas e inadequação do sistema de proteção, além dos distúrbios de compatibilidade eletromagnética, superaquecimento dos bancos de capacitores devido aos efeitos de ressonância, sobrecarga nos condutores de neutro e danos em equipamentos conectados fase-neutro. 2.3.3 Fluxo de Potência Reverso O sistema elétrico convencional foi projetado e implementado para um fluxo de potência unidirecional proveniente das grandes usinas de geração, passando pelos sistemas de transmissão e pela rede de distribuição que é, então, enraizado para os centros de consumo por meio das subestações. Por toda a extensão desse complexo sistema elétrico, existe um conjunto de proteções dimensionado, coordenado e redundante a fim de garantir a segurança elétrica da rede e assegurar a confiabilidade e estabilidade do sistema no fornecimento de energia de qua- lidade aos centros de carga conectados Naruto (2017). Entretanto, a interligação de outros sistemas de geração próximos aos consumidores e de maneira cada vez mais expansiva pode acarretar fluxos de potência em direções contrárias às projetadas para os sistemas de proteção usual, interferindo na sua funcionalidade e colocando em riscos os equipamentos conectados à rede e os atendidos nos próprios centros consumidores Naruto (2017). 2.4 DEFICIÊNCIAS DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA DA REDE DE DIS- TRIBUIÇÃO QUE IMPACTAM DIRETAMENTE NO FUNCIONAMENTO DA GE- RAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA Segundo Junior (2010) a falta de atendimento a certos parâmetros de qualidade da energia no ponto de conexão de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCRs) pode levar o inversor a rejeitar a rede elétrica, impedindo a geração de energia pelo sistema fotovoltaico. Distúrbios são uma série de fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, que vão desde problemas na continuidade do fornecimento; níveis de tensão; oscilações de ten- são e de frequência e distorções harmônicas na tensão e na corrente. 20 2.4.1 Afundamento de Tensão ou Subtensão Em redes rurais ou nas redes residenciais que ficam mais afastadas dos transforma- dores de distribuição “Fins de rede”, a tensão fica mais de 5% abaixo do valor nominal e em alguns casos ocorrem afundamentos na tensão quando cargas pesadas entram em operação e fazem os inversores se desconectarem da rede se o nível de tensão ficar abaixo do limite que está configurado em seus parâmetros, mesmo que seja por um curto período de tempo. 2.4.2 Elevação de Tensão ou Sobretensão A sobretensão pode ser transitória ou permanente e trata-se de uma elevação brusca na tensão do sistema elétrico, que ultrapassa os limites mencionados na resolução nº 395, da ANEEL, que regula os parâmetros de fornecimento de energia e diz que para tensões nominais de 220/127 V a tensão de leitura para estar adequada deve estar entre 202 e 231 V, e entre 117 e 133 V. O primeiro tipo é de curta duração (da ordem de microssegundos) e pode ser provocado por descargas atmosféricas ou por manobras na rede. Já a sobretensão permanente é de longa duração e consequência de grandes manobras e avarias na rede de distribuição por conta de queda de árvores, ventanias e outros Prodist (2021). Os inversores se desconectam da rede se a tensão estiver maior do que o limite estabelecido em seus parâmetros, isso acontece geralmente em locais próximos aos transforma- dores de distribuição, instalação com cabos mal dimensionados para a potência do sistema, grandes sistemas de geração fotovoltaica, potência de geração muito maior que a carga. 2.4.3 Distorções Harmônicas Distorção harmônica é um fenômeno gerado por dispositivos não lineares. Isto sig- nifica que variam a relação entre sua corrente e sua tensão por conta da variação irregular das diferentes reatâncias, tanto capacitivas, quanto indutivas de um circuito. Este fenômeno permite que harmônicos das frequências fundamentais, existentes nos sinais de entrada dos dispositivos, sejam criados dentro do próprio circuito. As instalações com alta potência de curto-circuito, por possuírem baixa impedância, apresentam baixa Distorção Harmônica Total da tensão elétrica (THDv) (JUNIOR, 2010). Po- rém, se houver a presença de muitas cargas não lineares, a Distorção Harmônica Total da cor- rente elétrica (THDi) será elevada, podendo inclusive impedir a conexão dos inversores, sendo que os mesmos rejeitam a rede elétrica, acusando falha no lado de corrente alternada (CA). 21 3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Neste capítulo são apresentados conceitos introdutórios sobre energia solar fotovol- taica: os sistemas fotovoltaicos on-grid, off-grid e híbridos, seus componentes e os fatores que influenciam na intermitência da GSF. 3.1 CONCEITOS SOBRE ENERGIA SOLAR O sol é a principal fonte de energia para a terra. Além de ser responsável pela ma- nutenção da vida no planeta, a radiação solar é uma fonte energética praticamente inesgotável, com grande potencial de sua utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como a térmica e a elétrica. Do ponto de vista energético o Brasil possui características naturais favoráveis para a geração de energia solar fotovoltaica, por possuir alto nível de insolação, possuindo assim durante o ano todo grande aproveitamento de radiação solar (FARRET, 2010). O sistema fo- tovoltaico converte a radiação solar em energia elétrica utilizando um conjunto de equipamen- tos para captura e absorção dos fótons. A luz solar incide sobre uma célula fotovoltaica e a energia dos fótons da luz é transferida para os elétrons que, então, ganham a capacidade de se movimentar, que por sua vez, geram a corrente elétrica (ALMEIDA et al., 2017). A geração de energia heliotérmica acontece de forma indireta. Nesse processo são usados espelhos para refletir a luz solar concentrando-a em um único ponto. Primeiramente o calor captado aquece um fluido que passa pelo receptor (componente que recebe a radiação solar). Este fluido armazena o calor e aquece a água dentro da usina heliotérmica gerando vapor. O vapor gerado movimenta uma turbina e aciona um gerador, produzindo assim a energia elé- trica, conforme a ilustração da Figura 1. 22 Figura 1: Ilustração de uma Usina Heliotérmica. Fonte: Plataforma online de Energia Heliotérmica (2016). 3.1.1 Radiação Solar Uma das possíveis formas de conversão da energia solar é conseguida através do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. Essas células são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em eletri- cidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o material mais empregado Pinho et al. (2014). 3.1.2 Irradiância Segundo Pinho et al. (2014), a irradiância solar medida acima da atmosfera da Terra é da ordem de 1,3 kW/m². A atmosfera age como um filtro (parte dessa radiação é refletida, parte é absorvida), e assim a quantidade de radiação que efetivamente chega ao solo é menor. A intensidade da radiação incidente direta depende da localização, a média fica em torno de 1.000 W/m². Este é o valor utilizado nos testes de módulos fotovoltaicos. 3.1.3 Insolação A insolação é expressa em Wh/m² e corresponde a energia solar que incide em uma área em um determinado intervalo de tempo. De uma forma geral, a insolação é a densidade de energia por área. Os dados da insolação podem ser obtidos a partir de mapas solarimétricos por exemplo. A insolação de um local é diferente em cada mês do ano. É influenciada pelas mu- danças climáticas, ocorrências de chuvas e presença de mais ou menos nuvens no céu. O mapa de insolação conforme Figura 2 é fundamental no dimensionamento de plantas fotovoltaicas, pois mostra o tempo médio de insolação diária em uma determinada área. 23 Figura 2: Insolação diária média anual do território brasileiro (horas). Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil (2000). Analisando o Atlas da Figura 2 vemos que a média anual da insolação no território brasileiro oferece uma boa uniformidade, com valores de irradiância muito maiores do que os países que fazem o uso de sistemas fotovoltaicos em grande escala, como no caso a Alemanha, por exemplo. 3.1.4 Massa de Ar As características da radiação solar dependem da espessura e da composição da camada de ar. A massa de ar conhecida por AM (Air Mass) é considerada AM 1,5 tornando padrão para o estudo e a análise dos sistemas fotovoltaicos. 3.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Na figura 3 segundo o BEN 2021 ano-base 2020 podemos analisar o quanto a Micro e Minigeração Distribuídas cresceram nos últimos anos, principalmente a fonte solar fotovol- taica com 90,4% de participação na GD em 2020. De 2019 para 2020 houve 137% de aumento na geração de energia elétrica com as GDs. 24 Figura 3: Aumento na Geração Distribuída. Fonte: (https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco-energetico-nacional-2021). Dessa forma, trataremos neste trabalho especialmente a GD do tipo solar fotovol- taica. A expansão da GSF em sistemas de GD ocorreu devido a diversos fatores como os incentivos governamentais, a disseminação da tecnologia da célula fotovoltaica e consequente- mente, a diminuição do preço dos equipamentos do sistema fotovoltaico, além da maior facili- dade para a emissão de certificações ambientais necessárias às obras de geração, além do baixo custo operacional e de manutenção e, devido a sua característica modular que permite uma instalação gradual e simples. A Figura 4 apresenta o detalhe de uma célula de silício monocristalino e de uma célula de silício policristalino, respectivamente. 25 Figura 4: Célula de silício monocristalino e de silício policristalino. Fonte: (SOUZA, 2018). São nítidas as diferenças estruturais entre esses dois tipos de fabricação. Na célula composta pelo silício monocristalino, temos um único cristal de silício e na célula composta pelo silício policristalino, temos diversos cristais fundidos e solidificados para dar origem a uma única célula. Como a célula de silício monocristalino tem um grau de pureza maior, sua eficiência em comparação à célula de silício policristalino também é maior, porém com um custo de fabricação mais elevado. Os sistemas fotovoltaicos são classificados pela forma da aplicação da energia ge- rada: sistemas conectados à rede de distribuição elétrica (on-grid), sistemas isolados (off-grid) e sistemas híbridos (SILVA, 2014). O sistema isolado (off-grid) é caracterizado por não ter conexão à rede elétrica da distribuidora. Nesse caso, a energia gerada é utilizada para a alimentação de equipamentos elé- tricos ou para armazenamento em baterias. Nesse caso, pode-se utilizar a energia armazenada durante o período em que o sistema não está gerando energia elétrica. Algumas vantagens desse tipo de sistema são: uso da energia em locais remotos ou sem rede de distribuição disponível e a independência energética, já que as falhas de energia na rede de serviços públicos, em teoria, não afetam os sistemas solares fora da rede (GUIMARÃES, 2015). 26 Figura 5: Ilustração sistema fotovoltaico off-grid. Fonte: ECOAQUECEDORES (2021) O sistema do tipo on-grid é interligado à rede elétrica de distribuição (TAVARES et al, 2012) operando em paralelo com ela. A energia gerada pelos módulos fotovoltaicos passa pelo inversor, que faz a conversão da corrente contínua em corrente alternada com parâmetros definidos e necessários para atender as condições impostas pela rede elétrica de distribuição (NOGUEIRA, 2016). As vantagens desse tipo de sistema são: Menor custo em comparação com o sistema off-grid, energia não consumida no local é exportada para a rede e gera créditos. Desvantagens: para de funcionar se a rede de energia da concessionária desligar. Figura 6: Ilustração sistema fotovoltaico on-grid. Fonte: ECOAQUECEDORES (2021). 27 3.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NA INTERMITÊNCIA DA GERAÇÃO SOLAR FO- TOVOLTAICA 3.3.1 Influência da Radiação Solar A corrente de um módulo fotovoltaico é diretamente proporcional à radiação solar incidente sobre as células fotovoltaicas. Com uma irradiância de 1000 W/m² e temperatura de 25ºC, padrões de ensaio em laboratório o módulo fornece a corrente máxima disponível na placa do fabricante, e ela vai diminuindo conforme as condições do tempo interferem na radia- ção solar que chega até o módulo fotovoltaico. Isso é mostrado na Figura 7. Figura 7: Influência da radiação solar no comportamento do módulo fotovoltaico. Fonte: (VILLALVA, 2015, p. 77). 3.3.2 Influência da Temperatura A temperatura da célula é inversamente proporcional à tensão de saída do módulo fotovoltaico, não alterando consideravelmente a corrente fornecida pelo módulo (VILLALVA, 2015, p. 77). 28 Figura 8: – Influência da temperatura no módulo fotovoltaico. Fonte: (VILLALVA, 2015, p. 78). 3.3.3 Efeito de Sombreamento Os sistemas de energia solar fotovoltaica geram eletricidade em função da radiação solar que incide sobre os módulos. O sombreamento pode ser causado, por edificações, árvores, vegetação e até mesmo por outros módulos que foram mal dimensionados. Quando alguma célula do módulo fotovoltaico se encontra sombreada, ocorrem per- das elevadas na geração de energia, devido ao tipo de ligação. Para minimizar esse efeito de sombreamento, a maioria dos módulos possuem diodos de desvio que é o diodo by-pass, ser- vindo como um caminho alternativo para a corrente elétrica “escapar” da célula defeituosa, não limitando a potência dos módulos ligados em série. 29 Figura 9: Caixa de conexões com diodos by-pass. Fonte: (PINHO, 2014, p. 155). 30 4 QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA Este trabalho pretende avaliar o impacto da qualidade da energia deficitária sobre o mau funcionamento dos sistemas solares fotovoltaicos. Portanto, neste capítulo será tratado so- bre a qualidade da energia elétrica com a descrição dos principais indicadores de qualidade da energia elétrica. 4.1 INTRODUÇÃO A qualidade de energia elétrica (QEE) é uma característica de um sistema elétrico que se apresenta isento ou com número restrito de distúrbios manifestados através de desvios de tensão, em sua forma de onda, amplitude, frequência ou fase angular, que poderiam ocasio- nar em falha ou operação inadequada de um equipamento consumidor. 4.2 PRODIST Os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) são documentos elaborados pela ANEEL, em conjunto com os agentes de distri- buição e de outras associações e entidades do Setor Elétrico Nacional. Eles normatizam e pa- dronizam as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica, estabelecendo os procedimentos relativos à qualidade da ener- gia, abordando a qualidade do produto e a qualidade do serviço prestado. 4.3 QUALIDADE DO PRODUTO A qualidade do produto se refere à conformidade de tensão em regime permanente e as perturbações na forma de onda de tensão. Destacam-se nesse quesito os indicadores cole- tivos Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária Equivalente (DRPE) e Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica Equivalente (DRCE), obtidos a partir da campanha de medição amostral instituída pela ANEEL. 4.3.1 Indicadores de Conformidade do Nível de Tensão em Regime Permanente Os indicadores de tensão em regime permanente são apurados trimestralmente, a partir de medições amostrais realizadas pelas distribuidoras em UCs sorteadas dentro de sua área de concessão ou permissão. Para cada UC, durante uma semana a tensão é medida, e são 31 apurados os indicadores duração relativa da transgressão de tensão precária (DRP) e duração relativa da transgressão de tensão crítica (DRC), que expressam o percentual do tempo no qual a UC permaneceu com tensão precária e com tensão crítica. A ANEEL estabelece limites para os indicadores de tensão em regime permanente: 3% para o DRP e 0,5% para o DRC. Na Tabela 1 são apresentadas as faixas de variação da tensão de leitura para tensões adequadas, precárias e críticas. Tabela 1 – Tensão de Atendimento e Variação da Tensão de Leitura. (220/127 V) Tensão de Atendimento (TA) Faixa de Variação da Tensão de Leitura (Volts) Adequada (202 ≤ TL ≤ 231) / (117 ≤ TL ≤ 133) Precária (191 ≤ TL < 202 ou 231 < TL ≤ 233) / (110 ≤ TL < 117 ou 133 < TL ≤ 135) Crítica (TL < 191 ou TL > 233) / (TL < 110 ou TL > 135) Fonte: Adaptado de PRODIST Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica (2021). 4.4 QUALIDADE DO SERVIÇO A qualidade dos serviços prestados compreende a avaliação das interrupções no fornecimento de energia elétrica. 4.4.1 Indicadores Coletivos de Continuidade Visando manter a qualidade na prestação do serviço público de distribuição de ener- gia elétrica, a ANEEL exige que as distribuidoras mantenham um padrão de continuidade e, para tal, edita limites para os indicadores coletivos de continuidade Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (DEC) e Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (FEC) Aneel (2021). Os indicadores são apurados pelas distribuidoras e enviados periodicamente para a ANEEL para verificação da continuidade do serviço prestado, representando, respectivamente, o tempo e o número de vezes que uma UC ficou sem energia elétrica para o período considerado (mês, trimestre ou ano), o que permite que a Agência avalie a continuidade da energia oferecida à população. 32 4.4.2 Indicadores Individuais de Continuidade Da mesma forma, também são acompanhados os indicadores individuais de conti- nuidade, DIC, FIC, DMIC e DICRI, que apuram a qualidade do serviço em cada UC: • Duração de interrupção individual por unidade consumidora (DIC): Intervalo de tempo que, no período de apuração, em cada unidade consumidora ou ponto de conexão, ocor- reu descontinuidade da distribuição de energia elétrica; • Frequência de interrupção individual por unidade consumidora (FIC): Número de inter- rupções ocorridas, no período de apuração, em cada unidade consumidora ou ponto de conexão; • Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora ou ponto de conexão (DMIC): Tempo máximo de interrupção contínua de energia elétrica, em uma unidade consumidora ou ponto de conexão; e • Duração da interrupção individual ocorrida em dia crítico por unidade consumidora ou ponto de conexão (DICRI): Corresponde à duração de cada interrupção ocorrida em dia crítico, para cada unidade consumidora ou ponto de conexão. 33 5 ANÁLISE DOS IMPACTOS DA QUALIDADE DE ENERGIA DEFICITÁ- RIA SOBRE OS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS Neste capítulo é feita uma análise em detalhes a respeito de sistemas fotovoltaicos reais que apresentaram mau funcionamento devido à qualidade da energia elétrica deficitária. A maioria dos estudos avaliam o impacto na rede elétrica da inserção massiva da GSF. No entanto, nesse estudo avalia-se também o sentido contrário, ou seja, a importância do atendi- mento aos indicadores de qualidade de energia elétrica para o funcionamento adequado dos sistemas solares fotovoltaicos conectados à rede. Neste capítulo analisam-se problemas reais de sistemas fotovoltaicos instalados em UCs residenciais e comerciais do distrito de Primavera, Rosana, SP. 5.1 INTRODUÇÃO Dentre os sistemas de GSF que foram instalados durante estágio e trabalho, alguns casos demandam uma análise adicional devido às desconexões dos inversores com a rede de energia da concessionária, em todos os casos os inversores eram trifásicos e com potência igual ou superior à 10 kW, todos da marca Fronius, empresa de origem austríaca com 75 anos de mercado e 29 anos que fabricou seu primeiro inversor fotovoltaico conectado à rede o “Sun- rise”. No anexo A segue catálogo com os inversores Fronius. 5.2 DESCRIÇÃO DAS INSTALAÇÕES FOTOVOLTAICAS Os dois sistemas fotovoltaicos analisados neste trabalho estão alocados em UCs próximas e localizadas em Primavera distrito de Rosana, SP. Um sistema é de uma unidade comercial que é a sede de uma entidade do município com 45 kW de inversores e o outro trata- se de uma residência de grande porte com potência instalada de 28 kW. A figura 10 mostra a imagem de satélite das duas instalações. O círculo azul, o sistema da entidade e o vermelho, o sistema da residência. 34 Figura 10: Local das Instalações no Distrito de Primavera. Fonte: (Google Maps). Na entidade estão instalados três sistemas idênticos com inversores Fronius modelo SYMO de 15 kW cada. Esse modelo de 15 kW possui um rastreador de ponto máximo de potência, ou seja, todos os módulos fotovoltaicos conectados a ele devem estar posicionados com o mesmo sentido e inclinação para ter melhor eficiência. Eles são 220 V trifásico e tem a opção de conectar o neutro. Segundo o manual o modelo 380 V é obrigatório o uso do neutro, já nesse 220 V o uso do neutro é opcional. No nosso caso, a princípio utilizamos o neutro nos inversores da entidade e nos dois inversores da residência. Na parte CA e CC dos sistemas da entidade e da residência foram utilizados cabos de 6 mm² de bitola, com isolação de 1 kV, proteção UV e temperatura operacional de 120° C. Disjuntor tripolar de 50 A para cada inversor da entidade e dispositivo de proteção contra surto (DPS). O quadro CC dos sistemas da entidade recebe os cabos positivo e negativo dos ar- ranjos dos módulos que são três strings com 18 módulos ligados em série para cada inversor, tensão de 685,8 V (38,1 V por módulo) passando pelos fusíveis, seccionadora CC e pelo DPS Solar. Neste quadro as três strings são ligadas em paralelo, com corrente total de 26,37 A (8,79 A por string) e por fim conectadas no inversor. 35 Figura 11: Vista dos inversores da entidade. Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Os módulos fotovoltaicos são da marca BYD feitos de silício policristalino com 335 Wp cada e com um total de 162 módulos, sendo 54 módulos para cada inversor. Com 18,09 kWp para cada inversor e um total de 54,27 kWp. Todos os módulos estão voltados para o norte, o mais adequado para a GSF durante o ano no hemisfério sul. Figura 12: Disposição dos Módulos Fotovoltaicos da entidade Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). 36 Figura 13: Vista frontal dos módulos fotovoltaicos da entidade. Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Na residência estão instalados três sistemas diferentes conectados na mesma UC: são duas casas no mesmo terreno e endereço. Contém inversores Fronius, dois modelos SYMO de 10 kW e 12 kW com tensão de 220 V trifásico e um modelo PRIMO de 6 kW, 220 V mono- fásico que está na residência menor. Os modelos trifásicos foram conectados com o neutro também no princípio. Os módulos estão dispostos nas direções norte, leste e oeste. Os modelos SYMO de 10 e 12 kW possuem 2 MPPTs, dessa maneira tivemos 4 MPPTs para melhor distribuir a conexão dos ar- ranjos de acordo com a quantidade de telhado disponível para a instalação dos módulos em cada orientação, para o norte, leste e oeste. Na residência maior são 88 módulos fotovoltaicos de silício policristalino de 335 Wp também da marca BYD sendo 28 direcionados para o oeste, 20 para o norte e 40 para o leste. Os módulos para o oeste e norte estão conectados no inversor de 12 kW e os orien- tados para o leste no inversor de 10 kW. Na casa menor são 20 módulos, 12 orientados para o norte e 8 para o leste. O inversor PRIMO de 6 kW também possui 2 MPPTs. Nesta instalação com um total de 108 módulos poderia utilizar somente 2 inversores de 15 kW, porém teria disponível somente 2 MPPTs contra os 6 disponíveis nessa configuração de 3 inversores de diferentes potências, o que resultou num melhor aproveitamento dos telhados disponíveis. 37 Figura 14: Vista lateral dos módulos da residência (telhado oeste). Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Figura 15: Vista frontal dos módulos da residência (telhado leste e oeste). Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). 38 Figura 16: Vista dos módulos da residência (telhado leste e oeste ao fundo e norte à frente). Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Figura 17: Vista dos módulos da residência de cima (telhado norte). Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). 39 Figura 18: Vista de um dos inversores da residência. Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). 5.3 DESCRIÇÃO DAS INTERRUPÇÕES NA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOL- TAICA Quando o sistema da entidade entrou em operação estava gerando normalmente, sem desconexões com a rede elétrica e sem redução da potência pelos inversores. A rede se- cundária de distribuição estava absorvendo a geração total da entidade que chegou a ficar com a potência máxima em todos os inversores (45 kW) dependendo do dia no verão. Quando o sistema da residência entrou em operação, durante os dias de sol pleno, e em dias que a rede não tinha muita carga, começou a ocorrer a desconexão dos inversores tanto da residência como os da entidade, acusando alta tensão no lado da rede CA. Ora em uma fase, ora em outra e o problema se estendeu por dias. Foram alterados os parâmetros de tensão, dos inversores a fim de tentar sanar o problema, mas não adiantou, pois, a tensão chegava a passar o limite de 139,7 V novamente, e assim ocorriam novamente os desligamentos e redução de potência de saída. 40 Foram feitas leituras de tensão localmente nos inversores e remotamente pelo SO- LAR.WEB a plataforma de monitoramento dos inversores da Fronius. A figura 19 apresenta a tensão de fase de um dos inversores da entidade no dia 4 de janeiro de 2021. Figura 19: Tensão de fase no inversor 3 da entidade. Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Nota-se uma grande diferença entre as tensões em cada fase onde a nominal é 127 V, já a tensão de linha (220 V nominal) como mostra a figura 20, essa diferença é bem menor. Figura 20: Tensão de linha no inversor 3 da entidade. Fonte: Elaboração do próprio autor (2021). Na plataforma de monitoramento do SOLAR.WEB podemos analisar melhor o comportamento dos sistemas durante um dia a partir dos gráficos que ele disponibiliza. São apresentados neste estudo os gráficos de Potência total e da Tensão CA em uma das fases. Foram selecionadas as datas de 23 de março de 2020 e 23 de março de 2021. Nessas datas nos dois anos o céu estava limpo e a energia gerada era para ser a mesma ou bem próxima, 41 porém no ano de 2020 ocorriam os problemas de desligamento e redução na potência. No ano de 2021 os problemas estavam corrigidos. Figura 21: Sistema da entidade 2020. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2020). Figura 22: Sistema da residência 2020. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2020). A curva de potência assemelha-se a uma parábola, com vários “buracos” ao longo do dia. Nos horários que teriam as maiores potências de geração os inversores se desconectavam 42 ou reduziam sua potência, devido aos picos de tensão na rede por causa da alta potência sendo injetada nela pelos dois sistemas de GD. Nos dois inversores trifásicos da residência as desconexões eram com maior fre- quência. As duas curvas de potência são com os picos em horários diferentes devido ao sentido dos módulos fotovoltaicos que estão conectados a eles. Inversor de 10 kW leste com pico de geração ao meio dia, e inversor de 12 kW norte e oeste com pico de geração a partir das 13h. O gráfico de geração do inversor de 6 kW 220 V bifásico, não foi inserido devido ao fato de não ter ocorrido esses problemas nele. As figuras 23 e 24 apresentam os horários que ocorreram os picos de potência dos sistemas no dia. Na entidade o pico foi de 35,34 kW às 14h, ainda dentro do normal seria do meio dia às 13h o pico de potência, mas nesse horário foi onde mais ocorreram as desconexões. No sistema da residência o pico de potência foi de 20,96 kW às 11h25m, e após esse horário ocorreu a maior frequência de desconexões. A tensão de fase estava em torno dos 135 V, ainda dentro dos limites do inversor, porém os dados do gráfico possuem um intervalo de 5 minutos a cada medição, nesse período a tensão passava do limite mesmo se fosse por alguns segundos e o inversor já se desconectava e quando ele gravava a outra medição o inversor já tinha se conectado e estava voltando a subir sua potência. A produção de energia durante o dia na entidade com as desconexões foi de 240,65 kWh, na residência a produção foi de 128,98 kWh. Essa quantidade de energia pode ser maior sem essas várias desconexões dos inversores com a rede. A solução para esse problema será detalhada na próxima seção. Esses problemas ocorreram devido à potência instalada dos sistemas fotovoltaicos das duas UCs próximas serem elevadas para a rede local de distribuição, por não ter carga local consumindo toda essa energia gerada. 43 Figura 23: Sistema da entidade no pico de potência no dia. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2020). Figura 24: Sistema da residência pico de potência no dia. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2020). 