DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DE PREVISÃO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Bom dia a todos os presentes, nomeadamente aos elementos do júri com especial agradecimento ao Professor Victor Mendes. Estou aqui presente para defender o trabalho realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, com o tema: DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DE PREVISÃO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Ricardo Nuno Freitas Neves 020503035 Dissertação 2009/2010

Sumário Motivação Objectivos Dissertação 2009/2010 Sumário a Motivação Objectivos Situação Fotovoltaica em Portugal Continental Estrutura do Modelo Resultados Conclusões Começarei por demonstrar a estrutura desta apresentação: Primeiro será explicada a motivação para este trabalho, como surgiu e quais as principais ideias associadas, que nos conduziram à definição dos objectivos que nos propusemos atingir com a mesma. Tendo em conta o objectivo principal da tese, foi necessário proceder a uma caracterização da situação FV em Portugal Continental, identificando as diferenças das características mecânicas e eléctricas em cada instalação e consequentemente a diferença de “tratamento” que exigirão. No ponto quatro entrarei no principal objectivo da tese onde vou descrever a estrutura do modelo desenvolvido. Por fim, nos últimos dois pontos serão apresentados os resultados para casos de teste e as conclusões obtidas.

1. Motivação Sistemas de Previsão de Produção Fotovoltaica Dissertação 2009/2010 1. Motivação a Sistemas de Previsão de Produção Fotovoltaica Necessidade de Fornecer Previsões Dependentes das Características da Central Crescente Integração de Energia Solar Impactos na Rede Eléctrica Existem actualmente metodologias de previsão, maduras e completamente implementadas, associadas à energia eólica. No entanto, quer na energia hídrica e, nomeadamente, no que diz respeito à energia solar não existem metodologias de curto prazo implementadas. Este facto deve-se a: Diferenças entre as características de cada central, quer mecânicas (SISTEMA de SEGUIMENTO), quer eléctricas associadas e vão afectar à produção das respectivas centrais. Mas também ao facto de a produção das centrais depender essencialmente da irradiância directa incidente sobre a instalação. No entanto, os valores de previsão obtidos são valores de irradiância global, tornando-se necessário desenvolver modelos de desagregação destes valores nas suas componentes directa e difusa. Verifica-se um crescente investimento na energia solar. Este deve-se à disponibilidade do seu recurso primário, á maturidade da tecnologia a utilizar, mas também devido aos regimes tarifários criados, nomeadamente no caso da microgeração. Uma elevada integração na rede eléctrica causa um conjunto de impactos, quer a nível de gestão da mesma, em que têm que se alterar a sua filosofia de exploração (Protecções, Trânsitos de Potência) , quer a nível dos mercados de electricidade devido á sua variabilidade e volatilidade. A obtenção de resultados fiáveis através destas ferramentas permitirá uma implementação mais robusta e eficaz das centrais fotovoltaicas no planeamento de pré-despacho e despacho dos sistemas eléctricos de energia, assim como possibilitará um tratamento mais eficaz de situações de congestionamentos e de necessidades de manutenção dos respectivos parques.

Dissertação 2009/2010 2. Objectivos a Desenvolver um Modelo de Previsão de Produção de Energia Solar Fotovoltaica. Resolver problema da desagregação das previsões meteorológicas globais em directa e difusa; Simulação de produção para diferentes características da central; Ajuste da simulação de produção aos valores reais de produção. Desenvolver … no qual se procura Resolver…

Caracterização da Situação Fotovoltaica em Portugal Continental Dissertação 2009/2010 a Caracterização da Situação Fotovoltaica em Portugal Continental Tendo em conta o objectivo principal da tese e a sua aplicação nas diversas centrais existentes em Portugal foi necessário fazer uma caracterização da situação FV em Portugal Continental, identificando localizações e características eléctricas e mecânicas de cada central para posterior aplicação no modelo desenvolvido.

3. Caracterização a Centrais Actuais (Potência Instalada > 40 kWp) Dissertação 2009/2010 3. Caracterização a Figura 1 Figura 2 Através da pesquisa feita no decurso da tese, dos contactos estabelecidos com os responsáveis das grandes centrais, foi possível fazer uma caracterização do panorama fotovoltaico em Portugal Continental. Como é possível constatar, na Figura 1, a grande maioria das centrais fotovoltaicas estão instaladas na região centro e sul do país, essencialmente devido a serem zonas com maiores índices de radiação solar e como tal atraem o investimento e a exploração deste tipo de centrais. As zonas consideradas apresentam também espaços amplos, com desníveis de terrenos reduzidos o que facilita a implementação das centrais. Na Figura 2, é apresentando uma ampliação de parte da zona centro e da zona sul, onde se encontram as principais centrais FV instaladas em Portugal Continental, Moura e Serpa. O valor total de potência instalada é de 100490 kWp. Não foram marcadas as instalações de microgeração, tendo em conta a dificuldade de obter todas as suas localizações e características eléctricas e mecânicas. Centrais Actuais (Potência Instalada > 40 kWp)

3. Caracterização a Futuras Centrais (Potência Instalada > 40 kWp) Dissertação 2009/2010 3. Caracterização a Figura 1 Futuras Centrais (Potência Instalada > 40 kWp) Através da pesquisa feita no decurso da tese, dos contactos estabelecidos com os responsáveis das grandes centrais, foi possível fazer uma caracterização do panorama fotovoltaico em Portugal Continental. Na Figura 1, são apresentadas as centrais FV licenciadas e/ou em construção em Portugal Continental, verificando-se uma predominância da zona centro e sul também. O valor total de potência instalada correspondente a estas centrais é de 17493,6 kWp.

3. Caracterização a Figura 2 Figura 1 Figura 3 Figura 4 Dissertação 2009/2010 3. Caracterização Figura 2 Figura 1 a Figura 3 Figura 4 É possível verificar um crescimento da potência instalada a nível nacional a partir do ano de 2006 até à actualidade. Em função do modelo que se pretende desenvolver, foi necessário identificar características eléctricas das centrais existentes. Dessa forma foi feito o levantamento da tecnologia empregue nos painéis utilizados nas centrais, verificando-se um domínio das tecnologias de 1ª geração, silício (monocristalino, policristalino e amorfo). Por outro lado, e tendo em conta que se pretende que a metodologia desenvolvida tenha em consideração as características mecânicas das centrais, foi, também, feito o levantamento do tipo de sistema mecânico de seguimento utilizado. Verificou-se uma predominância dos sistemas fixos e de 1 eixo, quer horizontal, quer vertical, que serão posteriormente explicados. A escolha do tipo de painel e do tipo de sistema mecânico de seguimento está relacionada com os objectivos a que a central se proponha, disponibilidade financeira/orçamento do projecto, localização e níveis de eficiência pretendidos. Analisando os resultados obtidos, é facilmente perceptível, e destacou-se com cor laranja, o maior peso na potência FV instalada nacional de quatro distritos, Beja, Setúbal, Évora e Lisboa. Relativamente aos valores de microgeração, em 2008, foi instalada uma potência de, aproximadamente, 10.243,85 kWp e em 2009, uma potência instalada de 5.798,8 kWp. O modelo desenvolvido também pode ser aplicado a este tipo de instalações.

Modelo Desenvolvido a Dissertação 2009/2010 Entraremos em seguida na apresentação da estrutura do modelo desenvolvido na dissertação.

4. Estrutura do Modelo a ho hg_hor hb_hor hd_hor hb_inc Tamb Pprev Dissertação 2009/2010 4. Estrutura do Modelo a FASE 1 Irradiância Extraterrestre ho – Irradiância Extraterrestre [W/m2] NN – Rede Neuronal hg_hor – Irradiância Global Plano Horizontal [W/m2] hb_hor – Irradiância Directa Plano Horizontal [W/m2] hd_hor – Irradiância Difusa Plano Horizontal [W/m2] hb_inc – Irradiância Global Plano Painel [W/m2] Tamb – Temperatura Ambiente [ºC} Pprev – Potência Prevista [W] Pprev_NN3 – Potência Prevista output de NN3 [W] ho FASE 2 Desagregação Irradiância Directa e Difusa NN1 NN2 hg_hor hb_hor hd_hor FASE 3 Irradiância total Plano Painel hb_inc FASE 4 Simulação Produção Tamb Pprev A estrutura do Modelo pode ser representada pelo seguinte diagrama. Este encontra-se dividido basicamente em 5 fases: A entrada de dados, ou seja dados necessários para o modelo funcionar, são as variáveis meteorológicas, ou NWP – Numerical weather prediction (uma vez que são obtidas através de modelos numéricos de previsão) e as características das centrais. Fase 1 – Cálculo analítico da irradiância extraterrestre para o local de cada instalação. Fase 2 – Criar NN1 e NN2 a partir de dados históricos de irradiância global, directa e difusa para o plano horizontal e de h0. Aplicar às previsões NWP de irradiância global para o plano horizontal para o local da instalação às duas redes e fazer desagregação da previsão de irradiância global em directa e difusa. Fase 3 – Calcular hb_inc, em função do tipo de sistema mecânico de seguimento adoptado em cada central. Calcular ht_inc através da soma de hb_inc com a hd_hor (output de NN2). Fase 4 – Calcular a previsão de potência produzida em cada instante considerado, tendo em atenção as características das centrais (tipo de painel, área e rendimento geral de 80% para a central) e as previsões NWP de temperatura ambiente que influência no rendimento do painel. Fase 5 – Ajuste da previsão de potência através de NN3, criada e treinada a partir de dados históricos de produção das centrais. FASE 5 Previsão Produção Ajustada NN3 Pprev_NN3

Fase 1 – Irradiância Extraterrestre Dissertação 2009/2010 Fase 1 – Irradiância Extraterrestre a Calcular a irradiância extraterrestre, para o plano horizontal, relativamente ao local definido para a instalação, segundo: Figura 1 Figura 2 Nesta etapa é necessário calcular o valor da irradiância extraterrestre (W/m2), para os mesmos pontos temporais das séries de previsões NWP. É calculado por processos analíticos, segundo a equação apresentada. Esta variável pode ser calculada para qualquer dia do ano e corresponde ao valor máximo de irradiância incidente em qualquer localização pretendida. É calculada para dias de céu limpo, não tendo em conta as variações associadas a fenómenos de nebulosidade existente e que provocam decréscimos na irradiância captada pelos painéis como se pode verificar pela Figura 1 onde se ilustra um dia de irradiância extraterrestre calculada e para o mesmo período a irradiância global medida. Verifica-se variações na irradiância global associadas a diversos factores. Usar h0, deve-se ao facto de este funcionar como valor de referência, na medida em que varia em função da hora do dia, dia do ano e localização (latitude) do local para onde se pretende fazer a previsão de produção para curto prazo.

Fase 2 – Desagregação Irradiância Global Dissertação 2009/2010 Fase 2 – Desagregação Irradiância Global a Criar rede neuronal 1 (NN1) e rede neuronal 2 (NN2); Desagregar a previsão da irradiância global horizontal nas suas componentes, directa e difusa através da NN1 e NN2, respectivamente; Previsão Meteorológica hg_hor Cálculo analítico ho ho – Irradiância Extraterrestre [W/m2] NN – Rede Neuronal hg_hor – Irradiância Global Plano Horizontal [W/m2] hb_hor – Irradiância Directa Plano Horizontal [W/m2] hd_hor – Irradiância Difusa Plano Horizontal [W/m2] NN1 NN2 NN1 - cujo treino é feito utilizando como input as séries de dados históricos de hg_hor para as localizações pretendidas e séries de h0 e que apresentaria como target as séries de dados históricos de hb_hor para o mesmo período. NN2 - utilizaria como input dados históricos de hg_hor e h0 e como target hd_hor para o mesmo período. Verificação dos resultados da desagregação posteriormente. hb_hor hd_hor Irradiância Directa Irradiância Difusa

Fase 3 – Irradiância Directa Plano Painel Dissertação 2009/2010 Fase 3 – Irradiância Directa Plano Painel a Calcular irradiância directa para o plano do painel, em função do tipo de sistema mecânico de seguimento adoptado. Irradiância Directa Irradiância Difusa hb_hor hd_hor hb_fixo hb_1eixo_hor hb_1eixo_vert hb_2eixos hb_hor – Irradiância Directa Plano Horizontal [W/m2] hd_hor – Irradiância Difusa Plano Horizontal [W/m2] hb_inc – Irradiância Global Plano Painel [W/m2] ht_inc – irradiância Total Plano Painel [W/m2] hb_inc Tendo em conta o carácter aleatório e disperso da irradiância difusa, associada a reflexões e refracções em todas as superfícies existentes (desde nuvens a objectos) e que proporcionem estes contactos/fenómenos, decidiu-se que o seu valor para as diferentes disposições possíveis dos sistemas fotovoltaicos se manteria. As instalações solares fotovoltaicas existentes apresentam disposições variadas e podem ou não apresentar sistemas mecânicos de seguimento. No âmbito da tese foram apenas considerados 4 tipos de sistemas. ht_inc Irradiância Total Plano Painel

Tipo Sistema Mecânico Seguimento Dissertação 2009/2010 Fase 3 – Irradiância Directa Plano Painel a Tipo Sistema Mecânico Seguimento Descrição Fixo Orientação (at) e inclinação fixa (gt) 1 Eixo Horizontal, Seguimento Zenital Inclinação definida em função da elevação solar (gs) e orientação fixa 1 Eixo Vertical, Seguimento Azimutal Inclinação fixa e orientação definida em função do azimute solar (as) 2 Eixos Inclinação e orientação variável Fixas com definida, sem sistema seguimento, orientadas para sul; Móveis com sistema de seguimento de um eixo horizontal, orientadas para sul; Móveis com sistema de seguimento de um eixo vertical; Móveis com sistema de seguimento de dois eixos. A base da formulação para se proceder ao cálculo de hb_inc apresenta-se na equação que pode ser visto no topo do slide. Esta depende do ângulo entre o vector normal ao plano do painel e o vector que define a linha imaginária entre o painel e o sol, ângulo de incidência solar. E também do ângulo de elevação solar, ou seja, o ângulo descrito entre o plano horizontal e a linha imaginária entre o painel e o sol. A razão entre hb_hor e o seno da elevação solar permite recalcular o valor da irradiância directa horizontal para a irradiância directa na perpendicular face ao plano horizontal. De seguida, a multiplicação do valor resultante pelo co-seno do ângulo de incidência solar permite recalcular novamente esse valor, mas agora para a inclinação e orientação do painel.

Fase 4 – Previsão de Potência Produzida Dissertação 2009/2010 Fase 4 – Previsão de Potência Produzida a Calcular previsão de produção da central, função das suas características e da variável NWP (temperatura ambiente). Irradiância Total Plano Painel ht_inc Efeito Temperatura Dados Centrais Tamb Acentral ηcentral TC Acentral – Área Ocupada pelos Painéis ht_inc – Irradiância Total no Plano do Painel Pprev – Potência Prevista [W] η – Rendimento Tamb – Temperatura Ambiente TC – Temperatura da Célula De modo a simular a produção energética nas instalações fotovoltaicas em estudo, é possível recorrer ao processo indicado na primeira equação do Slide. Esta depende das características das centrais, área ocupada pelos painéis, rendimento da central, e rendimento do painel, afectado da temperatura ambiente. Esta correcção é feita segundo a segunda e terceira equação do Slide. Depende também da irradiância total obtida no final da Fase 3. O rendimento é maior quanto menor for a temperatura ambiente e logo menor a TC. η (TC) Pprev Simulação de Potência

Fase 5 – Previsão de Potência Ajustada Dissertação 2009/2010 Fase 5 – Previsão de Potência Ajustada a Proceder ao ajuste da previsão de produção da central, recorrendo à rede neuronal 3 (NN3). Simulação de Potência Pprev NN3 Velocidade do Vento Desempenho do Parque Ajuste Pprev – Potência Prevista [W] Pprev_NN3 – Potência Prevista Ajustada pela NN3 [W] NN – Rede Neuronal Ajuste da previsão de potência através de NN3, criada e treinada a partir de dados históricos de produção das centrais. Pprev_NN3 Previsão de Potência

Resultados do Modelo a Dissertação 2009/2010 Com o objectivo de validar o modelo desenvolvido apresenta-se em seguida alguns dos resultados obtidos

Dissertação 2009/2010 5. Resultados a Desagregação da irradiância global, no plano horizontal, nas suas componentes directa e difusa, para 3 dias de teste. Figura 1 Figura 2 Figura 3 Partindo dos dados históricos de hg, hb e hd relativamente ao plano horizontal, da instalação situada a uma latitude semelhante (36,5º) à de Portugal Continental e com características similares. Calculando pelo processo descrito na Fase 1, o valor de h0 para o mesmo local, foi possível criar a NN1 e a NN2. O treino das redes foi feito com os dados entre Janeiro e Novembro e o teste, apresentado nas figuras, é relativo ao mês de Dezembro. Apresenta-se neste caso o resultado obtido para três dias. É possível comparar os resultados obtidos com as redes neuronais com os valores reais medidos. Como se observa, os resultados foram muito satisfatórios. Existem, naturalmente, pequenos desvios relativamente aos dados reais medidos, no entanto, os resultados obtidos estão muito próximos dos mesmos. Na figura 3, compara-se a irradiância global medida com a soma das previsões de saída da NN1 e NN2. O resultado obtido é muito satisfatório. Comprova-se assim que a metodologia proposta para desagregar a irradiância global horizontal nas suas componentes directa e difusa, é válida. Os resultados não foram só verificados para 3 dias, mas sim para todo o mês de Dezembro como se pode visualizar de seguida.

