UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
ANDRÉ MENDES TORRES
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO DE ENERGIA EM USINA FOTOVOLTAICA
Tubarão
2018
ANDRÉ MENDES TORRES
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO DE ENERGIA EM USINA FOTOVOLTAICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia Elétrica da
Universidade do Sul de Santa Catarina como
requisito parcial à obtenção do título de
Bacharel em Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Carlos Alberto Luz, Esp.
Tubarão
2018
ANDRÉ MENDES TORRES
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO DE ENERGIA EM USINA FOTOVOLTAICA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi
julgado adequado à obtenção do título de
Bacharel em Engenheiro Eletricista e aprovado
em sua forma final pelo Curso de Engenharia
Elétrica da Universidade do Sul de Santa
Catarina.
Dedico este trabalho a Deus, professores e
colegas. Em especial à minha esposa Rosa da
Silva Antunes Torres, à minha filha Thifani
Leonardo, a minha mãe Rosa de Fátima
Mendes, minha sogra Vanilde da Silva, a Idio
da Silva, que sempre estiveram ao meu lado,
acreditando nos meus objetivos pessoais e
profissionais, e por todo incentivo concedido.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, que sempre esteve ao meu lado, possibilitando-me a oportunidade
chegar até aqui.
À minha esposa Rosa e minha filha Thifani, que souberam compreender-me nas
horas mais difíceis por quais passei e não mediram esforços para dar-me apoio e incentivo na
minha caminhada.
A todos os colegas, pela troca de informações e coleguismos, em especial ao Robert
Wagner, Luís Fernando Modesto de Oliveira, Matheus Prá da Silva Goulart, Josiel Hoffmann
de Matos, Fernando da Silva Cardoso e todos os colegas que de uma forma ou outra
contribuíram para elaboração desse trabalho.
A todos os professores da graduação na engenharia elétrica, especialmente a
professora Adriana Zanini, Me., o professor Carlos Alberto Luz Esp., o professor Jorge Alberto
Lewis Eswein Junior, Eng. e o professor Francisco Duarte de Oliveira, Me. Eng., que
contribuiram efetivamente para a realização do trabalho na instituição Parque Ambiental
Encantos do Sul.
“Deus é como a corrente elétrica, está sempre movimentando-se para facilitar nossas vidas e
nós não vemos. Só os percebemos quando levamos um choque na vida.”
Josemir Gomes de Amorim.
RESUMO
Neste trabalho realizou-se estudo de viabilidade para implantação de um sistema de
monitoramento de geração de energia elétrica fotovoltaica, a partir da ampliação de 24,5kWp
do módulo de avaliação existente no Parque Ambiental Encantos do Sul, na cidade de Capivari
de Baixo/SC. Com a necessidade de implantar um sistema para monitorar a quantidade, a
qualidade e os padrões específicos da energia gerada no sistema fotovoltaico, buscou-se realizar
esta proposta do trabalho. Para isso, fez-se a pesquisa dos tipos de equipamentos de medição
de energia elétrica empregados no mercado, com a possibilidade de acompanhar o rendimento
energético da usina fotovoltaica em tempo real no local ou remotamente. Foi utilizado no estudo
alguns equipamentos que a empresa já dispõe em seu almoxarifado, fazendo ainda a sugestão
do emprego de novos elementos necessários para o funcionamento do sistema. Fará parte do
trabalho a escolha dos protocolos de comunicação dos equipamentos de monitoramento, a
leitura e o tratamento dos dados gerados, criação de um banco de dados que o alimentará,
podendo assim ter a possibilidade de comparar o que foi produzido de energia da geração, com
a tarifa apresentada pela concessionária de energia elétrica. O resultado é mostrar o acesso via
web do funcionando do sistema de monitoramento da geração de energia, através da
configuração de uma interface web, demonstrando os valores das variáveis elétricas no formato
de gráficos de dados simulados dos equipamentos da geração fotovoltaica.
Palavras-chave: Monitoramento. Energia Fotovoltaica. Geração.
ABSTRACT
In this work, a feasibility study was carried out for the implementation of a photovoltaic electric
power generation monitoring system, based on the 24.5kWp magnification of the evaluation
module in the Environmental Park Encanto’s do Sul, in the city of Capivari de Baixo / SC. With
the need to implement a system to monitor the quantity, quality and specific standards of the
energy generated in the photovoltaic system, we sought to carry out this work proposal. For
this, the research was done on the types of electricity measurement equipment used in the
market, with the possibility of monitoring the energy yield of the photovoltaic plant in real time
in the local or remote area. It was used in the study some equipment that the company already
has in its warehouse, also suggesting of the use of new elements necessary for the operation of
the system. It will be part of the work to choose the protocols of communication of the
monitoring equipment, the reading and the treatment of the data generated, creation of a
database that will feed it, being able to thus be able to compare what was produced of generation
energy, with the tariff presented by the electric power concessionaire. The result is to show the
web access of the running of the monitoring system of the power generation, through the
configuration of a web interface, demonstrating the values of the electric variables in the format
of simulated data graphs of the equipment of the photovoltaic generation.
Keywords: Monitoring. Photovoltaics. Generation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Recursos energéticos totais da terra .......................................................................... 17
Figura 2- Captadores fotovoltaicos........................................................................................... 18
Figura 3- Geração de energia fotovoltaica ............................................................................... 21
Figura 4- Evolução das instalações fotovoltaicas no mundo. ................................................... 21
Figura 5- Geração e potência solar instalada no mundo até 2016 ............................................ 22
Figura 6- Radiação solar no Brasil, média anual. ..................................................................... 23
Figura 7- Sistema Isolado Off-grid ........................................................................................... 25
Figura 8- Sistema On-grid. ....................................................................................................... 26
Figura 9- Sistema fotovoltaico hibrido. .................................................................................... 27
Figura 10- Medidor Bidirecional de Energia Elétrica .............................................................. 29
Figura 11- Topologia de um sistema de monitoramento de energia. ....................................... 31
Figura 12- Pinagem protocolo RS-232 ..................................................................................... 32
Figura 13- Pinagem protocolo RS485 ...................................................................................... 33
Figura 14- Inversor Solar ABB (Power-one) ........................................................................... 35
Figura 15- Datalogger HD67507 ............................................................................................ 36
Figura 16- Conexão portas serial RS485 .................................................................................. 36
Figura 17- Fonte de alimentação .............................................................................................. 37
Figura 18- Switch SF800 VLAN .............................................................................................. 37
Figura 19- Cabo para automação RS485. ................................................................................. 38
Figura 20- Cabo UTP CAT 5 ................................................................................................... 39
Figura 21- Sistema de Monitoramento ..................................................................................... 41
Figura 22- Painel de Monitoramento ........................................................................................ 41
Figura 23- Detalhe painel de monitoramento ........................................................................... 42
Figura 24- Croqui demonstrativo do sistema de monitoramento ............................................. 44
Figura 25- Simulação de energia .............................................................................................. 48
Figura 26- Estrutura do banco de dados MySQL utilizada ...................................................... 49
Figura 27- Interface de potência gerada ................................................................................... 49
Figura 28- Interface de energia gerada ..................................................................................... 50
Figura 29- Dados técnicos inversores de frequência ................................................................ 57
Figura 30- Dados técnicos inversores de frequência ................................................................ 58
Figura 31- Diagrama unifilar .................................................................................................... 59
Figura 32- Desenho painel dos equipamentos .......................................................................... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Tabela Categoria dos Cabos ..................................................................................... 39
Tabela 2- Tabela Arquivo CSV de dados simulados ................................................................ 45
Tabela 3- Script de conexão ..................................................................................................... 46
Tabela 4- Tabela demonstrativo de geração ............................................................................. 47
LISTA DE ABREVIATURAS
K- Prefixo de unidade de medida padrão, multiplicada por mil (quilo).
M- Prefixo de unidade de medida padrão, multiplicada por um milhão (mega).
G- Prefixo de unidade de medida padrão, multiplicada por um bilhão (giga).
T- Prefixo de unidade de medida padrão, multiplicada por um trilhão (tera).
Wp- Unidade de potência em watt pico.
W/m²- Potência recebida por unidade de área, watt por metro quadrado.
IEA- Agência Internacional de energia.
GWp- Unidade de potência em giga-watt pico.
W- Unidade de potência, watt.
Wp- Unidade de potência, watt pico.
W/m²- Potência recebida por unidade de área, watt por metro quadrado.
Wh/m²- Potência recebida por unidade de área, watt hora por metro quadrado.
Wh- Medida da energia elétrica consumida, quilowatt-hora.
V- Unidade de tensão elétrica, volt.
ºC- Unidade de temperatura, graus célsius.
LCD- Display de cristal líquido.
Led- Diodo emissor de luz.
AWG- Escala americana de bitolas de fios, American Wire Gauge.
UTP- Cabo de par trançado.
PVC- É um plástico policloreto de polivinila, ou policloreto de vinil.
RTU- Registrador de dados de temperatura e/ou umidade.
MPPT- Rastreador de ponto de potência máxima.
TCP- Protocolo de Controle de Transmissão.
VLAN- Rede local virtual.
MME- Ministério de Minas e Energia
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO................................................................................................................. 12
1.1 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................ 13
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ...................................................................................... 14
1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................... 14
1.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................................. 14
1.3.2 Objetivos Específicos................................................................................................... 14
1.4 DELIMITAÇÕES ............................................................................................................ 14
1.5 METODOLOGIA ............................................................................................................ 15
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 16
2.1 ENERGIA SOLAR ............................................................................................................ 16
2.1.1 Energia solar térmica .................................................................................................... 17
2.1.2 Energia Solar Heliotérmica .......................................................................................... 17
2.1.3 Energia Solar Fotovoltaica ........................................................................................... 18
2.1.4 Os métodos de captura da energia solar ...................................................................... 19
2.1.4.1 Direto ............................................................................................................................ 19
2.1.4.2 Indireto ......................................................................................................................... 19
2.1.4.3 Sistemas Passivos e Ativos de Energia Solar ............................................................... 19
2.2 ENERGIA FOTOVOLTAICA ........................................................................................ 20
2.2.1 Cenário de geração fotovoltaica ................................................................................. 21
2.2.2 Sistemas de geração fotovoltaica .................................................................................. 24
2.2.2.1 Sistema Off-grid .......................................................................................................... 24
2.2.2.2 Sistema On-grid ............................................................................................................ 25
2.2.2.3 Sistema Hibrido ............................................................................................................ 26
2.3 SISTEMAS DE MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ............................................... 27
2.3.1 Medidor bidirecional................................................................................................... 28
2.4 SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA .............................. 29
2.5 PROTOCOLOS DE INTERFACE SERIAL RS ............................................................. 31
2.5.1 Protocolo serial RS232 ................................................................................................ 31
2.5.2 Protocolo serial RS485 ................................................................................................ 32
2.6 ESPECIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO.... .......................................................................................................... 33
2.6.1 Inversores ..................................................................................................................... 34
2.6.2 Datalloger ..................................................................................................................... 35
2.6.3 Fonte de alimentação .................................................................................................. 36
2.6.4 Switch ........................................................................................................................... 37
2.6.5 Cabeamento ................................................................................................................. 38
3 DESENVOLVIMENTO ................................................................................................... 40
3.1 DESCRIÇÃO DO TRABALHO REALIZADO ............................................................. 40
3.2 ELABORAÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO ........................................... 43
3.2.1 Tabela CSV .................................................................................................................. 45
3.2.2 Simulação Potência e Energia .................................................................................... 46
3.2.3 Monitoramento dos Dados .......................................................................................... 48
3.2.4 Sistema de visualização métrica ................................................................................. 49
4 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS E DIFICULDADES ENCONTRADAS ........... 51
5 CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS .............................................. 52
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 53
ANEXOS ................................................................................................................................. 56
ANEXO A – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DOS INVERSORES ABB .................. 57
.............................................................................................................................................58
ANEXO B – DIAGRAMA UNIFILAR E PAINEL FÍSICO, DO SISTEMA DE
MONITORAMENTO ............................................................................................................ 59
12
1 INTRODUÇÃO
Com a crescente demanda de energia elétrica no mundo, surgiu a necessidade de
buscar novas fontes de energia, além de contribuir com a falta de planejamento do sistema de
energia atualmente existente, o qual, por sua vez, está demostrando sobrecargas, especialmente
nos períodos de maior aquecimento da economia, onde futuramente poderá apresentar sérios
problemas de abastecimento.
A empresa mantenedora do Parque Ambiental Encantos do Sul, com o objetivo de
tornar o parque ambiental sustentável energeticamente, está ampliando o módulo de avaliação
existente, inserindo um sistema destinado a geração de energia elétrica, a partir de uma fonte
fotovoltaica dedicada exclusivamente para este fim. Consequentemente, diminuindo o consumo
de energia de fontes não renováveis.
A ampliação da unidade geradora fotovoltaica denominada Unidade Fotovoltaica
Encantos do Sul (UFES) localizado no município de Capivari de Baixo, tem por objetivo
produzir energia elétrica a partir do recurso solar para seu próprio consumo. O parque tem um
forte apelo ambiental, surgiu a necessidade de gerar uma energia limpa, renovável, de fonte não
poluidora, buscando torná-lo sustentável energeticamente, diminuindo o impacto ambiental
com consumo de energia de fonte não renovável, contribuindo com a matriz energética
brasileira, podendo escapar da crise energética que preocupa tanto o mundo e diretamente o
nosso sistema elétrico. A instalação consiste na ampliação de uma central geradora conectada
à rede (sistema On- Grid) de distribuição da concessionária fornecedora de energias elétrica,
com capacidade instalada de 54kWp para um total de 78,5 kWp. Com a montagem das
instalações geradoras fotovoltaicas é necessário fazer um estudo de viabilidade para
implementar um sistema de monitoramento na parte ampliada em 24,5kWp, podendo assim
implantar a proposta e futuramente acompanhar a geração de energia na usina.
Com a implantação do sistema de geração, inicialmente a empresa terá que dispor
de um investimento alto, mas que com o ampliação total do sistema de geração, não será tão
dependente do fornecimento de energia por parte da concessionária, podendo em questão de
um período considerável com a economia na fatura de energia e diminuindo os custos a empresa
pode recuperar o investimento inicial de implantação da usina.
13
O Brasil e a região onde se encontra instalado o Parque Ambiental possui um grande
potencial para geração de energia elétrica a partir de fonte solar, com bons níveis de irradiação
ao longo do ano, superior ao de muitas regiões que já utilizam projetos de aproveitamento dessa
tecnologia para geração. Segundo Pereira et al. (2006) o aproveitamento da energia solar é
vantajoso em todo o território, mesmo nas regiões menos favorecidas pela irradiação solar.
Desta forma, Abiko et al. (2010, p.12) sustenta que “os projetos devem estar focados na busca
de soluções para evitar ou minimizar os gastos com condicionamento ambiental, fornecendo
alternativas contra os impactos causados ao meio ambiente”.
Assim com o uso da geração da energia solar produzida com um sistema
fotovoltaico, surgiu a necessidade de se monitorar a geração da energia, implantando
equipamentos, dispositivos e softwares, capazes de gerar dados em tempo real da geração
fotovoltaica, podendo analisar o desempenho dos painéis e equipamentos conjugados. Com o
presente estudo de viabilidade para utilizar equipamentos disponíveis pela empresa e alguns a
serem adquiridos, além de outros recursos que serão demonstrados no decorrer desse estudo.
Este estudo visa demonstrar a validade da implantação de um sistema de monitoramento, além
de torná-lo um requisito de grande relevância para a validação da ampliação do sistema de
geração fotovoltaica, com a utilização das informações em benefício. Além disso, a implantação
de um sistema de monitoramento na fase inicial da ampliação, serve de importante subsídio
para as demais fases.
1.1 JUSTIFICATIVA
Com a necessidade de acompanhar a geração de energia no sistema de ampliação
da Usina Fotovoltaica Encantos do Sul (UFES), pode-se ter acesso as variáveis da produção de
energia dos equipamentos geradores fotovoltaicos, para tanto, tornou-se necessário analisar a
viabilidade de introduzir um sistema de monitoramento em tempo real ou remoto, capaz de
fornecer os dados da geração de energia. Assim, com a aquisição de dados é possível, por
exemplo, acessar as variáveis do processo e ainda comparar os dados com o faturamento por
parte da concessionária fornecedora de energia através de acesso a banco de dados armazenados
no servidor web.
14
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Com o objetivo de obter dados da geração da UFES, na parte implantada de 24,5
kWp da primeira fase de ampliação, surgiu a proposta de testar um sistema de monitoramento
de energia para acompanhar a geração de energia, pois há necessidade de saber o que está sendo
gerado de energia, como está o funcionamento dos equipamentos envolvidos, registrar em
banco de dados as leituras obtidas dos inversores para futuros acessos e ainda comparar a
geração com o faturamento apresentado pela concessionaria de energia elétrica. Pois sem
monitorar a geração, só se tem acesso aos dados dos inversores em loco no próprio equipamento
ou com a verificação da fatura de energia da concessionária fornecedora de energia.
1.3 OBJETIVOS
Objetivo Geral
O objetivo fundamental é elaboração e implantação de um sistema de
monitoramento da geração de energia na Usina Fotovoltaica Encantos do Sul.
Objetivos Específicos
• Pesquisar os sistemas de monitoramento de energia elétrica disponíveis no
mercado;
• Definir e ampliar os conhecimentos teóricos necessários para o
desenvolvimento do sistema de monitoramento da geração;
• Avaliar os equipamentos disponíveis para implantação;
• Caracterizar o sistema de medição da geração de energia;
• Estudar o sistema de telecomunicação;
• Realizar análise de disponibilidade técnica do projeto, discutindo os resultados
alcançados.
1.4 DELIMITAÇÕES
O estudo visa a possibilidade de utilizar um sistema de monitoramento da geração
de energia na Usina Fotovoltaica Encantos do Sul, com equipamentos disponíveis no
15
almoxarifado da empresa responsável, obtendo dados de variáveis dos inversores de energia
solar instalados na geração de 2,4MWh mensal, valores aproximados conforme condições do
sistema fotovoltaico.
1.5 METODOLOGIA
Esse trabalho tem por finalidade avaliar um sistema de monitoramento de energia
fotovoltaica, que se adeque a realidade da Usina Fotovoltaica Encantos do Sul, com o objetivo
principal de monitorar a geração de energia fotovoltaica, em tempo real local ou remotamente.
A natureza dessa pesquisa será de ordem estratégica, proveniente de pesquisa
exploratória, com busca em fontes primárias e secundarias, do tipo bibliográfica, embasada
através de livros técnicos, artigos científicos, dissertações de mestrado, teses de doutorado e
artigos técnicos, que tenham como tema central a abordagem semelhante ao que foi
desenvolvido neste estudo. Analisando portfólios de fabricantes, com o objetivo de identificar
melhor a tecnologia existente para este fim.
O método de pesquisa utilizado será o hipotético dedutivo, que levará ao
aprofundamento dos conhecimentos na teoria envolvida. A especificação será implementada,
em um estudo de caso, validando o funcionamento e coleta de dados para discussão dos
resultados obtidos dos equipamentos, gerando um banco de dados das leituras coletadas.
Apresentando os resultados qualitativo sobre o tema desenvolvido durante o trabalho.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Capítulo 1 - Introdução com apresentação do tema proposto, problemas, objetivo
geral, objetivo específico, local de estudo, justificativa e metodologia.
Capítulo 2 – Revisão bibliográfica com o estudo da importância do
monitoramento da energia gerada.
Capítulo 3 – Apresentar o projeto de monitoramento.
Capítulo 4 – Avaliação dos resultados e dificuldades encontradas.
Capitulo 5 – Conclusões e desenvolvimentos futuros.
16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo tem como objetivo descrever o embasamento teórico para a resolução
do problema apresentado, através de informações facilitadoras do entendimento no assunto
proposto. Serão abordados assuntos da teoria da energia solar e alguns conceitos sobre produção
de energia fotovoltaica, abrangendo a apresentação dos sistemas de medição utilizados na
geração, tipo de monitoramento existente, equipamentos necessários para o seu bom
funcionamento.
2.1 ENERGIA SOLAR
Conforme Portal Solar(2016), trata-se de um método de obter energia a partir da
luz e calor irradiados do sol, podendo ser aproveitada em diferentes objetivos como
aquecimento solar, energia solar fotovoltaica, energia heliotérmica e iluminação natural. Por se
tratar de uma energia abundante, considerada inesgotável e renovável, tem-se uma energia
limpa com um ótimo potencial energético quando comparado com outras fontes.
Na Figura 1 (MME, 2017), estão representados os potenciais da energia solar
comparada com as outras fontes de energia existentes. Como é notório o potencial energético
físico da energia solar é enorme, basta buscar tecnologias para o seu melhor aproveitamento.
Cada retângulo representa o potencial da fonte de energia, quanto maior a forma geométrica
representada, maior o potencial.
17
Figura 1- Recursos energéticos totais da terra
Fonte: MME (2017)
2.1.1 Energia solar térmica
Uma das formas de utilização da energia solar térmica mais conhecida é a utilização
em tecnologias de aquecimento térmico para uso residencial ou industrial. Mais ainda pode ser
usada em geração de energia elétrica, como aquecimento de água nas caldeiras que fornece
vapor para movimentar as turbinas das usinas.
Com a utilização de coletores solares temos uma forma de aproveitar também essa
energia solar, quando a água passa pelos coletores solares essa é aquecida podendo ser usada
em banhos residenciais e água quente para uso industrial.
2.1.2 Energia Solar Heliotérmica
A tecnologia heliotérmica é uma outra forma de se utilizar energia solar para gerar
energia elétrica. Com essa técnica de concentrar a irradiação solar, com na maioria das vezes
espelhos móveis direcionáveis, para aquecer fluidos em tubulações, focando a energia em um
ponto específico, seja no topo de uma torre (método que e mais utilizado) ou em um tubo a
vácuo, aquecendo o líquido que há dentro e usar este líquido para gerar vapor, alimentando uma
turbina elétrica a vapor.
18
2.1.3 Energia Solar Fotovoltaica
A energia solar fotovoltaica é definida como a energia gerada através da conversão
direta da radiação solar em eletricidade. Isto se dá, por meio de um dispositivo conhecido como
célula fotovoltaica mostrada na Figura 2 (RECICLOTECA, 2011), que atua utilizando o
princípio do efeito fotoelétrico ou fotovoltaico (IMHOFF, 2007).
Figura 2- Captadores fotovoltaicos
Fonte: Recicloteca (2011)
Também é considerada como uma energia limpa, de fonte energética renovável,
causadora de baixíssimo impacto ambiental, com um grande espaço a ser ocupado na matriz
energética e no mercado. Ela é obtida quando os fótons contidos na luz solar atingem o material
semicondutor dos painéis solares, gerando uma diferença de potencial nas suas extremidades.
Esses painéis não armazenam a energia, mas mantem um fluxo de elétrons onde então no
circuito ocorre a corrente e tensão elétrica, dependente da luz do sol irradiada nas placas
fotovoltaicas.
Hoje é utilizada para gerar energia elétrica para milhares de residências e indústrias.
Para ser aproveitada como energia elétrica nas células fotovoltaicas, precisam ser montadas
dentro de um painel solar visando proteção e durabilidade e por sua vez, este painel solar, será
conectado em outros painéis formando um sistema solar fotovoltaico. O sistema solar
19
fotovoltaico é composto por: Painéis solares, inversor solar, sistema de fixação dos módulos
solares, cabeamentos, conectores e outros materiais elétricos padrões.
2.1.4 Os métodos de captura da energia solar
Os métodos de captura de energia solar são divididos em diretos e indiretos, ativos
e passivos.
2.1.4.1 Direto
São os métodos que precisam de apenas uma etapa para capturar a energia do sol e
transformá-la em energia que pode ser utilizada pelos homens. Exemplo: energia solar
fotovoltaica, a energia solar atinge uma célula fotovoltaica criando, através da conversão da
irradiação solar pelos semicondutores em energia elétrica.
2.1.4.2 Indireto
São os métodos que necessitam de mais de uma etapa de transformação da energia
solar em outra forma de energia. Como exemplo temos a energia heliotérmica onde a energia
solar é convertida em calor nos espelhos, aquecendo os tubos a vácuo por onde passa água,
onde posteriormente passará do estado liquido para o estado de vapor que movimenta a turbina
geradora de energia elétrica.
2.1.4.3 Sistemas Passivos e Ativos de Energia Solar
Os sistemas passivos são aqueles que utilizam a energia diretamente com calor sem
transforma-la em outra forma de energia, um exemplo são as estufas que recebem calor e
transfere para o ar, aquecendo o meio e acumulam o calor. Já os sistemas ativos de energia
solar, são aqueles que necessitam do auxílio de outros equipamentos responsáveis por fazer
esse calor obtido circule no sistema, como exemplo temos o aquecedor solar que utiliza bombas
de circulação de água dentro da tubulação.
