Management, and decision-making tool for data of multiple photovoltaic microgenerators distributed in Brazil

Abstract

O objetivo desta pesquisa foi desenvolver uma ferramenta de gestão e apoio a tomada de decisão para avaliar a produtividade energética de múltiplos sistemas fotovoltaicos (FV), instalados sobre telhados residenciais, conectados à mesma rede elétrica de distribuição e localizados de forma descentralizada dentro de um grande território, o que faz com que sejam submetidos a diferentes níveis de irradiação solar. Para atingir esse objetivo, foi utilizado como estudo de caso o ?Programa Bônus Fotovoltaico?, que foi realizado no âmbito do Programa Eficiência Energética da distribuidora CELESC, que atende o estado de Santa Catarina (SC), e operacionalizado em parceria com a ENGIE Brasil Energia. Esse programa teve por objetivo incentivar a geração de energia elétrica através da irradiação solar por meio da instalação de sistemas FV em residências unifamiliares. Foram instalados 1.250 microgeradores FV com equipamentos idênticos, com potência individual de 2,65 kWp, distribuídos por SC e que juntos somam cerca de 3 MWp. Neste contexto, foi identificada a necessidade de analisar grandes volumes de dados de forma rápida, bem como de garantir a qualidade e significância de dados da geração distribuída (GD) FV. Para isso, foi desenvolvido um algoritmo técnico-estatístico para a detecção e descarte de geradores com dados falhos. A exploração e análise estratégica de dados através da implementação de conceitos de Business Intelligence (BI), aliada a esse algoritmo, permitiu avaliar a produtividade dos sistemas FV ao longo do estado de SC, proporcionando informações relevantes sobre sua performance e ajudando no suporte à tomada de decisão de forma rápida e embasada. Os resultados apresentam mapas da irradiação solar no plano inclinado divididos em quatro faixas (quartis estatísticos) e, para o ano base de 2019, os valores mostram, para as quatro diferentes faixas nos quais o território catarinense foi dividido, com 95% de confiabilidade, produtividade média anual de energia diária de 3,35 kWh/kWp·dia ou 1.223 kWh/kWp·ano (faixa 1), 3,74 kWh/kWp·dia ou 1.365 kWh/kWp·ano (faixa 2), 3,82 kWh/kWp·dia ou 1.394 kWh/kWp/ano (faixa 3) e 3,90 kWh/kWp·dia ou 1.423 kWh/kWp·ano (faixa 4). A média anual da geração FV do conjunto de telhados analisado foi de 3.353 kWh/ano (rendimento anual = 1,265 kWh/kWp·ano). Outro tema importante e de bastante curiosidade entre os pesquisadores e o mercado FV tem sido o surgimento de um novo agente dentro do modelo de GD: o prossumidor (produtor + consumidor). Essa foi a segunda frente de estudos abordada nesta pesquisa de doutorado, que objetiva entender e analisar os papeis e os benefícios de microgeradores FV conectados à rede elétrica. Para isso, foi analisada pontualmente uma unidade prossumidora (UP) representativa da amostra de 1.250 telhados e desenvolvido um método para apresentar as diferentes óticas envolvidas na operação desse agente do mercado. Do ponto de vista da concessionária, o consumo anual de energia elétrica foi reduzido em 18% após a integração FV na UP. Do ponto de vista da UP, o consumo anual total aumentou 8%. No entanto, <b>a redução anual das despesas com energia elétrica foi de 54%</b>. A adoção do telhado FV em residências no Brasil demonstrou ser vantajosa e, além disso, o tempo de retorno do investimento está em tendência de queda devido às contínuas reduções de preços experimentadas pela tecnologia FV. A metodologia desenvolvida nesta tese pode ser utilizada para prever a geração mensal/anual de futuros sistemas FV a serem instalados em qualquer local para planejamento de alocação de ativos de GD, além de servir de subsídio para análises de retorno do investimento mais apuradas.

Abstract: The aim of this research was to develop a management and decision-making support tool to evaluate the energy yield of multiple solar photovoltaic (PV) systems installed on residential rooftops, connected to the same electrical distribution grid, and located in a decentralized way in a large territory, which makes them exposed to different levels of solar irradiation. To achieve this goal, the CELESC Photovoltaic Bonus Program was used as a case study, which was carried out under the Energy Efficiency Program of the CELESC utility, that supplies the state of Santa Catarina (SC), and operated in partnership with ENGIE Brasil Energia. This program aimed to encourage the generation of electricity through solar irradiation by the installation of PV systems in single-family homes. There were 1,250 identically equipped PV microgenerators with individual power of 2.65 kWp, distributed across SC and together amounting to about 3 MWp. In this context, the need to analyze large volumes of data quickly was identified, as well as to ensure the quality and significance of data from PV distributed generation (DG). For this, a technical-statistical algorithm was developed for the detection and discarding of microgenerators with faulty data. The exploration and strategic analysis of data through the implementation of Business Intelligence (BI) concepts, combined with this algorithm, allowed us to evaluate the yield of PV systems over the state of SC, providing relevant information about performance and helping to support decision making in a quickly and well-founded way. The results show irradiation maps in the tilted plane divided in four ranges (statistical quartiles) and, for the base year 2019, the values show, for the four different ranges in which the territory of SC was divided, with 95% reliability, annual average of daily energy yield of 3.35 kWh/kWp·day or 1,222 kWh/kWp·year (range 1), 3.74 kWh/kWp·day or 1,365 kWh/kWp·year (range 2), 3.82 kWh/kWp·day or 1,394 kWh/kWp·year (range 3) and 3.90 kWh/kWp·day or 1,423 kWh/kWp·year (range 4). The annual average of PV generation from each analyzed roof was 3,353 kWh/year (annual yield = 1,265 kWh/kWp·year). Another important and curious topic among researchers and the PV market has been the emergence of a new agent in the DG model: the prosumer (producer + consumer). This was the second front of studies addressed in this doctoral research, which aims to understand and analyze the roles and benefits of grid-connected PV microgenerators. To do this, a representative prosumer unit (PU) from the sample of 1,250 rooftops was analyzed and a method was developed to present the different perspectives involved in the operation of this market agent. From the utility's perspective, annual electricity consumption was reduced by 18% after the PV integration. From the PU's perspective, total annual consumption increased by 8%. However, <b> the annual reduction in electricity expenses was 54%</b>. The adoption of the PV rooftop in households in Brazil has proven to be advantageous and, moreover, the payback time is on a downward trend due to the continuous price reductions experienced by the PV technology. The methodology developed in this thesis can be used to predict the monthly or annual generation of future PV systems to be installed at any location for distributed generation asset allocation planning, as well as serving as a subsidy for more refined return on investment analyses.