Desenvolvimento de um sistema de produção de energia autónomo

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Desenvolvimento de um sistema de produção de energia autónomo Ricardo Jorge Monteiro Preto Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Professor Adriano da Silva Carvalho 31 de Julho de 2014 © Ricardo Jorge Monteiro Preto, 2014 ii Resumo Este documento aborda um tema atual que são as energias renováveis. Os recursos de energia renovável têm-se vindo a afirmar cada vez mais no ramo dos mercados de energia e começam a surgir cada vez mais pessoas/entidades interessadas em se tornarem elas próprias as produtoras de energia, fruto do facto dos mercados de energias renovável também possuírem características atraentes do ponto de vista económico, e também pelo facto das energias renováveis serem "amigas"do ambiente. É também de acordo com o cenário socioeconómico atual que se pretende fazer o presente estudo. Neste caso, o projeto incide no dimensionamento de um sistema renovável hibrido, que é constituido por dois subsistemas, um subsistema fotovoltaico e outro eólico. No decorrer do documento abordar-se-ão os conceitos gerais das duas tecnologias estudadas, indispensáveis para uma boa compreensão sobre o assunto, bem como aspetos mais técnicos relacionados com cada um dos subsistemas em causa e que culminaram no seu dimensionamento. O rendimento do sistema hibrido depende dos dois sistemas que o constituem e como tal o estudo e o correto dimensionamento dos mesmos assume um papel relevante neste trabalho. O trabalho foi desenvolvido em PSIM, que apresenta uma vasta gama de recursos associados aos circuitos eletrónicos. Importa referir que todo o documento foi redigido segundo a perspetiva de um aluno do ramo de Energia, ou seja, com conhecimentos relativamente limitados na área de controlo dos sistemas. Como tal dar-se-á mais importância aos conceitos mais gerais dos subsistemas abordados do que ao controlo dos mesmos. No entanto, e como um dos objetivos principais da elaboração da dissertação é o aprofundamento de conhecimentos, procurou-se chegar sempre aos melhores resultados práticos possíveis. Pretende-se que este documento seja útil para futuros projetos na mesma área. iii iv Abstract This document addresses a current topic nowadays which is renewable energy. The sources of renewable energy have been growing in the energy market, and there has been an emerging interest by some persons/entities in producing their own energy, because renewable energy market has attractive features, economically and environmentally. This study has also been developed in view of the current social and economic setting. This project focuses on the design of a hybrid renewable system, consisting in two subsystems, a photovoltaic system and a wind system. Throughout a document the general concepts of this two tecnologies will be addressed, which are essential for a good understanding of the topic, as well has some more tecnical details concerning in each of the refered subsystems, that allowed their sizing. The yield of the hybrid system depends of the two subsystems that constitute it, and as such the study and their correct sizing plays an important role in this study. The current project was developed in PSIM, which features a wide range of tools associated with electronics circuits. It should be noted that the entire document was written according to the perspective of a Energy - branch student, ie, with relatively limited knowledge in the systems control area. As such, this project focuses on the broader concepts of a subsystems addressed, than the control of the same. However, as one of the main objectives of the elaboration of this thesis is the deepening of knowledge, the best possible practical results have always been a goal to achieve. It is intended that this document will be useful for future projects in the same area. v vi Agradecimentos Gostava de agradecer a todos aqueles que me acompanharam, quer no meu percurso académico quer fora dele, pois sem eles nada disto se tornaria realidade. É nas horas de aperto que se dá conta de quem realmente se importa connosco e é também nessas alturas que se tem a noção de quem vai estar sempre do nosso lado e eu, felizmente, acabei por perceber que tenho muita gente me irá acompanhar nesta minha viagem que é a vida. Sinto-me sortudo por isso! Queria enumerar alguns nomes, de pessoas que nunca me irei esquecer e cujo seu apoio foi essencial mesmo quando tudo parecia não dar certo. Em primeiro lugar, agradecer aos meus três companheiros de todas as horas, João, Emily e Rafael, que fizeram o caminho deles em paralelo com o meu e que, juntamente comigo, criaram um ambiente de união e amizade que nunca mais vou esquecer. Devo-lhes muito do meu sucesso. Gostaria de agradecer aos colegas de casa que tive até hoje, especialmente ao André Gouveia, mas também ao Pedro Queirós, Brian Carneiro, Diogo Soares e João Freitas, que fizeram com que me sentisse sempre à vontade e me brindaram com a sua amizade todos os dias. Gostava de deixar uma palavra de apreço a outros amigos, da minha antiga casa (ISEP), e que fizeram com que eu me sentisse uma pessoa querida aquando da minha passagem por lá. São eles: Pedro Carvalho, Tiago Vieira, Tiago Noverça, Marco Mota, Ricardo Coelho e Tiago Monteiro. Gostava de agradecer também aos meus amigos de sempre, os de Marco de Canaveses, pois isto é para vocês também, João Teixeira, Fábio Couto, Fábio Daniel, Pedro Monteiro, Hugo Freitas, Jorge Monteiro, Pedro Nogueira e Rui Coutinho. É pela minha família e por vocês que me desloco aos fins-de-semana para o Marco de Canaveses, mesmo não dando jeito às vezes! Não poderia deixar de agradecer ao meu orientador, Adriano Carvalho, que me ajudou com toda a sua sabedoria e disponibilidade. Deveriam existir muitos docentes como ele. Um muito obrigado ao professor! Como já diz o velho ditado, o melhor fica para o fim e como tal gostava de agradecer à minha namorada, Diana, que sempre me influenciou de forma positiva ao longo da realização da tese e me deu sempre carinho quando era preciso. Mas, o meu maior agradecimento é direcionado à minha família que sempre esteve comigo, que me proporcionou todas as condições quer emocionais quer financeiras ao longo do meu percurso. A eles (pai, mãe e irmão), que sempre estiveram do meu lado, agradeço do fundo do coração e ficarei sempre a sentir que estarei em divida para convosco. É por vocês e para vocês que eu faço tudo! Ricardo Jorge Monteiro Preto vii xiv LISTA DE FIGURAS 3.11 Diagrama de blocos representativo do controlo de tensão/potência; Fonte: [23] . . 51 3.12 Relação entre Cpeλ; Fonte: [23].......................... 52 3.13 Constituição de um sistema eólico ligado à rede; Fonte: [24] ........... 53 3.14 Retificador ligado ao gerador; Fonte: [24] ..................... 53 4.1 Sistema FV autónomo isolado da rede; Fonte: [25] ................ 57 4.2 Sistema FV híbrido isolado da rede; Fonte: [26].................. 58 4.3 Sistema FV ligado à rede; Fonte: [27] ....................... 59 4.4 Curva I-V para T=25◦CeIntluminosa =1000W/m2................ 60 4.5 Curva I-V para T=50◦CeIntluminosa =1000W/m2................ 60 4.6 Curva P-V para T=25◦CeIntluminosa =1000W/m2............... 61 4.7 Curva P-V para T=50◦CeIntluminosa =1000W/m2............... 61 4.8 Curva I-V para T=25◦CeIntluminosa =1200W/m2................ 62 4.9 Curva P-V para T=25◦CeIntluminosa =1200W/m2............... 62 4.10 MPPT do sistema FV projetado - Fonte:[28].................... 63 4.11BuscadoMPP.................................... 64 4.12 Busca do MPP no projeto estudado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.13 Esquema elétrico de um sistema buck; Fonte: [29]................. 65 4.14 Ondas de tensão e de corrente obtidas à entrada e saída do conversor buck .... 66 4.15 Consituição de um sistema fotovoltaico ligado à rede; Fonte: [24]......... 67 5.1 Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Fotovoltaico . . . . . . . . . . . 71 5.2 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema FV montado com irradiância igual a 1000W/m2.................................... 71 5.3 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema FV montado, com irradiância igual a 800W/m2..................................... 72 5.4 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema FV montado, com temperatura ambiente igual a 40◦C................................ 73 5.5 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema FV montado, com variação de temperaturaeirradiância .............................. 74 5.6 Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Eólico . . . . . . . . . . . . . . 75 5.7 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado . . . . . . . . . . 75 5.8 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado com bladepitch iguala10graus................................... 76 5.9 Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado . . . . . . . . . . 77 5.10 Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Geral . . . . . . . . . . . . . . 78 5.11 Curva de potência obtido para o Sistema Geral montado . . . . . . . . . . . . . . 78 5.12 Curva de potência obtido para o Sistema Geral montado com carga incluida . . . 79 5.13 Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Geral com carga em paralelo com abateria....................................... 79 5.14 Diagrama de cargas diário da moradia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.15 Esquema da rede neuronal para previsão de Energia Eólica num local . . . . . . 82 5.16 Comparação entre a produção efetiva e as previsões . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.17 Bateria para o sistema em causa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 A.1 Características do painel FV usado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 A.2 Características da turbina eólica usada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.1 Modelo do painel FV em PSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 LISTA DE FIGURAS xv B.2 Parametrização do painel FV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 B.3 Modelo da turbina eólica em PSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 B.4 Parametrizaçãodaturbina.............................. 97 xvi LISTA DE FIGURAS Lista de Tabelas 2.1 Relação entre a temperatura, eficiência e perdas numa célula FV - Fonte: [30] . . 29 5.1 Tabela que serviu de base à construção do diagrama de cargas diário . . . . . . . 81 xvii xviii LISTA DE TABELAS Abreviaturas e Símbolos ADT Abstract Data Type AC Alternat Current CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua Cp Power coeficient DC Direct Current DGEG Direção Geral de Energia e Geologia EDP Electricidade de Portugal EE Energia Elétrica EF Energia da fonte EPSI European Photovoltaic Industry Association ER Energias Renováveis FV Fotovoltaico(a/s) FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto GWEC Global Wind Energy Council IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor IV Infravermelho I-V Corrente-Tensão MPP Maximum Power Point MPPT Maximum Power Point Tracking P-V Potência-Tensão PR Performance Ratio [Índice de Performance] PV Photovoltaic(s) PSIM Power Simulation REN Rede Energética Nacional RN Redes Neuronal SCIG Squirrel Cage Induction Generator (Gerador de indução em Gaiola de esquilo) STC Standard Test Conditions TEP Toneladas Equivalentes de Petróleo UE União Europeia UV Ultravioleta V Volt WWW World Wide Web xix Capítulo 1 Introdução Este capítulo apresenta uma breve introdução ao tema e o porquê de se realizar este projeto. Apresenta-se também os objetivos inerentes à execução deste projeto no âmbito da disciplica "Dissertação"referente ao Mestrado de Engenharia de Elétrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Por fim, apresenta-se uma descrição sobre a forma como o documento se encontra organizado. 1.1 Enquadramento Portugal possui excelentes condições para a aplicação de estratégias que promovam o recurso a energias renováveis, nomeadamente à energia solar e à energia eólica, uma vez que possui boas características de luz solar e de vento, fruto da sua localização geográfica. De acordo com o contexto socioeconómico atual, surge cada vez mais a necessidade de recorrer a mecanismos que conduzam à implementação de sistemas inovadores quer ao nível económico quer ao nível ambiental. Foi neste sentido que surgiram, há alguns anos atrás, as energias renováveis com a implementação de sistemas de elevada dimensão, como parques eólicos ou parques de painéis fotovoltaicos, sendo que, atualmente, a implementação de sistemas de menores dimensões e com o objetivo de satisfazer necessidades domésticas faz cada vez mais sentido. É nesse contexto que se realiza este projeto (Desenvolvimento de um sistema de produção de energia autónomo), com vista a implementar um sistema de produção hibrida que combine produção de energia fotovoltaica e energia eólica, cujo objetivo é satisfazer os consumos energéticos de uma moradia unifamiliar e que ao mesmo tempo seja capaz de fornecer energia à rede elétrica, procurando-se obter ganhos significativos com isso, economicamente falando. Todo este projeto assenta numa política de sustentabilidade quer ao nível energético quer ao nível económico, procurando proteger os recursos naturais fósseis do inevitável caminho para a sua própria extinção, indo de acordo com a crescente sensibilização para as alterações climáticas e, ao mesmo tempo, procurar descentralizar a produção de energia elétrica por parte dos grandes 1 2Introdução centros produtores, isto é, centrais térmicas, hídricas ou nucleares. O facto de se diminuir a dependência dos combustíveis fosséis faz com que se reduza também a dependência externa, devido à importação de combustivéis fósseis. Pelas razões enumeradas e também pelo facto dos microprodutores serem impulsionados pelos próprios políticos do nosso país, a produção de energia por parte dos microprodutores vem assumindo um papel cada vez mais importante no sector energético no panorama nacional. 1.2 Objetivos O principal objetivo do projeto efetuado nesta dissertação passa por desenvolver um sistema de produção de energia que seja capaz de satisfazer os consumos de uma moradia unifamiliar e ao mesmo tempo fornecer energia elétrica à rede elétrica. Com a elaboração deste projeto, pretende-se ter uma visão mais aprofundada de todos os aspetos a ter em conta na elaboração de projetos semelhantes a este. Um projeto destes passa por diversas fases, sendo que todas elas são importantes. As fases mais importantes deste trabalho foram: • Considerar um diagrama de cargas da moradia a satisfazer; • Pensar num sistema produtor que seja capaz de fornecer energia à rede e que garanta os consumos da moradia em causa; •Design do sistema produtor, com todos os componentes necessários ao seu bom funcionamento e operacionalidade; • Simulação de vários cenários de produção dos subsistemas; • Análise dos resultados obtidos; 1.3 Estrutura da Dissertação Para além da introdução, esta documento contém mais seis capítulos. O capítulo dois diz respeito ao estado da arte. Nele pretende-se apresentar os conceitos mais gerais sobre as temáticas discutidas ao longo de todo o documento, como é o caso do sistema eólico, do sistema fotovoltaico, dos mercados de energia, das previsões de produção e de consumos, do MPPT e também dos conversores. No capítulo três aborda-se mais concretamente o sistema eólico, desta feita incidindo sobre assuntos mais técnicos e que permitem um bom enquadramento sobre o tema. Da mesma forma que se abordou os sistemas eólicos e algumas das vertentes associadas ao mesmo, no capítulo quatro aborda-se os sistemas FV segundo uma componente mais técnica/profunda, comparativamente ao que se fez no estado da arte, focando aspetos como o MPPT e os conversores bem como a sua implementação em sistemas FV. 1.3 Estrutura da Dissertação 3 No que diz respeito ao capítulo 5, este refere-se ao sistema projetado. Nesse capítulo explica-se a metodologia seguida durante o projeto, os modelos PSIM desenvolvidos e os resultados associados aos mesmos perante vários cenários testados, os dados das previsões e o cálculo das baterias para o sistema. No capítulo seis faz-se uma análise dos resultados obtidos nos modelos simulados em PSIM. O capítulo sete diz respeito às conclusões gerais sobre o trabalho realizado durante a Dissertação, referindo-se também aspetos do trabalho que podem ser melhorados no futuro. 10 Estado da arte Figura 2.9: Turbina de eixo vertical Darrieus; Fonte: [6] que diferem entre si no que diz respeito à sua estrutura. O modelo Darrieus, que é conhecido por ter uma forma idêntica a uma “batedeira”, já foi muito usado por todo o Mundo na geração de energia, pois apresenta o maior rendimento de entre todas as turbinas de eixo vertical e além disso as suas pás são construídas segundo perfis aerodinâmicos, no entanto, necessitam de um elevado binário de arranque, o que fez com que fossem cada vez menos utilizadas [20]. As turbinas Darrieus (2.9) têm como curiosidade o facto de prescindirem de torre, facilitando a sua manutenção [4][32]. No que diz respeito às turbinas Savonious, estes tipos de turbinas são utilizadas em instalações de menor potência, são mais robustas e têm um custo mais baixo quando comparadas com as Darrieus [4]. Este tipo de turbina foi muito utilizada no passado para o bombeamento de água, porém, o seu rendimento é o mais baixo de todas as turbinas[20]. Na figura 2.10 pode-se visualizar uma turbina do tipo Savonious, sendo que não é muito comum encontrar exemplares idênticos. Figura 2.10: Turbina de eixo vertical Savonious; Fonte: [7] No que toca às turbinas de eixo horizontal, existem diversos tamanhos e modelos, quer para grandes quer para pequenas potências. O rendimento deste género de turbina anda à volta dos cinquenta por cento, sendo que o maior ponto de diferenciação entre as turbinas é o número de pás. 2.1 Sistema Eólico 11 Figura 2.11: Turbina de eixo horizontal "Cata-Ventos"; Fonte: [8] Existem turbinas de uma, duas ou três pás, existindo também as turbinas multi-pás, conhecidas como “cata-ventos”. O rotor tem que estar posicionado de maneira a que seja possível aproveitar da melhor forma a direção do vento [20]. Para garantir esse “alinhamento” as turbinas possuem uma espécie de um mecanismo automático, que permite acompanhar as variações da direção do vento [20]. Normalmente o tipo de turbina horizontal mais usual é a de 3 pás, havendo também um número considerável de turbinas “cata-ventos” para instalações de baixa potência, tendo como maior aplicação o bombeamento de água. Ainda no que diz respeito aos “cata-ventos”, importa referir que estes apresentam uma boa relação entre o binário de arranque e a área de varredura do rotor, no entanto verifica-se que estas instalações conseguem ter o seu maior rendimento para velocidades de vento reduzidas, limitando assim a potência máxima extraída por área do rotor, o que torna os “cata-ventos” pouco adequados para a produção de energia elétrica. Na figura 2.12 pode se observar uma turbina constituída por 3 pás e na figura 2.11 é possível visualizar um “cataventos”. Figura 2.12: Turbina de eixo horizontal "3 pás"; Fonte: [9] Na figura (2.13) abaixo apresenta-se um diagrama com um resumo da classificação das turbinas eólicas, onde se podem visualizar os vários tipos de turbinas que é possível encontrar. Para além das turbinas eólicas, outro elemento essencial nos aproveitamentos eólicos é o gerador. Nos sistemas eólicos admite-se praticamente o recurso todo o tipo de máquina, desde as mais clássicas às mais modernas [20]. 12 Estado da arte Figura 2.13: Classificação das turbinas; Fonte: [4] •Gerador: Este elemento é o responsável pela conversão da energia mecânica entregue pelo rotor ao seu eixo em energia elétrica. Quando se procura escolher um gerador para um sistema do género, quer-se uma máquina com um ciclo de vida longo, baixa manutenção, custo de aquisição reduzido e simplicidade no uso. Depois destes requisitos serem cumpridos, poder-se-á então escolher o gerador. Temos então as máquinas de corrente continua, máquinas síncronas convencionais, máquinas de indução e máquinas síncronas de ímanes permanentes. As máquinas CC permitem que se despreze o uso de retificadores CA-CC, pois essa conversão é efetuada internamente por comutadores mecânicos. Este tipo de máquina deixou de ser utilizada nestes sistemas pois tem um rendimento reduzido e ao mesmo tempo requer muita manutenção, deixando de estar presentes nestes sistemas por volta de 1980 [20]. As máquinas síncronas convencionais são um mecanismo bastante consolidado no meio. Como consegue manter o valor da frequência para um dado valor de velocidade fixa, são bastante utilizadas em parques eólicos que trabalham com velocidade fixa. Apresenta porém a desvantagem de ser preciso aplicar CC para excitar o campo magnético do rotor, à semelhança do que sucede com as máquinas de corrente contínua [20]. Praticamente quase toda a potência elétrica gerada nas indústrias é originada pelos geradores de indução. Tem um vasto leque de vantagens em relação às outras, como por exemplo a possibilidade de ser construída sem escovas e não precisar de excitação em CC. Apresenta também um custo de investimento reduzido e necessita de pouca manutenção e pode se conseguir um elevado rendimento. Por essas razões são utilizadas quer em parques de grande potência quer em sistemas eólicos de baixa potencia ou até aproveitamento hidroelétricos de baixa potência. Este tipo de sistemas requer excitação em CA, podendo ser autoexcitados ou excitados externamente. Se esta máquina estiver ligada à rede, a excitação é efetuada pela própria rede. Dentro deste tipo de máquinas destaca-se o SQIG (Squirrel Cage Induction Generation), sendo esta a máquina usada neste trabalho. Na secção 3.5 será dada uma explicação mais detalhada sobre o mesmo. 2.1 Sistema Eólico 13 As máquinas síncronas de ímanes permanentes são bastante utilizadas uma vez que trabalham perante velocidades variáveis e conseguem combater o problema das máquinas síncronas convencionais, que residia no facto de necessitar de CC para excitar o campo de excitação do rotórico. Este tipo de máquina é conhecida no meio como PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine) e permite aumentar a energia capturada através do vento. Para além disso, aumenta o rendimento e diminui o ruído [20]. Depois de analisadas todas as características das máquinas descritas acima optou-se pela SQIG. 2.1.3 Características do Sistema Eólico Os ventos têm origem na radiação solar, isto porque estes são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Como tal, há regiões mais ventosas ou menos, tendo em conta a sua posição na superfície terrestre e que implica que sejam mais ou menos quentes. Como é de esperar, as regiões polares são mais frias que as regiões tropicais, que se encontram mais próximas do sol. O ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que provém das regiões polares. O deslocamento das massas de ar determina a formação dos ventos [20]. Os ventos são mais intensos nas zonas de maior de altitude, nomeadamente acima de 1 quilómetro. No entanto ainda surgem algumas objeções à implementação de sistemas nessas condições, pois para essas alturas são necessários sistemas eólicos com diferentes características, nomeadamente ao nível das pás das turbinas, que têm que suportar forças superiores às normais. Normalmente, os sistemas eólicos estão instalados a algumas dezenas de metros de altura, sendo as suas condições de operação afetadas pela rugosidade, relevo e pelos obstáculos presentes no local de instalação [20]. Torna-se então necessário efetuar estudos sobre as condições do vento nos locais onde se pretende instalar os sistemas eólicos. Normalmente, o tempo médio necessário para avaliar um local do ponto de vista do potencial eólico anda à volta de 3 anos, sendo que para tal se recorre a anemómetros [20]. Fruto da inclinação do nosso planeta em relação ao plano da sua órbita em torno do Sol e da não uniformidade na distribuição de radiação solar recebida pela superfície terrestre, resultam variações de intensidade e duração dos ventos. O vento pode ser classificado segundo diversas classes: monções, brisas, ciclones, tufões, tornado, furacão, vendaval e willy-willy. Os mais frequentes são as monções e as brisas. Os primeiros são caracterizados por serem ventos periódicos que mudam de direção consoante a estação do ano. As brisas, por seu lado, são ventos periódicos de baixa intensidade e que normalmente não ultrapassam os 50 km/h. As monções podem ser previstas com alguma segurança em escalas de tempo inferiores a um ano, uma vez que apresentam variações muito lentas dependendo da estação do ano. Pelo contrário, as brisas apenas podem ser previstas numa escala temporal a rondar os dias de antecedência, uma vez que se tratam de ventos com grande variação de intensidade para intervalos de tempo curtos. Para intervalos de tempo na 14 Estado da arte ordem de alguns minutos, surgem também grandes variações de intensidade de vento normalmente chamados de turbulência. Figura 2.14: Espectro da velocidade do vento no parque eólico de Brookhaven; Fonte: [10] Na figura 2.14 pode-se observar um gráfico exemplo da representação de um espetro de velocidade de vento, neste caso num parque eólico em Nova Iorque, onde é possível identificar 3 zonas distintas ao nível energético. A primeira diz respeito a períodos de tempo na ordem dos dias e está relacionada com o movimento de grandes massas de ar, também apelidada de zona macrometeorológica (surge como Synoptic Peak na figura). A segunda zona é a micrometeorológica, que está associada a intervalos de tempo na ordem de segundos ou alguns minutos, relacionada a turbulência atmosférica (Turbulente Peak) [10]. A terceira e última zona diz respeito ao vazio espetral, que representa intervalos de tempo compreendidos entre alguns minutos e algumas horas e está relacionada com a região da figura com menos energia (Diurnal Peak). Quando se fazem estudos sobre o vento e as características deste, deve-se olhar para dois aspetos fundamentais: • 1) Variação global do vento; • 2) Variação locais do vento; 1) Para se fazer a caracterização de um local em relação ao vento, é necessário ter medições de pelo menos três anos, em que os resultados dos estudos espelham a frequência em que ocorre uma determinada velocidade de vento. Nesses mesmos estudos é apresentado o número de vezes em que ocorre uma determinada velocidade do vento em função do número total de horas analisadas. Por vezes alguns valores dessa distribuição são extrapolados recorrendo à distribuição de Weibull [11]. Na figura 2.15 estão representadas duas curvas densidade probabilidade, segundo a distribuição de Weibull. 