Usina Fotovoltaica

A Usina Fotovoltaica (UFV) TESLA (Figura 1) está instalada na cobertura do Bloco I da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). A mesma está regulamentada como micro geração distribuída fotovoltaica através da Resolução Normativa (RN) nº 482 / 2012 (atual RN nº 687 / 2015), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), e registrada no Banco de Informações de Geração (BIG) da ANEEL.

(a)

Figura 1 - UFV TESLA: (a) vista superior da cobertura Escola de Engenharia UFMG; (b) geradores fotovoltaicos; (c) estação solarimétrica Tesla; (d) célula de referência; sala dos inversores (e) vista I e (f) vista II.

Os recursos para a construção da UFV TESLA foi proveniente do projeto de P&D 0047-0060/2011 da chamada nº 13 / 2011 da ANEEL, com financiamento da COELBA – Grupo Neonergia e com execução do Laboratório TESLA Engenharia de Potência do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG (FOUREAUX et al., 2016). A usina foi construída para o atendimento de diversos objetivos, dentre os quais se destacam:

• Servir como fonte de potência para ensaios de conversores estáticos (inversores) desenvolvidos e/ou avaliados no Laboratório TESLA;
• Funcionar como laboratório para ensino, extensão e desenvolvimento de pesquisas sobre sistemas fotovoltaicos;
• Possibilitar ganho de know−how no projeto, implantação, comissionamento, registro junto à ANEEL e operação de uma central de geração fotovoltaica;
• Fornecer energia elétrica para compensar o consumo de energia do Laboratório TESLA;
• Permitir aos estudantes dos níveis de graduação e pós-graduação da UFMG o acesso facilitado a uma central de geração fotovoltaica real.

Descritivo Geral

A UFV TESLA tem área disponível de 439 m2, entretanto, antes da instalação, foi necessário a remoção do telhado e a impermeabilização da laje. Na micro usina solar foram instalados 152 módulos fotovoltaicos (257 m2) de tecnologia de silício policristalino (245 Wp / módulo - Yingli 245P-29b), orientados para o norte geográfico com azimute de -7o graus e inclinação fixa de 25o, sendo organizados em três arranjos (módulos em série (strings) / strings em paralelo), ou seja, arranjo 1 com potência de 13,965 kWp, arranjo 2 com potência de 12,25 kWp e arranjo 3 com potência de 11,025 kWp.

Os três arranjos fotovoltaicos juntos totalizam uma potência instalada de 37,24 kWp. Para a avaliação de diferentes tecnologias de conversores estáticos foram adotados três inversores fotovoltaicos de fabricantes distintos e com potências nominais diferentes. Os mesmos foram acoplados aos três arranjos fotovoltaicos da UFV Tesla:

• arranjo 1 - inversor nº1 (Jema IF 15n - J), com potência nominal de 15 kW;
• arranjo 2 -> inversor nº2 (Frounius IG Plus V - F), com potência nominal de 10 kW;
• arranjo 3 -> inversor nº 3 (SMA Tripower - S), com potência nominal de 12 kW.

Para uma melhor compreensão da distribuição dos arranjos fotovoltaicos da UFV TESLA, a Figura 2 apresenta o diagrama elétrico que demonstra a distribuição de módulos por inversor e a conexão com a rede elétrica c.a.

Na Figura 3 temos a distribuição espacial das strings / por inversor. Além disso, as Tabelas 1, 2, 3 e 4 apresentam características técnicas da micro usina solar, dos módulos e inversores fotovoltaicos instalados na UFV TESLA.

 Monitoração

A usina possui um sistema supervisório com interface serial RS485 e taxa de atualização de 5 minutos. São monitorados os seguintes dispositivos / parâmetros:

• Estação solarimétrica Tesla, ver Figura 1 (a) e (c): temperatura ambiente, irradiância global (plano horizontal), velocidade / direção do vento, umidade relativa do ar, pressão atmosférica , pluviosidade
• Célula de referência, ver Figura 1 (d): irradiância global (plano inclinado) e temperatura de célula;
• Quadros c.c., ver Figura 1 (e): medição de corrente c.c.;
• Inversores, ver Figura 1 (e): potência, tensão e corrente no lado c.c. e c.a.;
• Analisador de Qualidade da Energia Elétrica na rede c.a., ver Figura 1 (e): valor eficaz de tensão e corrente, frequência elétrica, potência ativa, reativa e aparente, TDHv, TDHi etc.

