Sistemas Híbridos Fotovoltaico / Eólico para Electrificação de Micro-Redes

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1 Sistemas Híbridos Fotovoltaico / Eólico para Electrificação de Micro-Redes Cláudio Mesquita (1), Joaquim Almeida (1), Rui M. G. Castro (1) Susana Viana (2), Carlos Rodrigues (2), António Joyce (2) Resumo (1) IST Instituto Superior Técnico / Universidade Técnica de Lisboa CEEL - Centro de Energia Eléctrica Av. Rovisco Pais, Lisboa rcastro@ist.utl.pt (2) INETI Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial DER Departamento de Energias Renováveis Estrada do Paço Lumiar, 22, Lisboa antonio.joyce@ineti.pt O presente trabalho incide sobre o funcionamento de um sistema híbrido de produção de energia eléctrica, instalado no Campus do Lumiar do INETI. Este sistema utiliza recursos renováveis, solar e eólico e a sua instalação visou estudar o fornecimento de energia eléctrica a vários consumidores de uma micro-rede através da simulação do seu perfil de consumo com diferentes cargas. Foram monitorizadas as grandezas relativas ao funcionamento do sistema e dos recursos renováveis disponíveis. Apresentam-se alguns dos resultados obtidos e em particular a análise do comportamento do sistema híbrido para diferentes diagramas de carga, por forma a verificar a importância decisiva dos equipamentos de controlo e gestão da energia disponível no bom funcionamento do sistema. Palavras-chave: Fotovoltaico; Eólico; Micro-redes; Electrificação 1. Introdução A União Europeia aprovou em Outubro de 21 a Directiva 21/77/CE relativa à promoção da electricidade produzida a partir de fontes renováveis de energia. Esta Directiva, conhecida como Directiva das Renováveis, aponta para Portugal um objectivo de penetração das energias renováveis para o ano de 21 correspondente a 39% no total do consumo bruto de electricidade. Mais recentemente, em Portugal, a Resolução do Conselho de Ministros nº 63/23 enuncia as metas indicativas para a instalação de fontes de energia renováveis até 21, referindo-se, por exemplo, os valores de 15 MW e 375 MW em relação a aproveitamentos de energia fotovoltaica e eólica, respectivamente. Em conformidade, espera-se um aumento considerável no número e na potência de instalações de produção de energia eléctrica que usam recursos renováveis como fonte primária, designadamente de origem solar e eólica.

2 Prof es s ional Wor ks t at ion 6 PR O SD Os sistemas fotovoltaicos podem ser operados de duas formas: i) ligados à rede de energia eléctrica, à qual entregam toda a energia que a radiação solar lhes permite produzir; ii) em sistemas autónomos, alimentando directamente cargas isoladas. Em ambas as situações podem ser usados como a única fonte de energia ou em conjunto com outros conversores de energias renováveis, por exemplo, o eólico, podendo no caso de sistemas isolados existir também um meio de produção convencional, geralmente o gerador diesel, para apoio e reserva. 2. Descrição do Sistema O sistema híbrido em estudo neste trabalho tem uma potência total de 1,3 kw (75 W do aerogerador para uma velocidade do vento de 9 m/s e 53 Wp de potência pico dos módulos fotovoltaicos) e está em funcionamento no Departamento de Energias Renováveis (DER) do INETI desde 21. Do sistema com a tensão nominal de 24 V, fazem ainda parte 2 reguladores de carga, um para o recurso fotovoltaico e outro para o recurso eólico, um banco de 12 baterias estacionárias de 2 V, com uma capacidade C1 de 55 Ah e um inversor de 12 W que alimenta a micro-rede em CA. A micro-rede distribui a energia por 3 utilizadores cujo consumo é simulado recorrendo a interruptores horários digitais que controlam a ligação das cargas. O consumo dos utilizadores é controlado por dispensadores de energia, em termos de energia e potência. Na monitorização são recolhidos as grandezas, corrente de carga das baterias, a corrente à saída do regulador fotovoltaico, a corrente à saída do regulador eólico, a tensão das baterias, a temperatura da células fotovoltaicas, a temperatura ambiente, a radiação solar e a velocidade do vento. Na Fig. 1 representa-se o esquema geral da instalação. Fig. 1 Sistema híbrido e equipamento de aquisição adjacente

3 2.1 Actuação dos Dispensadores O dispensador de energia gere, de forma inteligente, os consumos individuais de energia, através da utilização de uma FEDI - Ficha electrónica de Energia Disponível Individual. Esta ficha insere-se no dispensador e contém em memória a potência máxima e a energia à disposição de cada utilizador. Estes equipamentos permitem apenas um nível, preestabelecido, de consumo para o utilizador que controlam, de modo que este não consuma em excesso a energia disponível na micro-rede. A Fig. 2 ilustra um exemplo do funcionamento deste equipamento, quando a reserva de energia para um dos consumidores foi esgotada, o dispensador actuou de forma a cortarlhe a alimentação, o sistema passa a partir daí a alimentar apenas dois consumidores. 6 Potência (W) Instante em que o Dispensador actua Consumidor 3 fica desligado 1 : 2: 4: 6: 8: 1: 12: Horas 14: 16: 18: 2: 22: Carga (3 consumidores) Carga (2 consumidores) Carga Real Fig. 2 - Actuação do dispensador (9/3/23) Actuação dos Reguladores Fotovoltaico e Eólico Há necessidade de regular a entrada e saída de energia da bateria de forma a prolongar o seu tempo de vida útil. A principal função dos reguladores de carga é evitar a sobrecarga do banco de baterias actuando sobre as fontes de energia evitando que se ultrapasse um dado nível crítico de tensão. Podem ainda evitar descargas profundas desligando as cargas em CC que lhe estiverem conectadas Actuação do Inversor Neste sistema o inversor de onda sinusoidal está ligado directamente ao banco de baterias pelo que tem a função de desligar os consumos para evitar também a descarga profunda. Na Fig. 3 mostra-se a actuação do inversor numa situação em que o consumo foi tão elevado, que as baterias não conseguiram recuperar e a sua tensão baixou para valores críticos (22,2V), que forçaram a actuação do inversor, desligando todos os consumidores.

4 Potência (W) Instante em que o inversor actua Tensão (V) : 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: 22: Horas Carga (3 consumidores) Carga Real Tensão das baterias Fig. 3 - Actuação do inversor (7/2/23) 3. Caracterização do local e energia produzida O desempenho dos módulos fotovoltaicos está dependente de duas variáveis, a radiação e a temperatura das células dos módulos. A Tabela I apresenta os valores médios da irradiação registados ao longo dos meses em que decorreu o estudo. Irradiação [kwh/m 2 ] TABELA I - IRRADIAÇÃO DIÁRIA MÉDIA MENSAL Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez A Tabela II apresenta os valores médios, para cada mês, das temperaturas lidas por cada sensor, Tcel temperatura das células, Tamb temperatura ambiente. Temperatura [ºC] TABELA II VALORES MÉDIOS DAS TEMPERATURAS LIDAS Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Tcel Tamb Relativamente ao recurso eólico a grandeza relevante é a velocidade do vento. Este recurso não é muito abundante no local onde foi possível instalar o sistema porque este tem árvores e construção em volta o que causa alguma turbulência no perfil de vento e faz com que as velocidades a 1 m de altura não sejam muito elevadas. Como exemplo das velocidades típicas de vento obtidas apresenta-se a Fig. 4.

5 35 3 Freq. ocorrencia (h) Velocidade do Vento (m/s) Fig. 4 - Frequências de ocorrência das velocidades médias do vento no mês de Dezembro de 22 Os valores da energia produzida através dos recursos solar e eólico são calculados directamente através dos valores médios horários da corrente à saída dos respectivos reguladores de carga, e da tensão no barramento de corrente contínua. Ao comparar a energia produzida pelos 2 recursos (Fig. 5), é possível ver que para este local o recurso solar é aquele que assegura o fornecimento de energia ao sistema. 6 5 Energia (kwh) Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Meses Eolica Solar Fig. 5 - Comparação entre a energia produzida pelos dois recursos Os sistemas autónomos são usados habitualmente para suprir necessidades energéticas em locais remotos, muitas das vezes em habitações isoladas, nestes casos o recurso eólico será em geral menos abundante que o solar porque as casas são construídas tendo em conta o conforto dos seus utilizadores e um local com muito vento é um local desagradável do ponto de vista habitacional. Dever-se-á escolher um local com maior recurso eólico se o objectivo da instalação fôr a entrega de energia à rede eléctrica. 4. Comportamento do Sistema para diferentes diagramas de carga Foi estudado o comportamento do sistema com três utilizadores diferentes, tantos quantos os dispensadores disponíveis, utilizando para o efeito um conjunto de lâmpadas, incandescentes e fluorescentes, de várias potências.

