Sistema Híbrido de Energia Eólica e Solar Otimizado: Uma Solução de Design Completa para Aplicações Off-Grid
Introdução e Contexto
1.1 Desafios dos Sistemas de Geração de Energia de Fonte Única
Os sistemas tradicionais de geração de energia fotovoltaica (PV) ou eólica têm inerentes desvantagens. A geração de energia PV é afetada pelos ciclos diurnos e pelas condições meteorológicas, enquanto a geração de energia eólica depende de recursos de vento instáveis, resultando em flutuações significativas na produção de energia. Para garantir um fornecimento contínuo de energia, são necessários bancos de baterias de grande capacidade para armazenamento e equilíbrio de energia. No entanto, as baterias que passam por ciclos frequentes de carga e descarga tendem a permanecer em estado de subcarga por longos períodos sob condições operacionais rigorosas, resultando numa vida útil prática muito menor do que o valor teórico. Mais criticamente, o alto custo das baterias significa que o seu custo total ao longo da vida pode aproximar-se ou até exceder o custo dos módulos PV ou das turbinas eólicas em si. Portanto, estender a vida útil das baterias e reduzir os custos do sistema tornaram-se os principais desafios na otimização dos sistemas autónomos de energia.
1.2 Vantagens Significativas da Geração Híbrida Eólica-Solar
A tecnologia de geração híbrida eólica-solar supera eficazmente a intermitência das fontes de energia única, combinando organicamente a energia PV e eólica, duas fontes renováveis. A energia eólica e solar exibem uma complementariedade natural no tempo (dia/noite, estações): a forte luz solar durante o dia costuma coincidir com potencialmente fortes ventos à noite; a boa irradiação solar no verão pode combinar-se com abundantes recursos eólicos no inverno. Esta complementariedade permite:
Extensão significativa do tempo efetivo de carregamento das baterias, reduzindo o tempo que elas passam em estado de subcarga, prolongando substancialmente a vida útil das baterias.
Redução na capacidade de bateria necessária. Como a probabilidade de ambos, vento e sol, estarem indisponíveis simultaneamente é baixa, o sistema pode muitas vezes alimentar a carga diretamente, permitindo o uso de um banco de baterias de menor capacidade.
Estudos nacionais e internacionais confirmam que os sistemas híbridos eólico-solar superam os sistemas de geração de energia de fonte única tanto em confiabilidade de fornecimento de energia como em eficiência de custo ao longo da vida.
1.3 Deficiências dos Métodos de Design Atuais e a Proposta de Solução
O design atual do sistema enfrenta desafios. O software de simulação profissional de origem estrangeira é caro, e seus modelos centrais são frequentemente confidenciais, dificultando a adoção generalizada. Ao mesmo tempo, a maioria dos métodos de design simplificados é inadequada—ou eles se baseiam excessivamente em médias meteorológicas, ignorando detalhes, ou usam modelos lineares simplificados, levando a uma precisão limitada e aplicabilidade pobre.
Esta solução visa propor um conjunto de metodologias de design assistido por computador precisas e práticas para abordar as questões acima mencionadas.
II. Composição do Sistema e Modelos Técnicos Centrais
2.1 Arquitetura do Sistema
O sistema de geração de energia híbrida eólica-solar projetado nesta solução é um sistema completamente autónomo e off-grid, sem fontes de energia de backup como geradores a diesel. Os componentes centrais incluem:
Unidade de Geração de Energia: Geradores eólicos, arranjo de painéis PV.
Unidade de Armazenamento e Gestão de Energia: Banco de baterias, controlador de carga (para gestão de carregamento e descarga).
Unidade de Proteção e Conversão: Carga de desvio (previne a sobrecarga da bateria, protege o inversor), inversor (converte DC em AC para atender às exigências da maioria das cargas).
Unidade de Consumo de Energia: Carga.
2.2 Modelos Precisos de Cálculo de Geração de Energia
Para alcançar um design otimizado, estabelecemos modelos precisos de cálculo de geração de energia horário a horário.
Modelo de Arranjo de Painéis PV:
Transposição da Radiação Solar: Utiliza um modelo avançado de difusão anisotrópica do céu para transpor com precisão os dados de radiação solar horizontal medidos pelas estações meteorológicas para a irradiância incidente na superfície inclinada dos painéis PV, considerando de forma abrangente a radiação direta, a radiação difusa do céu e a radiação refletida pelo solo.
Simulação de Características do Módulo: Emprega um modelo físico preciso para caracterizar as características não lineares de saída dos módulos PV, considerando plenamente os efeitos da irradiação e da temperatura ambiente na tensão e corrente de saída do módulo, garantindo a precisão dos cálculos de geração de energia.