2.1 Sistema Eólico 15 Figura 2.15: Densidade de probabilidade de Weibull; Fonte: [11] A função de Weibull é descrita através da seguinte expressão: F Weibull =k c ×(v c)k−1 ×exp[−(v c)k]];[4](2.1) K é um valor adimensional e C é um fator de escala em m/s. C e K são dimensionadas para que os valores encontrados para a função de Weibull se aproximem à frequência de ocorrência. 2) As condições climatéricas e as características dos locais afetam diretamente a intensidade e direção do vento. A direção do vento tem que ver com os efeitos globais e locais do vento. Um aspeto a ter em conta é a turbulência, que consiste numa variação não linear da velocidade e da intensidade do vento, sendo que a mesma representa uma variação local. Fatores como fenómenos naturais (furacões), rugosidade elevada e a presença de obstáculos provocam turbulência ou ventos turbulentes. Os obstáculos, sejam eles quais forem, têm influência direta na velocidade do vento, diminuindoa. Na figura 2.16 pode-se verificar o modo como o escoamento é afetado na área envolvente a um obstáculo, podendo-se verificar que a zona de turbulência pode chegar até três vezes a altura do obstáculo, sendo mais intensa na parte de trás do que na da frente do mesmo. Figura 2.16: Escoamento na zona envolvente de um obstáculo; Fonte: [12] 16 Estado da arte Percebe-se então que não se deve colocar um aproveitamento de energia eólica num local sem fazer um estudo das caraterísticas dos locais. O atrito entre o solo e o vento varia de local para local, isto porque a rugosidade do solo também varia, sendo que quanto maior for a rugosidade maior será o atrito e menor será a velocidade do vento. Dai se perceber o porquê de se instalarem os aproveitamentos eólicos no alto de montanhas, onde o solo é menos rugoso. Figura 2.17: Valores de rugosidade de diversos tipos de terrenos; Fonte: [10] Normalmente, os locais com rugosidade mais elevada são aqueles onde há mais população (mais industrializados), e por outro lado o mar apresenta os índices de rugosidade mais baixa, surgindo como locais onde se poderá obter um maior rendimento energético para aproveitamentos eólicos. É por isso que, surge cada vez mais a tendência para implementar sistemas eólicos offshore no mar, onde se verifica um menor índice de rugosidade. Na figura 2.17 é possível visualizar valores relativos à rugosidade de diferentes tipos de terrenos. Com vista a estimar a velocidade do vento num local com uma determinada altura e rugosidade do solo (Zo) recorre-se normalmente à lei logaritmíca de Prandtl [10]. Ainda no que diz respeito às características dos sistemas eólicos e no seguimento das temáticas já abordadas, importa estudar o potencial eólico de um local, isto porque a potência disponível aumenta com o cubo da velocidade do vento, pelo que a instalação de turbinas em locais com ventos fortes e persistentes é um fator determinante para o sucesso económico e energético da instalação. A primeira fase na escolha dos locais passa um bocado pelo senso comum, isto é, apontamse os topos montanhosos onde normalmente os ventos são intensos, os planaltos e as superfícies elevadas onde se pode ter bastante vento, assim como zonas costeiras, pelos mesmos motivos. Os locais potencialmente interessantes podem ser identificados recorrendo a mapas adequados, como as cartas militares complementadas com visitas aos locais considerados. Se for possível ter acesso a mapas de isoventos (linhas com a mesma velocidade média anual de vento), estes podem ser usados para se ter uma primeira perceção do local onde instalar o recurso eólico. No entanto, 2.2 Sistemas Fotovoltaicos 17 para se decidir onde instalar um recurso eólico é necessário ter medidas concretas sobre os índices do vento sobre os locais. 2.2 Sistemas Fotovoltaicos 2.2.1 Estado Atual e Futuro da Tecnologia A data da primeira visualização do efeito fotovoltaico remonta a 1839 quando Edmond Becquerel que verificou que placas metálicas de platina ou prata, mergulhadas num eletrólito, produziam uma diferença de potencial quando expostas à luz (Becquerel). Após essa primeira experiência, a evolução da energia fotovoltaica passou por uma série de experiências como por exemplo por parte de W.G.Adams e R.E.Day que utilizaram as propriedades fotocondutoras do selénio com vista a produzir o primeiro dispositivo sólido de produção de energia elétrica por exposição ao sol [33]. Em 1953 nasce a primeira célula fotovoltaica moderna, quando Calvin Fuller desenvolveu um processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as propriedades elétricas (dopagem). Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo as cargas móveis positivas (silício do “tipo p”). Com a ajuda do físico Gerald Pearson, que era seu colega nos Bell Laboratories, mergulhou a barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de eletrões livres, ou seja, excesso de cargas negativas (“tipo n”). Sendo assim, nas zonas onde o silício de “tipo p” entre em contacto com o silício de “tipo n”, forma-se uma junção do “tipo p-n”, surgindo um campo elétrico permanente nessa mesma zona. Ao caracterizar eletricamente esta amostra, Pearson verificou que produzia uma corrente elétrica quando a amostra era exposta à luz, surgindo ai a primeira célula solar de silício. Este foi o primeiro grande passo para o desenvolvimento do aproveitamento da energia solar [34]. Figura 2.18: Principio de funcionamento dos painéis solares;Fonte: [13] 18 Estado da arte No ano de 1955 e após múltiplas experiencias com células solares, Pearson, Fuller e Chapin (que outrora investigara também formas de produção de energia elétrica através da radiação solar de forma independente), uniram os esforços e aplicaram os princípios que estudar por forma a conseguir alimentar uma rede telefónica local, em Americus, no estado da Georgia. Os testes do painel instalado ocorrem entre outubro de 1955 e março de 1956 e os resultados foram promissores. No entanto, na altura percebeu-se que a implementação destes sistemas implicaria sempre um investimento muito avultado e que só se justificaria a aplicação destes sistemas em casos muito especiais, como por exemplo a produção de energia elétrica no espaço, nomeadamente como forma de alimentar os satélites no espaço. O facto de estes sistemas passarem a ser utilizados em ambiente espacial fez com que o interesse sobre a área aumentasse exponencialmente e como tal avanços nessa tecnologia começaram a acontecer mais frequentemente [34]. De evolução em evolução foi-se avançando na descoberta de melhores soluções e melhores modos de funcionamento dos sistemas fotovoltaicos chegando assim ao panorama atual em que se encontra esta tecnologia. Figura 2.19: Evolução dos consumos FV na UE; Dados: [14] Hoje em dia, a indústria do FV é uma indústria crescida, com um vasto leque de empresas especializadas na prestação deste tipo de serviços, o que faz com que do ponto de vista do consumidor esta área seja cada vez mais apetecível. Do ponto de vista ambiental, o facto de se tratar de uma energia limpa faz com que tenha bastantes seguidores, principalmente aqueles que se preocupam com o futuro do nosso planeta e com as gerações futuras que nele habitarão. Para além dos fatores ambientais, a produção de energia solar por parte dos microprodutores é em muitos casos comparticipada pelos governos dos países ou até pelas entidades reguladoras energéticas, por forma a impulsionar a microprodução. O facto do preço dos painéis estarem a baixar proporcionalmente com o número de painéis instalados, aliado ao crescimento de mercado (30% por cento ao ano), faz com que a energia fotovoltaica se apresente cada vez mais como um ramo a investir. Segundo o EPSI (European 2.2 Sistemas Fotovoltaicos 19 Photovoltaic Industry Association) em 2020 a energia fotovoltaica representará 1% da energia elétrica a nível mundial e em 2040 representará 26% [34]. Na figura 2.19 é possível observar a evolução do mercado do FV. Apesar do custo da energia FV estar a baixar, verifica-se que esta redução não tem acompanhando o crescimento do mercado dos FV, algo que não é positivo. 2.2.2 Estrutura/Tecnologias dos Sistemas FV Quando se fala em energia fotovoltaica costuma-se associar imediatamente esta aos painéis fotovoltaicos. No entanto um sistema FV não se resume aos painéis, que por si só não representa qualquer tipo de ganho quando se pretende produzir energia elétrica aproveitando a energia solar. Nesta secção será dada uma explicação sobre os principais componentes que constituem um sistema fotovoltaico, para além dos painéis FV e que viabilizam esta forma de produção de EE que cada vez mais se impõe nos mercados energéticos ao nível mundial. Na figura 2.20 está representada a configuração de um sistema FV tipo. Figura 2.20: Constituição de um sistema FV tipo; Fonte: [15] 2.2.2.1 Painéis fotovoltaicos Os painéis fotovoltaicos consistem em conjuntos integrados e interligados de células FV [35]. Tratam-se de dispositivos que conseguem gerar uma potência limitada, pelo que para se produzir uma elevada capacidade de potência é necessário instalar um grande conjunto de painéis. Assim como já foi mencionado anteriormente ref(cap.panorama mundial), os sistema FV são utilizados como fonte de energia de satélites ou naves espaciais ou, podem estar ou não ligados à rede elétrica. Os painéis FV utilizam luz, sob a forma de partículas (fotões), para gerar corrente elétrica através do efeito fotovoltaico, referido anteriormente no capítulo 2.1.1. São constituídos normalmente por um dispositivo condutor semelhante a um díodo de junção de semicondutor, sendo que este é composto por várias camadas de diferentes materiais [35]. Na maioria dos casos, recorre-se às 26 Estado da arte 2.2.3 Caracterísiticas do FV Quando se faz um projeto que inclua sistemas fotovoltaico, como é o caso, importa ter em conta uma série de fatores que nos levam a ter uma melhor perceção sobre o modo de funcionamento dos sistemas. Neste caso, para sistemas FV, é preciso ter em atenção as curvas características dos painéis, de potência-tensão e corrente-tensão, bem como alguns aspetos que podem alterar a produção dos painéis, como é o caso da temperatura, radiação, inclinação e o sombreamento [17]. As referidas curvas são função do tipo de módulo fotovoltaico e normalmente são fornecidas pelo fabricante dos painéis. ´ Na figura abaixo surge o circuito equivalente de um módulo FV real, sendo que após a imagem serão descritas as equações que traduzem o desempenho dos geradores fotovoltaicos, relacionado a tensão, corrente, temperatura e irradiação solar [18]. Figura 2.22: Esquema elétrico de um módulo FV; Fonte: [17] V=AkTre f elnIf v +ID−I I0−Rs∗I0[37](2.5) I=IL −Id−Ip(2.6) IL=Isc0.S S0+Ct.(T−Tre f )(2.7) Id=I0.eqvd AkT −1(2.8) I0=Is0.T Tre f 3 .e q.Eg Ak 1 Tre f −1 T(2.9) ir=Vd Rp (2.10) Vd=V Ns +I.Rs(2.11) 2.2 Sistemas Fotovoltaicos 27 T=Ta+Ks.S(2.12) Onde: •ILé corrente à saida do painel fv (A); •IDé corrente que passa no díodo (A); •IDé corrente que passa na resistência shunt Rp (A); •Nsé o número de células; •Isc0é a corrente de curto circuito de cada célula (A) à temperatura referência; •S0é a intensidade luminosa nas condições de teste habituais (aproximadamente 1000w/m2; •Tre f é a temperatura de referência (normalmente 25◦C) • T é a temperatura da célula; •Rsé a resistência série de cada célula solar em Ω •Rsh é a resistência shunt de cada célula solar em Ω •Isc0é a corrente de saturação do díodo de cada célula (A) à temperatura referência; •Egé a banda de energia de cada célula solar em eV. É cerca de 1.12 para o silício cristalino e 1.75 para o silício amorfo. • "A"é o coeficiente de emissão ou fator de idealidade uma célula solar. É cerca de 2 para silício cristalino e 1 para o amorfo. •Cté o coeficiente de temperatura em A/◦C •Ksdefine como é que a luz solar afeta a temperatura da célula. • q é a carga de um eletrão, q=1.6×10−19C • k é a constante de Boltzmann 1.8806×10−23(Wm−2K−4) •Vdé a tensão no díodo •Taé temperatura ambiente No que diz respeito às curvas características dos painéis fotovoltaicos (P/U e I/U), a análise das mesmas é extremamente importante para se perceber a maneira correta de usar os equipamentos. Nas figuras abaixo estão representadas as referidas curvas características, que podem ser associadas a um painel FV tipo. 28 Estado da arte Figura 2.23: Curvas de Corrente-Tensão e Potência-Tensão de um painel fotovoltaico; Fonte: [18] Olhando para as curvas acima facilmente se percebe que o ponto de potência máxima para o sistema se encontra à volta dos 62V. Ora, para esse valor de tensão corresponde um valor de corrente de cerca de 5A. São portanto essas as condições de funcionamento ótimas para o sistema FV, para as condições normais. Quanto aos efeitos que podem alterar as condições de funcionamento de um painel FV, surgem por exemplo o efeito da radiação e da temperatura. Este fenómeno requer um estudo profundo uma vez que a potência que um painel produz depende fortemente da radiação que nele incide, uma vez que corrente do painel depende diretamente da radiação que nele incide. Por seu lado e como é expectável, a temperatura do painel também depende diretamente da radiação solar, isto porque parte da radiação que atinge o painel não é transformada em energia mas sim dissipada sob a forma de calor. Usualmente, os módulos FV apresentam um decréscimo de produção na ordem dos 0.5% por cada grau centígrado. Ora, sabendo que a temperatura de um painel é, geralmente, 20◦Csuperior à temperatura registada num termómetro, importa então instalar o painel em zonas ideais no que toca à temperatura, ou seja, em locais onde haja circulação de correntes de ar que permitam arrefecer o painel. Abaixo surge uma figura 2.24 onde é possível verificar o efeito da radiação solar sob a corrente de uma célula FV [19]. 2.2 Sistemas Fotovoltaicos 29 Figura 2.24: Curvas de Corrente-Tensão para diferente tipos de radiação ; Fonte: [19] Como se pode verificar na imagem acima, para diferentes graus de irradiância, obtem-se diferentes valores de correntes, sendo que quando aumenta a irradiância aumenta também a corrente. Quanto à temperatura, e como complemento à informação previamente descrita, pode se ver na tabela abaixo a evolução da eficiência e das perdas à medida que a temperatura aumenta. Tabela 2.1: Relação entre a temperatura, eficiência e perdas numa célula FV - Fonte: [30] Temperatura Eficiência(%) Perdas (%) 30 0.118 2.00 40 0.113 6.00 50 0.108 10.00 60 0.103 14.00 70 0.098 18.00 No que se refere à inclinação dos painéis, importa perceber de que maneira é que a mesma influência a potência de saída do próprio painel. Sabe-se que a potência produzida por um painel é função do ângulo de inclinação deste relativamente ao plano horizontal e também da orientação do painel, sendo que quanto melhor for a parametrização destes maior será a potência produzida pelo painel. Na figura 2.25 pode se ver os tipos de inclinação sugeridas para diferentes épocas do ano, sabendo que a energia solar captada pelo painel é máxima quando este se encontra na perpendicular à direção da radiação incidente. Normalmente, os sistemas solares estão projetados de forma a aproveitar da melhor forma a radiação no mês em que há menor insolação. Segundo esta regra, a forma de descobrir a inclinação 30 Estado da arte ótima para um local é obtida somando 10 graus à latitude do local. Com o objetivo de maximizar a produção FV, usa-se normalmente dispositivos seguidores do sol, alterando a inclinação do painel ao longo do dia, garantindo assim uma melhoria na ordem dos 30% no que diz respeito à potência produzida, quando comparado com sistemas que não possuem esses aparelhos. Figura 2.25: Inclinação ótima para diferentes épocas do ano ; Fonte: [19] Outro aspeto importante associado aos paineis FV é o sombreamento. Este fenómeno é relevante uma vez que pode alterar significativamente a potência de um painel. Por exemplo, se parte do painel ficar sob sombra, a potência à saida do painel diminui e o painel pode até danificar-se uma vez que como as células estão ligadas em série entre si e deveriam ter a mesma corrente. Se uma célula está bloqueada, passa a consumir energia em vez de produzir ficando inversamente polarizada [19]. 2.3 Mercados de Energia Segundo o contexto económico atual e olhando também para os problemas ambientais que afetam o nosso planeta, faz todo o sentido apostar nas energias renováveis. Neste caso concreto, as energias eólica e fotovoltaicas surgem como alternativas altamente competentes, pois para além de serem alternativas vantajosas ao nível ambiental, comportam também uma vertente económica altamente positiva. Fruto das vantagens que advêm do recurso a estas fontes de energia, a energia FV e a energia eólica apresentam índices altamente positivos no que diz respeito à sua evolução, como se pode ver na figura, onde se pode visualizar a evolução dos consumos de energia eólica e solar, neste caso concreto para Portugal (fig: 2.26). No panorama europeu, os indicadores sobre a percentagem de ER no consumo global energético demonstram essas mesma tendência. Na figura 2.27 está ilustrada a evolução das energias renováveis, no que diz respeito aos consumos energéticos, em Portugal e na UE. 2.3 Mercados de Energia 31 Figura 2.26: Evolução da eficiência do FV ao longo dos anos; Fonte: [14] Figura 2.27: Percentagem de ER no consumo global energético em Portugal e na UE; Fonte: [14] Quanto aos obstáculos à implementação destes sistemas renováveis, o principal consiste nos processos administrativos de registo e licenciamento dos projetos e na potência e quantidade limitada de locais de interligação de ligação à rede elétrica nacional (REN) em Portugal. Segundo dados do DGEG (Direção Geral de Energia e Geologia), no ano móvel terminado em março de 2014, o peso da energia elétrica renovável foi de 62.3% relativamente à produção bruta juntamente com o saldo importador, o que representa uma grande fatia da produção elétrica total em Portugal. No entanto e para esse mês verificou-se um decréscimo de produção renovável de 1.3% principalmente à queda de produção eólica, devido às condições climatéricas. Também para o mês em questão, verificou-se um aumento de 7 e 11 MW de capacidade instalada eólica e fotovoltaica respetivamente. Ainda para Março de 2014 [38], Portugal apresenta uma produção anual de 501 GWh de energia FV e 12536 GWh de energia eólica isto tendo em conta uma potência instalada de 320 MW de FV e 4754 MW de eólica, representando estas uma parcela de 2.82 e 41.85% em relação à produção renovável total. Virando a atenção para a microprodução, verifica-se que a tendência dos mercados é para que esta evolua positivamente, um pouco à margem do que se tem vindo a passar na área ao longo dos últimos anos. Até ao ano de 2009 não havia registos de microprodução eólica, pelo menos significativa, no entanto, para o ano 2009 há registo de 386 MWh de energia anual proveniente da microprodução eólica e este indicador tem vindo a aumentar [38]. Para a microprodução FV e 32 Estado da arte segundo os registos da DGEG, verifica-se que desde 2008 até março de 2014 o valor da produção aumentou drasticamente, passando dos 7120 MWh para os 146361 MWh [38]. No entanto, ainda há muito trabalho a fazer nesta área em Portugal, faltando por exemplo mais subsídios para os microprodutores com vista a impulsionar o investimento na área. Ao nível da produção em grande escala, Portugal apresenta-se como uma potência, principalmente no que se refere à energia eólica, aproveitando o potencial eólico que dispõe. Porém, zonas como centrais e do nordeste do país, nomeadamente Santarém, Lisboa, Guarda, Coimbra e etc. Quanto às tarifas associadas à energia eólica e à energia FV, estas vêm sendo atualizadas todos os anos, no entanto e tendo como referências os valores das tarifas para o ano de 2012, as tarifas são bastante atraentes. O plano é o seguinte: existem dois tipos de tarifários, o regime bonificado e o regime geral. No regime geral o preço da compra de energia é igual ao preço da venda. Quanto ao regime bonificado, o produtor vende a energia que produz a um preço muito mais elevado do que o preço que compra a energia. Esta tarifa é garantida para 15 anos e é remunerada de acordo com a tarifa de referência que vigorar à data da atribuição do certificado de exploração da unidade de microgeração de energia, sendo que após os 15 anos, o produtor é transferido para o regime geral. Segundo a EDP, essas instalações poderão ter até 3.68 kW [39]. Para além da potência, surgem outros requisitos a cumprir, nomeadamente: • A unidade de microprodução utilize fonte de energia solar, eólica, hídrica, co-geração a biomassa, pilhas de combustível com base em hidrogénio proveniente de microprodução renovável ou cogeração não renovável; • A instalação terão que ser constituídas por 2 metros quadrados de área útil, no mínimo. A tarifa de venda em regime bonificado para 2012 era 0.326 euros por kWh nos primeiros oito anos, passando para 0.185 euros por kWh nos anos seguintes [40]. Estes valores são muito superiores aos preços de compra de energia à rede elétrica, à volta dos 0.15 euros kWh [41]. No que se refere a benefícios fiscais previstos benefícios fiscais no IRS. São dedutíveis à coleta, desde que não suscetíveis de serem considerados custos na categoria B, 30% das importâncias despendidas com a aquisição de equipamentos solares novos, com o limite máximo de 796 C. 2.4 Previsões de produção e carga Hoje em dia, com vista a otimizar o setor de energia, recorre-se aos modelos de previsão. As previsões podem ser de dois tipos, sendo a primeira a previsão de consumos e a segunda de produção. A previsão dos consumos refere-se a uma estimativa do diagrama de cargas de uma instalação, neste caso uma moradia unifamiliar. Esta previsão faz-se com o intuito de prever depois qual a potência a disponibilizar por parte do sistema produtor com vista a alimentar esse mesmo diagrama. A titulo de exemplo, se uma previsão dos consumos numa determinada localização apontar para os 10 MW num dado instante, o sistema produtor não terá que produzir por exemplo 20 MW, pois esse local não precisará de tanta potência. Como é óbvio, tudo depende da qualidade 2.5 Maximum Power Point Tracker (MPPT) 33 das previsões e do tipo de previsão que se faz, podendo estas ser a curto, médio ou longo prazo. Previsões a longo prazo terão sempre uma incerteza elevada associada, comparativamente com as previsões de curto prazo. No que se refere à previsão de produção e tendo em conta aquilo que foi feito neste trabalho, estas servem para saber qual a produção esperada para um sistema num dado instante, tendo como base para essa previsão dados históricos sobre variáveis de entrada do sistema e os outputs do mesmo. Neste caso concreto de estudo, fez-se a previsão da produção eólica segundo dados históricos de velocidade do vento e direção do mesmo, bem como da produção efetiva (que serve como target). O método de previsão utilizado foram as Redes Neuronais, abordadas mais à frente neste documento. 2.5 Maximum Power Point Tracker (MPPT) Como produtores de energia, interessa obter o rendimento máximo para os sistemas de produção sejam quais forem as condições de funcionamento dos mesmos. O sistema considerado para este projeto é instável do ponto de vista das suas condições de funcionamento, isto porque quer o sistema fotovoltaico quer o sistema eólico têm como variáveis de entrada ou de controlo grandezas variáveis. Especificamente falando do FV, sistema no qual se irá aplicar o MPPT, o sistema tem como variáveis de entrada a temperatura e a intensidade luminosa. Estas grandezas variam ao longo do dia e as condições de funcionamento do sistema fotovoltaico variam da mesma forma o que faz com que a potência à saída do painel varie constantemente. Mais à frente neste documento será demonstrado o controlo MPPT no sistema FV, com os resultados associados ao mesmo. Quanto ao modelo do sistema eólico simulado em PSIM, não se aplicou o algoritmo do MPPT assumindo-se que o coeficiente de potência (Cp) é unitário o que não é verdade, conforme é demonstrado no capítulo 3. 2.6 Conversores Os circuitos elétricos têm vindo a evoluir com o passar dos anos e as necessidades exigidas aos mesmos também, quer ao nível da potência, quer ao nível da eficiência. É nesse contexto que entram os conversores, que servem para ajustar os circuitos às necessidades exigidas à saída dos mesmos. Neste trabalho abordam-se os conversores buck para controlo do circuito do sistema FV e a tipologia Back to Back para o sistema eólico. No caso do conversor no sistema FV, aproveitou-se o modelo disponibilizado pelo PSIM na sua biblioteca no entanto alteraram-se todos os parâmetros do circuito enquanto que para o sistema eólico o modelo adotado neste projeto é o mesmo do PSIM. O facto do custo dos conversores estar a diminuir gradualmete, faz com que se opte cada vez mais por máquinas de indução, pois assim é possível às maquinas de CA obter o que de melhor há 34 Estado da arte nas máquinas de CC, para além das primeiras serem mais robustas e mais fáceis de construir. Mais à frente nos capítulos 3 e 4 serão explicadas as ideias gerais associadas ao controlo dos sistema, bem como o seu modo de operação e a sua importância nos sistema. 2.7 Conclusões Neste capítulo abordaram-se os aspetos gerais associados aos sistemas FV e eólico, nomeadamente o estado atual das tecnologias e perspetivas futuras, as estruturas dos sistemas FV e eólico e tecnologias associadas aos mesmos e também as características fundamentais dos sistemas como é o caso do comportamento do sol ou do vento. Depois dessa visão sobre esses sistemas, abordaram-se os mercados de energia, as previsões, o MPPT e os conversores, tudo isto segundo uma perspetiva geral sobre os assuntos, uma vez que serão abordados posteriormente. Capítulo 3 Sistema Eólico Portugal possui excelentes condições de vento em certas zonas do território nacional, sendo a produção de energia eólica um processo já bastante utilizado a grande escala (grandes parques eólicos como por exemplo no Alto da Serra do Marão). No entanto, no que diz respeito à microprodução, Portugal encontra-se ainda pouco desenvolvido, porém a tendência é para que a implementação destes sistemas aumente. Para o dimensionamento do sistema de produção eólico deste projeto, é necessário fazer um estudo sobre as tecnologias atuais dos componentes que constituem o sistema e as vantagens e desvantagens de cada uma delas. Neste capítulo será dada uma perspetiva mais aprofundada sobre os sistemas eólicos, referindose os sistemas eólicos de pequena dimensão, as ações aerodinãmicas associadas às turbinas em perfis estacionários e dinâmicos, o controlo de velocide/potência, o gerador e o sistema de controlo usados, assim como os aspetos chave para o dimensionamento de um sistema do género . 3.1 Sistemas Eólicos de Pequena Dimensão Um pouco no seguimento do que tem vindo a ser falado pelos media e por pessoas ligadas ao ramo da Energia, abordaremos nesta secção aspetos relacionados com os sistemas eólicos de pequena produção. Os sistemas eólicos sejam eles quais forem, trazem consigo vantagens no que diz respeito ao fornecimento de energia elétrica e também do ponto de vista ambiental. Estes sistemas são cada vez mais frequentes, principalmente em locais onde há bastante vento e espaço para a sua instalação. Sistemas do género sempre foram muito conhecidos, no entanto a utilização destes para abastecimento direto de energia nunca esteve em níveis semelhantes ao que se verifica atualmente [20]. Hoje em dia, esse conceito vem se afirmando e crescendo um pouco por todo o mundo. Como já foi mencionado anteriormente, este tipo de sistema, um pouco à margem do que sucede com sistemas de grandes dimensões, necessita de condições mínimas em termos de vento 35 42 Sistema Eólico vento às quais são referenciadas as forças é a direção relativa do vento, tal como se pode ver na figura 3.6. Desta forma, ao se projetar as componentes horizontal e vertical da força ao longo do plano de rotação, obtêm-se outras duas forças: a força útil Fue força axial Fa. A primeira é paralela a ~u, responsável pelo rotação da hélice e a segunda, perpendicular ~ue exerce força sobre o eixo do rotor. Figura 3.7: Velocidades e ângulos da hélice da turbina em movimento.; Fonte: [20] Tendo em conta os perfis rotacionais, as equações 3.6 e3.7 estudadas nos perfis estacionários têm que ser reestruturadas. Surgem assim as novas expressões para Fxe para Fy: Fx=Fsinα=1 2×ρ×A×c2×Cx(3.11) Fy=Fcosα=1 2×ρ×A×c2×Cy(3.12) Por seu lado, FueFasão dadas por: Fu=1 2×ρ×A×v2×Cy×sin(ϕ−α) sin2(ϕ)cos(α)(3.13) Fa=1 2×ρ×A×v2×Cy×cos(ϕ−α) sin2(ϕ)cos(α)(3.14) Analisando as equações anteriores verifica-se que à medida que αaumenta a componente "y"da força também aumenta, isto até αter um valor de mais ou menos 15 graus. Uma vez que o valor de ~uvaria ao longo do comprimento da pá então~ctambém varia, logo βtambém varia à medida que o comprimento da pá aumenta. 3.3 Controlo de Velocidade e Potência 43 3.3 Controlo de Velocidade e Potência O controlo de velocidade do sistema eólico é extremamente importante no dimensionamento de um sistema do género, pois é através deste que se consegue garantir que a estrutura do sistema permanece intacta e em perfeitas condições. É também com o auxílio ao controlo de velocidade que se consegue controlar a potência do sistema. Existem dois tipos de controlo de velocidade bastante utilizados, sendo eles o controlo por stall e o controlo pitch. O controlo por stall possui ângulo de passo fixo, é robusto e económico isto porque só depende das características construtivas do sistema. Este tipo de controlo é bastante utilizado nos sistemas de pequeno porte e com velocidade variável, como é caso deste projeto. Quanto ao controlo por pitch, que se faz quando há variação do ângulo de passo, não é um método recorrente para sistemas de pequena dimensão. 3.3.1 Controlo por stall O efeito stall ocorre quando o fluxo de ar em torno de um objeto deixa de se fixar à superfície do mesmo e passa a girar de forma turbulenta, diminuindo assim a força de sustentação (Fy), como se pode ver na figura 3.3. O controlo por stall limita a velocidade para um valor máximo, ou seja, o controlo apenas atua a partir de uma determinada velocidade de referência e acima desta. Sendo assim, a energia captada através do vento pode ser aproveitada da melhor maneira, garantindo-se assim a velocidade tangencial máxima projetada para a turbina e impedindo também a ocorrência de danos estruturas no sistema [43][44]. Tendo em conta as equações presentes na secção anterior, verifica-se que se se manter o valor de βe da velocidade angular, à medida que a velocidade do vento aumenta, o ângulo relativo ϕ também aumenta e consequentemente o angulo de ataque αtambém aumenta. No stall passivo projeta-se a geometria com recurso a ângulos fixos para assegurar que assim que a velocidade do vento se torne alta, seja criada uma zona de turbulência [20]. Este tipo de controlo apresenta vantagem de não se usarem partes móveis, no entanto o controlo por stall passivo é um processo complicado, uma vez que requer cálculos aerodinâmicos difíceis de realizar e também apresenta o inconveniente das hélices serem submetidas a uma grande sobrecarga mecânica no momento do stall. Isto sucede quando αatingir os 15 graus, isto porque depois do ângulo atingir esse valor, a força de sustentação começa a diminuir drasticamente sendo que por outro lado a força de arrasto (Fxaumenta. Já no stall ativo, recorre-se a um elemento mecânico, que faz com que o movimento rotacional seja sincronizado de forma a limitar a velocidade rotacional das pás da turbina, isto é, quando a turbina ultrapassa o valor da sua potência nominal, com uma determinada velocidade de rotação da turbina, e tendo em conta uma velocidade nominal do vento definida na fase do projeto, as pás movimentam-se de forma a aumentar o valor de α, fazendo com que seja atenuado o excesso de energia mecânica. As vantagens associadas a este método residem no facto de ser possível obter um controlo de potência mais eficiente, na redução da carga mecânica imposta ao sistema por 44 Sistema Eólico parte do vento e garantia de segurança perante condições atmosféricas mais exigentes, como por exemplo as rajadas de vento. Resumindo, no controlo por stall a geometria do perfil das pás do rotor é tal que assim que o sistema sente a presença de uma velocidade do vento muito elevada, é criada uma turbulência e as pás entram em perda, baixando o valor da sustentação. Assim que a sustentação baixa as pás deixam de acelerar. 3.3.2 Controlo por pitch No controlo por pitch mantem-se o ângulo de ataque αdentro dos valores pretendidos quando a velocidade angular e a velocidade do vento se alteram. Este tipo de método aplica-se a sistemas de alta dimensão e o seu objetivo passa por eliminar o excesso de energia e fazer parte do próprio sistema de controlo de potência [44]. No entanto, apesar de ser um método bastante usado, trata-se tambén de um processo complexo. Chama-se controlo por passo (pitch) porque se atua exatamente no ângulo de passo β, descrito na equação 3.10. Até ao instante em que se atinge o valor nominal da velocidade de projeto, para a qual está definido produzir a potência nominal, o sistema de controlo vai variando o valor de βda pá, de forma a maximizar a componente da força que contribui para o binário. Quando a velocidade do vento é superior à nominal, o controlo por pitch atua de forma a que o binário motor produzido seja proporcional à potência nominal, ou seja, faz com que através de uma inclinação das pás, se diminua o binário. 3.3.3 Vantagens e desvantagens dos métodos de controlo estudados O controlo por stall tem como grande vantagem o facto de ser um processo simples, uma vez que há ausência de mais partes em movimento, sendo por isso mais barata [11]. Apesar disso, o controlo por stall pressupõe cálculos um pouco complexos no que toca a determinar o ângulo de ataque αpara o qual a pá deverá entrar em perda. Outras desvantagens associada ao controlo por stall reside no facto das turbinas serem incapazes de auxiliarem os processos de arranque e paragem, isto é, no arranque, quando a velocidade do vento é reduzida, a turbina não possui binário motor suficiente para garantir o arranque, sendo por isso necessário um motor auxiliar para realizar essa tarefa, ou por outro lado pôr o gerador a funcionar como motor até o rotor estar à velocidade necessária para não aninhar. No processo de paragem, não é possível colocar as pás na posição ideal para esse efeito, pelo que é necessário um sistema auxiliar para esse efeito, através de meios aerodinâmicos. No que se refere ao controlo por pitch, este tem a vantagem de se conseguir um bom controlo de potência para qualquer gama de velocidade do vento. Para além disso, variando o ângulo de passo consegue-se fazer com que os esforços mecânicos sobre as pás sejam reduzidos comparativamente ao que sucede com o controlo por stall. Por outro lado, apesar de garantir uma melhor 3.4 Modelo matemático do SQIG 45 resposta às variações atmosféricas, o controlo por pitch requer uma tecnologia mais avançada em termos mecânicos. Na figura 3.8 é possível observar o comportamento dos sistemas eólicos quando sujeitos ao controlo pitch ou stall. Figura 3.8: Controlos de potência e velocidade (pitch estall); Fonte: [21] 3.4 Modelo matemático do SQIG Nesta secção será explicado o modelo elétrico do gerador usado para o sistema eólico em causa O gerador presente neste sistema é o Squirrel Cage Induction Generator (Gerador de indução em Gaiola de Esquilo), cujo modelo matemático está apresentado abaixo. Após isso, será demonstrada a parte do controlo associada à ligação desse mesmo gerador à rede elétrica, tal como se pretende neste trabalho. Uma máquina elétrica pode ser descrita como motor ou gerador, porém podem ser descritas com o mesmo conjunto de equações e são essas mesmas equações que regem a operação das máquinas elétricas. O sistema de equações pode ser divido em 2 grupos distintos, as de tensão e as de binário. Por forma a simplificar essas mesmas equações, é comum considerar o seguinte: • Uma máquina de indução com as três fases simétricas e equilibradas, com um único enrolamento rotórico e intervalo constante; 46 Sistema Eólico • O material é linear, ou seja, a saturação do ferro é desprezada; • As perdas no ferro também são negligenciadas; • A permeabilidade magnética do ferro é infinita comparativamente à permeabilidade do ar, o que significa que a densidade do fluxo magnético é radial para o intervalo; • Quer os enrolamentos rotóricos como os estatóricos representam enrolamentos distribuídos, que geram sempre uma distribuição campos magnéticos sinusoidais no intervalo. Todas as hipóteses mencionadas acima guiam-nos para um conjunto de equações que descrevem o comportamento dinâmico da máquina de indução. (vabc s vabc r)="rabc s0 0rabc r#(iabc s iabc r)+∂ ∂t(λabc s λabc r)(3.15) •vabc sé vetor das tensões do enrolamento estatórico; •vabc ré vetor das tensões do enrolamento rotórico; •rabc sé vetor das resistências no enrolamento estatórico; •rabc ré vetor das resistências no enrolamento rotórico; •iabc sé vetor das correntes no enrolamento estatórico; •iabc ré vetor das correntes no enrolamento rotórico; •λabc sé vetor dos fluxos no enrolamento estatórico; •λabc ré vetor dos fluxos no enrolamento rotórico; A relação entre os fluxos e a corrente nos enrolamentos do rotor e do estator é dado pela seguinte expressão: (λabc s λabc r)="Labc ss Labc sr Labc rs Lrr #( iabc s iabc r)(3.16) Onde cada um dos termos representa uma matriz ou vetor tridimensional. 3.4 Modelo matemático do SQIG 47 Figura 3.9: Esquema elétrico da máquina de indução; Fonte: [22] Assim, e de acordo com a figura 3.9, os vetores podem ser descritos da seguinte forma: vs=   vsa vsb vsc   ,vr=   vra vrb vrc   ,is=   isa isb isc   ,ir=   ira irb irc   (3.17) As matrizes das impedâncias são as seguintes: rabc s=   rs0 0 0rs0 0 0 rs   (3.18) rabc r=   rr0 0 0rr0 0 0 rr   (3.19) Labc ss =   Lls +Lss Lsm Lsm Lsm Lls +Lss Lsm Lsm Lsm Lls +Lss   (3.20) 48 Sistema Eólico Labc sr =nLabc rs ot=   cos(θr)cos(θr+2π 3)cos(θr−2π 3) cos(θr−2π 3)cos(θr)cos(θr+2π 3) cos(θr+2π 3)cos(θr−2π 3)) cos(θr)   Lsr (3.21) Labc rr =   Llr +Lrr Lrm Lrm Lrm Lrs +Lrr Lrm Lrm Lrm Lrr +Lrr   (3.22) Em que: •wré o ângulo de orientação do eixo do gerador; •rsé a resistência dos enrolamentos estatóricos; •rré a resistência dos enrolamentos rotóricos; •Lss é a auto-indutância dos enrolamentos estatóricos sem o enrolamento responsável pelo fluxo de perdas; •Lrr é a auto-indutância dos enrolamentos rotóricos sem o enrolamento responsável pelo fluxo de perdas; •Lsm é a indutância de ligação dos enrolamentos do estator; •Lrm é a indutância de ligação dos enrolamentos do rotor; •Lsr é o valor máximo para as indutâncias de ligação entre os enrolamentos do estatóricos e rotóricos; •Lls representa uma indutância dissipativa dos enrolamentos do estator; •Lrs representa uma indutância dissipativa dos enrolamentos do rotor; Segundo a teoria da conversão eletromecânica vem que: Tr=1 2[i]t×δ[L(Θr)] δ(Θr)×[i](3.23) Onde: •Tré o binário do eixo do rotor; •Lθré a matriz das indutâncias de ligação. L(θr) = "Lss Lsr Lrs Lrr # Normalmente as máquinas de indução têm um número de par de polos superior a 1. Teoricamente, isto pode ser entendido como um multiplicador ideal, com uma relação de transmissão (P) 3.5 Cadeia de Conversão Back to Back 49 entre o ângulo mecânico da máquina θre o ângulo elétrico do sistema. Na equação abaixo surge a equação anterior com o P incluido: Tr=P 2[i]t×δ[L(Θr)] δ(Θr)×[i](3.24) • P é o número de pares de polos da máquina. Sem deixar de ter em conta os aspetos gerais, pode-se considerar o número de pares de polos igual a 1. No entanto, pretende-se usar os resultados obtidos em casos de estudo diferentes, ou seja, onde as máquinas consideradas possuem um número superior de pares de polos. A equação 3.24 demonstra a evolução do binário ao longo do tempo, dependendo do valor das correntes que circulam nos enrolamentos do rotor e do estator e também do afastamento (ângulo) entre o enrolamento 1 do estator e o enrolamento 1 do rotor. Desenvolvendo a equação 3.23 é possível chegar à seguinte expressão: Tr=1 2(iabc s iabc r)t ×"0Nsr Nrs 0#×(iabc s iabc r)(3.25) Onde: Nabc sr =nNabc rs ot=   sin(θr)sin(θr+2π 3)sin(θr−2π 3) sin(θr−2π 3)sin(θr)sin(θr+2π 3) sin(θr+2π 3)sin(θr−2π 3)) sin(θr)   (3.26) Da mesma forma, é possível chegar ao valor do binário mecânico produzido pela máquina. É necessário apenas multiplicar a equação 3.25 por P. Logo, vem que: Tm=P 2(iabc s iabc r)t ×"0Nsr Nrs 0#×(iabc s iabc r)(3.27) Este tipo de máquina é conhecido também como gerador de indução em curto-circuito devido ao facto dos enrolamentos rotóricos estarem ligados em CC. (vabc s 0abc)="rabc s0 0rabc r#(iabc s iabc r)+∂ ∂t(λabc s λabc r)(3.28) 3.5 Cadeia de Conversão Back to Back Depois de demonstrado o modelo matemático do SQIG, através do qual podemos descrever o modo de funcionamento do gerador, resta agora demonstrar como é que se executa a parte do controlo associada ao sistema eólico, bem como a ligação deste à rede. Na figura seguinte (3.10) é possível visualizar a constituição de um sistema tipo no seu todo, isto é, a turbina, o gerador eólico (SQIG), o sistema Back to Back e a rede elétrica. 50 Sistema Eólico Figura 3.10: Esquema elétrico do sistema eólico; Fonte: [23] O sistema pode ser dividido em duas partes, sendo a primeira a parte de controlo da geração e a segunda o controlo da ligação à rede. Quer uma parte quer outra são constituida por pontes retificadores formadas por IGBT, que são dispositivos altamente eficiente e que atuam rapidamente. Apesar de serem uma tecnologia relativamente recente, estes dispositivos surgem cada vez mais nas aplicações eletrónicas. Na primeira fase de controlo, a do gerador, atua-se sobre a corrente da fases à saida do gerador e na velocidade de rotação do gerador e na segunda, da rede, atua-se sobre a tensão e a corrente. A tensão aos terminais do condensador, é medida e comparada com a tensão de referência Vre f . A diferença é medida e transmitida a um controlador que produz uma referência de potência ativa (p*). Normalmente considera-se que a tensão de referência tem um valor 35% superior ao valor máximo da tensão na rede. Quando Vdc é superior ao valor de referência, é gerado um sinal positivo de potência (p*) e a energia acumulada no condensador é transmitida para a rede. Sendo assim, para se calcular o valor das correntes de referências nos conversores (IαeIbeta) recorre-se à seguinte matriz: "Iαre f Iβre f #=1 (v2 α+v2 β)×"Vα−Vβ VβV#×"−p∗ −q∗#(3.29) Onde p* e q* são as referências de potência (real e imaginária) e VαeVβsão as tensões no PCC (figura). As correntes de referência são aplicadas no vetor de controlo da corrente. Quer as correntes de referência quer as correntes medidas são transformadas para os eixos dq. Para uma melhor perceção do que foi mencionado, encontra-se abaixo a figura 3.11. 3.5 Cadeia de Conversão Back to Back 51 Figura 3.11: Diagrama de blocos representativo do controlo de tensão/potência; Fonte: [23] A parte de controlo do lado do gerador é baseada no controlo orientado do campo. Neste caso, o campo de referência é campo magnético estatórico cujo seu ângulo é obtido de acordo com métodos indiretos. O objetivo deste processo é ter a turbina eólica a funcionar perto do seu MPP. Para isso é necessário ter conhecimento sobre o modo de funcionamento da turbina, isto é, os pressupostos matemáticos associados à mesma. A potência elétrica produzida por uma turbina é dada pela equação 3.1, já descrita numa secção anterior a esta. Basicamente, a potência mecânica produzida por uma turbina é dada pelo produto da potência elétrica pelo coeficiente de potência (Cp). Pmec =Pelet ×Cp(3.30) Onde: •Pmec é a potência mecânica; •Pelet é a potência elétrica produzida; •Cpé o coeficiente de potência A figura 3.12 mostra a relação entre o Cpe o λ(tip ratio). O ponto máximo dessa curva representa o MPP. O λrepresenta a relação entre da velocidade da pá e a velocidade do vento. 58 Sistema Fotovoltaico Figura 4.2: Sistema FV híbrido isolado da rede; Fonte: [26] ter também dispositivos para seguir o sol. A rede acaba por assumir o papel de bateria de acumuladores infinita, sendo que a ligação da rede elétrica ao sistema FV pode ser feita através de um conversor DC/AC que garante o sincronismo entre a corrente de saída do ondular (alternada) com a da rede. O facto de se recorrer a sistemas FV com a possibilidade de vender à rede prende-se também com a necessidade de se querer tornar o sistema mais viável, funcionando a venda de energia à rede como fonte de rendimento. A título de exemplo, um produtor particular de energia pode vender energia à EDP por 0.65 C/kWh e ao mesmo tempo pode comprar energia à rede por 0.1218 C/kWh. Através destes valores é possível verificar a diferença entre o preço da energia que se vende e aquela que se compra, com clara vantagem para o microprodutor. No entanto, para o acesso a regime bonificado, só se pode instalar até 3.68 kW em módulos fotovoltaicos. No que diz respeito a custos, estes estão principalmente ligados à compra dos módulos fotovoltaicos que constituem o sistema. Quanto aos custos de produção, estes são cada vez mais baixos e a tendência é que continue a baixar. Sendo assim, estes sistemas (ligados à rede) são os mais indicados para locais urbanos de clima quente, onde o custo de produção de 1 kWh num sistema FV é equivalente ao custo de outras formas de produção de eletricidade. Em locais onde a incidência solar não é tão elevada, um sistema deste género não se apresenta como uma solução rentável. Quanto aos sistemas fotovoltaicos residenciais ligados à rede, estes surgem como uma solução com potencial de mercado, isto porque a tendência é para que os custos associados a estes sistemas baixem, tornando esta tecnologia uma forte concorrente no mercado de energia. Na figura 4.3 está representado um sistema FV ligado à rede elétrica. 4.3 "Maximum Power Point Tracker" em Sistemas Fotovoltaicos 59 Figura 4.3: Sistema FV ligado à rede; Fonte: [27] 4.3 "Maximum Power Point Tracker" em Sistemas Fotovoltaicos Como já foi abordado na secção 2.5 neste trabalho, interessa projetar o sistema no seu todo de forma a que este produza sempre a potência máxima possível. Como as condições de exploração deste sistema variam ao longo do dia e também de dia para dia, importa dotar os sistemas de processos que garantam a resposta a essas mesmas variações, de uma forma rápida e eficaz. É nesse contexto que surge o MPPT. Os MPPT’s e os algoritmos que conduzem à procura do MPP podem ser os mais diversos, no entanto, coube a quem fez este trabalho decidir qual o método que melhor respondia às necessidades do sistema. Então, para o sistema FV em causa pensou-se num MPPT que fosse capaz de atuar quando se verificasse uma variação de carga e/ou uma variação das condições das variáveis de entrada no circuito (intensidade luminosa e temperatura ambiente), para além de ter uma implementação relativamente rápida e fácil de entender. O método usado foi o de ”Perturbação e Observação” que consiste em provocar uma anomalia nas condições de funcionamento do sistema e verificar se o MPPT atua de forma a extrair a potência máxima para essas condições. Numa primeira instância importa ter a noção de como é que os sistemas FV reagem a alterações de temperatura ambiente e de irradiância, sendo que para isso se pode observar as figuras abaixo. Em primeiro lugar surgem as curvas I-V para diferentes temperaturas ambientes e irradiância igual a 1000W/m2. 60 Sistema Fotovoltaico Figura 4.4: Curva I-V para T=25◦CeIntluminosa =1000W/m2 Figura 4.5: Curva I-V para T=50◦CeIntluminosa =1000W/m2 Como se pode ver nas figuras 4.4 e4.5, as curvas I-V mudam de aspeto quando se modificam as condições de temperatura. No que diz respeito às curvas P-V (potência-tensão) também é possível visualizar alterações nas ondas quando se provocam as mesmas alterações de temperatura. 4.3 "Maximum Power Point Tracker" em Sistemas Fotovoltaicos 61 Figura 4.6: Curva P-V para T=25◦CeIntluminosa =1000W/m2 Figura 4.7: Curva P-V para T=50◦CeIntluminosa =1000W/m2 O mesmo sucede quando se mantêm as condições de temperatura (por exemplo 25◦C) e se alteram os valores da intensidade luminosa. Nas figuras abaixo pode-se verificar a diferença nas curvas I-V e P-V se se alterar o valor da irradiação de 1000W/m2(figuras 4.4 e4.6) para 1200W/m2 (figuras 4.8 e4.9). 62 Sistema Fotovoltaico Figura 4.8: Curva I-V para T=25◦CeIntluminosa =1200W/m2 Figura 4.9: Curva P-V para T=25◦CeIntluminosa =1200W/m2 É de acordo com as curvas I-V e P-V para umas determinadas características de temperatura e intensidade luminosa que se define o ponto máximo de potência para o sistema, conforme está representado na figura 2.23 na secção 2 deste documento. O MPPT tem como entradas a tensão e a corrente de saída do sistema FV. O método baseia o seu estudo no cálculo da potência do painel e as alterações dessa mesma potência, em intervalos constantes, sendo que o MPPT atua quando "vê"essa perturbação. [28]. O MPPT atua por forma a incrementar ou decrementar a tensão do painel. Se uma perturbação provocar um aumento de potência na saída do painel (acima do que se quer), a seguinte terá o sentido contrário fazendo com que a potência baixe. O modo de funcionamento do MPPT está sob a forma de diagrama na figura 4.10. 4.3 "Maximum Power Point Tracker" em Sistemas Fotovoltaicos 63 Figura 4.10: MPPT do sistema FV projetado - Fonte:[28] Numa primeira instância é medida a potência à saida do painel, sendo que depois se verifica se o ponto de funcionamento se encontra na parte crescente ou descendente da curva de P-V (por exemplo 4.9), isto é, se se está no lado esquerdo do MPP ou do lado direito. Consoante o resultado dessa verificação atua-se na tensão de forma a que o sistema tenda sempre a ir para o ponto de máxima potência, isto é, aumentando ou diminuindo o valor do módulo da tensão. A título de exemplo, imagine-se o sistema da seguinte forma: 64 Sistema Fotovoltaico Figura 4.11: Busca do MPP Para este caso específico, o novo ponto de funcionamento Pkestá mais afastado do MPP do que Pk−1, logo ∆P<0 e Vk−Vk−1<0 . Sendo assim, e com o intuito de se atingir o MPP é necessário atuar na tensão de forma a que se atinja o MPP. Neste caso teria que se aumentar o módulo da tensão (através de um incremento fixo) por forma a aumentar a potência. Os valores de tensão e potência no final de um ciclo do MPPT correspondem aos valores de entrada do ciclo seguinte. Este processo repete-se continuamente e mediante um intervalo de tempo pré definido pelo utilizador, de acordo com a frequência do próprio MPPT. De seguida será ilustrado um exemplo prático do controlo do MPPT desenvolvido neste sistema. Neste caso considerou-se uma variação de uma das entradas, a irradiância, que passa dos 1000W/m2para os 800W/m2após 1 segundo. Figura 4.12: Busca do MPP no projeto estudado Conforme se pode verificar na figura 4.12 o sistema, com recurso ao MPPT, tende a ir buscar o ponto ótimo de funcionamento do mesmo, ou seja, o ponto de funcionamento que corresponde à máxima potência disponível num determinado instante. O sistema MPPT, que usa a tensão 4.4 Conversores Buck 65 do painel FV como variável de controlo começa desde o instante inicial à procura da potência máxima, que no primeiro segundo de simulação corresponde a 2000 W, não chegando a atingir esse mesmo valor pois foi provocada uma alteração de irradiância para o instante t=1 seg. Por isso mesmo, o sistema FV experimenta uma redução de potência máxima possível (teórica), à qual o MPPT é sensível, isto é, a partir de t=1 seg o MPPT busca não os 2000 W mas sim cerca de 1600 W. Por volta dos 1.7 segundos o MPPT atinge então a potência máxima disponível, pondo o sistema FV a funcionar à máxima potência. Por forma a melhorar a busca do MPPT pode-se atuar no ganho do PI ou nos parâmetros de frequência do circuito de controlo. 4.4 Conversores Buck Para controlar um circuito como o fotovoltaico normalmente recorre-se a um de dois esquemas gerais de controlo, sendo eles os conversores booster e os conversores buck. Neste projeto específico optou-se pelo conversor buck, apesar da tendência para o futuro ser o uso de conversoresbooster. No entanto, e dada a fácil compreensão e aplicação do modelo buck, optou-se pela utilização do mesmo. Na figura abaixo pode ver-se uma estrutura tipo de um conversor buck, que serviu de base para o que foi implementado neste trabalho. Figura 4.13: Esquema elétrico de um sistema buck; Fonte: [29] Como se pode ver, o circuito do conversor é constituido por dois switches, sendo eles o MOSFET e o díodo, um condensador e uma bobina. Para além disso, a resistência que surge na imagem representa a carga do sistema, enquanto que oVin representa a tensão de entrada do circuito de controlo, ou seja, a tensão de saida do painel FV. O MOSFET é um díodo em anti-paralelo com um transístor. Conduz quando a tensão entre a gate e fonte é superior à tensão limiar do dispositivo e fica off quando a corrente é nula e a tensão 66 Sistema Fotovoltaico entre a gate e a fonte é inferior à tensão limiar. Quanto ao díodo, este conduz quando a tensão aos terminais é superior à sua tensão limiar, que anda à volta dos 0.7 V. Quer o MOSFET quer o díodo, estão presentes no circuito por forma a garantir que o fluxo de potência se faz no sentido convencional, isto é, da entrada para a saída. No que diz respeito ao condensador e à bobine, estes encontram-se no circuito por forma a armazenar a transmitir energia da entrada para a saída A operação do circuito consiste no seguinte: como já foi dito anteriormente, usa-se a bobine e o condensador como componentes de armazenamento de energia para controlar o trânsito de potência da entrada para saída, abrindo e fechando o switch, que normalmente é um componente eletrónico (MOSFET) que atua em dois estados (ON e OFF). Quando está ON, para um intervalo de tempo α(T), o switch conduz e o díodo fica inversamente polarizado. Isto traduz-se numa tensão positiva VLna bobine, que é igual a Vin −Vout . Esta tensão faz com que haja um aumento linear da corrente IL. Quando o switch passa a estar OFF, a bobine continua a debitar energia durante um intervalo de tempo. Assim, essa corrente flui através do díodo e VL=−Vout durante um intervalo de tempo igual (1−α)T, até que o switch esteja ON de novo. Na figura abaixo surgem as ondas características à entrada e saída do conversor buck do sistema FV, isto é, tensão e corrente à entrada e saída dos conversores, de acordo com o esquema da figura 5.1. Figura 4.14: Ondas de tensão e de corrente obtidas à entrada e saída do conversor buck As linhas a azul corresponde à tensão e corrente à saida do painel, ou seja, à entrada do conversor, sendo que por seu lado as linhas vermelhas dizem respeito à tensão e corrente à saída do conversor. A onda "Vout"tem um valor a rondar os 87 volt, isto porque está "limitada"pela tensão da bateria pois no dimensionamento mesma se considerou uma tensão de referência para as baterias no valor de 80 volt. Por seu lado, a corrente "I3"tem o mesmo comportamento da tensão aos terminais do painel "Vpv", sendo que esta última varia pelos motivos enumerados na secção anterior (MPPT em sistemas FV). 4.5 Dimensionamento de Sistemas FV 67 Por seu lado, a corrente à saída dos painéis "Icell"tem um valor médio na ordem dos 5.5 A, mantendo-se esse valor praticamente constante ao longo da simulação. Este valor está de acordo com o datasheet do produto escolhido a apresentar nos anexos. 4.5 Dimensionamento de Sistemas FV Na figura abaixo pode ser visualizado um sistema FV tipo ligado à rede elétrica. Figura 4.15: Consituição de um sistema fotovoltaico ligado à rede; Fonte: [24] Um pouco à margem do que foi mencionado na secção referente ao dimensionamento de sistemas eólicos, o mais importante para qualquer instação é garantir uma perfeita sintonia entre todos os elementos que constituem o sistema. Num sistema do género e para além dos elementos presentes na figura 4.15, importa ter em atenção outros aspetos essenciais para montar um sistema FV, tais como os reguladores de carga por exemplo. A ligação dos módulos fotovoltaicos é essencial, sendo possível determinar o número máximo de painéis ligados em série. nmax =V(max)inversor Vca(−10◦C)(4.1) Onde: •V(max)inversor é a tensão DC no inversor; •Vca(−10◦C)é tensão em circuito aberto do módulo a −10◦C O número de fileiras também pode ser definido segundo a seguinte expressão: nfileiras <Imax In (4.2) 74 Projeto do Sistema Global (Eólico e FV) Figura 5.5: Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema FV montado, com variação de temperatura e irradiância Apesar de ocorrem duas alterações nas variáveis de entrada em simultâneo o sistema consegue reagir positivamente, obtendo-se o MPP pouco depois do 1º segundo. 5.2.2 Sistema Eólico Quanto ao sistema eólico, este apresenta uma maior dimensão comparativamente com o FV, dada a sua maior complexidade quer do ponto de vista do modelo da turbina e do gerador, quer da parte do controlo do sistema. A figura 5.6 representa o sistema eólico montado em PSIM, modelo que contém o SQIG e toda a parte de controlo do sistema eólico do lado da geração e da rede, para além do modelo turbina eólica. 5.2 Modelo PSIM e Resultados 75 Figura 5.6: Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Eólico Este sistema tem na turbina a sua fonte de energia. A turbina aproveita a energia cinética dos ventos aproveitando-a para produzir energia. Tem como variáveis de entrada a velocidade do vento em m/s e o bladepitch (inclinação das pás do rotor) em graus. Abaixo e como forma de teste ao modo de funcionamento do sistema, são mostradas as curvas de binário motor ("BinarioMotor"), velocidade de rotação da turbina ("Vrotacao") e a potência à saída do sistema eólico ("PsaidaSistema"). Considera-se uma turbina com potência nominal de 15 kW e para uma velocidade nominal do vento de 12 m/s. Figura 5.7: Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado Analisando a figura acima, verifica-se que para o instante temporal t≈0.2 seg o sistema está a receber potência da rede, sendo que nesse instante o binário desenvolvido pela máquina é negativo. 76 Projeto do Sistema Global (Eólico e FV) Após se atingir a estabilidade em termos de potência, verifica-se que o binário motor e a velocidade de rotação também estabilizam, como é de esperar, visto que: Psist =Tsist ×Vsist (5.1) Onde Psist é a potência de um sistema, Tsist é o binário do sistema e Vsist é a velocidade de rotação do sistema em causa. No caso de se alterar apenas o ângulo de inclinação das pás (bladepitch), mantendo os restantes parâmetros conforme o caso anterior, as formas de ondas obtidas para o sistema eólico foram as seguintes: Figura 5.8: Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado com bladepitch igual a 10 graus Passando o valor da inclinação das pás de 0 para 10 graus, verifica-se que a potência à saída do sistema diminui. Por seu lado e como era de esperar, a potência e o binário também diminuem. Isto explica-se pelo facto do bladepitch ter influência direta na forma de como se aproveita a energia do vento. Em certas instalações e quando o vento está demasiado forte, recorre-se aos mecanismos que ajustam a inclinação das pás por forma a que a turbina não aproveite a força dos ventos e como tal a potência tenda para o valor nula. Assim como já foi explicado no capítulo 3 na secção referente às ações aerodinâmicas, a inclinação das pás tem influência na força que estas sofrem, assim como a potência à saída do sistema eólico. A inclinação ótima para as pás depende da direção do vento, sendo que atualmente exitem mecanismos que controlam o ajuste das pás tendo em conta a direção e velocidade do vento, de forma automática. Ao assumir que o BP é zero, está-se a assumir que o sistema eólico não está dependente das variações de força aplicadas às pás, estando assim o seu modo de funcionamento dependente apenas da velocidade do vento. Outro cenário passível de ser verificar na realidade é um decréscimo da velocidade da velocidade do vento para um dado instante. Neste caso testar-se-á a reação do sistema eólico à variação 5.2 Modelo PSIM e Resultados 77 da velocidade do vento de 12 m/s para os 10 m/s. O cenário esperado é que a potência à saída baixe, de acordo com aquilo que já foi mencionado ao longo do documento. Na figura abaixo surge a figura representativa do sistema nessa situação. Figura 5.9: Curvas obtidas no modelo PSIM para o sistema eólico montado Comparando a imagem acima com a figura 5.7, verifica-se que a potência à saída do sistema é menor isto porque o sistema experimenta uma redução de velocidade do vento dos 12 para os 10 m/s, aos 0.5 segundos. No entanto, em termos de estabilidade o sistema continua a reagir de forma estável. 5.2.3 Sistema Geral O sistema no seu todo não é nada mais que o aglomerado dos dois subsistemas anteriormente representados. De notar que a bateria do sistema, considerada na figura 5.1 encontra-se incluida também no sistema global como não poderia deixar de ser. Passamos então à representação do sistema no teu todo, presente na figura 5.10. 78 Projeto do Sistema Global (Eólico e FV) Figura 5.10: Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Geral De seguida será demonstrada a resposta do sistema geral apresentado em termos de potência à saída do próprio sistema, que é o que efetivamente interessa ao produtor. O valor de potência do sistema geral é obtido tendo em conta uma irradiância de 1000W/m2, temperatura de 25◦C, velocidade do vento a 12 m/s e bladepitch igual a zero, visto que estas são variáveis do sistema geral montado. Esses valores para as variáveis de entrada são os valores nominais, ou seja, de acordo com os datasheet são estes os valores de base para os sistemas. Figura 5.11: Curva de potência obtido para o Sistema Geral montado Conforme se pode verificar pela figura 5.11, o sistema apresenta estabilidade do ponto de vista de potência à saida, o que vem em contra daquilo que é pretendido. O valor da potência tende para os 12 kW ao longo do tempo, valor esse que resulta essencialmente da soma dos 10 kW do sistema eólico representado anteriormente mais os 2 kW do sistema FV. 5.2 Modelo PSIM e Resultados 79 Outro assunto que se pode testar é se o sistema reage bem a uma variação de carga. Sendo assim, na figura abaixo está ilustrado o comportamento do sistema geral à inclusão de uma carga, que é colocada em paralelo com a bateria já presente no circuito, conforme está ilustrado na fig 5.13. Figura 5.12: Curva de potência obtido para o Sistema Geral montado com carga incluida Comparando as duas figuras anteriores percebe-se que o facto de incluir uma carga no sistema em nada altera o comportamento deste, mantendo o valor da potência à saída na mesma gama de valores nas duas simulações. Figura 5.13: Esquema de simulação em PSIM para o Sistema Geral com carga em paralelo com a bateria 80 Projeto do Sistema Global (Eólico e FV) 5.3 Previsões 5.3.1 Previsão do consumo da moradia Quando se procura dimensionar um sistema produtor tem que se ter em conta as necessidades de consumo que terão que ser satisfeitas. Neste caso os consumos dizem respeito a uma moradia unifamiliar cujo diagrama de cargas está representado mais abaixo. Importa referir que este diagrama surge apenas como um exemplo para este projeto, uma vez que os consumos variam de habitação para habitação. Consoante os consumos da habitação, pensou-se num sistema produtor, eólico e FV no caso, capaz de produzir energia por forma a alimentar a habitação para qualquer cenário de produção (muita/pouca energia solar ou eólica produzida num determinado momento) e também com a possibilidade de vender energia à rede elétrica. A venda de energia surge como um fator determinante na projeção deste trabalho, uma vez que o torna mais viável do ponto de vista económico. No seguimento do que vem sendo falado surge na figura abaixo uma representação do diagrama de cargas considerado para a moradia, baseado em cálculos efetuados para os dados da tabela 5.1 e de acordo com um cenário pensado para um dia normal de Verão. Figura 5.14: Diagrama de cargas diário da moradia 5.3 Previsões 81 Tabela 5.1: Tabela que serviu de base à construção do diagrama de cargas diário Componentes Quantidade Consumo energético (Potência média em W) Lâmpadas 25 5 Placas 1 2500 Forno 1 1300 Frigorifico 1 80 Arca 1 200 TV 2 100 Rádio 1 15 Computador 2 150 Micro-ondas 1 1000 Exaustores 1 150 Máquina de lavar louça 1 1500 Máquina de lavar roupa 1 1800 Ferro elétrico 1 1000 Torradeira 1 800 Como se pode ver pela figura 5.14, o pico de potência ronda os 5000 W para um instante temporal à volta das 21h00. Como será possível perceber mais à frente (secção 6.3) e de acordo com aquilo que já foi mencionado, o sistema produtor projetado tem a capacidade de produzir instantaneamente uma potência bastante superior ao pico da carga, no entanto, essa potência apenas será produzida segundo condições de vento e sol ideais. 5.3.2 Previsões de produção eólica A previsão de produção pode ter um papel importante quando se pretende dimensionar um sistema produtor renovável. Ao contrário do que sucede com as fontes de energia convencionais, as fontes produtoras que recorrem às energias renováveis dependem diretamente da disponibilidade do recurso em cada momento. É com esse intuito que se recorrem a modelos de previsão, para poder estimar a produção dos sistemas mediante determinadas condições que se verifiquem numa dada altura, neste caso de vento e sol. Neste trabalho o modelo de previsão estudado foi a rede neuronal, que é um método bastante rápido e que nos permite obter bons resultados das previsões. No entanto, foi apenas testada a previsão de energia eólica dada a disponibilidade limitada de dados, sendo que para o caso da previsão de potência FV produzida o processo é em tudo semelhante ao da eólica, alterando obviamente as variáveis de entrada da RN. Quanto maior for a quantidade de dados que se possui e menor for a variação dos valores ao longo do tempo, maior será a precisão das previsões associadas à RN. Neste caso, os dados "treinados"dizem respeito ao mês de Fevereiro de 2005 para um determinado local. Dentro das variáveis de estado presentes nesses dados históricos, escolheu-se a velocidade do vento e a direção do vento, que funcionaram como inputs da RN. 82 Projeto do Sistema Global (Eólico e FV) As redes neuronais são usadas normalmente quando se possui uma vasta gama de dados sobre um acontecimento, em que se conhece os inputs e os outputs, mas não se conhece a relação entre a entrada e a saída da própria rede. Então, o que a rede neuronal faz é estabelecer uma relação entre os inputs e os targets. Depois de estabelecida essa relação, pode-se testar a rede neuronal, colocando valores de inputs e a rede devolve a sua previsão. Basicamente o modelo das redes neuronais é constituido por uma camada de inputs (entradas), conjunto de neurónios e os outputs (camada de saída). Podem ser constituidos por uma camada de neurónios, ou várias. As redes neuronais podem ser de dois tipos, as unidirecionais (feedforward) e as recorrentes (feedback). O tipo mais utilizado são as unidirecionais, onde não ocorre realimentação, funcionando assim de forma progressiva a rede. Outro processo importante nas RN é o treino, que consiste na descoberta dos pesos da função de transferência, ou seja, os parâmetros que interligam as entradas e as saídas da rede neuronal. Recorreu-se ao MATLAB para simular a rede neuronal, de acordo com dados adquiridos sobre velocidade e direção do vento num local e potência eólica efetivamente produzida nessse local. Figura 5.15: Esquema da rede neuronal para previsão de Energia Eólica num local Na figura seguinte é ilustrado o resultado das previsões de energia eólica para alguns instantes "n"ao longo do tempo "t". No entanto estes dados dizem respeito a uma amostra muito curta, sendo que se a amostra fosse maior a qualidade da previsão também tenderia a ser melhor. Figura 5.16: Comparação entre a produção efetiva e as previsões 5.4 Cálculo das Baterias 83 De acordo com a imagem acima é possível ver a proximidade dos dados referentes à produção efetiva num local e os dados da previsão obtidos através da implementação de uma rede neuronal em MATLAB. Os dados das previsões, apesar de estarem com valores próximos poderiam estar mais próximos caso a amostra fosse maior. Nesta secção pretende-se apenas demonstrar a utilidade associada às redes neuronais, neste caso concreto para sistemas eólicos. Este conjunto de mecanismos pode ser utilizado noutras áreas, sendo que o interesse desta explicação consiste em mostrar em que medida é que as previsões de produção, nomeadamente através das RN, são uma ferramenta bastante útil para a projeção de sistemas renováveis idênticos àquele foi abordado ao longo deste documento. 5.4 Cálculo das Baterias Nesta secção mostra-se como se dimensionaram as baterias para o sistema, baterias essas que terão de ser capazes de armazenar energia para o sistema e fornecer a mesma em condições ideais. Na figura 5.17 surge representado o sistema de baterias: Figura 5.17: Bateria para o sistema em causa Dimensionamento dos condensadores C1 e C2 Considerou-se que as baterias apresentam uma gama de tensões entre os 3.2 V e os 3.7 V, ou seja, com valor médio de 3.45 V, ao que corresponde uma corrente com valor igual a 10 Ah. Se se pretender ter uma tensão de 300 V na bateria serão necessários n elementos, dados pela seguinte equação: nelementos =Vreq Vbateria =300 3.45 ≈87 (5.2) Tendo em conta que a fórmula geral para o cálculo da energia (E) é: E=U×I×∆T(5.3) Onde: 90 REFERÊNCIAS [18] Powersim Inc. Psim® user’s guide. páginas 105–107, 2011. [19] Mark Hankins. Stand-alone Solar Electric Systems: The Earthscan Expert Handbook for Planning, Design and Installation. Earthscan, 2010. [20] Gabriel Tibola. "sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com rastreamento de máxima potência". 2009. [21] M Ragheb. Control of wind turbines. 2009. [22] Jose Luis Dominguez Garcia. "modeling and control of squirrel cage induction generator with full power converter applied to windmills". 2011. [23] J. C. Ferreira, I. R. Machado, E. H. Watanabe, e L. G. B. Rolim. Wind power system based on squirrel cage induction generator. Em Power Electronics Conference (COBEP), 2011 Brazilian, páginas 943–948. doi:10.1109/COBEP.2011.6085309. [24] Francisco José Abrunhosa Dias. "soluções técnicas para o projecto de edifícios de habitação incorporando produção própria de energia". Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Porto-Portugal, 2009. [25] "energias renováveis". Web, June 2014. URL: http://www.brigansol.pt/. [26] "ebah - a rede social para o compartilhamento acadêmico". Web, June 2014. URL: http: //www.ebah.com.br/. [27] Efacec. Web, June 2014. URL: http://www.efacec.pt/. [28] J. J. Nedumgatt, K. B. Jayakrishnan, S. Umashankar, D. Vijayakumar, e D. P. Kothari. Perturb and observe mppt algorithm for solar pv systems-modeling and simulation. Em India Conference (INDICON), 2011 Annual IEEE, páginas 1–6. doi:10.1109/INDCON.2011.6139513. [29] S Mouhadjer, A Chermitti, e A Neçaibia. Comprehensive and field study to design a buck converter for photovoltaic systems. Revue des Energies Renouvelables, 15(2):321–330, 2012. [30] "bp global". Web, June 2014. URL: http://www.bp.com/. [31] "history of wind energy". Web, June 2014. URL: http://energy.gov/eere/wind/ history-wind-energy. [32] "portal das energias renováveis". Web, June 2014. URL: http://www. energiasrenovaveis.com/. [33] William Grylls Adams e RE Day. "the action of light on selenium". Proceedings of the Royal Society of London, 25(171-178):113–117, 1876. [34] Antônio M Vallêra e Miguel Centeno Brito. "meio século de história fotovoltaica". Gazeta da física, 29, 2008. [35] J Alves. "requisitos para certificação pv". Master, Departamento de Engenharia Electrotécnica e Computadores, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, 2010. REFERÊNCIAS 91 [36] Filipe Fernandes dos Santos. "utilização de energia fotovoltaica para a eficiência energética de uma moradia". 2010. [37] B. C. Babu, S. Sriharsha, A. Kumar, N. Saroagi, e S. R. Samantaray. 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Geração de energia a partir de fonte eólica com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo. Thesis, 2004. [44] Marcello Monticelli Pereira. Um estudo do aerogerador de velocidade variável e sua aplicação para fornecimento de potência elétrica constante. Universidade Federal de Juiz de Fora. Juiz de Fora, páginas 46–50, 2004. 92 REFERÊNCIAS Anexo A Datasheets Nestes anexos serão ilustrados os dois datasheets, o primeiro para os painéis FV e o segundo para a turbina eólica. A.1 Datasheet do painel FV usado Figura A.1: Características do painel FV usado Os dados que serviram de referência para a parametrização dos paineis foram os que se encontram na coluna mais à direita da figura acima, ou seja para uma potência de 200 W por painel. 93 94 Datasheets A.2 Datasheet da turbina usada Figura A.2: Características da turbina eólica usada Anexo B PSIM B.1 Modelo do painel FV Nesta secção pretende-se mostrar como é constituido o modelo do painel FV em PSIM, apresentando-se em primeiro lugar o modelo fisico do painel, sendo que depois surge o modelo onde se efetua a parametrização do próprio painel. Figura B.1: Modelo do painel FV em PSIM Na figura acima verifica-se a existência de 3 nós associados aos painéis FV. O nó de entrada "S"refere-se à intensidade luminosa (W/m2), o nó "T"à temperatura ambiente (em graus) e o nó situado no ponto mais alto do módulo diz respeito à potência máxima que o painel deveria depositar teoricamente. 95 96 PSIM Figura B.2: Parametrização do painel FV Olhando para a figura acima, visualiza-se o módulo FV em PSIM, onde se efetua a parametrização dos paineis FV de acordo com os datasheet. B.2 Modelo da turbina eólica Nesta secção pretende-se mostrar como é constituido o modelo da turbina eólica em PSIM, apresentando-se em primeiro lugar o modelo fisico da turbina, sendo que depois surge o modelo onde se efetua a parametrização da própria turbina. Figura B.3: Modelo da turbina eólica em PSIM A figura acima diz respeito ao modelo da turbina eólica, onde é possível verificar a existência de 2 nós de entrada. O nó "w"diz respeito à velocidade do vento em m/s e o nó "p"representa o valor de entrada para o blade pitch em graus. B.2 Modelo da turbina eólica 97 Figura B.4: Parametrização da turbina No módulo acima faz-se a parametrização da turbina eólica em PSIM, de acordo com os dados do datasheet.