5.4 SOLUÇÃO DOS PROBLEMAS DE DESCONEXÕES Após alguns meses realizando testes, entrando em contato com o suporte técnico da Fronius, alterando alguns parâmetros avançados da rede como aumentar o limite do tempo que a tensão fica acima da tensão máxima do inversor que em outros sistemas, esses são os 44 procedimentos padrão para solucionar esse tipo de problema; no entanto, foi ineficaz para essa situação específica. O problema foi solucionado com a remoção do cabo de neutro e alteração das configurações do inversor para o setup de 220 V sem neutro. Que devido aos valores das tensões de fase muito diferentes um do outro, o inversor se desconectava por uma fase estar com a tensão muito alta enquanto que sem o neutro ele só lê a tensão de linha entre as fases que permanece próximas uma da outra, não ocorrendo então a desconexão. Figura 25: Sistema da entidade após correção. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2021). Figura 26: Sistema da residência após correção. Fonte: (Monitoramento Fronius Solar Web, 2021). 45 Após as correções observa-se que as curvas de potência estão sem aqueles vários “buracos” que tinham no ano de 2020, a potência máxima dos sistemas aumentou, a quantidade de energia gerada também aumentou, agora o pico de potência da entidade no mesmo dia e mês dos outros gráficos foi de 39,28 kW, 3,94 kW a mais do que em 2020. A energia gerada foi para 274,52 kWh no dia. 33,87 kWh a mais, isso é o tanto de energia aproximadamente que a enti- dade deixava de produzir por conta dos desligamentos. Na residência a potência de pico foi de 20,96 kW para 20,08 kW, houve uma redu- ção, mas a energia produzida aumentou bastante saltou de 128,98 kWh para 144,21 kWh. 15,23 kWh. 46 6 CONCLUSÕES Neste trabalho foram analisados sistemas fotovoltaicos reais que apresentaram mau funcionamento (desconexões) devido à qualidade da energia deficitária da rede de distribuição de energia elétrica. Portanto, é de extrema importância o atendimento aos indicadores de qua- lidade de energia elétrica para o funcionamento adequado dos sistemas solares fotovoltaicos conectados à rede elétrica (on-grid). As várias desconexões dos inversores reduziram a produção de energia das UCs. Se continuasse com essas desconexões durante o dia a vida útil dos componentes internos dos inversores iriam diminuir devido ao estresse que eles estavam submetidos. Esses problemas ocorreram devido à potência instalada dos sistemas fotovoltaicos das duas UCs próximas serem elevadas para a rede local de distribuição, por não ter carga local consumindo toda essa energia gerada. A concessionária poderia fazer um estudo para remanejar os pontos de conexão das duas UCs e balancear as fases desse setor de transformador. Na enti- dade devido à pandemia Covid-19, ela não está funcionando normalmente assim a carga que ela teria normalmente durante o dia para consumir uma parte dessa energia produzida, não está presente. Sendo a energia gerada quase toda exportada para a rede da concessionária. A qualidade da energia desse setor de rede elétrica que atende os dois locais e vizi- nhos era prejudicada com a oscilação frequente dos níveis de tensão devido as várias descone- xões dos inversores durante o dia. Após a correção dos problemas, ou seja, após a mudança da configuração de ligação e setup dos inversores, ficou mais estável os níveis de tensão na rede e os inversores começaram a operar da maneira correta. A energia gerada pela entidade aumentou em torno de 14 %, e da residência a energia produzida aumentou aproximadamente 12%. 6.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Uma sugestão de trabalhos futuros seria estabelecer medidas para melhorar a qua- lidade da energia no ponto de conexão para a GSF funcionar normalmente sem desconexões 47 7 REFERÊNCIAS Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica, Revisão 12, vigente a partir de 01/01/2021. Atlas Solarimétrico do Brasil: banco de dados solarimétricos / coordenador Chigueru Tiba... et al.- Recife: Ed. Universitária da UFPE, 2000. BALANÇO Energético Nacional (BEN) 2021 Ano base 2019, 2020. 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