20
2.2 ENERGIA FOTOVOLTAICA
Conforme Digital Blue Sol (2016), o efeito fotovoltaico, observado por Edmond
Bequerel em 1839, consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de
um semicondutor, quando esse absorve a luz visível, gera uma corrente continua quando
conectado a um circuito elétrico.
São incontestáveis as vantagens da energia solar fotovoltaica:
• Fonte inesgotável, por se tratar de energia renovável;
• No processo de geração não ocorre a produção de agentes poluidores;
• Causa baixíssimo impacto ambiental;
• O projeto pode ser instalado em qualquer área disponível.
Infelizmente a energia solar fotovoltaica tem suas deficiências:
• A sua eficiência energética é baixa se comparado às fontes fósseis;
• É temporalmente intermitente, dependendo da rotação e translação da terra com
relação a fonte geradora (Sol).
Então a geração de energia fotovoltaica como demonstrado o exemplo da Figura 3
(PORTAL SOLAR, 2018), nada mais é que, transformar a radiação solar diretamente em
energia elétrica, com a utilização de um sistema fotovoltaico constituído de materiais
semicondutores, silício é o mais comum, mais ainda pode ser utilizado gálio, cádmio entre
outros.
21
Figura 3- Geração de energia fotovoltaica
Fonte: Portal Solar (2018)
Cenário de geração fotovoltaica
O mercado mundial fotovoltaico vem crescendo exponencialmente nos últimos
anos, atingindo, em 2015, segundo IEA (2016), a capacidade total instalada de 227 GWp.
Ainda com dados do IEA (2016), observa-se que a capacidade de geração de energia
solar fotovoltaica vem crescendo significativamente desde 2003. Apenas em 2015, foram
implementados no mundo cerca de 50 GWp de capacidade instalada de geração, um aumento
de 25% em relação a 2014. Onde pode-se observar na Figura 4 (IEA, 2015).
Figura 4- Evolução das instalações fotovoltaicas no mundo.
Fonte: IEA (2015)
22
Observando os valores demonstrados, é notório o crescimento da fonte energética
fotovoltaica no mundo a partir do ano de 2010, também se nota que o mercado global vem
crescendo consideravelmente até o ano 2015, data da pesquisa.
Em 2016 conforme MME (2017, pag. 6), o mundo contava com uma potência
instalada solar de 301 GW, sendo 294 GW de energia fotovoltaica e 7 GW de energia solar
concentrada. A geração total foi de 333 TWh, resultando num fator de capacidade médio de
14,4%, como pode se observar na Figura 5 (MME, 2017).
Figura 5- Geração e potência solar instalada no mundo até 2016
Fonte: MME (2017)
O Brasil, conforme MME (2017), possuía, ao final de 2016, 81 MWp de energia
solar fotovoltaica instalados, sendo 24 MWp de geração centralizada e 57 MWp de geração
distribuída. Segundo MME (2017, pag. 6), em 2018, o Brasil deverá estar entre os 15 países
maiores geradores de energia solar, ao se considerar a operação da potência já contratada, de
2,6 GW.
O país tem um caminho brilhante a percorrer ao que se diz respeito em geração
fotovoltaica, com um potencial consideravelmente bem melhor do que o dos países que estão à
frente no nível de geração. Temos uma ótima taxa de insolação regional como representado na
23
Figura 6 (INPE, 2015), com condições favoráveis ao desenvolvimento desse tipo de atividade.
De acordo com Pereira et al. (2006), a média anual de irradiação global apresenta uma boa
uniformidade no Brasil, com médias relativamente altas em todo o território. Os valores de
irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (1500-2.500 Wh/m²)
são superiores aos da maioria dos países europeus, como Alemanha (900-1250 Wh/m²), França
(900- 1650 Wh/m²) e Espanha (1200-1850 Wh/m²), locais onde projetos de aproveitamentos
solares são amplamente disseminados.
Figura 6- Radiação solar no Brasil, média anual.
Fonte: IMPE (2015)
Dados do MME (2017, pag. 5), o valor máximo de irradiação global – 6,5kWh/m²,
ocorre no norte do estado da Bahia, próximo à fronteira com o estado do Piauí. Essa área
apresenta um clima semiárido com baixa precipitação ao longo do ano (aproximadamente
300mm/ano) e a média anual de cobertura de nuvens mais baixa do Brasil. A menor irradiação
solar global de 4,25kWh/m², ocorre no litoral norte de Santa Catarina, caracterizado pela
ocorrência de precipitação bem distribuída ao longo do ano.
24
2.2.2 Sistemas de geração fotovoltaica
Nesse tipo de sistema a geração de energia elétrica torna-se possível por conta dos
painéis solares, ou módulos, esses são responsáveis por captar a energia solar e transformar em
energia elétrica fotovoltaica. Os módulos são construídos a partir de um conjunto de células
ligadas eletricamente conforme a necessidade do sistema, como tensão e corrente. Os módulos
formam a primeira parte do conjunto do gerador fotovoltaico.
2.2.2.1 Sistema Off-grid
O sistema de geração off-grid, demonstrado na Figura 7 (MAXI, 2014), tem como
particularidade não depender da rede elétrica externa de concessionarias ou fornecedores, a
energia gerada e toda consumida internamente na instalação conectada, também chamados
como autônomos. Neste existe dois tipos, os com armazenamento com a conexão de baterias
ao sistema podendo ser utilizada quando necessário e os sem armazenamento, que toda energia
produzida é consumida ou se perde no instante da geração.
Uma desvantagem desse tipo de geração é o custo, com a necessidade de conectar
baterias, utilizando essa energia em momentos onde não a incidência de luminosidade, torna-
se muito caro instalar um sistema off-grid que atenda toda demanda do projeto. Por outro lado,
não fica dependente do fornecimento de energia por parte da concessionaria, por não estar
conectado à rede.
25
Figura 7- Sistema Isolado Off-grid
Fonte: Maxi (2014)
2.2.2.2 Sistema On-grid
Esse tipo de sistema gerador está conectado diretamente a rede elétrica de
distribuição da concessionaria. Neste não é necessário o uso de baterias, os painéis fotovoltaicos
geram energia em corrente continua (VCC) ao sistema, depois essa energia passa por inversores
de frequência convertendo-a de corrente continua para corrente alternada (VCA), nas mesmas
condições de rede elétrica, podendo ser interligada ao sistema de distribuição. Essa energia
excedente (que não utilizada pelo consumidor) é contabilizada e fornecida ao sistema, quando
não está gerando energia fotovoltaica ocorre o consumo de energia da rede de distribuição.
A diference da geração e do consumo pode ser considerado credito no caso de
excedente ou fatura no caso de consumo maior que a geração solar. Outra função dos inversores
nesse caso e sincronizar o sistema com a rede de distribuição da fornecedora de energia. Para
que seja utilizado esse sistema On-grid, e necessário a instalação de um medidor bidirecional,
contabiliza o sentido de fornecimento da energia, se está gerando ou consumindo.
Na Figura 8 (NAVITAS), está representado um modelo convencional de ligação da
geração fotovoltaica a rede de distribuição de energia.
26
Figura 8- Sistema On-grid.
Fonte: Navitas
No Quadro 1 (ECYCLE, 2011), pode ser observar as vantagens e desvantagens de
cada sistema off-grid e on-grid.
Quadro 1- Comparativos dos sistemas
Fonte: Ecycle (2011)
2.2.2.3 Sistema Hibrido
A junção das características principais dos sistemas anteriores, forma um outro
modelo de sistema de geração fotovoltaica, o sistema hibrido mostrado na Figura 9 (MME,
2008). A maior vantagem em relação ao outros e a possibilidade de armazenar energia em
27
baterias quando está excedendo o consumo, ou quando as baterias estão carregadas injetando
na rede distribuidora gerando credito. Quando não há geração por falta de luz solar ou baixa
produtividade, o sistema fornece a alimentação de energia por parte da carga armazenada. No
entanto, é apontado como um sistema complexo, já que necessita integrar diversas formas de
produção de energia elétrica, como motores à diesel ou gás, ou por geradores eólicos, Pereira
& Oliveira (2011).
Os bancos de baterias dos sistemas híbridos são normalmente bem menores do que
os sistemas isolados, tornando-o de certo modo com um custo intermediário.
Figura 9- Sistema fotovoltaico hibrido.
Fonte: MME (2008)
2.3 SISTEMAS DE MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
De acordo com Pichemel (2015), medidor de energia elétrica é um dispositivo ou
equipamento eletromecânico e/ou eletrônico capaz de mensurar o consumo de energia elétrica,
a unidade mais usada é kWh. Está presente na maioria de casas e industrias, que se conectam à
rede de distribuição. Podendo fazer medições de níveis em baixa (50V à 1500V) até alta tensão
(69kV à 230kV), estas tensões mais altas a medição é realizada com auxílio de equipamentos
rebaixam esses níveis.
28
Conforme Nagamine (2011), o primeiro medidor destinado à quantificação do
consumo de energia elétrica conhecido foi desenvolvido e patenteado por Samuel Gardiner, em
1872. Esse dispositivo era um medidor de lâmpada-hora aplicado em corrente contínua,
indicando o tempo em que a lâmpada permanecia acesa. Ai então sabendo que uma carga
resistiva tem corrente fixa, o cálculo era realizado, sobre o tempo de consumo e a potência
nominal da carga.
Medidor bidirecional
Por Antunes (2017), o medidor com leitura unidirecional que é normalmente usado
na maioria das residências e empresas é responsável por somente medir o consumo de energia
elétrica da unidade consumidora. Quando se faz a escolha de instalar um sistema de geração
fotovoltaica (On-grid ou hibrido) conectada à rede de distribuição é necessário utilizar um
medidor bidirecional no padrão de entrada da unidade consumidora. Esse fica responsável por
registrar o sentido de energia, se está gerando para injetar na rede conectada, ou se está
consumindo energia. Este deve estar devidamente certificado pelas normas da concessionaria,
e seguir todos padrões estabelecidos na norma. Na Figura 10 (NANSEN, 2017), temos um
exemplo do equipamento. Conforme informações extraídas do manual de fabricante Nansen
(2017), listou-se alguns dados desse equipamento.
Principais Características:
• Mostrador LCD parametrizável;
• LED para indicação de medidor ‘energizado’ e/ou ‘alarme’ (parametrizável);
• LEDs independentes para calibração de energia ativa e reativa;
• Auto range;
• Registro de eventos;
• Demanda programável;
• Monitoramento da tensão de alimentação;
• Porta óptica de comunicação;
• Fechamento da tampa principal e base do medidor através de fusão química;
• Mecânica resistente a choques mecânicos e raios ultravioleta.
29
Grandezas:
• Energia e demanda ativa;
• Energias reativa indutiva e capacitiva;
• Valores instantâneos de corrente, tensão e fator de potência.
Figura 10- Medidor Bidirecional de Energia Elétrica
Fonte: Nansen (2017)
2.4 SISTEMAS DE MONITORAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA
O uso desse tipo de recurso torna-se indispensável, quando se quer ter o controle e
gerenciamento de qualquer sistema onde se encontra empregado. Quando a fatura de energia
tem um valor considerável, torna-se possível realizar trabalhos de otimização no consumo,
através do conhecimento real dos dados fornecidos pelo sistema de monitoramento. Na Figura
11 (CCK, 2011), se tem um exemplo de topologia de monitoramento.
30
Sistemas de gerenciamento de energia são sistemas de automação que coletam dados
de medição de energia do campo e os disponibilizam aos usuários, por meio de
relatórios, gráficos, ferramentas de monitoração online e analisadores de eventos de
qualidade de energia, permitindo assim a gestão de recursos energéticos de uma planta
industrial. A disponibilização das informações a funcionários das áreas
técnicas/engenharia/comissões de conservação de energia confere à empresa um
diferencial competitivo: os dados on-line e a massa histórica são analisados e
convertidos em informações úteis para a eficientização, economia e otimização do uso
da energia, ALVES et al (2011, pag. 150).
Com base no manual de um fabricante, listou-se algumas informações que se deve
levar em conta na escolha de um bom sistema de monitoramento e gerenciamento de energia,
Schneider Eletric (2018).
Benefícios do monitoramento de energia:
• Reduzir despesas de energia;
• Melhorar a confiabilidade e o tempo de vida dos ativos de energia;
• Monitorar a utilização do equipamento para otimizar o gerenciamento de sua
instalação elétrica e melhorar produtividade;
• Prevenção de problemas na sua instalação elétrica.
Facilidades obtidas com monitoramento de energia:
• Verificação de faturas, rateio de custos e sub-medição;
• Análise de eficiência, perdas e capacidade;
• Monitoramento e auditoria da qualidade da energia;
• Notificação e diagnóstico de problemas;
• Controle da demanda e do fator de potência;
• Controle de cargas, geradores ou outros equipamentos.
31
Figura 11- Topologia de um sistema de monitoramento de energia.
Fonte: CCK (2011)
2.5 PROTOCOLOS DE INTERFACE SERIAL RS
Esse tipo de protocolo é uma linha de comunicação serial entre uma máquina e um
computador utilizado para enviar dados entre eles ou até mesmos outros dispositivos com
mesmo protocolo. Seguindo com essa finalidade veremos dois tipos de protocolo serial mais
utilizados.
Protocolo serial RS232
O padrão RS232 especifica as tensões, temporizações e funções dos sinais, um
protocolo para troca de informações, e as conexões mecânicas. Portanto cada um tem suas
particularidades, Lima (2014) descreve que, as maiores dificuldades encontradas pelos usuários
na utilização da interface RS232 incluem pelo menos um dos seguintes fatores:
• A ausência ou conexão errada de sinais de controle, resultam em estouro do
buffer (“overflow”) ou travamento da comunicação.
32
• Função incorreta de comunicação para o cabo em uso, resultam em inversão das
linhas de Transmissão e Recepção, bem como a inversão de uma ou mais linhas
de controle (“handshaking”).
A regulamentação desse protocolo fica a cargo da norma EIA232, garantindo a boa
conexão dos equipamentos, não havendo assim ligações incorretas. Na Figura 12
(ALIEXPRESS), demonstra-se os a disponibilidade de cada pino utilizados no RS-232.
Figura 12- Pinagem protocolo RS-232
Fonte: Aliexpress
Protocolo serial RS485
Segundo Lima (2014), a comunicação RS485 funciona em modo diferencial. Ou
seja, a diferença entre as tensões na linha dirão se o mestre está transmitindo 1 ou 0. A RS485
suporta a comunicação half-duplex e full-duplex sendo que para a primeira a necessidade da
utilização de um cabo par-trançado enquanto no segundo são necessários dois pares de cabos.
No estudo se teve o foco neste tipo de comunicação. Por se tratar de um protocolo
que permite a conexão de vários dispositivos escravos, facilitando assim a conexão de
demandas futuras. Também como característica ele alcança grandes distancias de cabo,
chegando até um cabeamento de 1200 metros com 9600 bps.
Neste modelo mostrado na Figura 13 (LOGICBUS, 2014), ocorre a utilização de
um equipamento chamado mestre (Master) responsável por gerenciar o trafego de dados e
outros chamados escravos (Slave), responsáveis por obter os dados direto do equipamento
conectado encaminhado ao mestre. Esta estrutura chame-se mestre-escravo onde há uma
máquina que faz a pergunta e os escravos respondem.
33
Figura 13- Pinagem protocolo RS485
Fonte: Logicbus (2014)
2.6 ESPECIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DO SISTEMA DE MONITORAMENTO
A especificação dos equipamentos, envolvidos no estudo de monitoramento da
geração de energia obtida através do sistema de ampliação de 24,5kWp na Usina Fotovoltaica
Encantos do Sul. No sistema de monitoramento analisado será utilizado dois inversores, um de
10kWp e outro de 12,5kWp, desses equipamentos obtém-se os dados necessários para o
acompanhamento da energia gerada.
Além desses um importante elemento é o Datalogger RTU, responsável pelo
gerenciamento do sistema serial RS485 Modbus, fazendo as conversões dos sinais e dados
obtidos e encaminhando a interface desejada.
Para temos o acesso a esses dados na interface rede de internet utilizaremos um
switch, conectando a porta do Datalogger a rede local de internet.
As conexões do protocolo Modbus será utilizado cabo serial RS485, 2x22AWG
(0,30mm²) com blindagem em fita de alumínio + 2x18AWG (0,75mm²). Já para conexão dos
equipamentos de rede ethernet, utilizar cabo UTP.
34
2.6.1 Inversores
Será utilizado dois inversores trifásicos da antiga marca Power-one modelo
AURORA mostrado na Figura 14 (ABB, 2015), que atualmente foi adquirida pela ABB,
responsável por esses inversores. Utilizará um inversor PVI-10.0-TL OUTD FS e outro PVI-
12,5-TL OUTD FS, estes inversores tem a capacidade de registrar o desempenho dos painéis
fotovoltaicos, converter a energia gerada em corrente continua, para corrente alternada nos
padrões da rede de distribuição. Esses modelos têm alta velocidade e precisão, monitoramento
em tempo real e classificação de eficiência.
Segundo fabricante atual ABB (2015), curvas de eficiência planas garantem alta
eficiência em todos os níveis de produção desempenho consistente e estável em toda a tensão
de entrada e faixa de potência de saída.
Destaques:
• Topologia de ponte trifásica verdadeira para Conversor de saída DC / AC;
• Topologia sem transformador;
• Cada inversor é configurado em uma grade específica códigos que podem ser
selecionados no campo;
• Ampla faixa de tensão de entrada;
• Seção de entrada dupla com independente MPPT permite energia ideal colheita
de duas sub- matrizes orientadas em diferentes direções.
35
Figura 14- Inversor Solar ABB (Power-one)
Fonte: ABB (2015)
OBS: Características técnicas conforme Anexo A.
Datalloger
Datalogger Modbus da Figura 15, que registra o que está sendo medido em cada
um dos inversores, tensão, corrente e potência média. enviando assim para o banco de dados
que poderá ser acessado em tempo real no local ou remotamente com interfaces distintas. O
HD67507 é um "Slave (server)" (escravo) do lado Ethernet, e é "Master" (mestre) do lado
Rs232 / Rs485 como mostra a Figura 16 (DAXTEL), que configura uma unidade de aquisição
de dados. O HD67507 também possui uma interface TCP (entrada e saída) feita via wifi. É
capaz de gerenciar até 10 conexões simultâneas de Ethernet, nesta aplicação será utilizado a
comunicação RS485. Necessita de uma fonte de alimentação com voltagem de 12-35 Vdc, seu
consumo de 3,5W, configurações via PC com software. Esse tipo de equipamento serve pera
ler registros e processa funções logicas ou matemáticas.
36
Figura 15- Datalogger HD67507
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Figura 16- Conexão portas serial RS485
Fonte: Daxtel
Fonte de alimentação
A fonte de alimentação STEP-PS/1AC/24DC/0.75 conforme Figura 17 (DIGIKEY,
2017), com tensão de saída de 24V DC, corrente nominal de saída de 750mA, potência nominal
de 18W e faixa de tensão de entrada bivolt (100/240V). Possuem proteção contra curto-circuito,
sobrecarga e sobre tensão. Possui proteção contra curto-circuito, sobrecarga e sobretensão. Esta
fonte de alimentação é responsável por fornecer energia ao sistema do Datalogger Modbus, que
por sua vez tem uma demanda de consumo máximo 80mA, podendo também alimentar o switch
do sistema de conexão à ethernet.
37
Figura 17- Fonte de alimentação
Fonte: Digikey (2017)
Switch
Conforme o fabricante Intelbras (2017) descreve, o switch é um equipamento que
serve para interligar os dispositivos do sistema de monitoramento e gerenciar a rede de conexão
do sistema, afim que possam se comunicar, compartilhando os dados obtidos, que por sua vez
serão enviados via cabo UTP, conectados as portas RJ45 do equipamento. Neste sistema de
monitoramento sugere-se utilizar o switch 8 portas Fast Ethernet com VLAN Fixa (SF 800
VLAN) da marca Intelbras demonstrado a Figura 18 (INTELBRAS, 2017).
Figura 18- Switch SF800 VLAN
Fonte: Intelbras (2017)
38
Cabeamento
No sistema de monitoramento proposto será necessário o emprego de dois tipos de
cabos. Para o sistema de comunicação serial RS485 Modbus, é recomendado o uso do cabo de
automação. Outro cabo necessário é o cabo UTP CAT. 5, cabo com quatro pares trançados de
#0,5mm² cada fio.
Segundo dados Discabos (2016), o cabo Automação RS485 representado na Figura
19 (DISCABOS, 2016), é um cabo específico desenvolvido para comunicação serial, é feito
especialmente para conexão de módulos e sistemas de automação. Ele tem 4 vias internas, sendo
duas utilizadas para o envio de sinal e outras duas vias utilizadas para alimentação de módulos
de automação.
As 2 vias mais grossas para alimentação permitem que o cabo suporte uma distância
maior carregando a energia suficiente para fazer o equipamento funcionar. Especificações do
cabo utilizado, 2x22AWG (0,30mm²) com blindagem em fita de alumínio + 2x18AWG
(0,75mm²).
Figura 19- Cabo para automação RS485.
Fonte: Discabos (2016)
Conforme Ispblog (2016) o cabo UTP mostrado na Figura 20 (DISCABOS, 2016),
é composto geralmente, por quatro pares de fios condutores trançados com saídas de dados
positivas e negativas, cada qual com sua finalidade específica, protegidos por um invólucro de
PVC. Ao serem trançados uns aos outros em espirais virtuais aos pares, esse tipo de cabeamento
39
cria uma espécie de campo magnético que aumenta a proteção contra interferências na rede e
reduz as chances de ocorrência de ruídos externos durante a transmissão de informações.
São cabos de baixo custo, com conectores RJ45 e uma ótima taxa de transmissão
de dados. Esse tipo de cabos pode suportar a comunicação Full Duplex, onde ocorre a
transmissão e recepção ao mesmo tempo. É necessário que não se ultrapasse a distância máxima
de 100 metros, evitando a perda de informação enviada.
Para diferenciar os tipos de cabos UTP, eles foram divididos em categorias,
demonstradas na Tabela 1, de acordo com suas características físicas e lógicas, e numerados
conforme o surgimento de novas gerações.
Tabela 1- Tabela Categoria dos Cabos
CATEGORIAS CABOS UTP
(NORMAS ANSI/ TIA- EIA 568-A)
Categoria Tipo Aplicação/ Largura de Banda/ Máxima Taxa de
Transmissão
1 UTP Voz analógica
2 UTP Voz digital acima de 1 Mbps
3 UTP, STP Dados, 16 MHz, 4 Mbps
4 UTP, STP Dados, 20 MHz, 16 Mbps
5 UTP, STP Dados, 100 MHz, 100 Mbps
5e UTP, STP Dados, 100 MHz, 1 Gbps
6 UTP, STP Dados, 200 MHz, 10 Gbps
7 STP Dados, 600 MHz
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Figura 20- Cabo UTP CAT 5
Fonte: Discabos (2016)
40
3 DESENVOLVIMENTO
Neste estudo de viabilidade de um sistema de monitoramento para emprego na
geração de energia fotovoltaica da UFES, será necessário buscar o entendimento de como
funciona alguns elementos do processo de conversão de energia solar em elétrica. Com a
produção dessa energia é necessário acompanhar os parâmetros elétricos específicos, sabendo
assim a conformidade da geração, então o trabalho visa buscar e demonstrar se é viável
implantar tal projeto.
3.1 DESCRIÇÃO DO TRABALHO REALIZADO
Inicialmente no desenvolvimento do trabalho, foi necessário testar um modelo de
monitoramento da geração de energia fotovoltaica, o modelo proposto está demonstrado na
Figura 21, e a estrutura física mostra-se na Figura 22. Com isso surgiu a necessidade de utilizar
equipamentos que já estavam disponíveis tanto na instalação no sistema de geração
fotovoltaica, quanto alguns equipamentos pertencentes ao almoxarifado da empresa
responsável pelo suporte ao estudo, no trafego de pacotes de dados poderá ser utilizado à rede
de acesso à internet do Parque Ambiental Encantos do Sul e do CETTAL na UNISUL. Além
disso estudou-se alguns elementos para constituir o sistema como um todo. Foi necessário
conhecer qual melhor emprego desses equipamentos e qual softwares poderiam ser utilizados.
41
Figura 21- Sistema de Monitoramento
Fonte: Elaborado pelo Autor (2018)
Figura 22- Painel de Monitoramento
Fonte: Elaborado pelo Autor (2018)
42
Na Figura 23, tem-se o desenho técnico do painel empregado no projeto do sistema
de monitoramento com seus componentes físicos. A referência demonstrada número 1, está
representado a régua de bornes para conexão dos equipamentos e redes de comunicação. O item
2 está representado um disjuntor do fornecedor Weg de 10A para conexão de energia externa,
no número 3 representa uma fonte de alimentação Step de 24Vdc, que alimentará o sistema. E
por fim no item de número 4 representa-se o Datalogger RTU responsável pela conversão e
comunicação Modbus/ Ethernet.
Figura 23- Detalhe painel de monitoramento
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Então no estudo avaliou-se os dois inversores já estão instalados, um de 10,0kWp
e outro de 12,5kWp, da marca Power One (ABB). Estes são responsáveis por receber energia
do sistema de geração e converter em energia compatível com a fornecida pela rede
distribuidora. Além disso os inversores geram parâmetros (dados) elétricos de leituras feitas
internamente no equipamento, em formato de tabela CSV que serão utilizados como base no
monitoramento. Para que se tenha comunicação do sistema de monitoramento com os
inversores, sugere-se a conexão a porta serial RS 485, que funciona no modelo de barramento
podendo ser conectado vários equipamentos na estrutura Mestre/Escravo com a comunicação
via protocolo Modbus, esse sistema de conexão fica aberto para futuros acoplamentos de
novos equipamentos.
O tráfego de dados do inversor até o Datalogger ocorre no protocolo Modbus, então
será necessário converter e organizar esse sinal para o protocolo Ethernet. Como conversor
pode ser utilizado o RTU Datalogger HD67507, capaz de fazer 10 conexões simultâneas. Ele
43
pode funcionar como mestre ou escravo conforme a necessidade, neste estudo o Datalogger se
mostra como mestre, ficando responsável por receber o sinal com os dados de leituras dos
inversores, tratar e disponibilizar via internet os arquivos com as coletas dos equipamentos.
Para fazer a interligação do RTU a rede de internet local do Parque Ambiental, será
necessário o uso de cabeamento UTP (cabo par transado) e um switch da marca Intelbras o
SF800 VLAN, responsável por obter o melhor trafego de pacote dos dados na rede web.
Com amostragem dos dados no formato de tabela CSV, conseguirmos testar o
funcionamento geral, optou-se por simular uma tabela contendo data e hora de leituras para
registro, outros elementos da tabela foi a leitura de potência gerada instantânea em quilo-watt
pico, média de potência das leituras, energia gerada na usina em quilo-watt hora. E ainda para
simular alarmes e erros, criou-se colunas que demonstram normal o funcionamento, sem alarme
e erro se os valores de potência entre períodos não tiverem uma diferença maior que 1,5 kWp.
Essa tabela CSV irá alimentar o software que gerencia o banco de dados da geração
fotovoltaica.
Outro passo do trabalho foi a escolha do software que fará o gerenciamento do
banco de dados das leituras do sistema de monitoramento. Para essa finalidade escolheu-se o
software MySQL, um servidor gratuito de fácil implementação capaz de arquivar os dados
organizando-os, permitindo o acesso por outros softwares através de plugins. Como
continuidade foi feito a hospedagem da tabela simulada no banco de dados para futuro acesso.
Essa etapa fez-se a escolha do software Grafana, a sua escolha deu-se pela
facilidade de tratamento dos dados disponíveis, a sua gratuidade de acesso e operação, também
por ter um melhor formato de representar visualmente o resultado do trabalho. Este fica
responsável em acessar a tabela de dados da geração, disposta no banco de dados MySQL, ler
as variáveis programadas e então fazer a interface criando gráficos em uma tela de fácil acesso
e entendimento visual. Neste programa será demonstrado os gráficos de potência e energia
gerado no sistema fotovoltaico.
3.2 ELABORAÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO
Com a identificação dos elementos físicos e virtuais que fará parte do sistema de
monitoramento conforme Figura 24, houve necessidade de avaliar o funcionamento específico
do monitoramento. O sistema iniciará a partir da coleta de dados nos inversores de 10 kWp e
44
de 12,5 kWp da geração fotovoltaica, esses dados são gerados com fonte de tabela CSV. Essa
tabela apresenta dados de energia gerada em unidade de potência por unidade de tempo
configurada no equipamento.
Figura 24- Croqui demonstrativo do sistema de monitoramento
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
O recebimento dos dados dos inversores, será feito por um sistema Modbus do
Datalogger HD67507, onde serão enviados via web a um sistema de gerenciamento tendo como
servidor o MySQL. O MySQL recebe os dados em arquivo de tabela CSV e organiza-os
conforme a necessidade de tratamento, também mantem armazenados, desde haja necessidade
pode ser consultado o banco de dados dos registros da geração. Além do MySQL será
necessário utilizar um software conjugado ao mesmo, que é o Grafana, com essa ferramenta
pode se monitorar vários parâmetros de rede via web, disponibiliza-los para acesso em tempo
real no local ou remotamente. Além disso é capaz de verificar mensagens de alarmes e bom
funcionamento, em tempos definidos, esse conectasse por meio de plugin ao gerenciador,
ficando responsável por modelar os gráficos das variáveis de exposição e obter métricas do
banco de dados.
Com isso qualquer usuário que tenha permissão, conhecendo o IP e DHCP do
servidor, poderá ter acesso as variáveis demonstradas da geração fotovoltaica na usina. No
decorrer do texto será demonstrado melhor cada componente utilizado no teste do sistema de
monitoramento.
45
3.2.1 Tabela CSV
Os dados fornecidos dos inversores, se dá em forma de arquivo em tabela CSV. Por
serem bastante simples, arquivos.csv são comuns em todas as plataformas de computador. O
CSV é um formato de dados delimitado que possui campos (colunas) separados por caracteres
de vírgula e registros (linhas) separados por caracteres de quebra de linha. Como os inversores
geram esse formato de arquivo e não obter-se acesso a eles, optou-se por simular uma tabela de
dados CSV com valores randômicos da geração de energia fotovoltaica, os parâmetros de data,
hora, potência gerada em quilo-watt pico, demonstrativo de erro quando houver uma diferença
1,5kWp no intervalo de tempo de dez minutos, alarme de falhas e por fim energia gerada em
quilo-watt hora. A Tabela 2, mostra o modelo adotado.
Tabela 2- Tabela Arquivo CSV de dados simulados
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Os dados gerados no arquivo.csv, serão coletados em um servidor Linux e, através
de um script de conversão, serão inseridos em uma base de dados Mysql, que é um banco de
dados muito popular e baseado em software livre. Está base armazenará os dados gerados para
leitura e geração de gráficos online, também arquivará os dados disponíveis para a geração de
históricos de leituras, estatísticas e informações de apoio a tomada de decisão. O script de
importação de dados de CSV para Mysql é mostrado na Tabela 3.
46
Tabela 3- Script de conexão
CREATE TABLE IF NOT EXISTS tabela_excel_CSV (
`DATA_HORA_POTENCIA_GERADA_kWp_ERRO_ALARME_ENERGIA_GER
ADA_kW_h` VARCHAR(22) CHARACTER SET utf8,
`Column_2` VARCHAR(29) CHARACTER SET utf8,
`Column_3` VARCHAR(34) CHARACTER SET utf8
);
INSERT INTO tabela_excel_CSV VALUES
('22/10/2018;08:00:00;22','55;NORMAL;DIFERENÇA LINHAS>
1','5;POTENCIA GERADA*TEMPO DE GERAÇÃO'),
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
3.2.2 Simulação Potência e Energia
Como está representado na Tabela 4, fez-se a simulação dos valores da geração de
energia na usina fotovoltaica com geração em potência máxima de 24,5kWp, assim temos um
modelo estimado de geração para esse sistema. Neste podemos mostrar os dados de potência
em quilo-watt pico obtidos no intervalo de tempo de dez minutos, com sua média de medição
tanto de potência e de energia. O dado de Energia gerada é obtido com o cálculo de potência
gerada e do intervalo de tempo de geração em um período, expresso em quilo-watt hora.
Outros itens relevantes da tabela elaborada seria mostrar data, hora, taxa de erro e alarme das
medições do equipamento.
