ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE

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




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




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.

http://www.maxienergiasolar.com.br/

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

http://www.navitas.eng.br/

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.

http://www.datexel.com/

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



5e UTP, STP Dados, 100 MHz, 1 Gbps

6 UTP, STP Dados, 200 MHz, 10 Gbps

7 STP Dados, 600 MHz


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


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


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


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'),


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


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


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


50

Figura 28- Interface de energia gerada


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

REFERÊNCIAS

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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


Figura 32- Desenho painel dos equipamentos


Documents

ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE