AnálisedeImpactosdaGeraçãoDistribuída Fotovoltaica-Estudodecaso:Embaixadada ... · 2016. 6....

Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA

Engenharia de Energia

Análise de Impactos da Geração DistribuídaFotovoltaica - Estudo de caso: Embaixada da

Itália, Brasília DF

Autor: Argemiro de Oliveira NetoOrientador: (Doutora Loana Nunes Velasco)

Brasília, DF2016

Argemiro de Oliveira Neto

Análise de Impactos da Geração Distribuída Fotovoltaica- Estudo de caso: Embaixada da Itália, Brasília DF

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia de Energia) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (Engenhariade Energia).

Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: (Doutora Loana Nunes Velasco)

Brasília, DF2016

Argemiro de Oliveira NetoAnálise de Impactos da Geração Distribuída Fotovoltaica - Estudo de caso:

Embaixada da Itália, Brasília DF/ Argemiro de Oliveira Neto. – Brasília, DF,2016-

81 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: (Doutora Loana Nunes Velasco)

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA , 2016.1. Palavra-chave01. 2. Palavra-chave02. I. (Doutora Loana Nunes Velasco). II.

Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Análise de Impactos daGeração Distribuída Fotovoltaica - Estudo de caso: Embaixada da Itália, BrasíliaDF

CDU 02:141:005.6

Argemiro de Oliveira Neto

Análise de Impactos da Geração Distribuída Fotovoltaica- Estudo de caso: Embaixada da Itália, Brasília DF

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia de Energia) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (Engenhariade Energia).

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 01 de julho de 2016:

(Doutora Loana Nunes Velasco)Orientador

Doutor Luciano Gonçalves NoletoConvidado 1

Doutor AlexConvidado 2

Brasília, DF2016

Este trabalho é dedicado a minha mãe.

Este trabalho é dedicado às crianças adultas que,quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

Agradecimentos

Pensador Hindu.

Escolha uma ideia. Faça dessa ideia a sua vida. Pense nela, sonhe com ela, vivapensando nela. Deixe cérebro, músculos, nervos, todas as partes do seu corpo serempreenchidas com essa ideia. Esse é o caminho para o sucesso – Swami Vivekananda

ResumoEm um primeiro momento, este trabalho de conclusão de curso irá apresentar uma con-textualização geral sobre o crescimento da demanda energética nacional e internacional eseus respectivos impactos nas matrizes energéticas mundiais. Além destes serão levanta-dos fundamentos essenciais para o entendimento da energia solar fotovoltaica, com intuitode se aprofundar nas análises a serem realizadas no trabalho.

Desta forma serão apresentados conceitos da geração distribuída fotovoltaica, a fim deavaliar os possíveis impactos que o mesmo pode vim a gerar sobre um alimentador radialde energia elétrica. Para este, foi usado um caso de estudo do alimentador da Embaixadada Itália, Localizado em Brasília DF.

Através do sistema disponibilizado, serão avaliados dois cenários, simulados via softwareOPENDSS o qual serão analisados critérios importantes como, tensão nos terminais,potência nas barras e perdas no sistema.

Palavras-chaves: Contextualização, Energia solar fotovoltaica, Geração Distribuída, Soft-ware OPENDSS, Tensão, Potência, Perdas.

AbstractAt first, this course conclusion work will present the general context of the growth ofnational and international energy demand and their impact on the global energy mix. Inaddition to these will be raised essential foundations for understanding the solar photo-voltaic energy, in order to deepen the analysis to be performed at work.

In this way they will be presented concepts of distributed PV generation, in order toassess the potential impacts that it may come to generate on a radial feeder electricity.For this, we used an Embassy of feeder case study of Italy, located in Brasilia DF.

Available through the system will be evaluated two scenarios, simulated via software textitOPENDSS which will be considered as important criteria, voltage at the terminals, powerbars and the losses in the system .

Key-words: Contextualization, photovoltaic solar energy, distributed generation, Soft-ware textitOPENDSS, voltage ,power, losses .

Lista de ilustrações

Figura 1 – Consumo de energia por fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 2 – Consumo de energia/ habitante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 3 – Investimento em Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 4 – Estrutura típica de uma célula fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 5 – Curva Irradiância solar. Fonte: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 6 – Curva Irradiância solar Brasília-DF. Fonte:Cresesb.cepel.br . . . . . . 30Figura 7 – Representação do circuito de uma célula fotovoltaica . . . . . . . . . . 31Figura 8 – Curva característica de Corrente x Tensão. Fonte: Adaptado DISSER-

TUSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 9 – Curva de potência máxima x Tensão. Fonte: Adaptado DISSERTUSP . 32Figura 10 – Evolução regional de instalação de painéis fotovoltaicos. Fonte: Adap-

tado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 11 – Países produtores PV. Fonte: Adaptado . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 12 – Projeção da capacidade instalada fotovoltaica a longo prazo. Fonte:

Adaptado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 13 – Geração distribuída x Geração centralizada. Fonte: RONANDO 2013 . 41Figura 14 – Fluxo de potência unidirecional. Fonte: SHAYANE 2010 . . . . . . . . 43Figura 15 – Fluxo de potência bidirecional. Fonte: SHAYANE2010 . . . . . . . . . 43Figura 16 – Características demanda. Fonte: SHAYANE2010 . . . . . . . . . . . . . 44Figura 17 – Fluxo contrário x demanda residencial. Fonte: SHAYANE2010 . . . . . 44Figura 18 – Fluxo contrário. Fonte: 51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 19 – Parâmetros de funcionamento, OPENDSS. Fonte: Manual . . . . . . . 50Figura 20 – Circuito completo de Embaixadas. Fonte: RONALDO2013 . . . . . . . 56Figura 21 – Circuito completo de Embaixadas com geradores fotovoltaicos. Fonte:Adaptado

RONALDO2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 22 – Circuito modelado, Embaixada da Itália. Fonte: OPENDSS . . . . . . 57Figura 23 – Curva de Irradiância. Fonte: OPENDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Figura 24 – Circuito modelado com geradores fotovoltaicos. Fonte: OPENDSS . . . 64

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.4 Estrutura do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 PRINCÍPIOS DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA . . . . . . . . . . . . 272.1 Radiação Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.1 Irradiância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.2 Insolação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3 Módulo Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3.1 Curvas Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.2 Tipos de Células . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Análise dos Sistemas Fotovoltaicos Nacional e Internacional . . . . . 342.5 Considerações finais do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1 Aspectos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2 Geração Distribuída versus Geração Centralizada . . . . . . . . . . . 403.3 Vantagens e Desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4 Impactos da Geração Distribuída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4.1 Fluxo de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4.2 Exemplo Fluxo de Potência em Sentido Reverso . . . . . . . . . . . . . . . 443.4.3 Variações da tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4.4 Perdas técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.5 Normas Técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.6 Considerações finais do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1 Software, OPENDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1.1 Pré-Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.1.2 Definição de cada elemento utilizado no circuito com a sua sintaxe respectiva 504.1.3 Definição do Alimentador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.1.4 Linecode ou código do condutor (Definição parâmetros condutor) . . . . . 514.1.5 Conexão entre uma barra e outra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.1.6 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.1.7 Definição da curva de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.1.8 Definição do Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.1.9 Definição da Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.1.10 Comando EnergyMeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1.11 Comando Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.1.12 Pós-Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2 Descrição do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.1 Modelagem do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.2 Alimentador Radial de Distribuição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.3 Parâmetros Elétricos dos Condutores e Transformador . . . . . . . . . . . . 594.3 Considerações finais do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5 RESULTADOS E ANÁLISES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.1 Sistema sem Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.1.1 Tensões para primeiro cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.1.2 Potências para primeiro cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.1.3 Perdas no Sistema para primeiro cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.2 Sistema com operação dos Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.1 Tensões segundo cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.2.2 Potências segundo cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.2.3 Perdas para segundo cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.3 Análise dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.3.1 Análise das Tensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.3.2 Análise das Potências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.3.3 Análise das Perdas no Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.4 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

ANEXOS 73

ANEXO A – CODIGO PRINCIPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

ANEXO B – CODIGO PARAMETROS . . . . . . . . . . . . . . . . 77

ANEXO C – CURVA DE CARGA EMBAIXADA . . . . . . . . . . 79

ANEXO D – CURVA DE IRRADIANCIA . . . . . . . . . . . . . . . 81

21

1 Introdução

1.1 Contextualização

A expansão acentuada do consumo de energia elétrica é um dos principais indi-cadores de aquecimento econômico e de qualidade de vida de uma sociedade. Este de-senvolvimento reflete exatamente como uma sociedade que está caminhando ao longo dotempo,no que diz respeito a seus setores industriais, comerciais e de serviços, versus a ten-dência da população em consumir mais bens, estes fatores tornam viáveis o crescimentodo consumo de energia elétrica.

Essa relação demonstra categoricamente a influência de como o consumo mundialde bens e serviços impactam a demanda de energia elétrica. A Administração de Informa-ção de Energia – EIA (U.S. Energy Information Administration), tem realizado diversosestudos na área de demanda de energia elétrica no mundo, com intuito de avaliar possíveistendências no crescimento da demanda por energia elétrica.

Recentemente, o EIA apontou um resultado em alguns de seus estudos, sendoeste o aumento da demanda de energia elétrica ao longo dos anos com uma provávelperspectiva de crescimento para os anos seguintes. De acordo com este estudo é possívelavaliar que a tendência de crescimento do consumo por fonte de energia aumente em 48%até 2040, em um escala global para países que participam e não da OCDE (Organizationfor Economic Cooperation and Development). Como uma forma de analisar o crescimentodesta demanda, a Figura 1 apresenta de forma gráfica a perspectiva de demanda porenergia elétrica até 2040.

Figura 1 – Consumo de energia por fonte

22 Capítulo 1. Introdução

Paralelo ao crescimento da demanda de energia elétrica mundial, o Brasil temdemonstrado também um perfil de crescimento de acordo com Figura 1. Essa relação doaumento da demanda por energia elétrica nacional tem sido ocasionada em grande parte,por dois fatores relevantes: aumento dos consumidores e o aumento da renda per capta dapopulação. A título de comparação é apresentado a Figura 2 o qual demonstra a projeçãodo consumo de em (tep/hab) para 2050.

