A última etapa do processo deste projeto visa decidir a necessidade da ativação do gerador a diesel da empresa Grupel, acoplado a este sistema híbrido de energia. Após o tratamento de dados (adquiridos pelos vários analisadores de energia), o algoritmo anteriormente referido, será suficientemente capaz de decidir se será útil adicionar a produção de energia proveniente do gerador, aos restantes sistemas de produção de energia renovável.
Assim sendo, é fundamental criar um algoritmo que permita a ativação/desativação do gerador. A eficácia dessa ação está dependente da energia produzida pelos sistemas existentes e pelo estado de carregamento do conjunto de baterias. Deste modo, é imprescindível que haja uma constante comparação entre os valores de produção e armazenamento de energia com aquela que está a ser consumida. Se o resultado for positivo, o sistema funciona normalmente com simples recurso ás energias renováveis. No cenário em que a comparação seja negativa, o microcontrolador é “alertado” e dá ordem de ativação ao controlador “DSE 7320” [43], através do protocolo de comunicação RS-485, acoplado ao gerador. A figura 73 demonstra as várias etapas do processo de ativação do gerador.
3.8 Monitorização
3.8.1 Web page
Uma das vertentes essenciais deste tipo de projetos é a monitorização do funcionamento do sistema e em tempo real. Normalmente os sistemas de controlo de máquinas elétricas estão situados no mesmo local físico das mesmas. Neste caso em
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concreto também poderia ter sido feito, recorrendo a softwares como o Movicon. Contudo a opção recaiu por uma página web em HTML e PHP, (recorrendo a programação em MySql para obter a informação da base de dados) com o intuito de esta poder ser visualizada remotamente pelo operador.
A figura 74 evidencia o aspeto gráfico da página web. Esta possui um layout simples, mas extremamente prático. Sobre o lado esquerdo é possível observar a potência que os sistemas de energia estão a produzir. De seguida e de grande importância, é evidenciado qual potência consumida pela carga. O dado seguinte mostra qual o estado do gerador, se ligado ou desligado.
Figura 75 - Webpage do sistema
Por último, sobre o lado direito está a imagem de um gráfico. Clicando nessa opção é executada uma hiperligação para uma página web que é composta por um gráfico “Highchart” contendo o histórico de toda a informação relativa ao comportamento/funcionamento do sistema em tempo real, uma vez que estará em permanente atualização.
A figura 75 evidencia o aspeto gráfico da informação relativa aos dados reais retirados da simulação com o software Homer.
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Figura 76 - Gráfico de funcionamento do sistema
A figura 76 evidencia o aspeto gráfico da informação relativa aos dados provenientes do algoritmo php programado.
Figura 77 - Gráfico de funcionamento do sistema
Ao executarmos o processo de comparação entre as duas imagens, verificou-se que existe um elevado grau de analogia entre ambas. Não obstante, é notória uma ou incoerência no gráfico. Tal se deve, ao facto de na simulação ser incorporado um parâmetro (recorrer à rede elétrica pública), que foi desprezado (de um modo
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consentido), na elaboração do algoritmo deste projeto. Daí que em certos momentos, o Gerador numa imagem está a funcionar e na outra não.
69
Capítulo 4
4 Conclusões
O objetivo principal do trabalho apresentado, consistiu no desenvolvimento de um algoritmo de controlo para um sistema híbrido, acoplando vários tipos de produção de energia de fonte renovável (solar e eólica) e não renovável (gerador a diesel).
Após o término do trabalho de dissertação é possível concluir que o objetivo foi atingido com sucesso no que ao hardware e software diz respeito. Contudo, no desenvolvimento das várias etapas, surgiram várias dificuldades que tiveram de ser superadas. Nomeadamente na interação com hardware, neste caso com o analisador de energia. Foi um processo demorado até haver consistência na leitura dos dados captados e posteriormente alocados na base de dados.
Um dos aspetos também a revelar é a opção pela decisão do algoritmo de machine learning, “K Nearest Neighbors”. Após uma análise dos vários tipos existentes para este efeito, conclui-se que este seria o mais adequado, uma vez que não requer um base de dados de larga dimensão.
Porém, caso o sistema seja tido em conta como algo que possa ser comercial, terá que surgir novo “update”, por forma a que o algoritmo seja alterado e adaptado às condições contingentes face aos dados captados e introduzidos no sistema.
71
Capítulo 5
5 Trabalho futuro
No seguimento do trabalho desenvolvido nesta dissertação, são apresentadas algumas propostas para trabalhos futuros por forma a dar continuidade à evolução deste projeto.
Assim sendo, um dos aspetos fulcrais a melhorar é a aquisição de dados reais dos vários sistemas de produção de energia. Só assim estaremos cientes da informação proveniente deles.
Outro aspeto fundamental é tentar captar o máximo de informação possível, e por sua vez, adaptar o melhor algoritmo de machine learning face a essas premissas, por forma a obter a melhor performance do sistema.
Por último, e apesar da monitorização ser feita através do acesso à página web, poderia ser oportuno desenvolver uma aplicação de telemóvel, com o “layout” minimalista, otimizando a sua visualização.
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Anexos
Software de simulação Homer
Contexto
Na realização de um estudo acerca da viabilidade de utilização de energias renováveis, em unidades de produção de energia elétrica de um sistema híbrido, será utilizado o software de simulação designado por “HOMER”. O sistema será composto através do recurso da energia solar, eólica, do banco de baterias e de um gerador a Diesel como forma de abastecimento de energia a uma torre de telecomunicações.
Este tipo de infraestruturas, geralmente, encontra-se em zonas isoladas, onde a rede elétrica não existe ou então não apresenta as melhores condições. Por esta razão, a simulação terá de imitar as condições observadas neste tipo de locais. Com esse fim, foi necessário recolher informação acerca dos detalhes técnicos e económicos dos componentes [44] .
Software
O Hybrid Optimization Model for Electric Renewables denominado por “HOMER“, surgiu com a finalidade de dimensionar sistemas de energia. Tem a possibilidade de acoplar quatro recursos renováveis para simulação, sendo eles: solar, eólico, hídrico e biomassa. No entanto existe a possibilidade de incorporar geradores a Diesel e/ou a própria rede elétrica, permitindo realizar diferentes conjugações de sistemas híbridos.
O software utiliza parâmetros de entradas, “inputs”, referidos em cima, processa toda essa informação de modo a obter um conjunto de resultados, “outputs”, ordenados consoante o custo atual líquido do sistema (NPC).
A figura 77 representa em termos gerais o modo de funcionamento do Homer.
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Inputs
Os parâmetros de entrada do HOMER designam-se por “inputs”. Estes são de extrema qualidade porque influenciam na fiabilidade dos resultados da simulação.
Desta forma, importa diferenciá-los, explicando-os:
Carga do sistema – É a Carga total a que o sistema está sujeito e que terá de suportar. Os dados introduzidos no software são sob a forma de perfil de carga num determinado horário, tratando o HOMER de em seguida fazer uma variação para o perfil anual, figura 78.
Figura 79 - Carga aplicada no Homer
Recursos – Os dados inseridos referem o recurso solar registado mensalmente naquele local durante um ano, tal como é possível observar na figura 79. O HOMER, apesar de não possuir uma base de dados própria, é possível obter os recursos solares através da pesquisa das coordenadas da longitude e latitude no site da “NASA Surface Meteorology and Solar Energy" [45].
Figura 80 - Painel de recurso solar no Homer
Emissões - Pode ser diferenciado em duas partes. A primeira passa por penalizações que serão aplicadas caso as emissões do nosso sistema ultrapassem certos valores máximos permitidos. A segunda, por outro lado, passa por limitar os valores máximos permitidos de emissões. Quando atingidos esses limites, o gerador fica impossibilitado de atuar.
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Restrições - São as condições a que o nosso sistema deve obedecer de forma a ser considerado viável.
Controlo do sistema - Refere-se ao modo como o nosso gerador e/ou grupo de baterias se irá comportar durante a simulação. O HOMER permite dois tipos de análise, o primeiro, "load following", no qual o gerador produz apenas a energia suficiente para fazer face à carga necessária. O segundo, "cycle charging", define que o gerador sempre que for necessário irá trabalhar a máxima carga, carregando o banco de baterias até uma capacidade determinada pelo utilizador;
Tarifas – Está relacionado com os custos associados à energia da rede elétrica, bem como a compra de combustível.
Outputs
Os resultados finais, por seu lado, aparecem numa tabela ordenados pelo menor custo de energia, tal como é possível observar na figura 80. Os “outputs” possíveis de retirar são diversos e dão informações importantes.
Figura 81 - Resultados no Homer
Dimensionamento otimizado - Apresenta todas as soluções viáveis para o sistema, ordenadas pelo custo de energia. O software dá também informação da composição do sistema ideal, bem como que dimensões os mesmos possuem. Caso seja feita uma análise de sensibilidade, os resultados aparecerão organizados e agrupados por cada caso de análise;
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Custo atual líquido (NPC) - O custo atual líquido de um sistema é o valor atualizado de todos os gastos sobre os quais o sistema incorre ao longo do seu tempo de vida, menos o valor atualizado de todos os lucros obtidos a partir do sistema ao longo do seu tempo de vida. Os gastos podem incluir custos de aquisição e substituição, custos de operação e manutenção, custos associados ao combustível, penalizações relacionadas com as emissões e custos de compra de energia elétrica da rede. