Radiative Transfer in Regions of Vegetation

A seleção da estratégia de operação mais adequada a ser aplicada em um SHGE é tarefa bastante complexa, principalmente em função das diversas possibilidades de configurações de sistemas, tipos de fontes primárias e de sistemas de armazenamento de energia, disponibilidade de dados, dentre outros fatores.

Uma configuração geral de um SHGE é apresentada na Figura 2.1, contando com uma ou mais fontes primárias renováveis, uma ou mais fontes primárias não renováveis, um ou mais sistemas de armazenamento de energia, sistemas de condicionamento de potência, e cargas. Os tipos de configuração do sistema com relação ao barramento de acoplamento (c.a., c.c. ou misto), definidos no Capítulo 1, não são considerados nesta primeira abordagem.

Figura 2.1. Configuração geral de um SHGE.

Fonte: Elaboração própria.

As fontes renováveis mais comumente utilizadas são a solar FV e a eólica, de características intermitentes, ou baseadas em biomassa, com características despacháveis, como os biocombustíveis, por exemplo. Nestes casos, a fonte renovável pode, inclusive, substituir a não renovável, que em geral é caracterizada por um grupo moto-gerador a combustível, daqui em diante chamado simplesmente de grupo gerador. Os sistemas de armazenamento típicos são os acumuladores eletroquímicos, ou baterias, e os sistemas baseados em hidrogênio, caso das células a combustível. Os sistemas de condicionamento de potência são em geral compostos por conversores estáticos de potência, como os conversores c.c.-c.c., os retificadores e os inversores. Por fim, as cargas podem ser divididas em cargas usuais e cargas atendidas somente quando há excesso de energia gerada e os sistemas de armazenamento encontram-se em seus estados plenos de carga (dump loads).

Dois tipos de estratégias de controle são consideradas em SHGEs (BARLEY, 1996):  Controle dinâmico, que avalia questões de estabilidade de tensão e frequência em escala de poucos segundos ou frações de segundos, com base em modelos dinâmicos;

 Controle de despacho, que avalia questões de fluxo de energia em escala de minutos a horas, com base em modelos de desempenho energético. Envolve avaliações de longo prazo, como as que fazem uso de séries temporais, bem aplicadas, por exemplo, a estudos econômicos de custo de ciclo de vida.

O presente trabalho concentra-se no estudo do segundo tipo de controle, o de despacho. As estratégias de operação de sistemas híbridos são muitas vezes chamadas na literatura de estratégias de despacho ou estratégias de gerenciamento de carga.

Antes de definir os tipos de estratégias de operação de SHGEs existentes, o primeiro passo é conhecer os principais objetivos de uma correta estratégia de operação, que são (BAJPAI; DASH, 2012):

 A utilização preferencial e de forma otimizada da energia proveniente das fontes renováveis;

 A minimização dos custos de ciclo de vida do sistema;

 O controle do estado de carga de sistemas de armazenamento;

 O controle do número de paradas e partidas e de horas de operação de grupos geradores; e

 A minimização do impacto causado pelo uso de combustíveis fósseis (custo, transporte e emissões).

A maioria das estratégias de controle aplicadas a SHGEs é associada a um termo aqui denominado de “energia não suprida”, ENS, que é a diferença entre a energia demandada pela

carga, ED, e a energia gerada pelas fontes renováveis, EREN (GUPTA; SAINI; SHARMA,

2011), na forma apresentada pela equação (2.1).

= − (2.1)

O valor de ENS, associado a outras variáveis, principalmente relacionadas ao estado de

carga do banco de baterias e à operação do grupo gerador, é fundamental para determinar que tipo de estratégia será utilizada em cada intervalo de tempo. Considera-se que ambos os valores da equação (2.1) são medidos no lado c.a., ou seja, no termo referente à energia gerada pelas fontes renováveis deve-se considerar a eficiência do processo de conversão c.c.- c.a.

Abaixo são apresentadas alguns tipos de estratégias, algumas bastante discutidas na literatura (BAGEN; BILLINTON, 2005; BARLEY, 1996; BLASQUES, 2005; GUPTA; SAINI; SHARMA, 2011; HAUSCHILD, 2006; PINHO et al., 2008) e outras com contribuições do presente estudo. A lista não tem como objetivo ser extensa e abranger todas as possibilidades, mas sim indicar aquelas estratégias mais comumente aplicadas e que podem ser mais adequadas ao modelo proposto no próximo item.

(1) Operação contínua do grupo gerador: neste caso, os sistemas de armazenamento não são utilizados para atender continuamente a carga, mas somente para manter a estabilidade do sistema. O grupo gerador opera de forma contínua, e nunca alimenta o sistema de armazenamento. A geração renovável complementa a geração proveniente do grupo gerador e, quando ENS é negativo, alimenta paralelamente o sistema de armazenamento de

energia.

(2) Operação descontínua do grupo gerador, com atendimento somente à carga: as fontes renováveis e o sistema de armazenamento atendem prioritariamente à carga enquanto ENSé negativo e há capacidade suficiente de armazenamento. Quando as condições anteriores

não são satisfeitas simultaneamente, o grupo gerador é acionado e opera seguindo a carga, sem alimentar o sistema de armazenamento.

(3) Operação descontínua do grupo gerador em plena carga, com atendimento ao sistema de armazenamento: as fontes renováveis e o sistema de armazenamento atendem prioritariamente a carga enquanto ENS é negativo e há capacidade suficiente de

armazenamento. Quando as condições anteriores não são satisfeitas simultaneamente, o grupo gerador entra em operação para atender a carga e alimentar o sistema de armazenamento. A potência entregue ao sistema de armazenamento é a diferença entre a potência solicitada pela carga e a potência nominal do grupo gerador, fazendo com que o mesmo opere sempre a plena carga ou o mais próximo possível disso. O grupo gerador permanece em operação até que o nível de carga do sistema de armazenamento esteja pleno, ou que as fontes renováveis sejam capazes de atender a carga.

(4) Operação descontínua do grupo gerador em plena carga, com período mínimo de operação: neste caso, o grupo gerador, ao ser acionado pelos critérios de ENS e capacidade de

armazenamento mencionados nos casos anteriores, opera em plena carga atendendo a carga e alimentando o sistema de armazenamento. Para evitar partidas e paradas frequentes, um período mínimo de operação para o grupo gerador é especificado.

(5) Operação descontínua do grupo gerador, com atendimento somente à carga e acionamento via potência crítica: esta é uma variação da estratégia anterior, seguindo as mesmas premissas; porém, aqui o grupo gerador pode ser acionado não somente pela análise de ENS e da capacidade de armazenamento, mas também pela diferença entre a potência

instantânea demandada pela carga e a potência instantânea injetada pelas fontes renováveis. Quando esta diferença, denominada de potência crítica, excede um valor calculado, determinado pela relação entre o custo de energia do sistema de armazenamento e o custo de

operação do grupo gerador, o grupo gerador é acionado independentemente dos valores de ENS e da capacidade de armazenamento, sendo desligado somente quando o critério de

potência crítica não for mais verificado.

(6) Operação descontínua do grupo gerador, acionado via potência crítica e operando em ponto otimizado de carregamento, com atendimento ao sistema de armazenamento: semelhante ao caso anterior; porém, aqui o grupo gerador não opera prioritariamente em plena carga, mas sim em um ponto de carregamento ótimo que resulte em menores custos de vida útil do sistema, relacionados ao custo de energia do sistema de armazenamento e ao custo de operação do grupo gerador.

Cada uma das estratégias anteriormente descritas apresenta particularidades que as tornam mais adequadas para cada situação. Apresentam, também, aspectos positivos e negativos, que podem auxiliar o projetista a escolher aquela que melhor se aplica ao seu sistema.

A estratégia (1) é melhor aplicada a sistemas de maior porte, em configuração com acoplamento no barramento c.a. O grupo gerador garante o atendimento ininterrupto e o sistema renovável complementa a geração. Em geral, esta estratégia está associada a sistemas de armazenamento de menor porte e à presença de mais de um grupo gerador. Sua principal desvantagem reside no fato do sistema apresentar maior dependência do grupo gerador, o que eleva os custos operacionais e os impactos ambientais.

A estratégia (2) foi a principal adotada nos primeiros SHGEs instalados no Brasil. É bastante simples, porém apresenta como principal desvantagem o fato do grupo gerador operar, eventualmente, distante de seu ponto ótimo de carregamento, em condições de baixa demanda da carga. Também pode gerar custos operacionais elevados, em função dos maiores tempos de operação do grupo gerador em longos períodos de escassez do recurso renovável.

As estratégias (3), (4), (5) e (6) são semelhantes, sendo todas elas variações de uma estratégia considerada atualmente como clássica: o grupo gerador, quando acionado, atende a carga e alimenta o sistema de armazenamento. As diferenças estão nos critérios adotados para o acionamento e para o desligamento do grupo gerador. Na (3) ele é acionado somente pelos critérios de ENS e capacidade de armazenamento e na (4) é utilizado para o desligamento o

critério do período mínimo de operação, para evitar partidas frequentes. A estratégia (5) considera também um valor de potência crítica da carga, acima do qual é mais viável acionar

o grupo gerador para atender a carga, mesmo em situações onde o sistema de armazenamento encontra-se com estado pleno de carga, para maximizar a vida útil das baterias.

Por fim, a estratégia (6), proposta pelo presente trabalho, alia à estratégia (5) uma metodologia de cálculo que visa identificar o ponto ótimo de carregamento do grupo gerador, através da relação entre os custos de energia do sistema de armazenamento e o custo de operação do grupo gerador. Esta proposta caracteriza-se como a principal contribuição do presente capítulo, e busca diferenciar-se de métodos tradicionais de operação do grupo gerador em SHGEs, em que ele alimenta o banco de baterias com a máxima potência disponível, sempre que é posto em operação para atender a carga. Resultados de estudos com a estratégia proposta indicam que, em determinados casos, pode ser mais economicamente viável que o grupo gerador não alimente o banco de baterias, mesmo quando em operação para atender a carga.