Cabe salientar que a UFV TESLA possui uma base de dados oriundas da estação solarimétrica TESLA e célula de referência a partir de fevereiro/2016. Já os dados da produção de energia elétrica da usina passaram a ser registrados a partir de outubro/2016, com a operação de todos os inversores (Antunes, H., 2018). A Figura 4 ilustra a irradiância global, em plano horizontal, medida pela piranômetro da estação solarimétrica TESLA e no plano inclinado através da célula de referência, para o dia 14 de outubro de 2017. Na mesma figura também é apresentada a temperatura ambiente e temperatura no interior da célula de referência, que se equivale a temperatura interna dos módulos de silício da usina.

Figura 4 - Irradiância global, em plano horizontal, (piranômetro) e no plano inclinado (célula de referência), temperaturas ambiente e no interior da célula de referência para o dia 14 de outubro de 2017.

A Figura 5 apresenta a potência ativa medida na saída de cada um dos inversores da usina, ao longo do dia 15 de setembro de 2017. Por volta das 12 horas, ocorre a maior injeção de potência ativa na rede elétrica. O inversor 1, de maior capacidade nominal da usina, injeta 10 kW na rede, enquanto os outros dois fornecem 8,5 kW e 7,9 kW respectivamente.

Além dos parâmetros monitorados / coletados descritos acima, a UFV Tesla, em parceria com o Laboratório de Termometria (LabTerm) do Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG, conta também com dados solarimétricos / meteorológicos de estação solarimétrica do Labterm localizada próxima à área dos módulos fotovoltaicos / estação solarimétrica TESLA, ver Figura 1 (a), a Figura 7 apresenta a estação solarimétrica do Labterm.

Figura 7 – Estação solarimétrica LabTerm instalada próxima a UFV TESLA.

A estação LabTerm é composta por dois piranômetros da EKO Instruments (modelo MS-80), com resposta de 95% em 0,5 s e sensibilidade de 10 ?? ?−1?² para medição de irradiância global e difusa (plano horizontal); um pireliômetro da EKO Instruments (modelo MS-56), com resposta de 95% em até 1,0 s e comprimento de onda entre 0,2 e 4,0 ?? para medição de irradiância direta; um espectrorradiômetro da EKO Instruments (modelo MS-720), com comprimento de onda entre 0,35 e 1,05 ?? e tempo de exposição de 0,005 s a 5 s para medição do espectro de radiação solar; um rastreador de Sol, também da EKO Instruments (modelo STR-22G), com resolução angular de 0,009° e precisão de 0,01°; um sistema de aquisição de dados da Campbell (modelo CR6). Além destes equipamentos, o arranjo conta com uma estação compacta da Lufft (modelo WS600-UMB) para medição de velocidade e direção do vento, temperatura ambiente, pressão atmosférica, pluviosidade e irradiância solar global no plano horizontal (Ferreira, R., 2018).

Produções Científicas Baseadas em Dados da UFV Tesla

• Hélio Marcos André Antunes. Conversor Multifuncional Reconfigurável e Tolerante a Falhas para Microrredes de Energia Elétrica. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Minas Gerais, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico. Orientador: Sidelmo Magalhães Silva.
• Nicole Campos Foureaux. Conversor Modular Multiniveis para Usinas Solares Fotovoltaicas: Topologia e Controle. 2015. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Minas Gerais, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. Orientador: Braz de Jesus Cardoso Filho.
• Rafael Augusto Magalhães Ferreira. Metodologia para a avaliação do desempenho de painéis fotovoltaicos utilizando um modelo elétrico-térmico e termografia quantitativa. 2015. Tese (Doutorado em Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Minas Gerais, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. Orientador: Matheus Pereira Porto.
• Foureaux, Nicole C. ; Antunes, H. M. A. ; Silva, S. M. ; Cardoso Filho, B.J. ; rodrigues Junior, F. M. ; Brito, Jose A. S. . Decisões de Projeto da Usina Experimental Fotovoltaica Tesla Engenharia de Potência. In: Congresso Brasileiro de Energia Solar, 2016, Belo Horizonte. Anais do VI Congresso Brasileiro de Energia Solar, 2016.
• M. Ferreira, Rafael A. ; l.F. Pottie, Daniel ; C. Dias, Leonardo H. ; J. Cardoso Filho, Braz ; P. Porto, Matheus . A directional-spectral approach to estimate temperature of outdoor pv panels. Solar energy , v. 183, p. 782-790, 2019.

 Parceiros: COELBA - ANEEL

 Integrantes:

Prof. Braz de J Cardoso Filho - Coordenador

Prof. Sidelmo Magalhães Silva

Prof. Porfirio Cabaleiro Cortizo

Prof. Igor Amariz Pires

Prof. Lenin Martins Ferreira Morais