Um Sistema Híbrido Eólico-Fotovoltaico Inteligente com Controlo Fuzzy-PID para uma Gestão Aperfeiçoada de Baterias e MPPT

Resumo

Esta proposta apresenta um sistema de geração de energia híbrido eólico-solar baseado em tecnologia de controlo avançada, visando abordar de forma eficiente e económica as necessidades energéticas de áreas remotas e cenários de aplicação especiais. O núcleo do sistema reside num sistema de controlo inteligente centrado no microprocessador ATmega16. Este sistema realiza o Rastreamento do Ponto de Potência Máxima (MPPT) tanto para a energia eólica como para a solar, e emprega um algoritmo otimizado que combina PID e controlo difuso para uma gestão de carregamento/descarregamento precisa e eficiente da componente-chave - a bateria. Consequentemente, isto aumenta significativamente a eficiência global de geração de energia, prolonga a vida útil da bateria e garante a fiabilidade e a rentabilidade do fornecimento de energia.

I. Contexto e Significância do Projeto

1. Contexto Energético: A nível global, os combustíveis fósseis tradicionais estão cada vez mais esgotados, colocando graves desafios à segurança energética e ao desenvolvimento sustentável. Desenvolver e utilizar vigorosamente fontes de energia limpas e renováveis, como a eólica e a solar, tornou-se uma prioridade estratégica para resolver os problemas atuais de energia e ambiente.
2. Valor do Sistema: O sistema híbrido eólico-solar aproveita plenamente as características naturais complementares da energia eólica e solar em termos de tempo e geografia (por exemplo, forte luz solar durante o dia, possivelmente ventos mais fortes à noite), superando a intermitência da geração de energia de uma única fonte. É uma solução de fornecimento de energia independente, com uma estrutura racional e baixo custo operacional, resolvendo eficazmente os problemas de fornecimento de energia para instalações como habitações, estações de comunicação e estações de monitorização meteorológica em áreas remotas não eletrificadas ou fracamente eletrificadas.
3. Importância das Componentes-Chave: A bateria, que serve como unidade de armazenamento de energia do sistema, é crucial para garantir o fornecimento contínuo de energia à carga durante períodos sem vento ou luz solar. O seu custo constitui uma parte significativa do sistema de geração de energia. Portanto, melhorar a eficiência de carregamento da bateria e otimizar as suas estratégias de carregamento/descarregamento para prolongar a sua vida útil são vitais para reduzir o custo do ciclo de vida do sistema e melhorar a confiabilidade operacional.

II. Design Geral do Sistema

1. Objetivos Nucleares do Sistema:
• Otimização da Captação de Energia: Realizar o controlo ótimo para máxima eficiência na eletricidade gerada pela turbina eólica e pelos painéis fotovoltaicos, alcançando o Rastreamento do Ponto de Potência Máxima (MPPT) para aproveitar plenamente os recursos naturais.
• Gestão do Sistema de Armazenamento de Energia: Gerir de forma inteligente o processo de carregamento e descarregamento da bateria, prevenindo a sobrecarga e a descarga excessiva, protegendo eficazmente a bateria e melhorando significativamente a sua eficiência de carregamento e vida útil.
2. Arquitetura de Hardware do Sistema:

O sistema consiste em três módulos funcionais principais, coordenados por um CPU de controlo central para formar um sistema de controlo inteligente completo.

III. Tecnologia de Controlo Central: Gestão Inteligente da Bateria

1. Seleção e Fundamentos da Bateria:
• Tipo: Esta solução seleciona baterias de chumbo-ácido sem manutenção, que são tecnicamente maduras e de baixo custo, adequadas para sistemas híbridos eólico-solares de pequena escala.
• Princípio de Funcionamento: O carregamento e descarregamento da bateria são essencialmente processos de conversão de energia elétrica em química e vice-versa. No entanto, devido a fenômenos como a polarização do eletrodo, a eficiência de conversão de energia não pode atingir 100%.
2. Desafios de Controlo e Estratégia de Otimização:
• Desvantagens do Controlo Tradicional: Os métodos clássicos de controlo PID dependem fortemente de um modelo matemático preciso do objeto controlado (a bateria). A bateria é um sistema não linear e variável no tempo, cujos parâmetros (resistência interna, densidade do eletrolito, etc.) mudam dinamicamente com a temperatura ambiental e o estado de uso, tornando difícil estabelecer um modelo preciso. Isso leva a desafios na sintonização dos parâmetros PID tradicionais, baixa adaptabilidade e desempenho de controlo subótimo.
• Método de Controlo Avançado Adotado: Esta solução emprega uma estratégia de controlo composto Fuzzy-PID, combinando as vantagens de ambos:
• Vantagem do Controlo Difuso: Não requer um modelo matemático exato do objeto controlado, pode lidar com informações de entrada imprecisas, exibe forte adaptabilidade às mudanças nos parâmetros da bateria e pode incorporar conhecimento de especialistas.
• Vantagem do Controlo PID: Pode alcançar um controlo de alta precisão, sem erro estático, quando a desviação do sistema é pequena.
• Fluxo de Trabalho do Controlador: O sistema monitoriza continuamente a diferença e(t) entre a tensão definida da bateria e a tensão real. Quando a desviação e(t) é grande, o controlo difuso domina para uma resposta rápida. Quando e(t) diminui dentro de uma certa faixa, passa suavemente para o controlo PID para ajustes finos. Finalmente, o sinal de saída u(t) é ajustado para controlar o ciclo de trabalho do MOSFET, alcançando a otimização dinâmica da corrente de carregamento.

IV. Resumo da Solução e Perspectivas

• Eficácia do Controlo: O sistema de controlo de geração de energia híbrido eólico-solar projetado nesta solução consegue com sucesso uma gestão ótima de carregamento/descarregamento da bateria através do algoritmo de controlo inteligente Fuzzy-PID complementar. Isto não só protege eficazmente a bateria e prolonga a sua vida útil, mas também melhora a eficiência de captação de energia eólica e solar via MPPT, melhorando assim a eficiência global do sistema de geração de energia.
• Verificação Experimental: Os resultados experimentais mostram que o controlador foi projetado corretamente e de forma viável, opera com segurança e confiabilidade, e exibe bom desempenho de resposta dinâmica e precisão em estado estacionário.
• Perspectivas de Aplicação: Esta solução integrada de geração de energia híbrida eólico-solar com tecnologia de gestão inteligente de baterias é particularmente adequada para cenários como áreas remotas sem cobertura de rede, ilhas, pastagens e estações de comunicação. Oferece benefícios económicos e sociais significativos e tem amplas perspectivas de aplicação.