Figura 2 – Consumo de energia/ habitante

Mesmo com o aumento da demanda é dada uma grande atenção a qualidade deenergia elétrica transmitida na rede através das agências reguladoras, dos consumidorese das concessionárias de energia. Importante ressaltar que essa tendência não se traduzsomente na vida útil dos equipamentos eletrônicos, mas também na forma como o sistemaopera, dependendo este de parâmetros condicionais de operação muito sensíveis a variaçõesde porte elétrico.

Segundo o conceito de eficiência energética, o qual está intimamente ligada ao sis-tema elétrico. O mesmo traduz em formas de aproveitamento da energia elétrica disponívelcom o mínimo de perdas possíveis, tanto para o equipamento quanto para o sistema. Essabusca por otimização tem feito muitas empresas operadoras de energia mudarem grada-tivamente seus modelos de operação por modelos mais eficientes.Considerando que boaparte das fontes utilizadas no mundo são oriundos de recursos não renováveis. As mesmasgeram um gradativo desequilíbrio ambiental no planeta gerando uma grande escala de po-luição, em especial a emissão de gases poluentes devido a queima de combustíveis fósseis.Esse embate tem sido cada vez mais foco de discussões acerca da redução da emissão degases poluentes e na viabilização de investimentos em fontes alternativas de geração deenergia. Essa necessidade de ampliação da geração energética em face da grande utiliza-ção de combustíveis fósseis na matriz mundial de energia, faz com que a busca por fontesrenováveis se tornem imprescindível.

Devido a grandes pressões ambientais muitos países vem realizando políticas au-daciosas para substituição de grande parte da geração elétrica focada em combustíveis

1.2. Objetivos 23

fósseis, por uma geração elétrica mais “limpa”. Este cenário de investimento por políticasde geração mais eficientes, pode ser visto na Figura 3 o qual demonstra o fornecimento eeficiência de energia dos países, de acordo com as políticas até 2035.

Figura 3 – Investimento em Eficiência Energética

Relacionados algumas tendências e expectativas de como o sistema elétrico devese comportar ao longo dos próximos anos, visando juntar alguns dos pontos discutidosacima como aumento da eficiência energética, qualidade de energia e redução gradativadas emissões de gases, é fundamental a geração distribuída como uma possível soluçãopara os problemas apontados.

A geração distribuída (GD), se caracteriza por sua relação de geração ser junta-mente a carga diferente da geração centralizada, o qual, onde grandes comprimentos detransmissão são interligados de forma a conectar a carga ao centro de geração. Um detalheimportante é que a geração próxima a carga faz com que o sistema seja mais eficiente, umavez que o mesmo não dispõe de grandes distâncias de transmissão. Este tipo de produçãode energia elétrica é definido por pequenos geradores colocados junto ou próximo a carga( geralmente instalados juntamente com a unidade consumidora em paralelo a rede dedistribuição radial).

1.2 ObjetivosVisto que a geração distribuída já é um fator de realidade em alguns países e tendo

como base que para o sistema elétrico brasileiro, esse ambiente já está bastante próximo,foi visto a possibilidade de se realizar um estudo de forma a fazer um levantamentodos possíveis impactos ou efeitos da GD, sobre um alimentador radial localizado junto aEmbaixada da Itália, Brasília DF, a qual dispõe de um sistema de geração fotovoltaicoparalelo a rede de distribuição. Com isso, para realização deste estudo foram determinadasalgumas etapas sendo essas:

∙ Analisar a geração distribuída em sistemas de transmissão de energia elétrica;

24 Capítulo 1. Introdução

∙ Pesquisar as principais características da geração fotovoltaica em relação a geraçãodistribuída;

∙ Estudar sobre os principais problemas na qualidade de energia elétrica devido ageração distribuída;

∙ Analisar os possíveis problemas da geração distribuída através da simulação com-putacional feita no software OpenDss, no estudo de caso da Embaixada da Itália;

1.3 Justificativa

Conforme a figura 2, a perspectiva de demanda por energia elétrica Brasileira irácrescer de uma forma muito acentuada até 2050 segundo a Empresa de Pesquisa Energética(EPE). Este crescimento a curto prazo deve gerar programas governamentais de incentivoa instalação de pequenos geradores nos sistemas de distribuição.

Interessante lembrar que, a partir do momento em que essas unidades geradoras( painéis fotovoltaicos) começam a gerar uma quantidade significativa de energia elétricaem um determinado local, vai ser necessária o estudo sobre os possíveis impactos que omesmo vai gerar no alimentador radial. Este trabalho tem como foco o estudo da geraçãodistribuída caracterizada pela geração fotovoltaica, no que tange aos possíveis problemasocasionados pelo tráfego bidirecional de energia elétrica na rede de transmissão.

Este tipo de geração distribuída tem sido cada vez mais visto em países desenvol-vidos e possui uma certa tendência de aumento nos países em desenvolvimento. Tendoque a potência gerada pelo sistema fotovoltaico tem seu ponto de pico não uniforme aolongo do dia, é esperado que em algum momento do dia essa potência supere a potênciado alimentador. Entretanto, as redes de distribuição foram pensadas de forma a operar deuma forma radial ou em um único sentido, porém caso a potência do sistema fotovoltaicoseja superior, o mesmo poderá gerar um fluxo de potência em um sentido contrário aoesperado, ocasionando assim possíveis problemas na rede de energia elétrica.

Tendo como justificativa o problema explicitado acima foi pensado em realizareste estudo na Embaixada da Itália, a qual já possui um sistema de geração fotovoltaicainstalado. O foco principal do trabalho é analisar por meio de simulação o quanto depotência gerada pelo sistema fotovoltaico é produzido na embaixada, e se o mesmo irácausar os possíveis danos estudados ao alimentador radial. Por se tratar de um estudo decaso, foi utilizado para análise um alimentador real da Companhia Energética de Brasília(CEB), que além da embaixada Italiana, alimenta mais quinze embaixadas.

1.4. Estrutura do Documento 25

1.4 Estrutura do DocumentoNo capítulo introdutório deste trabalho de conclusão de curso, é demonstrado o

problema a ser resolvido juntamente com a contextualização e os objetivos gerais dosestudos a serem realizados.

Logo após, no segundo capítulo, é feito uma revisão bibliográfica a respeito dométodo de geração de eletricidade através de painéis fotovoltaicos, abordando este assuas principais características e tendências.

No terceiro capítulo de forma semelhante ao segundo, é feita uma revisão bibli-ográfica a respeito da geração distribuída. No mesmo são apresentados suas principaiscaracterísticas, vantagens, desvantagens e seus possíveis problemas ocasionados a um ali-mentador radial. Também neste, é feita uma consideração breve a respeito das normastécnicas envolvidas na geração distribuída fotovoltaica.

O quarto capítulo apresenta a metodologia de simulação computacional utilizada,bem como também a descrição completa do problema estudado juntamente com a mode-lagem do sistema. Por fim no último capítulo, é trago os resultados obtidos via simulaçãocomputacional e análises destes dados.

27

2 Princípios da Geração Fotovoltaica

Anualmente a Terra recebe uma quantidade de energia solar capaz de atender emmilhares de vezes ao longo do mesmo período de tempo, as necessidades por energia nomundo, tornando-o assim como a principal fonte de energia deste planeta. Esta capaci-dade de fornecimento energético proveniente do Sol, pode ser aproveitada através do efeitofotovoltaico, o qual consiste em, converter diretamente a luminosidade solar em energiaelétrica. Ao contrário dos sistemas solares de aquecimento, segundo (Villalva,2012) os sis-temas fotovoltaicos têm a função de captar diretamente a luz solar incidente e transformá-la em corrente elétrica.

A fim de realizar o suprimento direto de energia elétrica, os sistemas fotovoltaicosem sua grande maioria, de acordo com (Villalva,2012), se encontram sempre próximos oujuntosa carga. Esta característica tem feito com que cada vez mais esta fonte de energiaganhe mais espaço no ambiente nacional e mundial.

2.1 Radiação Solar

Além das condições atmosféricas como, umidade relativa do ar, nebulosidade, adisposição da energia total incidente sobre superfície da terra, possui uma relação diretacom a latitude do local, horário dia e ano. Conforme (), isto acontece devido ao posi-cionamento da terra de acordo com a inclinação do eixo imaginário em torno do eixoimaginário o qual a terra realiza o movimento rotação, e a trajetória elíptica que a mesmafaz ao redor do sol. A energia transmitida pelo sol a superfície da terra pode ser dadode acordo com a equação de Planck, a qual mostra uma relação entre a frequência e aenergia eletromagnética:

𝐸 = ℎ * 𝑓 (2.1)

onde, E é a energia da onda [J]ou [eV], f é sua frequência [Hz] e h é a constante de Planck.

As ondas eletromagnéticas ao incidirem sobre alguns materiais, provocam altera-ções nas propriedades elétricas originando tensões e correntes ao invés de transmitir calor.O efeito fotovoltaico consiste basicamente, segundo (Villalva,2012) em converter a radi-ação eletromagnética do sol em energia elétrica através do surgimento de uma diferençade potencial (tensão), sobre um célula fotovoltaica. Esta célula é um arranjo de materiaissemicondutores onde é feito um caminho elétrico entre os dois eletrodos. Esta estruturapode ser analisada na Figura 4 a seguir:

28 Capítulo 2. Princípios da Geração Fotovoltaica

Figura 4 – Estrutura típica de uma célula fotovoltaica

2.2 Energia Solar

O estudo da energia solar, tem como principal foco avaliar a condições ambientaispara instalação de um sistema fotovoltaico. Sabendo que essas terão um impacto signifi-cativo na eficiência de geração de eletricidade, é importante de forma geral avaliar os doisprincipais influentes característicos desta geração de eletricidade, sendo estes a Irradiânciasolar e a Insolação.

2.2.1 Irradiância

Expressa em 𝑊/𝑚2 (Watt por metro quadrado), a irradiância é a própria radiaçãoincidente sobre uma área. Mais especificamente segundo (Villalva,2012), é a potênciaequivalente a uma área, sabendo que potência é a quantidade de trabalho ou energiagerada em um determinado período de tempo, quanto maior for esta, maior será a energiagerada pelo módulo em uma certa quantidade de tempo.

