IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferência Latino-Americana da ISES – São Paulo, 18 a 21 de setembro de 2012

SISTEMA FOTOVOLTAICO DE 2kWp INTEGRADO A EDIFICAÇÃO: ANÁLISE DO DESEMPENHO DE 14 ANOS DE OPERAÇÃO

Trajano de Souza Viana – trajano@cefet-rj.br

Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica Lucas Rafael do Nascimento – nascimento@emc.ufsc.br

Alexandre Albuquerque Montenegro – alexandre.a.montenegro@gmail.com Ricardo Rüther – ruther@mbox1.ufsc.br

Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Civil Resumo. O primeiro gerador solar fotovoltaico, com módulos de filme fino, conectado à rede e integrado a uma edificação, foi instalado no Brasil em 1997 e tem operado continuamente até o presente. O sistema de 2 kWp é composto por módulos de filme fino de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), com células de junção dupla depositadas em vidro (módulos vidro-vidro sem moldura), que foram instalados na fachada Norte do Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em Florianópolis, orientados para o Norte verdadeiro e com inclinação igual à latitude local (27º). Neste trabalho, apresentamos alguns dos parâmetros de desempenho ao longo destes 14 anos de operação contínua, com base em dados operacionais de alta resolução, incluindo medições de parâmetros elétricos c.c. e c.a., temperatura (ambiente e traseira do módulo) e irradiância (horizontal e no plano dos módulos). São apresentados dados anuais da Taxa de Desempenho (PR) e da Produtividade de energia, bem como dados de saída de potência c.c. normalizada. O gerador atualmente opera com uma PR de cerca de 80% e Produtividade anual média (Yield) de 1.158 kWh/kWp, para irradiação média no local igual a 1497 kWh/m2/ano. Palavras-chave: Energia Solar Fotovoltaica, Filme Fino de a-Si:H, Desempenho Energético Fotovoltaico 1. INTRODUÇÃO

O primeiro sistema fotovoltaico conectado à rede (SFVCR) e integrado a uma edificação instalado no Brasil foi colocado em operação em setembro de 1997 no Laboratório de Energia Solar (LABSOLAR), localizado no prédio de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em Florianópolis (Rüther, 1998), (Rüther e Dacoregio, 2000). O sistema de 2 kWp é composto por módulos opacos e semitransparentes de filme fino de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), com células de junção dupla depositadas em vidro (módulos vidro-vidro sem moldura), inversores e sensores de irradiância, global e total (horizontal e inclinada), e de temperatura ambiente e do módulo. O painel fotovoltaico está orientado para o Norte verdadeiro, com inclinação igual à latitude local (27º) e pode ser visto na Fig. 1, onde se nota a diferença de sombreamento proporcionada pelos módulos opacos e pelos semitransparentes na fachada vertical da edificação. O gerador fotovoltaico vem sendo continuamente monitorado desde sua instalação, acumulando dados de desempenho elétrico, temperatura e irradiância a intervalos de tempo definidos.

Figura 1 – Primeiro sistema fotovoltaico conectado à rede instalado no Brasil (1997), com módulos de

filme fino de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) integrados a uma edificação.

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Este trabalho tem como objetivo apresentar os dados operacionais de longo prazo deste gerador fotovoltaico, operando em um local de clima quente, mostrando os índices de desempenho obtidos durante os 14 anos de operação contínua até o presente. 2. DESENVOLVIMENTO

O projeto original do sistema 2 kWp foi realizado de forma que fosse composto por quatro subsistemas, utilizando quatro inversores de 650 W em vez de um único inversor com a potência total do painel fotovoltaico. Essa estratégia de projeto foi inicialmente empregada de modo a minimizar o risco de parada total de operação, com conseqüente perda de geração, em caso de falha no inversor, fabricado no exterior e para o qual não haveria assistência técnica de forma rápida no país. Além disso, como cada inversor de 650 W era alimentado por um painel de 500 Wp, em caso de falha de um dos inversores os módulos correspondentes poderiam ser distribuídos pelos outros três inversores mantendo o sistema em operação com a mesma potência instalada. Esse subcarregamento dos inversores também permitia que os mesmos operassem perto do ponto de maior eficiência, que está situado abaixo do máximo valor especificado de potência (Burger e Rüther, 2006). O painel de cada um dos quatro subsistemas foi montado com módulos de filme fino de silício amorfo (a-Si), opacos e semitransparentes (RWE ASE-30-DG-UT). Os módulos possuem células de junção dupla, depositadas em vidro, formando uma estrutura vidro-vidro sem moldura. Foram formados três subsistemas, cada um com 16 módulos opacos (16x32 Wp), e o quarto com 20 módulos, dos quais 6 são opacos (6x32 Wp) e 14 semitransparentes (14x27 Wp), sendo a potência fotovoltaica total instalada igual a 2.106 Wp. O sistema possui sistema de aquisição de dados que coleta e armazena, a cada quatro minutos, os valores de grandezas elétricas c.c. a c.a., da irradiação global horizontal e total (no plano do painel FV, cuja inclinação é 27º) e das temperaturas do ambiente e dos módulos. A Fig. 2 mostra o diagrama original do SFVCR de 2 kWp.

Figura 2 – Diagrama original do SFVCR de 2 kWp, em operação de 1997 a 2008. O sistema operou, com a configuração original de quatro subsistemas, de setembro de 1997 até fins de 2008. Ao longo desse período de 11 anos de operação foram detectadas algumas poucas interrupções de geração que foram rapidamente solucionadas e o sistema foi mantido configurado como instalado, demonstrando a elevada confiabilidade de um gerador deste tipo. No final de 2008, dois inversores que já operavam continuamente por 11 anos, apresentaram falhas, o que levou a uma reestruturação do sistema, pois não havia possibilidade de consertar ou substituir os inversores originais, uma vez que os mesmos já não eram mais fabricados há alguns anos.

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Um novo e mais moderno inversor de alta eficiência, de 2500 W, substituiu os quatro inversores originais, de 650 W e baixa tensão c.c. de entrada (30 V), todos já com 11 anos de operação. Com essa substituição foi necessário reorganizar as ligações elétricas entre os módulos fotovoltaicos e formar um painel com 468 V, compatível com a tensão c.c. de entrada do novo inversor. O sistema passou a operar com cinco séries de 13 módulos, em paralelo, sendo quatro séries de 13 módulos opacos (4x13x32 Wp) e uma série de 13 módulos semitransparentes (13x27 Wp), formando um painel com potência fotovoltaica de 2.015 Wp. Foram também adicionados ao sistema novos sensores de irradiância e de temperatura ambiente e do módulo. O novo diagrama elétrico do sistema está mostrado na Fig. 3.

Figura 3 – Novo diagrama elétrico do sistema de 2 kWp, em operação a partir de 2009. Após a substituição do inversor, a aquisição de dados (mostrada simplificadamente na Figura 3) também foi totalmente reestruturada, conforme detalhado na Fig. 4, e o armazenamento de dados passou a ser realizado em intervalos de cinco minutos.

Figura 4 – Diagrama do novo sistema de aquisição de dados, em operação a partir de 2009. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig. 5 mostra o gráfico da Produtividade (Yield) do sistema, em kWh/kWp, que é influenciada principalmente pelo total da irradiação incidente.

Sensor de 

Irradiância

Sensor

TAMB

Datalogger

Alimentação 

220V/60Hz

Internet

Switch        

Portal de 

Visualização

Computadores com acesso a 

WEB       

Alimentação 

220V/60Hz

Interface 

RS485

Inversor

Sensor

TMOD

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Figura 5 – Produtividade (Yield) do sistema de 2 kWp ao longo de 14 anos de operação (1997 a 2011).

A Produtividade (Yield), vista na Fig. 5, variou entre um valor mínimo de 1.067 kWh/kWp e um valor máximo de 1.231 kWh/kWp, com valor médio de 1.158 kWh/kWp, excluindo o valor do primeiro ano calendário (1.240 kWh/kWp) quando os módulos ainda apresentavam potência mais elevada, já que o efeito Staebler-Wronski (SWE) ainda estava em curso (Staebler e Wronski, 1997). Através do SWE os módulos fotovoltaicos de filmes finos de a-Si:H sofrem uma perda de desempenho ao longo do primeiro ano de exposição ao sol e este efeito estabiliza após este período. O SWE é reversível pela exposição do filme fino a uma temperatura de 150 oC por 2 horas (recozimento). Na operação em campo, sabe-se que as temperaturas elevadas (cerca de até 70 oC) sob as quais os módulos podem chegar a operar em climas quentes e ensolarados, levam a um recozimento parcial do filme fino e a estabilização do SWE em um patamar mais elevado do que quando o mesmo dispositivo opera em climas mais frios (Rüther e Livingstone, 1994) (Rüther et al., 2003) (Rüther, Dacoregio et al., 2004). A Taxa de Desempenho (PR, do inglês Performance Ratio) do sistema está mostrada no gráfico da Fig. 6. A PR é o quociente entre a geração real em corrente alternada (e.g. kWh/ano) de um sistema fotovoltaico com a geração esperada em função da potência nominal do gerador (kWp) e é, portanto, um parâmetro adimensional. A PR do gerador de 2kWp instalado em 1997, mostrada na Fig. 6 a partir de 1998 depois de boa parte do SWE ter se estabilizado, excluindo-se o primeiro ano calendário, oscilou entre 74,7% e 80%, e atualmente se encontra marginalmente abaixo de 80%, indicando um excelente desempenho do gerador após 14 anos de operação ininterrupta.

Figura 6 – Taxa de Desempenho (%) do sistema de 2 kWp ao longo de 14 anos de operação (1998 a 2011).

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1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Irradiação Anual (kWh/m

².ano)

Produtividade anual (kWh/kWp.ano)

Produtividade Anual (Yield) 1998 - 2011

Produtividade (Yied) Irradiação

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1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Irradiação Anual (kWh/m

².ano)

Taxa de Desempenho  (%)

Taxa de Desempenho (PR)1998 - 2011

Taxa de Desempenho Irradiação

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Como mostra a Fig. 6, a marcante queda de desempenho observada no início da operação, é devida ao efeito de degradação inicial da potência dos módulos de a-Si. Após esse período inicial o desempenho passou a ser influenciado pela temperatura e pelo espectro da radiação solar, apresentando variações sazonais típicas do silício amorfo (a-Si) (Rüther e Livingstone, 1995) (Cereghetti, N. et al, 2000), comportamento que se reflete em geração relativa mais elevada durante os meses de verão. Isso é devido às temperaturas de operação mais elevadas, que ocasionam o recozimento térmico parcial e a conseqüente reversão parcial da degradação, bem como aos efeitos do conteúdo espectral da radiação, pois o menor valor de Massa de Ar (Air Mass - AM) no verão leva o espectro a desviar para o azul, o que é benéfico para o a-Si. Os efeitos mencionados podem ser observados na Fig. 7 que apresenta a potência c.c. normalizada do gerador fotovoltaico, obtida pela relação entre a potência medida e a potência nominal declarada pelo fabricante, e a temperatura dos módulos, para o período de 1997 a 2011. A variação sazonal do desempenho deste gerador, mostrada na Fig. 7, com máximos durante os meses de verão e mínimos durante os meses mais frios de inverno, é o inverso ao observado tipicamente para geradores fotovoltaicos que utilizam a tecnologia mais tradicional, do silício cristalino (c-Si), cujo desempenho é superior nos meses de inverno. Este efeito inverso, observado na tecnologia de filmes finos de a-Si, pode ser explicado por dois fatores que se somam: o conteúdo espectral da radiação solar nos meses de verão é deslocado para comprimentos de onda menores (composição espectral mais azul), que é mais próximo da resposta espectral dos dispositivos de a-Si e, também, as temperaturas mais elevadas do verão, que causam recozimento parcial do SWE dos filmes finos de a-Si, restaurando parcialmente o seu desempenho (King, D. L. et al, 2000).

Figura 7 - Potência c.c. normalizada e temperatura dos módulos, para o período de 1997 a 2011. 4. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou os resultados de 14 anos de operação ininterrupta, do primeiro gerador fotovoltaico com módulos de a-Si, conectado à rede elétrica e integrado a uma edificação no Brasil.

Considerando a confiabilidade e o desempenho apresentados, até a falha de dois inversores após 11 anos de operação (1997 a 2008), a estratégia inicial do projeto, com quatro inversores em vez de um único inversor com potência de 2.000 W, poderia ser considerada desnecessária uma vez que os quatro inversores operaram de forma eficiente, demonstrando um alto grau de confiabilidade e robustez.

O sistema atualmente apresenta Taxa de Desempenho (PR) marginalmente abaixo de 80%, indicando excelente desempenho do sistema fotovoltaico.

As Taxas de Desempenho anuais apresentadas confirmam resultados anteriores e demonstram que a tecnologia de a-Si é bem adequada para instalações integradas a edificações no ambiente urbano e em locais de clima quente. Como os módulos fotovoltaicos foram apenas lavados pela chuva, os efeitos da poeira e sujeira na superfície dos módulos, bem como das variações da temperatura ambiente e dos módulos, estão contribuindo para os resultados apresentados.

Ressaltam-se os resultados relativos ao efeito Staebler-Wronski, decréscimo de potência no primeiro ano de operação, e à recuperação parcial, que se refletem na variação sazonal da potência c.c. da tecnologia a-Si.

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Temperatura do módulo fotovoltaico (°C)

Potência norm

alizada  %

              

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Potência normalizada

Temperatura do módulo fotovoltaico

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Agradecimentos Os autores agradecem à Fundação Alexander von Humboldt (Alemanha) e ao CNPq pelo apoio financeiro concedido para a realização deste projeto. REFERÊNCIAS Burger, B. e Rüther, R., 2006. Inverter sizing of grid-connected photovoltaic systems in the light of local solar

resource distribution characteristics and temperature. Solar Energy 80 (1), pp. 32-45. Cereghetti, N., Chianese D.,Rezzonico S. e Travaglini G., 2000. Behaviour of triple junction a-si modules: 16th

European PV, Solar Energy Conference. Glasgow (UK). King, D. L., Kratochvil J. A. e Boyson W. E., 2000. Stabilization and performance characteristics of commercial

amorphous silicon PV modules. In: Photovoltaic Specialists Conference,. Conference Record of the Twenty Eighth IEEE. Anais, .v.p. 1446-1449..

Rüther, R., 1998. Experiences and operational results of the first grid-connected, building-integrated, thin-film photovoltaic installation in Brazil. WCPEC2 - 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria.

Rüther, R. e Dacoregio, M., 2000. Performance Assessment of a 2 kWp Grid-connected, Building-integrated, Amorphous Silicon Photovoltaic Installation in Brazil. Prog. Photovolt. Res. Appl. (8), pp. 257 - 266.

Rüther R., Beyer. H.G., Montenegro A.A., Dacoregio M.M., Salamoni I.T. e Knob P. 2004. Performance Results of the First Grid Connected Thin Film PV Installation in Brazil - High Performance Ratios Over Six Years of Continuous Operation. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference. Paris, França.

Rüther, R. e Livingstone, J., 1994. Seasonal variations in amorphous silicon solar module outputs and thin film characteristics. Solar Energy Materials and Solar Cells 36 (1), pp. 29-43.

Rüther, R. e Livingstone, J., 1995. Seasonal variations in amorphous silicon solar module outputs and thin film characteristics. Solar Energy Materials and Solar Cells 36 (1), pp. 29-43.

Rüther, R.; Montenegro, A., et al. 2003. Performance test of amorphous silicon modules in different climates: higher minimum operating temperatures lead to higher performance levels. In: 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, Japao: IEEE, p. 875-878.

Staebler, D. L. e Wronski, C. R., 1997. Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si. Applied Physics Letters 31 (4), pp. 292-294.

2 kWp BUILDING-INTEGRATED PHOTOVOLTAIC GENERATOR: PERFORMANCE ANALYSIS OF

14 YEARS OF CONTINUOUS OPERATION Abstract. The first grid-connected, building-integrated, thin-film solar photovoltaic generator was installed in Brazil in 1997 and has been continuously operating ever since. The 2kWp double-junction, same bandgap, glass-glass thin-film amorphous silicon (a-Si) modules were installed as an overhang on the North-facing façade of the Solar Energy Laboratory at Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) in Florianopolis – South Brazil, facing true-North at latitude tilt (27o). In this work we present some of the performance parameters over these 14 years of continuous operation, based on high-resolution operational data including AC and DC electrical parameters, temperature (ambient and back-of-module) and irradiance (horizontal and plane-of-array) measurements. Performance ratios (PR) and annual energy yields, as well as normalized power output data are presented, with the generator currently operating at a PR around 80%, and an average annual energy yield1158 kWh/kWp for an average 1550 kWh/m2/year irradiation level at the site. Key words: Photovoltaic Solar Energy, a-Si Thin Film, PV Energy Performance