Este trabalho caracteriza a Geração Distribuída de eletricidade, no Brasil, por meio de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR), a partir de aspectos técnicos, econômicos e regulatórios. O país possui, atualmente, 35 SFCR em operação, totalizando uma potência instalada de 161,32 kWp. A maior parte dessa potência se encontra nas Regiões Sul e Sudeste e foi implementada por universidades, centros de pesquisa e concessionárias de energia elétrica, com uma pequena participação da iniciativa privada. Foi calculado o custo de geração, a partir da energia solar, utilizando-se SFCR, para dezesseis localidades estrategicamente selecionadas. Esse valor varia em função da maior ou menor disponibilidade do recurso solar e da taxa de desconto adotada, tendo sido encontrado o valor médio de US$ 0,56 /kWh, cerca de 2,1 vezes maior que a tarifa residencial média nas mesmas cidades. Argumentando-se que a tarifa convencional tende a crescer nos próximos anos, pressionada pelo descompasso entre oferta e demanda, e que o custo de geração fotovoltaico tende a diminuir, no mesmo período, devido a ganhos de produtividade no processo de fabricação de componentes fotovoltaicos, elaborou-se um modelo matemático para prever o momento em que esses dois indicadores equiparar-se-ão. Verificou-se que o tempo médio de equiparação será de 7 anos, podendo ser menor que 5,0 anos em localidades onde a tarifa é mais cara que a média nacional e a irradiação média anual é superior à verificada no restante do país. Por fim, o trabalho analisa o enquadramento que a legislação faz dos geradores fotovoltaicos interligados à rede pública de distribuição, apontando os pontos favoráveis e os entraves legais à disseminação dos SFCR. / This work characterizes the Distributed Generation of electricity from Grid-Connected Photovoltaic Systems (GCPS) in Brazil, according to technical, economic and regulatory aspects. The country currently has 35 GCPS in operation, totaling an installed power of 161.32 kWp. Most of this power is in the South and Southeast and has been implemented by universities, research centers and electric power utilities, with a small participation of private initiative. The solar energy generation cost from GCPS was calculated for sixteen strategically selected localities. This value varies varies according to the greater or minor availability of the solar resource and the adopted discounting rate. The average value found was 0.56 US$ /kWh, about 2,1 times bigger than the average residential tariff in the same cities. Arguing that the conventional tariff tends to grow in coming years, pressed by the imbalance between supply and demand, and that the cost of photovoltaic generation tends to decrease over the same period due to productivity gains in the manufacturing process of photovoltaic components, a mathematical model was developed to predict the time that these two indicators will be equal. It was found that the average time of equalization will be 7.0 years and may be less than 5.0 years in locations where the conventional energy is more expensive than the national average and average annual irradiation is higher than that in the rest of the country. Finally, this work presents how the Brazilian legislation deals with the photovoltaic generators connected to the public distribution network, showing the points for and legal obstacles to the dissemination of GCPS.

No Brasil, quando uma unidade consumidora (UC) sob regime de microgeração ou de minigeração distribuída tem parte ou a totalidade da sua demanda por potência ativa suprida pela planta geradora, mas sua demanda por potência reativa é atendida exclusivamente pela rede elétrica, verifica-se uma aparente deterioração do fator de potência dessa UC, sob a ótica da concessionária. Esse efeito decorre do fato de que o fator de potência, de acordo com a regulamentação vigente, é determinado apenas a partir das medições dos fluxos de potência ativa e reativa trocados entre a UC e a rede elétrica e não também entre a planta geradora e UC. Para consumidores do Grupo A (tensão de fornecimento igual ou superior a 2,3 kV) nessa situação, de acordo com o perfil da carga, pode haver cobrança por excedentes de reativos, constituindo-se assim uma barreira. Especificamente no caso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, existe a possibilidade de se utilizar os próprios inversores c.c.-c.a para suprir a demanda de reativos da UC e, dessa forma, minimizar o problema apresentado. Com o objetivo de se avaliar essa alternativa no contexto brasileiro, tendo-se em vista condições reais de operação e os limites normativos de injeção de potência reativa para inversores de sistemas fotovoltaicos, foi realizado um estudo de caso de uma planta fotovoltaica instalada no telhado do prédio da Administração do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo. O estudo mostrou que a compensação realizada por meio do inversor selecionado evitou a cobrança de excedentes de reativos sem afetar de forma significativa a produtividade do sistema fotovoltaico. Do ponto de vista elétrico, verificou-se que a injeção de reativos pelo inversor não provocou variações significativas de tensão no ponto de acoplamento ou no alimentador e, ainda, se verificou considerável liberação de capacidade do sistema supridor da concessionária. Dessa forma, a análise dos resultados indica uma tendência a se considerar a compensação de reativos proporcionada pelo próprio inversor a opção mais viável para se lidar com os excedentes de reativos, comparativamente a métodos convencionais de compensação ou à situação em que nenhuma ação compensatória seja implementada. / In Brazil, when a consumer unit (CU) under a distributed microgeneration or minigeneration scheme has part or all of its demand for active power supplied by the generating plant, but its demand for reactive power is served exclusively by the grid, the power factor of this CU appears deteriorated, from the perspective of the utility. This effect is due to the fact the power factor, according to the current regulations, is determined only from measurements of the flows of active and reactive power exchanged between the UC and the grid and not also between the generating plant and UC. Users of group A (supply voltage equal to or greater than 2.3 kV) in this situation, according to the CU load profile, may be charged due the reactive power excess, thus constituting a barrier. Specifically in the case of grid-connected photovoltaic systems, there is the possibility of using the d.c.- a.c. inverters to suply the CU reactive power demand and, thus, minimizing the presented problem. In order to evaluate this alternative in the Brazilian context, keeping in view real operating conditions and regulatory limits for the reactive power injection for photovoltaic inverters, we conducted a case study with a photovoltaic plant installed on the roof of the University of São Paulo Institute for Energy and Environment administration building. The study showed that the compensation performed by the selected inverter prevented the reactive power excess charging without affecting significantly the photovoltaic system productivity. From an electrical point of view, it was found that the injection of reactive power by the inverter did not cause significant voltage variations at the coupling point or at the transformer and, additionally, there was a significant release in the utility suply system capacity. Thus, the analysis results indicates a tendency to consider the compensation provided by the inverter itself the most viable option for dealing with the surplus of reactive power compared to conventional compensation methods or to the situation in which no compensatory action is implemented.

Este trabalho apresenta o processo de ampliação da infraestrutura laboratorial de minirredes e sistemas híbridos do Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo, (LSF-IEE/USP). O trabalho também contempla uma revisão do estado da arte de sistemas híbridos e minirredes, apresentando principalmente os aspectos técnicos, como formas de acoplamento, e interações com a rede elétrica de distribuição. Descrevem-se os sistemas híbridos presentes no LSF e a infraestrutura para sua interconexão. Posteriormente são realizados os processos de comissionamento e testes operacionais da interconexão dos sistemas híbridos entre si e com a rede elétrica. Ao final é proposto um curso de aperfeiçoamento em minirredes e sistemas híbridos utilizando a infraestrutura presente no LSF. / This work presents the expansion of the micro-grid and hybrid systems infrastructure at the Laboratory of Photovoltaic Systems of the Institute of Energy and Environment at the University of São Paulo (LSF-IEE / USP). The work also presents a review of the state of the art of hybrid systems and micro-grid, presenting mainly the technical aspects, such as types of system interconnections and interactions with the main grid. The hybrid systems existent in the LSF, as well as the infrastructure for their interconnection are described. Subsequently, the commissioning process and the operational tests with the interconnection of the hybrid systems with each other and with the main grid are performed. At the end, a capacity building course on micro-grids and hybrid systems using the existent infrastructure in the LSF is proposed.

Este trabalho buscou entender a situação da atividade de fabricação de módulos fotovoltaicos no Brasil com o objetivo de avaliar a possibilidade de estimular a indústria nacional e o uso dessa fonte alternativa mais acentuadamente. Para tanto, foi necessário analisar os benefícios energéticos e econômicos da cadeia de produção, além de entender o estado da arte atual de todo o processo. É um ramo industrial que está sendo implantado no Brasil e este estudo teve como objetivo obter informações relevantes dos problemas e facilidades que os empreendedores enfrentam, e quais são os custos e benefícios à sociedade em geral, inclusive para obtenção dos sistemas fotovoltaicos pelo consumidor final. O trabalho contém uma avaliação do estado da produção e utilização dos sistemas de energia solar fotovoltaica no mundo e o que ocorre no Brasil. Buscou-se conhecer as possíveis, e/ou mais relevantes, ações regulatórias e iniciativas da área privada para viabilizar este ramo industrial. São considerados os impactos da atividade em pauta, procurando mostrar as relações de custo-benefício em projetos de geração centralizada (Leilões de Energia de Reserva) e de geração distribuída. / This study aims to understand the status of the manufacturing activity of photovoltaic modules in Brazil to evaluate the possibility of stimulating the local production and its widespread use. It was necessary to evaluate the energetic and economic benefits of the production chain. In addition, the study focused the understanding of the current state of the art of the whole process. Photovoltaic solar energy is an industrial branch recently receiving impulse in Brazil. This study aims to obtain relevant information about the difficulties faced by the entrepreneurs and the benefits and costs to the society. The study assess the state of the production and use of solar PV systems in the world and what happens in Brazil. At this study, we sought to understand what are the possible, and/or more relevant, regulatory actions and private area initiatives to enable this industrial branch and its diffusion to the final consumers. The impacts of the related activity are considered, trying to show the cost-benefit relationship in centralized generation projects (Reserve Energy Auctions) and distributed generation.

Os inversores utilizados no sistema fotovoltaico conectados à rede (SFCR) devem apresentar uma forma de onda senoidal nos seus terminais de saída. Monitoram regularmente a qualidade de energia da rede elétrica aos quais estão conectados, de maneira a só gerarem energia se a rede estiver com tensão. Dependendo do inversor, da potência que ele está desenvolvendo em relação à sua potência nominal, da rede ao qual está conectado e das características da carga que ele alimentará, podem ser apresentadas distorções na rede de energia em relação à forma de onda senoidal pura, tanto a nível de tensão como a nível de corrente elétrica. Não é incomum os dispositivos que são conectados a redes apresentarem-se como geradores de harmônicos, principalmente os eletrônicos. Estas distorções, conhecidas na literatura como distorções harmônicas, afetam o desempenho dos inversores quando ligados a redes elétricas. Nestas redes, como pode haver distorções significativas. Os parâmetros elétricos que os inversores se baseiam para obter as características da rede a qual estão conectados,devido a estas distorções, podem fazer com que os mesmos se desconectem. O inversor também se desconectará automaticamente da rede ao perceber a ocorrência de variação acentuada da rede ou a falta dela; a esse sistema, dá-se a denominação antiilhamento. Portanto, é de bastante importância que se consiga reproduzir teoricamente o comportamento das cargas e das redes elétricas, nas quais os inversores serão conectados para que seja possível estudá-los quando interligados às diferentes cargas. Entretanto, devido ao inversor ser também um equipamento eletrônico baseado em fonte chaveada para “remontar” a onda senoidal, o mesmo também acaba introduzindo uma deformação tanto na tensão como na corrente da rede elétrica ao qual está conectado, e esta deformação é também significativa em SFCR de grande porte (instalação de geração fotovoltaica com grande número de inversores). Assim, este trabalho visa implementar a modelagem de cargas não lineares (degradadoras da qualidade de energia) para serem aplicadas em simulações de inversores de SFCR, com aplicação especial no parâmetro “cargas” do programa para computadores FVCONECT desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. / It is known that the inverters used in photovoltaic systems connected to mains power (SFCR), when connected to the power grid, should provide a sinusoidal waveform at its output terminals. The photovoltaic systems inverters regularly monitor the power grid quality they are connected to, so they generate power only if the grid of the Concessionaire or external power grid presents voltage. Depending on the inverter, on the power that it develops over the same rated power, on the power grid it is connected to and on the characteristics of the load that it also feeds, it is possible to occur certain distortions on the power grid compared to pure sine waveform, in terms of voltage or even in terms of electric current. The devices connected to grid commonly present themselves as harmonic generators. The loads cause large distortions in the power grid causing disorders occur both voltage and current in a distribution line or power circuit. These distortions, commented in the literature as harmonic distortions, greatly affect the inverters performance when connected to power grids. On these grids, as it is possible to identify significant distortions, the parameters for pairing the power grid, in which the inverters are based, can turn them into disconnection. The inverter automatically disconnects from the grid if for some reason the grid stops powering the power grid - such system is called anti-islanding. Therefore, it is important to theoretically reproduce the behavior of power grids which the inverters are connected to, in order to study them. However, due to the fact that the inverter is also a switched source-based electronic equipment to "reassemble" the sine wave, it provides a deformation not only on the voltage but also on the power grid current which it is connected to, being this deformation also significant in large SFCR (photovoltaic generation facility with large numbers of inverters). In this sense, the present work aims to implement the modeling of nonlinear loads (which can degrade the power quality) in SFCR inverters simulations, based on the special application of loads parameters from the FVCONECT software, developed by the Solar Energy Laboratory, Federal University of Rio Grande do Sul.

Orientadora: Profa. Dra. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Coorientador: Prof. Dr. Ricardo da Silva Benedito / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, Santo André, 2017.

A geração de energia solar fotovoltaica tem crescido anualmente em utilização. Com o aumento dos custos de geração de energia elétrica, fontes renováveis de energia como essa crescem em interesse, até mesmo em aplicações residenciais de microgeração. Este trabalho apresenta o projeto, construção e ensaios de um rastreador solar autônomo, com controle e aquisição de dados de sensoriamento baseado em sistemas embarcados totalmente projetados e produzidos no país, com o objetivo de se aumentar o ganho de energia elétrica gerada a partir de painéis solares de mercado. O projeto do firmware de controle e os algoritmos utilizados foram adaptados continuamente até se atingir os melhores resultados. Foi utilizado um painel solar comum de mercado para realizar os testes, e as placas de circuito impresso projetadas foram confeccionadas localmente. A tomada de dados em diferentes ensaios mostrou que o rastreamento solar de fato aumentou o ganho de energia elétrica com um painel solar comum de mercado, mesmo com alguns problemas a serem corrigidos em uma próxima pesquisa. Assim, a pesquisa realizada confirmou o ganho de energia elétrica para o painel solar escolhido. / Photovoltaic solar generators have grown annually in use. With the increase in electricity generation costs, renewable sources of energy like that grow in interest, even in residential microgeneration applications. This work presents the design, construction and testing of a standalone solar tracker, with control and acquisition of sensors data based on embedded systems totally designed and produced in the country, aiming to increase the power generated from retail solar panels. The firmware design and used algorithms have been continuously adapted to achieve the best results. It was used a standard solar panel to perform the tests, and the designed printed circuit boards were manufactured locally. The data taken in different tests showed that the solar tracking actually increased the power generated with a standard solar panel, even with some problems in the design that have to be corrected in a future implementation. So the project was validated and can be used, including microgeneration in ordinary houses.

Nesta tese são discutidos alguns aspectos importantes no desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos moleculares. São abordados temas de interesse como a síntese de novos sensibilizadores para células solares sensibilizadas por corante, o desenvolvimento de novos materiais fotoativos, Química Supramolecular, bem como a aplicação de sistemas fotovoltaicos em eletrônica molecular, especificamente no desenvolvimento de portas lógicas moleculares e dispositivos de memória. A porfirina TBPyP, contendo quatro ligantes 2,2\'-bipiridina ligados covalentemente aos carbonos meso do anel porfirínico, foi sintetizada. Este derivado porfirínico serviu como bloco de construção de sistemas supramoleculares. A utilização desses sistemas como sensibilizadores em células solares (células de Grätzel) é discutido. Fios moleculares derivados da TBPyP foram obtidos via coordenação com íons de metais de transição e são investigados quanto à possibilidade de utilização em eletrônica molecular. Novos sistemas fotovoltaicos multicamada, utilizando filmes de porfirina depositados por evaporação a vácuo como elementos fotoativos e filmes de V2O5 como eletrodo passivo, foram estudados quanto a sua eficiência e quanto ao seu mecanismo de funcionamento. Os filmes finos de porfirina obtidos neste estudo foram testados como elelementos fotoativos em células fotovoltaicas com diferentes configurações, além daquelas utilizando filmes de V2O5. A obtenção de filmes híbridos compostos de nanopartículas de ouro e ligantes orgânicos foi desenvolvida e sua aplicação em sistemas fotovoltaicos bem como em dispositivos de memória investigada. Novas portas lógicas moleculares foram obtidas utilizando-se o arranjo de células de Grätzel convencionais sensibilizadas por clusteres trigonais de rutênio sintetizados para este fim. Seu princípio de funcionamento é discutido, bem como a seu potencial de integração em circuitos lógicos. / In this thesis some aspects concerning the development of molecular photovoltaic systems are discussed. Themes of current interest such as the synthesis of new sensitizers for dye-sensitized solar cells, the development of new photoactive materials, and Supramolecular Chemistry are treated, as well as the application of photovoltaic systems in molecular electronics, specifically in the development of molecular logic gates and memory devices. The porphyrin TBPyP, comprised of four 2,2\'-bipyridine ligands covalently linked to the porphyrin meso carbons, was synthesized. This porphyrin derivative was used as a building block on supramolecular systems. The utilization of these supramolecular species in solar cells (Grätzel cells) is discussed. The coordination of the porphyrin TBPyP with transition metal ions gave rise to molecular wires, which are investigated about its potential use in molecular electronics. New multilayer photovoltaic systems, using thermo-evaporated porphyrin films as photoactive elements and V2O5 films as passive electrodes, had their efficiency and mechanism studied. The confection of hybrid films comprised of gold nanoparticles and organic ligands was developed and its application in photovoltaic systems, as well as in memory devices, was investigated. New molecular logic gates were realized using the a Grätzel cell in its conventional configuration, sensitized by ruthenium trigonal clusters synthesized to this end.

Este trabalho apresenta abordagens para a avaliação do fenômeno da Degradação Induzida pelo Potencial (PID do inglês Potential Induced Degradation) em módulos e instalações fotovoltaicas de c-Si. Nos ensaios em laboratório, a IEC TS 62804-1:2015 foi aplicada e ações adicionais são sugeridas como forma de adaptação da especificação técnica para o acompanhamento da degradação durante o ensaio e para melhor indicar a propensão do equipamento a se recuperar das consequências da aparição de PID. Nos ensaios em campo, avaliou-se a solução convencional do mercado de reverter a degradação através de circuitos anti-PID, além de apresentar a aplicação de técnicas de detecção do fenômeno em sistemas operacionais. A abordagem teórica e os resultados práticos mostram que o procedimento de aferição de tensões individuais de operação é um método útil para detectar PID. Os estudos de caso apresentados indicam que esta metodologia é eficaz inclusive na detecção precoce do fenômeno para diferentes topologias de células fotovoltaicas de c-Si. / This work presents approaches to assess the Potential Induced Degradation (PID) on c-Si photovoltaic modules and installations. The IEC TS 62804-1:2015 was applied to the laboratory tests and some additional actions are suggested. The adaptation of the technical specification aims to monitor the degradation rates during the tests and also to consider the capacity of the photovoltaic modules to recover from the degradation. In the field detection methodologies are presented and anti-PID circuits were also tested. The theoretical approach reveals that individual voltage measurements are useful to detect PID even in its early stage, as can be seen on the case studies presented.