Na superfície terrestre e no espaço respectivamente de acordo com (Villalva,2012),a irradiância é em geral de 1000𝑊/𝑚2𝑒1353𝑊/𝑚2 (espaço entre o sol e a terra). Estamedida de Irradiância, é muito útil na avaliação da vantagem de se instalar um sistema emuma determinada região, pois o mesmo está intimamente ligada a eficiência de conversãode energia solar em elétrica. Abaixo na Figura 5 é mostrado um gráfico típico da irradiânciasolar ao longo de um dia:

2.2. Energia Solar 29

Figura 5 – Curva Irradiância solar. Fonte:

2.2.2 Insolação

De forma semelhante a Irradiância solar, segundo (Villalva,2012) a Insolação é amedida da quantidade de energia solar que incide sobre uma determinada área durante umintervalo de tempo determinado, expressa em 𝑊ℎ/𝑚2 (Watt hora por metro quadrado).Por essa unidade ser expressa em formato de energia, entende-se que o mesmo expressauma certa densidade de energia por área.

Para o correto dimensionamento de sistemas fotovoltaicos, a Insolação é uma me-dida muito importante, uma vez que o mesmo, influência diretamente no rendimento dageração de eletricidade nos módulos fotovoltaicos. Atualmente tanto no mundo quanto noPaís, várias estações meteorológicas tem realizado levantamentos de insolação e disponi-bilizados em grandes bancos de dados em formas de tabelas e gráficos, como uma formade auxiliar a comunidade científica. A nível global um importante programa é o SWERA(Solar and Wind Energy ResourceAssessmnt), já a nível nacional temos a plataformaCresesb (Centro de Referência de Energia Solar e Eólico Sergio Brito). Por fim como umaforma de análise a Figura 6 abaixo demonstra a insolação diária no território do DistritoFederal:


Figura 6 – Curva Irradiância solar Brasília-DF. Fonte:Cresesb.cepel.br

2.3 Módulo Fotovoltaico

A principal estrutura de um sistema fotovoltaico está na células fotovoltaicas,sendo um módulo composto pelo arranjo em série ou paralelo dessas células. A célulafotovoltaica é constituída por um material semi condutor neste caso o silício o qual possuiduas camadas P e N.

De acordo com as características de um semi condutor e as semelhanças físicas como módulo fotovoltaico, esse arranjo pode ser aproximado a um diodo, se for consideradoum circuito ideal, sendo este representado apenas pela fonte de corrente e o diodo. Porém afim de se aproximar ao caso mais próximo do real de um módulo fotovoltaico, é necessárioincluir neste sistema os parâmetros Rs e Rp.

A fonte de corrente Ipv é a corrente originária do efeito fotoelétrico, a qual gera ofluxo de corrente em um módulo fotovoltaico. Este fluxo é um importante parâmetro desaída de um sistema fotovoltaico, uma vez que o mesmo aumenta ou diminui de acordocom o índice de irradiância local.

A resistência 𝑅𝑠 são aquelas que vem de perdas ocasionadas pelas quedas de tensãodentro da célula, tais como efeito Joule e a própria perda pela resistência interna dodiodo. Essas perdas são bem pequenas variando em Ohms, sendo este dependente do tipode material utilizado na fabricação da célula. Já a resistência 𝑅𝑝 são perdas oriundasde correntes de fuga e seu valor já aumenta consideravelmente. Importante lembrar quevariações em 𝑅𝑠, afetam diretamente o desempenho da célula fotovoltaico, o que nãoacontece em 𝑅𝑝, quando o mesmo sofre essas variações (Paludo,2014). Estes parâmetrospodem ser vistos na Figura 7 o qual representa o circuito ideal do diodo.

2.3. Módulo Fotovoltaico 31

Figura 7 – Representação do circuito de uma célula fotovoltaica

Alguns parâmetros do diodo podem ser calculados de acordo com a equação dodiodo de Shockley, onde aplicando a equação da primeira Lei de Kirchhoff na Figura 7,tem a seguinte equação :

𝐼 = 𝐼𝑝𝑣 − 𝐼0(𝐼𝐷) − 𝑉 + 𝐼𝑅𝑠

𝑅𝑝

(2.2)

Onde, 𝐼𝐷 é a corrente que circula no interior do diodo, I e V é a corrente e a tensão desaída da célula fotovoltaica, 𝐼0 é a corrente de saturação reversa do diodo, 𝐼𝑝𝑣 é a correnteoriginária do efeito fotovoltaico e 𝑅𝑠 e 𝑅𝑝 as perdas interiores do diodo (Paludo,2014).Sabendo que 𝐼𝐷 pode ser representado de acordo com a equação abaixo, temos que :

𝐼𝐷 = 𝐼0𝑒𝑉 +𝐼𝑅𝑠𝑛𝑉𝑡−1 (2.3)

onde, n é a constante de idealidade do diodo, o qual varia entre 1,0 e 1,5 e 𝑉𝑡 é a tensãotérmica do módulo. Esta constante tem uma relação direta com a curva característica decorrente e tensão de um módulo fotovoltaico ().

Os módulos fotovoltaicos comerciais, possuem em média uma potência de saídaque varia entre 50 e 200 Watts. Essa variação se deve as características de fabricaçãodos mesmos, podendo variar segundo os tipos de células, podendo ir das que apresentammenores rendimentos até as maiores. Os arranjos fotovoltaicos são as associações destesmódulos, os quais podem ser conectados em série para se elevar a tensão, em paralelopara se elevar a corrente ou os dois, a fim de se atender uma carga desejada com correntese tensões desejadas (Paludo,2014).

A fim de se compreender o comportamento dos módulos fotovoltaicos, serão apre-sentados algumas curvas características, tais como I x V gráfico de corrente de saída versusa tensão de saída e P x V potência de saída versus tensão de saída.

2.3.1 Curvas Características

A exemplo uma curva característica de tensão versus corrente de um arranjo de 60painéis fotovoltaicos, do tipo KAC125TM da Kyocera (Paludo,2014). Sendo este compostopor três fileiras em paralelo com vinte painéis em série representados na Figura 8:


Figura 8 – Curva característica de Corrente x Tensão. Fonte: Adaptado DISSERTUSP

Nesta figura é importante analisar ponto de corrente de curto circuito (𝐼𝑠𝑐) e atensão de circuito aberto (𝑉𝑜𝑐) (Paludo,2014).

A Figura 9 representa a potência versus a tensão, sendo esta medida na saída domódulo. Neste gráfico é importante analisar os pontos de máxima potência (𝑃𝑚𝑝) e tensãoonde acontece esse pico máximo, ou tensão de máxima potência (𝑉𝑚𝑝) (Paludo,2014).

Figura 9 – Curva de potência máxima x Tensão. Fonte: Adaptado DISSERTUSP

Estes parâmetros apresentados, são de extrema importância na caracterização deum módulo fotovoltaico, sendo estes normalmente fornecidos pelos fabricantes em suasespecificações técnicas. Vale lembrar que essas especificações geralmente são dadas emcondições de irradiância e temperaturas padrões, sendo essas 1000𝑊/𝑚2 e 25∘C respecti-vamente. Importante ressalte que a variação da temperatura local influencia diretamenteno rendimento de geração de eletricidade via módulos fotovoltaicos (Paludo,2014).

2.3.2 Tipos de Células

O mercado de fabricação de painéis fotovoltaicos tem hoje como principais tec-nologias, três tipos de painéis, os de silício monocristalino, silício policristalino e os de

2.3. Módulo Fotovoltaico 33

filme fino de silício. Estes tipos de células fotovoltaicas apresentam características de ren-dimento diferentes uma das outras em relação a geração de eletricidade, esta diferençaestá relacionado diretamente ao método de purificação do silício, variando assim o seurespectivo preço no mercado.

O silício monocristalino é fabricado por um processo de purificação mais rigoroso,gerando assim células fotovoltaicas mais rígidas e quebradiças. Porém hoje essas célulassão as que possuem maior rendimento na conversão de energia solar, variando entre 15 a18%.

A tecnologia de filme fino é aquela em que há uma produção de uma célula a partirde fatias de silício, a mesma surgiu recentemente, com intuito de se utilizar sobre umabase que pode ser tanto rígida ou flexível. A fabricação deste tipo de célula, se divideem duas categorias, as de silício amorfo e microcristalino e são caracterizadas atualmentecomo as mais baratas devido a utilização de pouca matéria prima, estas célulaspossuemum rendimento de conversão entre 5 e 8%.

Estes diferentes tipos de tecnologias e processos de purificação do silício emprega-dosna fabricação da célula solar, levam a obtenção de módulos fotovoltaicos com eficiênciassuperiores ou inferiores, dependendo do tipo de célula fabricado. Tecnologias com baixaeficiência de geração de eletricidade, segundo (Villalva,2012) exigem uma área de instala-ção geralmente maiores do que os que apresentam alta eficiência na conversão de energiasolar. Como uma forma de fazer uma comparação entre as tecnologias fotovoltaicas exis-tentes, a tabela X traz o tipo de material da célula fotovoltaica versus a eficiência naconversão de eletricidade.

Tabela 1: Comparação da eficiência por tecnologia. Fonte: Adaptado VILLALVA,2008


Importante notar que as células de silício mono e policristalino, são as que possuemas maiores eficiências, tanto a âmbito laboratorial quanto para a fabricação comercial. Valeressaltar que quanto mais eficiente é o processo de conversão, menor é a área necessáriapara a instalação do sistema.

2.4 Análise dos Sistemas Fotovoltaicos Nacional e Internacional

A evolução do mercado mundial de painéis fotovoltaicos começou a apresentarum forte aquecimento a partir do ano de 2004 e 2005 devido ao aumento da produção,evidenciado na Figura 10 a seguir. Esta tendência de mercado pode ser explicada devidoa grandes incentivos dados as principais potências mundiais em realizar investimentos emnovas tecnologias de geração de energia.

Figura 10 – Evolução regional de instalação de painéis fotovoltaicos. Fonte: Adaptado

Este aumento na produção favoreceu o surgimento de grandes fabricantes ao redordo mundo. Estima-se hoje que os principais países fabricantes, sejam respectivamente :China, Japão, Europa, Estados Unidos e a junção de outros países. Conforme a Figura11 , pode ser observado até o ano de 2013, os quatro principais fabricantes de módulosfotovoltaicos no mundo.

Figura 11 – Países produtores PV. Fonte: Adaptado

2.4. Análise dos Sistemas Fotovoltaicos Nacional e Internacional 35

Outro importante equipamento de uso em conjunto com os painéis são os inver-sores, os quais, fazem a intermediação entre a rede elétrica de distribuição e os módulosfotovoltaicos. Importante ressaltar que a produção destes painéis não se resumem apenasna junção das células fotovoltaicas e sim em todo sistema necessário para instalação.

Por fim de acordo com (Villalva,2012), a instalação do sistema fotovoltaico sedividem em quatros tipos, sendo esses: instalação em telhados de casas, instalação terrestreou em solo, instalação em telhas (células amorfas), instalação em terraços de edifícios.

Paralelamente ao ambiente mundial, o Brasil vem ganhando cada vez mais espaçonos investimentos na tecnologia fotovoltaica, atualmente de acordo com (Villalva,2012)a energia fotovoltaica tem sido prioritariamente empregada em regiões isoladas, onde aslinhas de transmissão do Sistema Integrado Nacional (SIN) não atendem, desta formadevido a falta de rede elétrica nessas regiões, foi criado o programa do Governo Federalem 2003 “Luz para Todos”, que visa atender essas regiões mais afastadas os quais nãocompensariam a integração com SIN.

Embora para sistemas autônomos a energia fotovoltaica seja uma forma de impor-tante obtenção de eletricidade, é esperado que o mesmo venha ser cada vez mais conectadodiretamente a rede elétrica, surgindo assim um grande potencial de exploração desta fonteem sistemas de micro e minissistemas de geração distribuída.

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Brasil vem au-mentando gradativamente a utilização de sistemas fotovoltaicos conectados a rede elétricasendo que nos próximos anos esse crescimento passará a ser mais acentuado, devido o paísser muito privilegiado em termos de sua elevada taxa de irradiação em praticamente todasas regiões. Na figura 12 abaixo é possível analisar mais detalhadamente a forte tendênciade crescimento dos micro e minissistemas em função dos anos e da potência, explicitadosacima:


Figura 12 – Projeção da capacidade instalada fotovoltaica a longo prazo. Fonte: Adaptado

Pelos relatórios da EPE, é possível avaliar que este crescimento de instalações noPaís não e deve somente ao ambiente ser propício em termos técnicos, vale ressaltar que éesperado que o Brasil venha cada vez mais realizar novas políticas de incentivo a este tipode geração de energia elétrica, de acordo com o que vem acontecendo em escala mundial,porém em contra partida, durante alguns anos a exploração deste recurso no País ficoupraticamente apagada segundo (Villalva,2012), isto se deve ao fato de o mesmo ter dadomuito foco a outros meios de geração de eletricidade.

Alguns dos fatores que de certa forma contribuíram para a desvalorização da ener-gia fotovoltaica no país até meados de 2012, os quais eram, a falta de regulamentaçãoe normas técnicas para o setor fotovoltaico, o custo da eletricidade ser considerado caroem comparação com a principal fonte de energia elétrica brasileira, falta de incentivoseconômicos em formas de linhas de crédito e subsídios.

Entretanto de acordo com os estudos da EPE e ANEEL, é esperado que o Paísconsiga vencer essas barreiras e disseminar esses sistemas de geração fotovoltaicas conec-tados a rede, gerando assim enormes benefícios a matriz energética brasileira. Do pontode vista técnico e econômico, segundo (Villalva,2012) o emprego da geração distribuídanaprodução de eletricidade ficará a custo muito competitivo a partir do momento em queeste conseguir conceder ao consumidor um abatimento em forma de crédito em sua contade eletricidade. Além destes benefícios, segundo estudos da EPE, o crescimento da ge-ração fotovoltaica irá de certa forma impulsionar o desenvolvimento tecnológico do país,gerando uma movimentação de mercado cada vez maior no setor.Ao contrário dos investi-mentos necessários para criação de geração energia elétrica concentrados, o investimento

2.5. Considerações finais do capítulo 37

mais pulverizado irá garantir uma grande escala de empregos diretos e indiretos no país.

2.5 Considerações finais do capítuloNeste capítulo foram levantadas os principais aspectos da tecnologia de geração

energia fotovoltaica, bem como características relevantes que influenciam diretamente essaprodução.

Além destes, também foi apresentado informações importantes do comportamentodos módulos fotovoltaicos através de curvas características, os quais, demonstravam ainfluência da tensão em relação a corrente e potência. Também foi observado a relação dasprincipais tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas e suas respectivas eficiências.

Por fim com intuito de se avaliar a evolução do mercado mundial de sistemas foto-voltaicos foram levantados dados de projeções de instalação fotovoltaicas que traduziamo crescimento da tecnologia em ambiente nacional e internacional, bem como tambémanálises dos principais fabricantes de módulos ao redor do mundo.

39

3 Geração Distribuída

3.1 Aspectos GeraisA Geração Distribuída, pode ser definida como aquela em que há uma produção de

energia elétrica em pequena escala, junta ou próxima da carga (Consumidores), podendoesta ser ou não conectada a rede elétrica de distribuição (ICEUBI,2013). Esta se diferen-cia da Geração Centralizada, por convencionalmente ser instalada em locais de pequenoespaço geográfico (Shayani,2010).

Segundo Camargos (2013), uma fonte de energia elétrica somente será consideradacomo geração distribuída, uma vez que a mesma atender aos seguintes parâmetros:

∙ Possuir conexão direta a rede de distribuição;

∙ Ser conectada junta ou próxima ao consumidor de energia elétrica;

∙ Ser capaz de suprir sistemas de energia elétricos isolados;

∙ Estar conectada a rede de distribuição, sem que seja geração centralizada;

Desta forma a geração distribuída, contribui para a distribuição de geração de energiaelétrica em uma determinada região geográfica (Shayani, 2010). Atualmente as fontesde energia renováveis, em sua grande maioria, não se encontram em locais centralizadoscomo a exemplo as grandes centrais hidrelétricas. Comparativamente a energia solar seapresenta em todo globo terrestre, variando este apenas em intensidade luminosa emdeterminadas regiões, podendo essas serem grandes ou pequenas.

O potencial desta fonte de energia, pode ser visto como a principal forma degeração distribuída, por ser a que é mais acessível aos consumidores (centros de carga).Isto faz com que o principal paradigma da geração centralizada, seja mudada, uma vezque a geração distribuída por ser gerada próxima ou junta com a carga faz com que estaseja mais bem aproveitada, melhorando assim critérios de eficiência energética, os quaisse comparados aos sistemas de geração centralizados, apresentam grandes perdas duranteo processo de transmissão e distribuição (Shayani, 2010).

Com isso por ser localizada junto ou próximo da carga, faz com que a energia elé-trica gerada possa ser consumida rapidamente, reduzindo assim os custos da transmissãode energia elétrica. Além das necessidades energéticas da carga ou do consumidor final, ageração distribuída dispõe de várias aplicações, sendo essas classificadas de acordo com autilidade da energia no sistema, sendo essas (ICEUBI,2013):

40 Capítulo 3. Geração Distribuída

∙ Fornecimento de Energia durante picos de carga;

∙ Base do diagrama de carga;

∙ Suporte a rede de distribuição;

∙ Armazenamento de energia;

∙ Fornecimento de Energia durante picos de carga;

3.2 Geração Distribuída versus Geração Centralizada

Um sistemas de geração de energia elétrico centralizado, é caracterizado por gran-des centrais produtoras de energia. Estas são localizadas próximas de suas fontes pri-márias, sendo essas: rios, caso das hidrelétricas de grande porte não se enquadrando asPCH’s, jazidas de carvão ou postos petrolíferos, caso das termoelétricas. Geralmente es-sas unidades de geração de energia, se encontram bem distantes das regiões consumidoras(Camargos,2013).

Estes sistemas de geração de energia elétrica, tem sido cada vez mais discutidospor conta de sua grande maioria dependerem de recursos fósseis e grandes áreas para oseu funcionamento. Desta forma, pelo modelo de geração distribuída fotovoltaica não serbaseado em recursos fósseis, é esperado que o mesmo venha crescer mais ao longo dosanos devido suas características técnicas e econômicas serem mais viáveis, além da suacontribuição na sustentabilidade ambiental.

No contexto de eficiência energética, a geração centralizada, por estar em suagrande maioria, muito distante dos centros consumidores, apresentam em sua transmis-são e distribuição, elevadas perdas de energia. Paralelamente a geração distribuída, es-sas perdas devido as grandes distâncias em relação aos centros consumidores são bemreduzidas, devido a produção de eletricidade ser exatamente no centro consumidor (Ca-margos,2013). Como uma forma de ilustrar essas características, a Figura 13 apresenta aGeração Distribuída versus a Geração Centralizada:

3.3. Vantagens e Desvantagens 41

Figura 13 – Geração distribuída x Geração centralizada. Fonte: RONANDO 2013

3.3 Vantagens e DesvantagensAs vantagens técnicas envolvidas na implantação de um sistema de geração distri-

buída, abrangem uma certa quantidade de situações. Tendo em vista que a qualidade daenergia transmitida seja um dos fatores mais importantes neste sistema, é possível avaliaros diferentes benefícios técnicos que a geração distribuída pode oferecer, sendo estes:

Vantagens (Camargos,2013):

∙ Produção nos centros de carga;

∙ Redução nas perdas por transmissão de energia elétrica;

∙ Implementação em curto prazo de tempo;

∙ Funcionamento em horários comerciais;

∙ Aumento de confiabilidade no suprimento de energia elétrica;

∙ Maior flexibilidade operativa;

∙ Junção com redes inteligentes;

∙ Redução de cargas nas linhas de transmissão e distribuição;

Desvantagens (Camargos, 2013):

∙ Aparecimento de fluxo bidirecional de energia elétrica;

∙ Aumento do nível de curto circuito;

∙ Problemas relacionados a qualidade da energia elétrica;


∙ Custo elevado para regularizar as tecnologias aplicadas;

∙ Inversão do fluxo de potência no alimentador;

∙ Aumento de tensão;

∙ Distorção harmônica;

3.4 Impactos da Geração DistribuídaA geração distribuída em grande escala quando ligada diretamente a rede elétrica,

pode vim a impactar diretamente o alimentador em que os geradores estão conectados.Neste aspecto, existem pontos, positivos quanto negativos (Shayani,2010). Seguindo essecontexto, este capítulo tem como principal apresentar os possíveis problemas que a GDFVpode vim ocasionar na rede, devido a conexão de geradores. Tal método de análise foiretirada de textos acadêmicos e os mesmos podem ser evidenciados a seguir (Paludo,2014):

∙ Fluxo de potência;

∙ Tensão;

∙ Nível regulação de tensão;

∙ Perdas técnicas;

3.4.1 Fluxo de Potência

Originalmente o sistema de distribuição de energia elétrica não foi projetado paraatender a geração dentro dos centros consumidores. Com uso crescente de painéis solaresfotovoltaicos, começam a aparecer diversos locais de geração conectados a rede de distri-buição, por se tratar de uma geração de energia espalhada ao longo de uma área (cidade),a própria distribuidora não pode apenas tratar essa energia como uma entrada secundáriade alimentação da rede. Com isso é importante analisar os efeitos que isso pode vim agerar na rede de distribuição (Shayani, 2010).