Dissertação 2009/2010 5. Resultados a Desagregação da irradiância global, no plano horizontal, nas suas componentes directa e difusa, para 1 mês de teste. Figura 1 Figura 2 Figura 3 É possível verificar que a desagregação da irradiância global nas duas componentes é possível, resolvendo-se dessa forma um dos objectivos definidos para a tese e também um dos problemas relativos à formulação de modelos de previsão de energia solar. Após a desagregação com sucesso da previsão de irradiância global horizontal em directa e difusa para qualquer localização de instalações fotovoltaicas em Portugal Continental, entramos na fase três da tese. Tendo em conta o tipo de sistema de seguimento utilizado nas centrais fotovoltaicas, aplicaremos às séries desagregadas de irradiância, as formulações descritas a partir da etapa 3 do capítulo 4.

5. Resultados a Fase 2 a 4 - 3 dias de Janeiro (Central Moura) Dissertação 2009/2010 5. Resultados a Fase 2 a 4 - 3 dias de Janeiro (Central Moura) Figura 1 Figura 2 Figura 3 A central de Moura foi utilizada para testar o modelo. A central apresenta um sistema de seguimento mecânico de 1 eixo vertical ou azimutal, ou seja, segue a posição do sol ao longo do dia, com uma inclinação fixa de 45º. Figura 1 – É possível verificar o diferente comportamento da rede, mediante os valores de previsão de irradiância global e de h0 de entrada. Os três dias analisados apresentam comportamentos de hb e hd diferentes. Figura 2 – Mostra a diferença da previsão de irradiância captada entre o plano inclinado e o plano do painel utilizado na central de Moura. Verifica-se um aumento significativo da irradiância captada, como seria de esperar, comparativamente com o plano horizontal. Figura 3 – Assim, o valor da potência produzida em cada instante será também muito superior à que seria produzida caso a instalação não tivesse sistema de seguimento e tivesse inclinação 0º.

Características das Centrais Dissertação 2009/2010 5. Resultados a Caracterização das 4 centrais de estudo Características das Centrais Moura MARL Serpa Vila do Bispo Latitude 38º12’ 38º51’ 38º01’ 37º05’ Longitude 7º13’ 9º06’ 7º37’ 8º54’ Potência Instalada [kWp] 46.410 6.060 11.016 40 Número de Painéis 262.080 27.768 50.074 224 Eficiência do Painel [%] 13,90 12,64 17,68 13,75 NOCT 46 47 Sistema de Seguimento 1 Eixo Vertical Fixo 1 Eixo Horizontal 2 Eixos Área da Superfície dos Painéis [m2] 337.297 46.414 62.296 326 Diferenças da potência instalada exigiram uma normalização dos resultados de forma a ser possível comparar as produções das centrais. A escolha deveu-se aos diferentes tipos de sistemas de seguimento, tipo de painel e área ocupada pelos mesmo.

Dissertação 2009/2010 5. Resultados a Comparação da Produção das 4 centrais de estudo – 3 dias Figura 2 Figura 1 Mediante diferentes previsões de irradiância global, vão ser obtidos diferentes valores de previsão de produção como seria de esperar. Comparando o 2º dia, tendo em conta que apresenta características similares nas 4 centrais, é possível verificar as diferenças de captação, mediante o sistema mecânico de seguimento implementado. A central de Vila do Bispo, considerado para efeitos de tese como um sistema de 2 eixos apenas, é o que apresenta maior captação. Seguem-se as centrais com 1 eixo e por fim a com orientação e inclinação constante (MARL). Entre as duas centrais com sistema de um eixo verifica-se que a central com eixo vertical apresenta maiores valores de previsão de produção, normalizada, ao longo da maioria das horas do dia, uma vez que a sua orientação segue o azimute solar. No entanto, no valor máximo, devido ao valor de inclinação fixo definido para esta central, a sua produção normalizada [W/Wp] é inferior à central de um eixo horizontal, uma vez que altera a sua inclinação em função da elevação solar, maximizando a captação de irradiância solar nestes períodos, e consequentemente, a produção. Não foram obtidos dados de previsões para meses de Verão, mas seria de pressupor nestes casos, que as diferenças de captação entre os diferentes sistemas fossem maiores, mantendo no entanto a mesma ordem hierárquica de produção dos meses de Inverno.

Dissertação 2009/2010 a Conclusões

Dissertação 2009/2010 6. Conclusões a Resolveu-se o problema da desagregação das previsões meteorológicas globais em directa e difusa (falta testar em vários pontos de Portugal Continental); Simulação de produção para diferentes características da central (não foram testados todos os tipos de sistemas de seguimento existentes); Ajuste da simulação de produção aos valores reais de produção.

Dissertação 2009/2010 Obrigado pela atenção.