PEA 3420 : Produção de Energia. SISTEMAS HÍBRIDOS (Solar Eólico)

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1 PEA 3420 : Produção de Energia SISTEMAS HÍBRIDOS (Solar Eólico) 1

2 SISTEMAS HÍBRIDOS Definição: Sistema que utiliza mais de uma fonte de energia que, dependendo da disponibilidade dos recursos, deve gerar e distribuir energia elétrica, de forma otimizada e com custos mínimos, a uma determinada carga ou à uma rede elétrica, isolada ou conectada à outras redes. Dada a possibilidade de uma fonte suprir a falta temporária de outra, este tipo de sistema tem capacidade de operar com menor risco de interrupção. Comumente os sistemas híbridos são isolados e incorporam os seguintes equipamentos: Módulos fotovoltaicos, aerogeradores, turbinas hidráulicas tecnologias de conversão de fontes renováveis Grupos geradores a diesel, gás ou gasolina- tecnologias de conversão de fontes não renováveis 2

3 PRINCIPAIS TIPOS DE SISTEMAS Sistema Eólico- Diesel Sistema Fotovoltaico-diesel Sistema Fotovoltaico- Eólico-Diesel Sistema Fotovoltaico- Eólico Sistema Híbrido Eólico - Diesel Sistema Híbrido Fotovoltaico - Diesel 3

4 Complementaridade das Fontes Solar e Eólica Uma das principais desvantagens dos sistemas de geração individuais com as fontes de energia solar e eólica, a intermitência do recurso, pode ser parcial ou totalmente superada quando da utilização conjunta de tais fontes em sistemas híbridos. A complementaridade entre as fontes, muitas vezes verificada em alguns locais durante diferentes períodos de tempo, garante maior confiabilidade ao sistema, além de reduzir consideravelmente a participação do banco de baterias e/ou do grupo gerador a diesel. Complementaridade entre as fontes solar e eólica 4

5 Classificação dos sistemas híbridos As mais usuais são as classificações quanto à: Interligação com a rede elétrica convencional Prioridade dos usos das fontes de energia Configuração Porte do sistema Quanto a interligação com a rede elétrica convencional Sistemas isolados São aqueles que suprem uma determinada carga de forma totalmente independente, isto é, sem estarem conectados à rede elétrica do sistema interligado Sistemas interligados São aqueles em que a energia elétrica gerada é entregue à rede convencional, complementando assim a geração de outra fonte, que é a base da formação da rede de médio ou grande porte. 5

6 Prioridade do uso das fontes de energia Sistema baseado nas fontes não renováveis de energia A geração a partir das fontes renováveis de energia é usada apenas para o suprimento da carga no período de baixa demanda, na qual a unidade de geração a diesel operaria com baixa eficiência, ou em complementação à geração à diesel. Sistema baseado nas fontes renováveis de energia A unidade de geração a diesel serve apenas como um sistema de reserva, que supre a carga nas condições de baixa geração renovável e alta demanda. Para suprimento de carga média diária, as fontes renováveis de energia e o banco de baterias têm de apresentar contribuições significativas. 6

7 Configuração Sistema híbrido série Denominação devido ao transporte de energia até às cargas CA ser realizado em sequencia as fontes de energia renovável e não renovável (grupo gerador a diesel) são usados para carregar o banco de baterias. Principal vantagem deste sistema: Simplicidade de implantação do projeto. Principais desvantagens: A eficiência global do sistema é baixa. Ex: A energia CA do grupogerador a diesel flui através de dois estágios de conversão. O inversor não pode operar em paralelo com o gerador a diesel; portanto, o mesmo deve ser projetado para suprir a demanda máxima do sistema Possíveis interrupções no fornecimento de energia, caso o inversor venha apresentar problemas operacionais 7

8 Sistema chaveado É o mais empregado em sistemas híbridos. O banco de baterias é carregado pelas fontes renováveis e/ou pelo grupo gerador á diesel. A carga CA pode ser suprida diretamente pelo grupo gerador à diesel, ou pelo inversor de tensão; porém, não pelos dois ao mesmo tempo. Principais vantagens: Ambas as fontes (renovável ou não) podem suprir diretamente as cargas; portanto, em caso de falta ou necessidade de manutenção de uma, a outra é acionada. Aumento na eficiência global do sistema, devido à eliminação de um estágio de conversão, para o caso de um atendimento em CA feito diretamente. Desvantagens: Interrupção momentânea quando é realizado o chaveamento entre as fontes, no caso de chaveamento manual O grupo gerador a diesel e o inversor de tensão têm de ser projetados para a demanda máxima 8

9 Sistema Paralelo Uma ou mais fontes podem suprir as cargas CA nos períodos de demanda baixa e média, bem como duas ou mais em paralelo podem fazê-lo nos períodos de demanda máxima, através do sincronismo entre o inversor e o grupo gerador diesel e/ou outra fonte renovável acoplada no barramento CA. Um inversor bidirecional pode carregar o banco de baterias (função retificador), ou atuar como inversor sob operação normal. A obrigatoriedade de um sistema de controle mais complexo que garanta o sincronismo das fontes é a principal desvantagem desses sistemas para pequenas capacidades instaladas. Vantagens: A eficiência do grupo diesel pode ser maximizada A manutenção do grupo diesel pode ser minimizada Redução das capacidades do grupo gerador, banco de baterias, fontes renováveis, inversor e consequentemente custos de investimento. 9

10 Estratégia de operação- SH 1- Carga e descarga do banco de baterias : visa maximizar sua vida útil 2- Controle de despacho Determina quando e como o gerador diesel deve ser ligado e desligado, a fim de minimizar os custos de operação e manutenção do mesmo. Considerando a estratégia de controle os sistemas híbridos são classificados: Acoplamento dos geradores no barramento CC Acoplamento dos geradores no barramento CA Acoplamento dos geradores de forma mista (barramento CC e CA) 10

11 Acoplamento do geradores feitos inteiramente no barramento CC 11

12 Acoplamento do geradores feitos inteiramente no barramento CA 12

13 Acoplamento Misto 13

14 Acoplamento Misto 14

15 Vantagens e desvantagens de cada configuração Dependem das diferentes condições de oferta e demanda de energia e das diferentes estratégias de operação consideradas. Na fase de projeto de um sistema, o ideal é que sejam feitas simulações com diferentes cenários, visando à otimização de vários fatores relacionados à operação e manutenção dos sistemas, de tal forma que haja a minimização dos custos e do consumo de óleo diesel, o melhor aproveitamento possível da energia proveniente das fontes renováveis, a maximização da vida útil das baterias, o melhor atendimento das cargas, dentre outros. 15

16 Estratégia de operação - continuação Um fator que determina a operação ótima do sistema é a utilização do grupo gerador, a qual depende da configuração (gerador ligado diretamente à rede CA, ligado ao barramento CC etc.) e da estratégia de despacho adotada para o sistema (quando o grupo gerador deve ser acionado e quais critérios são levados em consideração para acionamento e parada do mesmo). a) Mais simples o gerador é acionado automaticamente quando o banco de baterias atinge um certo nível mínimo de tensão, determinado pela sua máxima profundidade de descarga. O gerador permanece em operação até que a tensão do banco atinja um determinado valor ou quando um tempo mínimo de operação é determinado. b) A mais sofisticada Neste caso o gerador é acionado quando o estado da carga do banco de baterias está baixo ou quando a potência demandada pela carga é elevada. O valor da potência no qual o grupo gerador deve ser acionado é definido como potência crítica. 16

17 Estratégia de operação - continuação A potência crítica é definida pela seguinte equação: O termo CEB se refere ao custo da energia do banco de baterias c) Outra estratégia mantém-se o grupo gerador a diesel funcionando 24 horas e com a parte renovável acoplada diretamente a parte CA (em geral via inversor), com o objetivo de minimizar ao máximo o consumo de combustível e reduzir o tamanho e a utilização do banco de baterias. 17

18 Balanço energético Participação de cada fonte 1- Analisar as curvas típicas (diária, mensal, anual), de demanda e recurso primário solar e eólico da localidade. 2- De posse destas curvas, estima-se a energia elétrica produzida pelas fontes renováveis no período considerado verificando: i) se as mesmas atendem a demanda; ii) avaliando o déficit/superávit de energia; iii) e em que momentos há necessidade de complementação por parte de outra fonte, como geração diesel-elétrica. O % de participação da geração renovável no SH em um determinado período é. Um critério decisivo para a verificação de qual fonte renovável deverá ter maior participação no sistema está relacionado ao custo da energia elétrica gerada ($/kwh), que deve essencialmente incluídos custos de implantação, operação e manutenção do subsistema solar e do subsistema eólico. 18

19 Dimensionamento do sistema de armazenamento CE Capacidade energética máxima de uma bateria ( V x I) CB Capacidade energética útil Para ser capaz de suprir um certo consumo diário e mais as perdas, o subsistema de armazenamento deve possui capacidade total CBB, em (kwh), e considerando o consumo corrigido no lado CC. Ccor consumo corrigido ( eficiência do inversor e da fiação) 19

20 Dimensionamento do sistema de armazenamento continuação Sistemas híbridos que utilizam grupos geradores juntamente com fontes renováveis tendem a possuir bancos de baterias de menor capacidade, devido à disponibilidade do gerador atuar como backup. Nesses sistemas híbridos, o banco de baterias é dimensionado apenas para suprir a carga em curtos períodos, e para manter a estabilidade do sistema em situações de variações bruscas de geração e carga Cálculo do número de baterias: Número de baterias nb Deve-se arrendorar o resultado (normalmente para maior), dependendo da tensão nominal do banco e da associação série- paralelo entre as baterias. 20

21 Dimensionamento do sistema fotovoltaico Pproj Potência do projeto Perdas por dispersão: perdas devido a temperatura 21

22 Dimensionamento da Geração eólica 22

23 Dimensionamento da Geração eólica Estimativa da produção de energia É muito importante realizar simulações com curvas de potência de vários aerogeradores de diferentes potências nominais e fabricantes, para verificar quais se adequam melhor ao perfil de vento do local, e apresentam melhor fator de capacidade, objetivando-se sempre a minimização do custo da energia gerada. 23

24 Geração à diesel Por estarem disponíveis comercialmente em uma vasta gama de potências, a determinação do valor de potência do grupo gerador mais adequado ao sistema irá depender apenas dos custos envolvidos, da finalidade do sistema, e da estratégia de operação adotada. O grupo gerador deve ser dimensionado para suprir completamente a carga durante o período em que a geração renovável está indisponível. Em contrapartida, em situações onde o gerador alimenta diretamente o banco de baterias através da utilização de um retificador, sua potência nominal deve ser especificada para que ele opere com fator de carregamento ótimo, pois nessas condições o carregador apresenta máxima eficiência. 24

25 Geração à diesel continuação Cálculo do consumo de combustível FC consumo de combustível em L/h Pci valor instantâneo da demanda ativa (kw) PGMG Potência nominal do gerador 25

26 Dimensionamento do acondicionamento da potência Controlador de cargaga ISC - Corrente de curto circuito do arranjo C ( com tolerância )= ISC x 1, 25 26

27 Dimensionamento do acondicionamento da potência Para especificar um inversor é necessário considerar: Tensão CC na entrada Tensão CA na saída Potência elétrica que deverá suprir em operação normal Capacidade de surto Inversores para aplicação isolada devem ser capazes de atender a carga máxima instalada de forma contínua e com padrões de qualidade Eficiência - na maioria 90 % informados pelos fabricantes PINV = Pmáxima x 1, 20 27