Sistema Híbrido de Energia Eólica e Solar Otimizado: Uma Solução de Design Completa para Aplicações Off-Grid

1. Introdução e Contexto

1.1 Desafios dos Sistemas de Geração de Energia a partir de uma Única Fonte

Os sistemas tradicionais de geração fotovoltaica (PV) ou eólica autónomos têm desvantagens inerentes. A geração de energia PV é afetada pelos ciclos diurnos e pelas condições meteorológicas, enquanto a geração eólica depende de recursos de vento instáveis, levando a flutuações significativas na produção de energia. Para garantir um fornecimento contínuo de energia, são necessários grandes bancos de baterias para armazenamento e equilíbrio de energia. No entanto, as baterias que passam por ciclos de carga e descarga frequentes tendem a permanecer em estado de subcarga por períodos prolongados em condições operacionais severas, 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 mesmo 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 de fontes de energia únicas, combinando organicamente a energia PV e eólica, duas fontes de energia renováveis. A energia eólica e solar exibem uma complementaridade natural no tempo (dia/noite, estações): a forte luz solar durante o dia frequentemente coincide com ventos potencialmente mais fortes à noite; a boa irradiação solar no verão pode ser acompanhada por recursos eólicos abundantes no inverno. Esta complementaridade permite:

• Uma extensão significativa do tempo de carregamento efetivo das baterias, reduzindo o tempo que elas passam em estado de subcarga, prolongando substancialmente a vida útil das baterias.
• Redução da capacidade de bateria necessária. Como a probabilidade de ambos, vento e sol, não estarem disponíveis simultaneamente é baixa, o sistema pode frequentemente 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-solares superam os sistemas de geração de energia a partir de uma única fonte em termos de confiabilidade do fornecimento de energia e eficácia do custo ao longo da vida.

1.3 Deficiências dos Métodos de Design Atuais e a Solução Proposta

O design atual do sistema enfrenta desafios. O software de simulação profissional estrangeiro é caro e seus modelos centrais são frequentemente confidenciais, dificultando a adoção generalizada. Enquanto isso, a maioria dos métodos de design simplificados é inadequada—ou dependem demais de médias meteorológicas ignorando detalhes, ou usam modelos simplificados lineares, resultando em precisão limitada e baixa aplicabilidade.

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 híbrida eólica-solar projetado nesta solução é um sistema completamente autónomo e off-grid, sem fontes de backup como geradores a diesel. Os componentes centrais incluem:

• Unidade de Geração de Energia: Turbinas eólicas, arranjo de painéis PV.
• Unidade de Armazenamento e Gestão de Energia: Banco de baterias, controlador de carga (para gerenciar a carga 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 de carga).
• 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 horários.

• Modelo de Arranjo PV:
1. Transposição de 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 módulos PV, considerando de forma abrangente a radiação direta, a radiação difusa do céu e a radiação refletida pelo solo.
2. Simulação de Características do Módulo: Emprega um modelo físico preciso para caracterizar as características de saída não lineares dos módulos PV, considerando plenamente os efeitos da irradiância 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:
1. 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.
2. 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 de saída real da turbina, permitindo o cálculo preciso de energia horário com base nos dados de velocidade do vento.

2.3 Modelo de Característica Dinâmica da Bateria

A bateria é o componente central de armazenamento de energia, com estados dinamicamente mudando. O modelo se concentra 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 etapa de tempo, calculando com precisão a capacidade restante, considerando fatores práticos como a taxa de auto-descarga, a eficiência de carga e a eficiência do inversor.
• Gestão de Carga e Descarga: Para estender a vida útil da bateria, define-se um intervalo de operação SOC razoável (por exemplo, limitando a profundidade máxima de descarga a 50%), e estabelece-se um modelo correlacionando a tensão de carga flutuante com o SOC e a temperatura ambiente para determinar com precisão as condições de carga.

III. Metodologia de Otimização e Dimensionamento do Sistema

3.1 Indicadores de Confiabilidade do Fornecimento de Energia

O design prioriza atender 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 energia 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.

1. Passo 1: Otimizar a Configuração de PV e Bateria para uma Capacidade Fixa de Turbina Eólica
• Tarefa Central: Dado 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 baseada em programas de computador com base nos preços unitários de equipamentos, determina-se a combinação única ótima com o menor custo.
2. 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 respectivos custos 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 e Saída do Desempenho do Sistema

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 hora a hora, balanço de energia do sistema.
• Dimensão Estatística: Energia de carga não atendida diariamente/mensalmente/anualmente, indicadores de confiabilidade (LPSP, LLP), participação de geração eólica e solar, situações de excesso 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, enquanto atende às demandas específicas de eletricidade do usuário e aos requisitos de confiabilidade do fornecimento de energia. Este método aborda eficazmente as deficiências dos sistemas de geração de energia a partir de uma única fonte, 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, com valor significativo para aplicações engenhosas.