47
Tabela 4- Tabela demonstrativo de geração
DADOS FICTICIOS DA GERAÇÃO DE ENERGIA NA USINA FOTOVOLTAICA
DATA HORA POTÊNCIA
(kWp)
ERRO ALARME ENERGIA
(kW/h)
22/10/2018 08:00:00 22,55 NORMAL NORMAL 3,56
22/10/2018 08:10:00 22,15 NORMAL NORMAL 3,61
22/10/2018 08:20:00 22,62 NORMAL NORMAL 3,68
22/10/2018 08:30:00 22,53 NORMAL NORMAL 3,75
22/10/2018 08:40:00 22,40 NORMAL NORMAL 4,24
22/10/2018 08:50:00 22,16 NORMAL NORMAL 4,61
22/10/2018 09:00:00 22,83 NORMAL NORMAL 4,77
22/10/2018 09:10:00 22,81 NORMAL NORMAL 4,8
22/10/2018 09:20:00 22,96 NORMAL NORMAL 4,86
22/10/2018 09:30:00 23,40 NORMAL NORMAL 4,94
22/10/2018 09:40:00 23,56 NORMAL NORMAL 4,99
22/10/2018 09:50:00 23,10 NORMAL NORMAL 5,09
22/10/2018 10:00:00 23,72 NORMAL NORMAL 5,21
22/10/2018 10:10:00 23,70 NORMAL NORMAL 5,28
22/10/2018 10:20:00 23,40 NORMAL NORMAL 5,33
22/10/2018 10:30:00 23,00 NORMAL NORMAL 5,41
MÉDIA GERADA 22,93 4,63 Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Com os valores de energia gerada simulados em quilo-watt hora no intervalo de
tempo de amostras da Tabela 4, formulou-se um gráfico mostrado na Figura 25, do
funcionamento do sistema de geração de energia, onde pode-se ter ideia da quantidade de
energia fornecida em um sistema de geração, sabendo-se assim visualmente os valores da
geração.
48
Figura 25- Simulação de energia
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
3.2.3 Monitoramento dos Dados
Com a necessidade da utilização de um banco de dados de gerenciamento da
aquisição de dados da geração da usina, optou-se por utilizar um software livre, de fácil
operação, eficiente e otimizado para aplicações web. Optou-se por utilizar o software
gerenciador de banco de dados MySQL, que utiliza a linguagem SQL (linguagem de consulta
estruturada) é um dos sistemas de gerenciamento de dados mais populares, sendo compatível
com vários sistemas operacionais e várias linguagens de programação.
Metodologia MySQL é usada para fazer a comunicação entre o aplicativo e o banco
de dados, ou seja, é ele que trata os dados informados pelo usuário e grava no banco, da mesma
forma, caso o usuário esteja fazendo uma consulta é o MySQL quem busca as informações no
banco e transfere para interface (tela) ou impressora dependendo da solicitação. A Figura 26,
mostra a estrutura da base utilizada no software escolhido.
3,56 3,61 3,68 3,754,24
4,61 4,77 4,8 4,86 4,94 4,99 5,09 5,21 5,28 5,33 5,41
KW
/h
PERIODO
ENERGIA GERADA NO SISTEMA
49
Figura 26- Estrutura do banco de dados MySQL utilizada
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
3.2.4 Sistema de visualização métrica
Para finalidade de interface será utilizado o software Grafana, como mostrado na
Figura 27, e Figura 28, que é um suíte de análise e visualização de métricas de código aberto,
onde poderá através desse programa obtermos uma melhor visualização de dados gerados na
usina fotovoltaica em tempo real, de uma forma sucinta e de fácil entendimento, sem falar no
visual moderno dos gráficos indicativos do processo. Esse software serve para ajudar a reunir
a fonte de dados diferentes, e também serve em ampla variedade de casos.
Figura 27- Interface de potência gerada
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
50
Figura 28- Interface de energia gerada
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
51
4 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS E DIFICULDADES ENCONTRADAS
Como objetivo inicial do trabalho era validar a viabilidade de um sistema de
monitoramento que disponibilize dados de geração de energia em tempo real, local ou
remotamente. Como resultado conseguiu-se estudar os dispositivos disponíveis, avaliando a
utilização dos mesmo e ainda a possibilidade de inserção de alguns softwares para construção
de uma interface de geração virtual com dados de potência e energia geradas na ampliação do
sistema fotovoltaico do parque ambiental.
Com a escolha de software gratuito MySQL, que gerenciam o banco de dados e
possibilitam o arquivamento, para futuros acessos como era a proposta inicial e necessidade do
sistema, conjugado com o software Grafana encarregado de acessar esse banco de dados e gerar
graficamente uma interface web par que se possa ter acesso e entendimento das variáveis de
geração de energia.
Conseguiu-se testar virtualmente um sistema de monitoramento de energia, que
poderá ser ampliado com mais unidades de geração na usina futuramente. O sistema proposto
utilizou-se equipamentos fornecidos pelo almoxarifado da empresa, alguns que deveram ser
adquiridos com facilidade no mercado e também a indicação de softwares de fácil acesso,
gratuitos e de prática operação.
Então ficou claro que o modelo de monitoramento analisado, poderá ser empregado
no objetivo de se monitorar a geração de energia fotovoltaica da UFES. Pois se trata de
elementos já conhecidos na área de geração e de softwares livres com livre acesso. Esse sistema
ainda pode ser reformulado futuramente conforme as necessidades do processo.
Mas também se teve algumas dificuldades no decorrer do projeto. A maior delas,
foi de se obter dados dos equipamentos, não conseguiu-se extrair os dados de geração dos
inversores, o inversor não comunicava com o Datalogger escolhido, supondo que isso se dá pôr
o fabricante já ter um sistema de monitoramento fechado disponível no mercado, ficando assim
sem acesso aos dados direto do inversor.
Outra dificuldade foi caracterizar a aplicabilidade do sistema, a escolha dos
equipamentos como a empresa já tinha alguns instalados, como na escolha dos softwares que
atendessem as exigências de comunicação, acesso entre os equipamentos e o meio virtual
utilizado, que atende a proposta de ter maior facilidade de operação e tratamento dos dados.
52
5 CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Esse trabalho deu a oportunidade de entender melhor alguns parâmetros que
envolvem a geração fotovoltaica, que muitas vezes ficam deixados de lado nas instalações. Sem
um sistema de monitoramento eficiente fica difícil acompanhar o bom funcionamento dos
equipamentos envolvidos. A detecção de falhas sem monitoramento, poderá se tornar tardia,
acarretando perdas de geração e deixando os equipamentos mais expostos a danos físicos, se
um defeito não for percebido rapidamente, pode levar a perda dos elementos do sistema.
Com a pesquisa ficou mais claro a importância de um sistema de monitoramento
bem projetado, sabendo-se o que ele deve conter e qual as suas finalidades. Com o sistema
fotovoltaico monitorado, pode-se avaliar o desempenho e conferir a fatura de energia
apresentada pela concessionária de energia.
Ainda com esse sistema de monitoramento podemos armazenar dados da geração e
futuramente se necessário ter acesso ao banco de dados das suas variáveis. Com isso pode
comparar o seu funcionamento atual com os arquivos e estabelecer intervenções, para sua
melhoria e se está atendendo as especificações iniciais.
Entendeu-se que com a interface de fácil acesso, fica claro a importância de
monitorar o sistema, levando o conhecimento da geração fotovoltaica que tem um forte apelo
ambiental, por se tratar de uma energia de geração limpa e renovável, com baixíssimo índice
de impacto.
Como sugestão futura, pode se fazer um estudo mais aprofundado no sistema de
conexão física do inversor, para que se possa ter acesso aos dados da geração ou utilizar de
outros meios de medição. Tendo posse desses dados pode-se trabalhar com mais variáveis do
sistema. Ou ainda utilizar inversores de fabricação mais recente, que já possuem um sistema
integrado de monitoramento.
E também com sugestão de armazenar e integrar os dados de capitação de radiação
solar e dos painéis fotovoltaicos, da estação meteorológica, dados de temperatura dos painéis,
condições do vento, parâmetros de corrente e tensão elétricas. Fazendo assim uma interface
com a apresentação de mais tópicos da geração fotovoltaica.
53
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<https://www.adfweb.com/download/filefold/MN67507_ENG.pdf.>. Acesso em: 23 de
outubro 2018.
56
ANEXOS
57
ANEXO A – Características técnicas dos inversores ABB
Figura 29- Dados técnicos inversores de frequência
Fonte: ABB (2015)
58
Figura 30- Dados técnicos inversores de frequência
Fonte: ABB (2015)
59
ANEXO B – Diagrama unifilar e painel físico, do sistema de monitoramento
Figura 31- Diagrama unifilar
INV 1 INV 2
DATA
LOGGER
GPRS
LAN
ROUTERINTERNET
WAN
RT
MODBUS
DIAGRAMA DO SISTEMA DE MONITORAMENTO
A+ B- GND
CABO RS4852X27 AWG+MALHA
A+ B- GND
CABO RS4852X27 AWG+MALHA
CAT5
SWITCH
Fonte: Elaboração do Autor (2018)
Figura 32- Desenho painel dos equipamentos
Fonte: Elaboração do Autor (2018)