Modelo de Turbina Eólica:
Correção da Velocidade do Vento: Corrige a velocidade do vento de referência dos dados meteorológicos para a velocidade real do vento na altura do hub, com base na lei exponencial que governa a variação da velocidade do vento com a altura.
Ajuste da Curva de Potência: Utiliza uma função segmentada (equações binomiais diferentes para diferentes intervalos de velocidade do vento) para alcançar um ajuste de alta precisão da curva de potência real da turbina, permitindo o cálculo preciso de energia horário a horário com base nos dados de velocidade do vento.
2.3 Modelo de Características Dinâmicas da Bateria
A bateria é o componente central de armazenamento de energia, com estados dinamicamente variáveis. O modelo foca principalmente em:
Cálculo do Estado de Carga (SOC): Simula dinamicamente os processos de carga e descarga da bateria com base na relação entre a geração de energia e o consumo de carga em cada passo de tempo, calculando com precisão a capacidade restante, considerando fatores práticos como a taxa de auto-descarga, a eficiência de carregamento e a eficiência do inversor.
Gestão de Carga e Descarga: Para estender a vida útil da bateria, define-se um intervalo operacional de SOC razoável (por exemplo, limitando a profundidade máxima de descarga a 50%), e estabelece-se um modelo que correlaciona a tensão de carga flutuante com o SOC e a temperatura ambiente para determinar com precisão as condições de carregamento.
III. Metodologia de Otimização e Dimensionamento do Sistema
3.1 Indicadores de Confiabilidade do Fornecimento de Energia
O design prioriza o atendimento aos requisitos de confiabilidade de fornecimento de energia especificados pelo usuário. Os indicadores-chave incluem:
Probabilidade de Perda de Fornecimento de Energia (LPSP): A razão entre o tempo de interrupção do sistema e o tempo total de avaliação, refletindo intuitivamente a continuidade do fornecimento.
Probabilidade de Perda de Carga (LLP): A razão entre a demanda de potência da carga não atendida pelo sistema e a demanda total. Este é o indicador central mais crítico para o design de otimização do sistema.
3.2 Processo Passo a Passo de Design de Otimização
Esta solução adota um processo sistemático de otimização, visando minimizar o custo inicial de investimento em equipamentos para encontrar a configuração ótima.
Passo 1: Otimizar a Configuração de PV e Bateria para uma Capacidade Fixa de Turbina Eólica
Tarefa Central: Sob a condição de que o modelo e a quantidade de turbinas eólicas são fixos, encontrar a combinação de capacidades de módulos PV e baterias que atenda ao indicador de confiabilidade predeterminado (LPSP) e resulte no menor custo total de equipamentos.
Método de Implementação: Através de cálculos de simulação, traça-se a "curva de equilíbrio" representando todas as configurações de PV e bateria que atendem ao requisito de confiabilidade. Em seguida, utilizando o método da tangente de custo ou a seleção por programa de computador com base nos preços unitários de equipamentos, determina-se a combinação única ótima com o menor custo.
Passo 2: Otimização Global Variando a Capacidade de Turbina Eólica
Tarefa Central: Alterar a capacidade ou o número de turbinas eólicas, repetir o processo de otimização do Passo 1 e obter uma série de configurações ótimas e seus custos correspondentes para diferentes capacidades de turbinas eólicas.
Decisão Final: Comparar os custos totais de todas as soluções candidatas e selecionar a combinação eólica-PV-bateria com o custo global mais baixo como a configuração final do sistema otimizado.
3.3 Simulação de Desempenho do Sistema e Saída
Após determinar a configuração ótima, a operação anual do sistema pode ser simulada hora a hora, gerando relatórios detalhados, incluindo:
Dimensão Temporal: Estado de carga da bateria horário a horário, balanço de energia do sistema.
Dimensão Estatística: Energia de carga não atendida diária/mensal/anual, indicadores de confiabilidade (LPSP, LLP), participação de geração eólica e solar, situações de excedente e déficit de energia, etc.
IV. Conclusão
O método de design otimizado para sistemas de geração híbrida eólica-solar proposto nesta solução, baseado em modelos matemáticos abrangentes e dados meteorológicos locais precisos, pode determinar de forma única a configuração do sistema com o menor custo inicial de investimento em equipamentos, satisfazendo as demandas específicas de eletricidade do usuário e os requisitos de confiabilidade de fornecimento de energia. Este método aborda eficazmente as deficiências dos sistemas de geração de energia de fonte única, supera as limitações dos métodos de design existentes e fornece uma ferramenta poderosa para o design científico, eficiente e econômico de sistemas de geração híbrida eólica-solar, tendo um valor significativo para aplicações engenhosas.