6 Os testes do sistema foram baseados em dois tipos de diagramas de carga. Procurou reproduzir-se o consumo dos utilizadores que mais se enquadram no perfil tipo a quem este sistema se destina, ou seja, pequenas casas de habitação com baixa potência instalada e consumos reduzidos. Nos primeiros três meses de ensaios (Novembro, Dezembro e Janeiro), utilizou-se o diagrama de carga descrito na Tabela III a), que visa simular uma distribuição de carga ao longo de todo dia, tendo uma maior incidência no período compreendido entre as 18 e as 22 horas. O consumo no dia típico foi de cerca de 1336Wh, a potência de pico foi atingida entre as 2 e as 21 horas sendo o seu valor cerca de 2W, 15,4% da potência instalada. 4 5 TABELA III DIAGRAMAS DE CARGA Diagr am a de Carga I Diagram a de Car ga II H o r a s Ho r as Cons.1 Cons.2 Cons.3 Total Cons.1 Cons.2 Cons.3 Total a) b) A partir de Fevereiro passou a utilizar-se o diagrama de carga II, apresentado na Tabela III b), com o intuito de testar o sistema sob condições mais adversas. As alterações introduzidas levaram a um aumento do consumo e da potência de pico; para além disto, pretendeu simular-se um consumidor que esgota rapidamente a sua reserva de energia. Com este procedimento procurou desencadear-se a actuação dos sistemas de gestão (2.1) e controlo de energia (2.2 e 2.3) de modo a validar a sua fiabilidade numa utilização mais próxima daquilo que lhes seria exigido na realidade. O consumo médio diário passou a ser de 336Wh para o diagrama de carga II e a potência de pico atingiu os 58W, ou seja, 44,6% da potência instalada. Para um dia típico e com o diagrama de carga I, o comportamento das baterias foi o que se observa na Fig. 7 a). Para o diagrama de carga II há um maior consumo que leva a que o nível de tensão da bateria baixe (Fig. 7 b). Considera-se que os valores negativos de potência nas baterias correspondem a entradas de energia nas baterias e os valores positivos a saídas de energia.

7 Potência das Baterias (W) tempo (horas) Potência Tensão tensão (V) Potência das Baterias (W) tempo (horas) Potência Tensão tensão (V) a) Diagrama de Carga I b) Diagrama de Carga II Fig.7 Comportamento das baterias para 2 diagramas de carga (dia típico) O armazenamento de energia nas baterias ao longo do mês de Dezembro está descrito na Fig. 8 a). A produção de energia discriminada por recursos está na Fig. 8 b) Energia nas Baterias E. Baterias 6 5 E. Eolica E. Fotovoltaica Producao diaria dos Recursos 4 Energia (Wh) -5-1 Energia (Wh) Dias do mes Dias do mes a) Energia nas baterias b) Energia produzida por recurso Fig. 8 - Energia no sistema durante o mês de Dezembro de 22 O dia de maior produção de energia (27/12/22) coincide com a maior entrada de energia nas baterias tal como o dia de maior descarga da bateria (15/12/22) com um dos 3 dias do mês em que houve menor produção, o que leva a crer que os valores lidos no sistema são fiáveis. 5. Conclusões Comparando os dois recursos disponíveis verifica-se que o local é pouco propício à instalação de aproveitamentos eólicos. Neste caso, seria mais vantajoso optar por uma maior potência instalada de fotovoltaico, acompanhada por um aumento da capacidade das baterias, por forma a tornar a utilização do sistema mais flexível durante o período nocturno. Deste modo aproveitar-se-ia ao máximo o recurso de maior potencial neste local.

8 Este sistema seria capaz de satisfazer a maioria dos casos de pequenos consumidores isolados 1, porque em geral estes consumidores vêem as suas necessidades mais básicas satisfeitas com pequenos valores de consumo. É graças ao desempenhado dos sistemas de controlo e de gestão de energia, nomeadamente os reguladores de carga e os dispensadores de energia que é possível evitar a rápida degradação dos acumuladores e garantir a equidade da distribuição de energia pelos vários utilizadores, evitando excessos prejudiciais ao bom funcionamento global. As características do sistema híbrido apresentado neste artigo, bem como as grandezas medidas pelo sistema de aquisição de dados estão disponíveis on-line para os potenciais interessados através da Internet em Referências [1] Cláudio Mesquita, Joaquim Almeida, Sistemas Híbridos Fotovoltaico / Eólico para Electrificação de Micro-Redes, Trabalho Final de Curso, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Junho de 23. [2] Rui Castro, Introdução à Energia Fotovoltaica, Texto de Apoio à disciplina Energias Renováveis e Produção Descentralizada, Instituto Superior Técnico, Novembro 22. [3] Carlos Rodrigues, Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos, Tese de Mestrado em Engenharia Mecânica, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Maio de [4] Fundamento, Dimensionado y Aplicaciones de la Energia Solar Fotovoltaica, Serie Ponencias, Editorial CIEMAT, Madrid, 2. 1 Quando em número igual ou inferior ao dos consumidores simulados.