Por se tratar de uma energia oriunda de grandes centrais hidrelétricas, é impor-tante abordar conceito de distribuição unidirecional, o qual a mesma trata-se do fluxo depotência de um alimentador radial sempre em único sentido, no caso sempre em direçãoa carga como pode ser verificado na Figura 14.

A Firgura 14 apresentada pode ser explicada da seguinte forma: a) De 1-2 é verifi-cado um nível de potência alto se comparada a todo fluxograma, isso se deve ao fato queesta irá alimentar todas as seis cargas do sistema. De 2-3 fluxo de potência menor quede 1-2, de forma semelhante esta irá apenas alimentar apenas quatro cargas no sistema.

3.4. Impactos da Geração Distribuída 43

Figura 14 – Fluxo de potência unidirecional. Fonte: SHAYANE 2010

De 3-4 fluxo de potência suficiente apenas pra alimentar as duas ultimas cargas (Shayani,2010).

A partir do momento em que há geração distribuída conectada junto com as cargasdo sistema, o fluxo de potência poderá sofrer uma alteração significante. A exemplo destecomportamento, a Figura 15 apresenta como seria o fluxo nessa nova situação a nívelde sistema. É importante analisar que nesta nova configuração, a GD atende o consumomomentâneo da carga e ao mesmo tempo injeta diretamente na rede potência excedenteproduzida, alimentando por conseguinte outras cargas próximas da GD.

Figura 15 – Fluxo de potência bidirecional. Fonte: SHAYANE2010


3.4.2 Exemplo Fluxo de Potência em Sentido Reverso

A fim de se fazer uma breve análise do fluxo contrário de potência devido a insta-lação de um sistema GDFV, foram feitas as seguintes considerações: a) Análise das curvasde carga típicas de centros comerciais e residenciais; b) Análise das curvas de irradiânciasolar da região de estudo; c) demanda máxima comercial e residencial igual a 1 (pu); d)irradiância solar apresentando potência máxima igual 1 (pu).

Com isso o uso da GDFV ao longo do dia, mais precisamente nos horários onde éobtido os maiores níveis de irradiância, a potência localizadas nas cargas terão um com-portamento negativo, o que indica que a mesma estará injetando excedente de potência narede de distribuição. As características de demanda podem ser vistas na Figura 16 e essefluxo contrário pode ser verificado de acordo com a Figura 17 abaixo (Shayani, 2010):

Figura 16 – Características demanda. Fonte: SHAYANE2010

Figura 17 – Fluxo contrário x demanda residencial. Fonte: SHAYANE2010

De acordo com a Figura 16, fica evidenciado que ao longo do dia a demanda má-xima comercial é reduzida devido a utilização da GDFV. Isto demonstra diretamente uma

3.4. Impactos da Geração Distribuída 45

das principais vantagens explicitadas no texto a que se refere a qualidade de energia, umavez que a mesma ao auxiliar no suprimento de energia ao longo do horário de operação fazcom que a mesma esteja menos propícia a variações negativas da rede, além de “postergar”investimentos em redes de distribuição.

Importante ressaltar na Figura 17, que a demanda residencial máxima não sealterou ao longo do dia. Isto deixa claro que devido a carga residencial ter seu maior picode consumo no horário noturno, no geral, entre as 19 ás 22 horas, a mesma neste intervalotem o funcionamento dos principais aparelhos domésticos, os quais, demandam muitapotência. Devido este horário não possuir irradiância solar, salvo os meses com horáriode verão, os sistemas fotovoltaicos sem armazenamento de energia não contribuem paraauxílio da demanda neste período (Shayani,2010).

Segundos as figuras apresentadas a instalação de geradores fotovoltaicos juntoscom as cargas poderão auxiliar as mesmas na redução da demanda da potência na subes-tação. Porém como mencionado, a implementação de vários geradores ao longo da rede dedistribuição poderá gerar um fluxo contrário ao esperado pela rede radial de alimentação.Esse retorno de potência pode ser verificado na Figura X abaixo:

Figura 18 – Fluxo contrário. Fonte: 51

Com isso de potência deixa de ser unidirecional passando a ser bidirecional, o quepor sua vez, poderá gerar consequências negativas pro sistema, tais como: aumento detensão no terminal onde está conectado o gerador fotovoltaico, o qual segundo autorespoderão causar problemas de coordenação e operação com sistema de proteção das redesde distribuição.

Vale ressaltar que segundo a literatura, este problema de fluxo bidirecional de ener-gia elétrica, futuramente não serão somente questões limitadas ao ambiente de sistemasde distribuição, passando este a aparecer em sistemas de transmissão (52).


3.4.3 Variações da tensão

Como apresentado, a inserção de geradores fotovoltaicos na rede elétrica pode cadavez mais complicar as questões relacionadas a variações de tensões na rede, contribuindopara perda da qualidade de energia prestados. Essas variações com mais frequência, podemprejudicar a vida útil dos equipamentos utilizados na regulação das tensões aumentandoassim, os custos de operação (Paludo,2014).

A regulação de tensão é um parâmetro importante na contribuição da qualidadede energia. No geral os níveis de tensão são mais elevados próximo dos centros gera-dores e menos elevados quando próximos a carga. A utilização da geração distribuídafotovoltaica como já discutido anteriormente, podem auxiliar no suprimento direto dascargas, diminuindo assim as quedas de tensão durante os horários comerciais. Desta formaentende-se que sistemas fotovoltaicos podem atuar como reguladores de tensão, para com-pensar quedas de tensão em situações em que o alimentador está operando a plena carga(Shayani,2010).

3.4.4 Perdas técnicas

As grandes perdas no sistema de distribuição de energia elétrica no geral são oca-sionadas pela operação com carga alta. Desta forma, a introdução de painéis fotovoltaicosjuntamente com as cargas podem auxiliar na diminuição destas perdas. Isto se deve aofato de a potência fornecida suprir diretamente a carga, fazendo com que esta, diminua acorrente que flui da subestação até ela.

Porém, o excesso de geração pode ocasionar um fluxo contrário, o qual, em largaescala pode vim elevar as perdas técnicas nas linhas de distribuição e de forma análoga,acabar comprometendo boa parte dos equipamentos (Paludo, 2014).

3.5 Normas Técnicas

Podem ser citados como exemplo algumas normas internacionais para a conexão dageração fotovoltaica voltada a rede de distribuição, sendo essa: norma IEEE Std 1547-2003"IEEE Standart for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems",(IEEE, 2003).

Procedimentos de distribuição (PRODIST), os quais são documentos elaboradospela agência reguladora de energia elétrica (ANEEL), às quais normatizam e padronizamatividades voltadas ao funcionamento e desempenho das redes de distribuição de energiaelétrica, sendo esta resolução normativa 687, o qual altera os módulos 1 e 3 anterioresdo PRODIST os quais dispôem de novas regras para a conexão da geração distribuídafotovoltaica.

3.6. Considerações finais do capítulo 47

3.6 Considerações finais do capítuloNeste capítulo foi introduzido o conceito de geração distribuída, apresentando

durante este: aspectos gerais, principais diferenças em relação a geração centralizada,vantagens e desvantagens e sua importância na rede de distribuição de energia elétrica.

Além destes foram levantados características importantes sobre o fluxo de potên-cia gerado pela GD e os possíveis impactos que o mesmo pode vim a ocasionar a umalimentador radial.

49

4 Metodologia

Para a realização da análise dos dados do sistema de energia elétrica com gera-ção distribuída a ser implementado, serão considerados em primeira etapa a modelagemmatemática do problema através de simulações feitas no software OPENDSS com diferen-tes casos (adaptado de Reis, 2015). Para esta modelagem serão necessários reunir algunsdados importantes tais como :

∙ Características do Alimentador;

∙ Características dos Cabos;

∙ Características do Transformador;

∙ Características da Carga;

4.1 Software, OPENDSS

O Open System Distribution Simulator (OPENDSS) , é um software de códigoaberto ou livre, o qual pertence à Eletric Power Research Institute (EPRI), feito pararealização de análises de sistemas de distribuição de energia elétrica (Reis, 2015).

O programa pode ser modificado de acordo com as necessidades do programador,o mesmo foi desenvolvido para ser expansível, de forma a modelar diferentes problemasocorrentes na rede de distribuição. As principais aplicações do OPENDSS estão na áreade geração distribuída, análises de harmônicos e qualidade da energia (Reis, 2015).

Um dos principais modos de solução que o software oferece são, (Snapshot PowerFlow) fluxo de potência instantâneo, (Daily Power Flow) fluxo de potência diário, (YearlyPower Flow) fluxo de potência anual, (Harmonics) estudo de harmônicos,(Faultstudy)estudo de faltas ou falhas, dentre outras funções. Vale ressaltar que o programa realizaanálises somente em regime permanente (Manual, OpenDss).

De acordo com a Figura 19, o circuito do OPENDSS é dividido em 5 estruturas. OPDElement (Power Delivery Element) o qual é constituído por elementos que fornecemenergia de um ponto ao outro no circuito. O PCElement (Power Conversion Element)o qual é constituído por elementos responsáveis por transformar energia de uma formapara a outra. O Controls o qual é constituído por componentes responsáveis por controlaroutros componentes do circuito. O Meters são os medidores responsáveis por realizaremanálises das correntes, tensão e potência do circuito onde foram empregados. O General é

50 Capítulo 4. Metodologia

responsável pelos scripts característicos do OPENDSS utilizados na simulação (Manual,OpenDss).

Figura 19 – Parâmetros de funcionamento, OPENDSS. Fonte: Manual

4.1.1 Pré-Simulação

Para realização da simulação no OPENDSS, é necessário em primeira etapa or-ganizar os elementos do circuitos, os quais serão analisados. Normalmente, os principaiscomponentes que são utilizados na maioria dos circuitos de grande escala, apresentam:alimentador, cabos, segmentos de rede (conexão entre uma barra e outra), definição dascargas, transformadores, reguladores, geradores e capacitores. Sendo que neste trabalhoserão usados somente, alimentador, cabos, segmentos de rede, definição das cargas, trans-formadores e geradores fotovoltaico.

Com estes elementos definidos, é necessário ainda obter os dados característicosde operação de cada um deles, a exemplo, alimentador, a tensão de linha ou tensão doalimentador deve ser conhecida, já para o segmento de rede o tipo de cabo a ser utilizadoe o seu tamanho ou comprimento no sistema, para os transformadores o tipo de conexão,delta ou estrela, informações da tensão no primário e secundário, potência nominal, entreoutros aspectos importantes.

4.1.2 Definição de cada elemento utilizado no circuito com a sua sintaxerespectiva

Depois de definido os elementos que serão utilizados no sistema de distribuição edeterminados os seus respectivos parâmetros, será possível realizar a simulação do circuitono software OPENDSS, utilizando seus comandos principais.

4.1. Software, OPENDSS 51

4.1.3 Definição do Alimentador

O alimentador ou o barramento do alimentador, é responsável por fornecer a potên-cia que irá alimentar o circuito completamente, o mesmo pode ser definido como a tensãode linha utilizada na simulação entre os barramentos. No OPENDSS, o alimentador édefinido com Vsource, com isso as principais características do alimentador são:

∙ basekv = tensão do alimentador ou tensão de linha kV;

∙ Bus1 = barra que é ligada ao alimentador;

∙ pu = tensão base do alimentador;

∙ phases = n∘ de fases do alimentador;

∙ R1 = resistência do alimentador em ohms;

∙ X1 = reatância do alimentador em ohms;

Sintaxe do elemento:

New circuit.programaTCC basekv=13.8 phases=3 Bus1=alimentador pu=1.0 R1=0X1= 0.0001

4.1.4 Linecode ou código do condutor (Definição parâmetros condutor)

A linha de Linecode define os parâmetros dos cabos a serem utilizados no circuito,o mesmo pode ser especificado de acordo:

∙ nphases = número de fases do condutor;

∙ basefreq = frequência de base em que o condutor trabalha;

∙ R1 = resistência do condutor em ohms por unidade medida;

∙ X1 = reatância do condutor em ohms ohms por unidade medida;

∙ units = unidade de medida. Exemplo : kilômetros , metros...;

∙ normamps = corrente do condutor em ampéres;


New Linecode.1 nphases=3 BaseFreq=60 R1=0.3 X1=0.409 Units=m normamps=80


4.1.5 Conexão entre uma barra e outra

É o elemento que gera a conexão entre os cabos especificados, o mesmo é especifi-cado pelo script line e possui os seguintes parâmetros:

∙ Phases = n∘ de fases do condutor. (Importante lembrar que o número de fases deveser semelhante ao do cabo, para evitar erros)

∙ Bus1 = nome do barramento do terminal 1;

∙ Bus2 = nome do barramento do terminal 2;

∙ Linecode = parâmetros do cabo já determinados;

∙ Length = unidade de comprimento utilizadas;


New Line.B1 Phases=3 Bus=1.1.2.3 Bus2=2.1.2.3 Linecode=1 Length=15 units=m

4.1.6 Transformador

O transformador é definido pelo comando transformer, o mesmo será constituídopelos dados de número de enrolamentos e tipo de conexão. Os parâmetros do transforma-dor são:

∙ Phases = n∘ de fases do transformador;

∙ Windings = n∘ de enrolamentos do transformador;

∙ XHL = Reatância % primário em relação ao secundário;

∙ XLT = reatância % secundário em relação ao terciário;

∙ XHT = reatãncia % primário em relação ao terciário;

∙ Wdg = número da barra(enrolamento) que receberá os parâmetros;

∙ Bus = Barra de ligação ao Wdg;

∙ Conn = tipode conexão do transformador, podendo ser este delta ou estrela, deltadelta, estrela delta e estrela estrela;

∙ kV = tensão nominal do enrolamento;

∙ kVA = potência nominal do transformador;

∙ Tap = tensão de base em que o transformador está regulado;


Sintaxe do transformador:

New Transformer.T1 Phases=3 Windings=2 Xhl=3.61

wdg=1 bus=4 conn=delta kv=13.8 kva=300 %r=0.9804 tap=1

wdg=2 bus=5 conn=wye kv=0.38 kva=300 %r=0.9894 tap=1.05

4.1.7 Definição da curva de carga

A curva de carga é um importante parâmetro de análise do circuito, ela pode serconstruída tanto para a carga quanto para o gerador. Esta curva consiste em um conjuntode valores que variam de 0 a 1 de acordo com seu fator multiplicativo, os quais, sãoaplicados aos valores de potência calculados em kW. O comando Loadshape é utilizadopara gerar esta curva de carga, este pode ser especificado de acordo com os seguintesparâmetros:

∙ Npts = número de pontos da curva a ser construída;

∙ Interval = intervalo de tempo que se deve construir a curva (em horas);

∙ mininterval = intervalo de tempo em minutos;

∙ sinterval = intervalo de tempo em segundos;

∙ Mult = fator multiplicativo da carga;


New Loadshape.day 1 1 mult=0.7 New Loadshape.123 96 0.25 csvfile=irrad.txtaction=normalize

4.1.8 Definição do Gerador

O gerador pertence ao conjunto PCElement e pode ser feito através do comandogenerator. O mesmo possui os seguintes parâmetros:

∙ Bus1 = Nome da barra que será conectada o gerador;

∙ phases = n∘ de fases do gerador;

∙ kV = tensão base em kV para o gerador;

∙ kW = potência total para todas as fases;

∙ Pf = fator de potência do gerador;

∙ Model = n∘ que define como o gerador irá variar de acordo com a tensão;


∙ Daily = Curva de carga diária;

∙ Duty = curva de carga ao modo de ciclos;

∙ conn = conexão do gerador, delta ou estrela;


New generator.PV1 Bus1=6 Phases=3 Model=1 kv=0.38 conn=delta kw=5 pf=0.92daily=123 status=variable

4.1.9 Definição da Carga

A carga é definida pelo comando Load, o mesmo foi obtido via média da curvade carga característica da Embaixada Itália. Com isso os parâmetros para definição decarga:

∙ bus1 = Nome da barra em que a carga está;

∙ phases = n∘ de fases da carga;

∙ kV = tensão de base em kV para a carga;

∙ kW = potência nominal da carga para todas as fases;

∙ Pf = fator de potência da carga;

∙ Model = n∘ que define como a carga irá variar de acordo com a tensão;

∙ Daily = Curva de carga diária;

∙ Duty = curva de carga ao modo de ciclos;

∙ Conn = conexão da carga, delta ou estrela;

∙ zipv = fator de ponderação, corresponde a potência ativa, reativa e tensão de corte;

Sintaxe para o elemento:

New Load.Ba6 Bus1=6 Phases=3 Conn=Delta Model=8 kV=0.38 kW=75 pf=0.92daily=daystatus=variable

A fim de se melhorar a visualização da carga média da Embaixada da Itália, foiconstruída uma tabela com trecho da carga disponível no local:

Tabela Carga Embaixada da Itália


4.1.10 Comando EnergyMeter

Este comando funciona como um medidor de parâmetros a serem definidos, omesmo é conectado ao terminal correspondente de onde se quer avaliar. Este tem comoprincipal simular no circuito o comportamento de um medidor real, com ele é possívelanalisar informações do circuito não somente no local onde foi colocado e sim em váriospontos do mesmo (FERRAZUSP).

Para os modos daily, duty e yearly, o comando energymeter é importante para arealização destas análises, uma vez que este, retorna valores ao longo do tempo em queaconteceu a simulação. A sintaxe do elemento :

New Energymeter.B1 element=Line.B1 terminal=1

Algumas funções do comando Energymeter podem ser avaliados de acordo com atabela abaixo:

Tabela EnergyMeter trecho

4.1.11 Comando Monitor

Por fim o comando monitor é um parâmetro importante de saída, o mesmo permitea visualização dos modos daily, duty e yearly para as correntes, tensão e potência ao longodo tempo. A sintaxe deste pode ser visualizada abaixo:

New Monitor.B1 tensao element=Load.B1 1 mode=32

4.1.12 Pós-Simulação

Após colocar todos os parâmetros condicionais no OPENDSS, o circuito já con-seguirá ser simulado de forma correta. Importante nesta etapa o usuário informar o quedeseja ser visualizado com a resolução do circuito. Esses dados obtidos como por exemplo,tensão nas barras, potências ativas e reativas, perdas e curvas de tensão pelo tempo, sãoessenciais para análise do circuito (Reis,2015).

Abaixo alguns dos principais comandos de saída do OPENDSS, sendo alguns destesutilizados nessa simulação:

∙ Show voltagesln = Tensão Fase Neutro de cada barramento;

∙ Show Powers kVA = apresenta a potência ativa e reativa, fornecida ou consumidapor cada elemento do circuito;

∙ Show Losses = apresenta cada uma das perdas para cada elemento do circuito;

∙ Plot Loadshape = apresenta a curva de carga ao longo do tempo;


∙ Plot Monitor = apresenta a curva dos parâmetros pré-selecionados ao longo dotempo;

4.2 Descrição do Sistema

A fim de se avaliar os conceitos de geração distribuída solar fotovoltaica, aplicadosa situações que simulam a realidade, será realizado análise da Embaixada da Itália, loca-lizado em Brasília-DF. Com o objetivo de estudar os impactos do sistema de energia solarempregado no mesmo em relação ao alimentador da concessionária CEB. O sistema emquestão foi disponibilizado pela concessionária de acordo com a Figura 20 deste trabalho.

Visando analisar somente a relação do alimentador com a Embaixada da Itália,foi montado um código que o representasse no software OPENDSS. Em primeiro foi ana-lisado somente o Alimentador em relação a Embaixada e somente depois foi consideradaa inclusão dos painéis solares. Através desta simulação foi possível analisar alguns dadosgerados, os quais foram exportados para uma planilha em Excel.

Após a simulação completa do sistema, foram analisados o comportamento datensão, perdas na linha e nos transformadores do sistema para dois cenários, sendo estes:Sem geração e com geração fotovoltaica.

O circuito analisado a ser estudado será o da Figura 20 apresentado abaixo, sendoque a principal carga a ser estudada é a que fica concentrada na embaixada da Itália. Amesma foi definida como variável, uma vez que o perfil de carga obtido foi mediano parao uso na simulação. A carga está concentrada exatamente no Barramento 6 do circuito:

Figura 20 – Circuito completo de Embaixadas. Fonte: RONALDO2013

Com o circuito principal, foram assim colocados pontos de geração ao longo detodas embaixadas alimentadas pelo mesmo alimentador. Importante ressaltar que nesteestudo visa-se somente avaliar o impacto de uma embaixada em relação ao alimentador.

4.2. Descrição do Sistema 57

Figura 21 – Circuito completo de Embaixadas com geradores fotovoltaicos.Fonte:Adaptado RONALDO2013

Partindo do sistema completo disponibilizado pela CEB, foi considerado para esteestudo um sistema que ligasse somente o alimentador e a embaixada da Itália, seguindoos dados da Figura 21. Desta forma o circuito analisado passou a compreender a Figura22 abaixo:

Figura 22 – Circuito modelado, Embaixada da Itália. Fonte: OPENDSS

Desta forma, o código para as cargas sem geração fotovoltaica está disponível noAnexo 1 e com a geração fotovoltaica no Anexo 2. De acordo com os dados dos painéisutilizados pela embaixada foi utilizado o seguinte valor de potência para cada módulo com250 Watts. Com isso a potência gerada no local estará entorno de 170 kW dependendo estesomente dos índices de irradiância de acordo com as variáveis locais de onde os módulosforam instalados.


4.2.1 Modelagem do Sistema

Com o problema proposto, foi modelado um sistema que atendesse ao caso estu-dado. Nesta parte o objetivo é demonstrar como foram transformadas essas característicasdo sistema para forma de programação para o software OPENDSS.

Em primeiro estágio, foi preciso definir o perfil de irradiação solar a ser utilizado nosoftware de acordo com os dados obtidos via SWERA - Solar and Wind Energy ResourceAssesment. Estes dados foram disponibilizados pelo site Atlas Solarimétrico do Brasildisponível em CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólico Sérgio Brito.Atentos aos dados de irradiância, foi preciso fazer um tratamento adequado aos dados,de forma que os mesmos pudessem ser inseridos no software OPENDSS para realizar osresultados do estudo.

Com isso, foi criado um bloco de notas, arquivo.txt, com 96 pontos apresentados naTabela 2. Sendo este chamado de irrad.txt, este arquivo foi chamado no código principala fim de se obter os mesmos para a execução dos cálculos pertinentes na plataforma dosoftware.

Tabela 2: Trecho da tabela de irradiância

Com o propósito de obter medições de algumas grandezas de interesse neste estudo,foi utilizado o comando EnergyMeter, o qual irá medir a energia em kWh e as perdas nostransformadores e linha. Também foi colocado no circuito um medidor de tensão a fim dese avaliar o comportamento da mesma, sem inserção de painéis e com a inserção.

O código principal está disponibilizado no Anexo 1 e 2, com a presença da mode-lagem comentada acima de acordo com o perfil do problema estudado.

4.2.2 Alimentador Radial de Distribuição

O alimentador utilizado na simulação corresponde a um alimentador real o qualatende 16 embaixadas no setor de Embaixadas Sul, em Brasília-DF. O mesmo possuicaracterística radial, o qual atende suas cargas seguindo uma linha de transmissão deacordo com as suas unidades consumidoras através de uma rede de distribuição aérea.Estes aspectos devem ser levados em consideração para a correta modelagem do sistema.

Outra importante observação se dá ao fato de as conexões entre as unidades con-sumidoras acontecerem em média tensão. Isto fez com que todos os transformadores apre-

4.2. Descrição do Sistema 59

sentados na Figura 20, ficassem dentro das unidades consumidoras respectivas. O valornominal da tensão do alimentador foi definido como sendo o valor de base (1 pu), en-quanto que para a potência total do sistema foram consideradas o somatório de todas aspotências dos transformadores apresentados na Tabela 3.

Tabela 3:Valor base do sistema em pu. Fonte: RONANDO2013

4.2.3 Parâmetros Elétricos dos Condutores e Transformador

Os parâmetros elétricos dos condutores visa caracterizar de forma física os condu-tores utilizados através de suas respectivas, resistências elétrica, reatância e ampacidade.Bem como também o tamanho dessas linhas e a especificação desses condutores. Valeressaltar que esses dados foram fornecidos pela CEB e os mesmos foram utilizados nocódigo de simulação. A tabela 4 apresenta as características dos cabos utilizados:

Tabela 4: Parâmetros elétricos dos cabos utilizados. Fonte: RONANDO2013

Já para o transformador,Tabela 5.

Tabela 5: Transformador utilizado, característica. Fonte: adaptado RONALDO2013


4.3 Considerações finais do capítuloNeste capítulo foram descrito os principais critérios importantes para execução da

simulação, demonstrando este definições de parâmetros necessários para antes e depois.Também foi realizado a descrição do sistema a ser analisado contendo esse informaçõesrelevantes para a modelagem do sistema.

61

5 Resultados e Análises

Neste capítulo serão realizadas simulações do circuito que representa o sistema dedistribuição de energia elétrica estudado. Para este será considerado apenas dois cenáriosna avaliação da implantação da GDFV na Embaixada da Itália, sendo estes:

∙ Ambiente de distribuição de energia sem operação dos geradores fotovoltaicos;

∙ Ambiente de distribuição de energia com a operação dos geradores fotovoltaicos;

Desta forma, após a simulação do sistema é esperado que se obtenha resultados relevantesno que diz respeito as perdas totais do sistema, variação das tensões e as respectivaspotências de acordo com cada barra.

5.1 Sistema sem GeradorPara avaliação do primeiro cenário foi considerado que o sistema estaria com ope-

ração sem que nenhum dos geradores estivessem ligados, mantendo assim a curva de cargada Embaixada exatamente igual ao mencionado no capítulo 3. Desta forma foi gerado pormeio do software OpenDss, o comando Circuit Plot a fim de se conseguir visualizar o fluxode energia do alimentador até a embaixada, de acordo com a Figura 22.

Sendo assim de acordo com o fluxo radial foram efetuadas análises das tensões,potências e perdas no sistema a fim de se obter informações relevantes de comparaçãocom circuito tendo um fluxo bidirecional de energia elétrica.

5.1.1 Tensões para primeiro cenário

Os níveis de tensões foram calculados em cada uma das barras definidas no circuitosendo a visualização desta obtidas via comando Show VoltagesLN, tal comando expressaas tensões Fase-Neutro em kV e tensões de base em pu. Sendo assim as mesmas podemser observadas de acordo com a Tabela 6 abaixo:

Tabela 6: Tensões sem geradores.

62 Capítulo 5. Resultados e Análises

5.1.2 Potências para primeiro cenário

Os níveis de potência foram calculados de forma semelhante ao apresentado nasanálises tensões, as mesmas foram obtidas via comando Show Powers kVA. Importantenotar que os valores negativos apresentados na Tabela 7, representam a potência emitidano barramento enquanto as positivas representam a potência absolvida.

Tabela 7: Potências sem geradores.

5.1.3 Perdas no Sistema para primeiro cenário

Por fim foram executadas análises nas possíveis perdas que o sistema teria comfluxo radial de energia elétrica, de acordo com as distâncias de cada uma das barras e otransformador da Embaixada. O comando utilizado para este foi o Show Losses, o mesmoapresenta as perdas ativas, reativas e totais em kW ocorridas no circuito. Com isso tem-sea tabela a seguir:

Tabela 8: Perdas sem geradores.

5.2. Sistema com operação dos Geradores 63

5.2 Sistema com operação dos Geradores

Semelhante ao abordado no primeiro cenário, desta vez foi considerado o sistemaoperando com todos os geradores fotovoltaicos ativados. Desta forma é esperado que apotência ativa fornecida pelos painéis venham suprir diretamente a carga da embaixadada Itália.

A fim de se avaliar um possível fluxo reverso de potência, foi considerado que aolongo do dia em seu ponto ótimo de geração, os painéis venham oferecer uma potênciade aproximadamente 170.1 kW de acordo com a curva de irradiação gerada na Figura 23através do comando Loadshape.

Figura 23 – Curva de Irradiância. Fonte: OPENDSS

Levando em consideração que no ponto de máxima potência gerada pelo conjuntode geradores fotovoltaicos da Embaixada e ainda considerando que a curva de carga damesma encontra-se entorno de 55 kW. É esperado que o software consiga enxergar umfluxo reverso de potência em relação ao alimentador.

Sendo assim através dos comandos Circuit Plot e Energymeter, foi possível iden-tificar o possível fluxo reverso esperado o qual será apresentado na Figura 24.

Diferente do ocorrido no primeiro cenário e com análise do circuito via os comandosapresentados, ficou evidente o fluxo de potência contrário diante do alimentador nas barras4 e 5.


Figura 24 – Circuito modelado com geradores fotovoltaicos. Fonte: OPENDSS

5.2.1 Tensões segundo cenário

De forma semelhante aos comandos utilizados para avaliação das tensões nos bar-ramentos do sistema descritos no primeiro cenário, tem-se a seguinte tabela de análise dosegundo cenário:

Tabela 9:Tensões segundo cenário

5.2.2 Potências segundo cenário

De forma semelhante aos comandos utilizados para avaliação das potências nosbarramentos do sistema descritos no primeiro cenário, tem-se a seguinte tabela de análisedo segundo cenário:

5.3. Análise dos resultados 65

Tabela 10: potência segundo cenário.

5.2.3 Perdas para segundo cenário

De forma semelhante aos comandos utilizados para avaliação das perdas nos bar-ramentos do sistema descritos no primeiro cenário, tem-se a seguinte tabela de análise dosegundo cenário:

Tabela 11: Perdas segundo cenário.

5.3 Análise dos resultados

A análise completa dos resultados obtidos, foi dividido em três partes a fim de seavaliar comparativamente cada um dos parâmetros de forma separada.


5.3.1 Análise das Tensões

Para as tensões obtidas nos dois cenários, foram avaliados o nível de tensão quecada barramento teve durante a simulação. Segundo a ANEEL, existem parâmetros dequalidade para a energia transmitida, às quais, se enquadram em precários ou críticos. Naanálise das tensões compreendidas entre 1 e 69 kV, as que ficam entre 0.90 e 0.93 se enqua-dram como precárias. Já para valores menores que 0.90 são considerados como críticos.Importante lembrar que para valores acima de 1.05 pu, também podem ser consideradosvalores críticos.

Tensões que ficam no range 380/220 V, valores de 0.8605 à 0.9157 pu são conside-rados precários, sendo que para valores menores a 0.8605 pu, críticos. Vale ressaltar quepara valores acima de 1.06 pu, também é enquadrado como crítico (6).

Observando os valores obtidos tanto na tabela do primeiro cenário foi possívelconcluir que o mesmo no barramento 5, possui uma tensão F-N em estado crítico deoperação apresentando um valor de 0.6027 pu. Tal valor pode estar sendo ocasionadodevido às possíveis perdas no transformador serem relativamente altas, visto que a barra5 está conectada diretamente a ele. As demais barras estão dentro dos limites adequadosde operação.

Já para o segundo cenário foi possível concluir que exatamente no barramento 5,o qual possuía uma tensão crítica, a mesma foi corrigida através da geração fotovoltaica.Importante notar que a potência excedida que está voltando está contribuindo para corre-ção existente nesse barramento. Neste segundo cenário os limites de operação estão todosadequados.

5.3.2 Análise das Potências

Nesta segunda etapa foram analisados o fluxo de potência entre os cenários 1 e2. Analisando as Tabelas para ambos cenários, foi possível identificar que como esperadoocorreu um fluxo reverso de potência ao longo de todos os barramentos. Importanteverificar que essa diferença apresentou-se baixa porém suficiente para análise do circuito.

No primeiro cenário avaliando a Barra 1, o qual está mais longe da geração distri-buída, foi possível notar que a mesma possuía inicialmente uma potência ativa de -41.8kW. Já para o segundo cenário essa potência ativa cai para -40.9 kW. Essa variação apre-sentada é de aproximadamente 0.9 kW, a princípio pode não ser tão ruim ao alimentadormas a efeito de estudo, pôde ser comprovada.

5.4. Considerações Finais do Capítulo 67

5.3.3 Análise das Perdas no Sistema

Por fim foi possível observar que ao longo do circuito aconteceram algumas per-das relacionadas a distribuição. A mesma pode ser analisada de acordo com a tabelasapresentadas em ambos cenários.No primeiro cenário, foi possível avaliar que boa parteda perda do sistema aconteceu exatamente no transformador da embaixada. O mesmocomo demonstrado anteriormente, gerou valores de tensão crítico à barra 5. Desta formaas perdas totais do sistema para o primeiro cenário ficaram entorno de 7.73%.

Já para o segundo cenário, a perda principal observada no transformador da em-baixada após a operação do sistema com geração fotovoltaica caiu, o que fez com que amaior parte das perdas do sistema fosse diminuído. As perdas totais para o segundo ce-nário ficaram entorno de 5.42%. De forma análoga às conclusões dos outros parâmetros jádiscutidos, é bem provável que as perdas foram reduzidas devido o principal ocasionadorde perdas deste sistema está trabalhando com um pouco mais de folga se comparado aoprimeiro cenário.

5.4 Considerações Finais do CapítuloApós a realização da análise de todos parâmetros levantados, ficou evidente que o

sistema da Embaixada da Itália em dias normais de operação apresentou fluxo de potênciabidirecional de energia elétrica nos períodos onde ocorreram as maiores irradiâncias aolongo do dia.

Vale ressaltar que mesmo apresentando esse fluxo contrário ao do alimentador,o mesmo apresentou valores muito baixos o que possivelmente não irá contribuir paraproblemas na subestação. Vale lembrar que do ponto de vista da geração distribuída,quanto mais cargas estiverem entrando na rede do alimentador, mais folga o mesmo terádurante sua operação. Porém existe um certo limite em que o mesmo pode operar comessa geração bidirecional.

Com análise da Embaixada, foi possível notar que a geração fotovoltaica presenteno local não contribui somente para o consumo de energia elétrica da residência, mastambém ajudou a ajustar parâmetros da rede elétrica, melhorando a qualidade da energiadisponibilizada no local.

69

6 Referências

CAMARGOS, C. S. R. Análise Técnica de Impactos e Limite de Penetração daGeração Distribuída Fotovoltaica em uma Rede Radial de Distribuição - Estudo de casopara o alimentador da Embaixada da Itália em Brasília DF. Departamento de EngenhariaElétrica, Faculdade de Tecnologia, Universidade Federal de Brasília, 2013.

VILLALVA, M. G., J. R. Gazoli. “Energia Solar Fotovoltaica”. Editora Érica. SãoPaulo, 2012.

EIA - U. S. Energy Information Administration. Annual Energy Outlook 2015with projections to 2040.

EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Estudos da Demanda, 2050. Nota técnicaDEA 13/14, Rios de Janeiro 2014.

EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Projeção da Demanda de Energia Elétricapara os próximos 10 anos (2015-2024). Estudos da Demanda. Nota técnica DEA 03/15,Rios de Janeiro 2015.

IEA - International Energy Agency. Trends 2015 in Photovoltaic Applications.PVPS - Photovoltaic Power Systems Programme. Disponível em: <www.iea.org> Aces-sado em: 05/05/2016.

ICEUBI 2013 - International Conference on Engineering. Geração Distribuídae seus Impactos no Funcionamento da Rede Elétrica: Parte 1. Disponível em: <ieeex-plore.ieee.org> Acessado em: 27/03/2016.

IEEE - The Institute of Electrical and Eletronics Engineers. Impact of DistributedGeneration on Electric Power Distribution System Reliability. Disponível em: <ieeex-plore.ieee.org>

IEEE - The Institute of Electrical and Eletronics Engineers. Impacto da Mini eMicrogeração Distribuída nas Redes de Distribuição de Energia Elétrica. Disponível em:<ieeexplore.ieee.org> Acessado em: 27/03/2016

IEA - International Energy Agency. Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy,Energy Tecnology Perspectives, 2014. Disponível em: <www.iea.org>

OGATA, M.H. Análise do Impacto da Geração Solar Fotovoltaica em um Sistemade Distribuição de Energia Elétrica. Dissertação de conclusão de curso. Escola de Enge-nharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2015.

PALUDO, A. J. Avaliação de Impactos Elevados Níveis de Penetração da Ge-ração Fotovoltaica no Desempenho de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica em

70 Capítulo 6. Referências

Regime Permanente. 186p. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos,Universidade de São Paulo, São Carlos, 2014.

PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elé-trico Nacional. “Acesso ao Sistema de Distribuição”. Módulo 3. Resolução Normativa n517/2012.

REIS, F. V. Análise do Impacto da Geração Eólica em um Sistema de Distribuiçãode Energia Elétrica. Dissertação de conclusão de curso. Departamento de EngenhariaElétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos,2015.

REN21 - Renewables 2015 Global Status Report. Annual Reporting on Renewa-bles: Ten Years of Excellence. Disponível em: <www.iea.org> Acessado em: 10/05/2016.

SHAYANI, A. F. Método para Determinação do Limite de Penetração da GeraçãoDistribuída Fotovoltaica em Redes Radiais de Distribuição. 186p. Dissertação (Doutorado)Departamento de Engenharia Elétrica, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília,2010.

TREVISAN, S. A. Efeitos da Geração Distribuída em Sistemas de Distribuição deBaixa Tensão. 116p. Dissertação de Conclusão de Curso. Departamento de EngenhariaElétrica, Universidade Federal do Paraná, 2011.

71

Referências

Anexos

75

ANEXO A – Codigo Principal

Universidade de Brasilia

Simulacao rede PV ITALIA GD

Nome : Argemiro de Oliveira Neto

Mat : 110146964

Clear

Redirect Alimentador.dss

new loadshape.day 1 1 mult=0.7

new loadshape.123 96 0.25 csvfile=irradTCC.txt action=normalize

Redirect cabos.dss

Redirect Segmentos.dss

Redirect Transformer.dss

Redirect Cargas.dss

Redirect Gerador.dss

Set voltagebases=[13.8 0.38]

Calcvoltagebases

setkvbase Bus=5 kVLN=0.380

setkvbase Bus=6 kVLN=0.380

BusCoords Coordenada.txt




Monitor de tensao

New Monitor.B2 tensao element=Load.B2 1 mode=32

set mode=daily stepsize=0.25h number=96

Plot Loadshape Object=123

Plot monitor object=B2 tensao Channels=(1,2,3) Bases=[7967 7967 7967]

Export meters

77

ANEXO B – Codigo Parametros

(Alimentador)

New circuit.AlimentadorTCC basekv=13.8 Bus1=1 pu=1.0 R1=0 X1=0.0001

(Cabos)

New Linecode.1 nphases=3 BaseFreq=60 R1=0.0045 X1=0.006135 Units=m nor-mamps=314



New Linecode.4 nphases=3 BaseFreq=60 R1=0.021988 X1=0.010419 Units=mnormamps=152

(Linhas)

New Line.B1 Phases=3 Bus1=1.1.2.3 Bus2=2.1.2.3 Linecode=1 Length=15 units=m





(Transformador)

New Transformer.TR1 Phases=3 Windings=2 Xhl=3.61 %loadloss=.5 %noloa-dloss=.2

wdg=1 bus=4 conn=delta kv=13.8 kva=300 %r=0.9804 tap=1

wdg=2 bus=5 conn=wye kv=0.38 kva=300 %r=0.9894 tap=1.05

(Carga)

New Load.Ba6 Bus1=6 Phases=3 Conn=Delta Model=8 kV=0.38 kW=54.94 pf=0.92daily=day status=variable zipv=(0.5, 0, 0.5, 1,0, 0, 0.9)

(Gerador)

New generator.PV1 Bus1=5 Phases=3 Model=1 kv=0.38 3 kw=170.1 pf=0.92daily=123 status=variable

79

ANEXO C – Curva de Carga Embaixada

81

ANEXO D – Curva de Irradiancia

AnálisedeImpactosdaGeraçãoDistribuída Fotovoltaica-Estudodecaso:Embaixadada ... · 2016. 6....

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