Análise de Desempenho Energético em Usinas Fotovoltaicas de Solo e Telhado com Distintos Fatores de Dimensionamento de Inversor

Abstract

A energia solar fotovoltaica vem desempenhando um importante papel na expansão da matriz elétrica brasileira, aumentando sua resiliência a partir da diversificação das fontes. Esse aproveitamento favorece o controle hídrico nos reservatórios, especialmente nos períodos de menor incidência de chuvas, e possibilita planejamento e otimização de novos investimentos em geração, transmissão e distribuição da energia. As formas mais usuais de instalação dos sistemas fotovoltaicos são em estrutura de solo ou no telhado. Além das características de projeto e instalação, os sistemas fotovoltaicos podem ser avaliados a partir de cálculos e análises de índices técnicos, que permitem verificar o desempenho dos sistemas através da geração de energia elétrica, eficiência e produtividade. O intuito desse estudo foi analisar o desempenho energético de dois sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, com distintos fatores de dimensionamento de inversor, localizadas no extremo sul catarinense, sendo um instalado sobre o telhado e outro em estrutura de sustentação no solo. A usina FV de telhado fica na cidade de Turvo/SC, enquanto a usina FV de solo está instalada em Araranguá/SC. Para alcançar os objetivos foram utilizados softwares de simulação e dimensionamento e a base de dados de monitoramento do ano 2020. Com isso foi possível estimar o potencial solar, avaliar o comportamento da geração de energia elétrica real e simulada ao longo do ano e calcular indicadores de desempenho e eficiência como produtividade, temperatura e eficiência dos inversores. Verificou-se que as usinas apresentam configurações distintas, enquanto a usina FV de telhado possui um arranjo fotovoltaico subdimensionado em relação ao inversor, com FDI de 1,06, a usina FV de solo está sobredimensionada, com FDI de 0,75. Os valores de irradiação solar média das usinas para os cenários analisados foram muito próximos, visto suas proximidades geográficas e de ângulos de inclinação e de azimute. Na usina FV de telhado teve-se o mês de janeiro como o de maior geração de energia elétrica e o mês de junho como o de menor, enquanto na usina FV de solo o mês de março foi o que apresentou maior geração de energia elétrica e o mês de junho foi novamente o com menor geração. A usina FV de telhado apresentou produtividade média mensal de 108,68 kWh/kWp com desvio padrão de 25,83 kWh/kWp, já a usina FV de solo teve produtividade média mensal de 125,56 kWh/kWp com desvio padrão de 23,30 kWh/kWp. Constatou-se que as máximas temperaturas de inversor da usina FV de telhado foram entre 50 ºC e 55 ºC, enquanto as máximas temperaturas da usina FV de solo se aproximaram dos 60 ºC na maior parte do ano. A maior temperatura encontrada para o inversor da usina FV de telhado foi em janeiro, quando chegou a atingir 52,90 ºC, já a maior temperatura encontrada nos inversores da usina FV de solo foi em dezembro, no inversor A, atingindo 64,40 ºC. Observou-se que as eficiências de inversor encontradas foram muito próximas, porém o inversor da usina FV de telhado apresentou maior eficiência ao longo do ano, salvo o mês de fevereiro.

Photovoltaic solar energy has been playing an important role in the expansion of the Brazilian electrical matrix, increasing its resilience through the diversification of sources. This use favors water control in reservoirs, especially in periods of lesser rainfall, and enables planning and optimization of new investments in energy generation, transmission and distribution. The most common ways of installing photovoltaic systems are on a ground structure or on the roof. In addition to the design and installation characteristics, photovoltaic systems can be evaluated based on calculations and analysis of technical indexes, which allow checking the performance of the systems through the generation of electrical energy, efficiency and productivity. The aim of this study was to analyze the energy performance of two photovoltaic systems connected to the electrical grid, with different inverter dimensioning factors, located in the extreme south of Santa Catarina, one installed on the roof and the other in a support structure on the ground. The roof PV plant is located in the city of Turvo/SC, while the ground PV plant is located in Araranguá/SC. To achieve the objectives, simulation and sizing software and the 2020 monitoring database were used. With this it was possible to estimate the solar potential, evaluate the behavior of real and simulated electricity generation throughout the year and calculate indicators of performance and efficiency such as productivity, temperature and efficiency of inverters. It was found that the plants have different configurations, while the roof PV plant has a photovoltaic arrangement undersized in relation to the inverter, with an FDI of 1.06, the ground PV plant is oversized, with an FDI of 0.75. The average solar irradiation values of the plants for the analyzed scenarios were very close, given their geographic proximity and inclination and azimuth angles. In the roof PV plant, January was the month with the highest electricity generation and the month of June as the lowest, while in the ground PV plant the month of March was the month with the highest electricity generation and the month of June was again the month with the lowest generation. The roof PV plant had an average monthly productivity of 108.68 kWh/kWp with a standard deviation of 25.83 kWh/kWp, while the ground PV plant had an average monthly productivity of 125.56 kWh/kWp with a standard deviation of 23, 30 kWh/kWp. It was found that the maximum inverter temperatures of the roof PV plant were between 50 °C and 55 °C, while the maximum temperatures of the ground PV plant approached 60 °C for most of the year. The highest temperature found for the inverter of the roof PV plant was in January, when it reached 52.90 ºC, while the highest temperature found in the inverter of the ground PV plant was in December, in inverter A, reaching 64.40 ºC. It was observed that the inverter efficiencies found were very close, but the inverter from the roof PV plant showed greater efficiency throughout the year, except for the month of February.