As tecnologias usualmente aplicadas no mercado fotovoltaico mundial são, em sua maioria, voltadas aos painéis rígidos de células de silício cristalino, em função da redução de seus preços proporcionada pela economia de escala. No entanto, a crescente demanda no País de novos domicílios, principalmente de apartamentos, tem exigido soluções mais apropriadas: com menor ocupação de área horizontal e instaladas na fachada dos edifícios. Nesse sentido vão surgindo tecnologias fotovoltaicas como as de filmes finos como soluções mais apropriadas do que as emergentes de terceira geração, pelo fato dessas últimas ainda se encontrarem em fase de maturação técnica com poucas opções de fornecimento no mercado em nível comercial. Portanto, a abordagem desta dissertação se limitou às tecnologias de filmes finos e de vidros fotovoltaicos semi transparentes, além daquela mais usual que é a de silício cristalino. Contudo, o dinamismo do mercado mundial vem estimulando uma evolução no fator de desempenho dessas tecnologias, o que justificou a necessidade de uma revisão bibliográfica. Além disso, a maioria dos projetos fotovoltaicos vem adotando como base os painéis rígidos com células de silício cristalino, sem, no entanto, avaliarem alternativas com a aplicação de outras tecnologias. O que se nota é a falta de conhecimento mais profundo dos projetistas sobre as tecnologias de filmes finos e das melhores opções para sua aplicação em um edifício, no que tange ao seu desempenho e seu comportamento dentro do espectro de frequência. Assim, esta dissertação teve por objetivo contribuir com uma análise de desempenho energético com base em simulações para tomada de decisão técnica sobre as tecnologias mais adequadas de célula fotovoltaica para sistemas a serem instalados em fachadas de edifícios, auxiliadas por uma ferramenta computacional existente no mercado, o PVSYST. A tomada de decisão foi vista pela perspectiva de desempenho na geração de energia elétrica, pela análise comparativa dos resultados de simulações aplicadas na fachada de um edifício hipotético em São Paulo. Os resultados mostraram que as tecnologias baseadas no silício cristalino são as mais adequadas nos casos em que o pico de demanda de energia no ano seja no verão, como nos edifícios comerciais. Já os sistemas compostos pelos filmes finos do grupo do seleneto de índio e cobre são os mais indicados para os edifícios residenciais, em que o período de maior demanda é no inverno. / Technologies commonly applied in the global photovoltaic market are mostly with the rigid panels of crystalline silicon cells, due to the reduction of their prices provided by economies of scale. However, growing demand in the country of new housing units, mainly apartments, has required more appropriated solutions: with lower occupancy of horizontal area and installed on the building\'s facade. In this direction photovoltaic technologies are emerging such as thin films as better solutions than the emerging technologies of third generation, because still they are in technical maturation phase with few options of suppliers in the commercial market. Therefore, the approach of this dissertation was limited to technologies of thin films and semitransparent photovoltaic glazing, in addition to the more usual one that is crystalline silicon. However, the dynamism of the global market has stimulated an evolution in the performance factor of these technologies, which justified the necessity of literature review. Furthermore, most PV projects have been based on the rigid panels with crystalline silicon cells, not considering the alternatives using other technologies. What is noticed is the lack of deeper understanding of the designers about the thin film technologies and the best options for their application in a building, in terms of their performance and their behavior within the frequency spectrum. Thus, this work aimed to contribute to an energy performance analysis based on simulations for technical decision on the most appropriate photovoltaic cell technologies for systems to be installed on the facades of buildings, aided by an existing software tool on the market, PVSYST. Decision making was seen from the perspective of performance in electricity generation, by comparative analysis of simulations results applied on the facade of a hypothetical building in São Paulo. The results showed that the technologies based on crystalline silicon are the most appropriate in cases where energy demand peak in the year is in the summer, as in commercial buildings. On the other hand, the systems composed of the thin films based on indium and copper selenium group are the most suitable for residential buildings, where the period of greatest demand is in the winter.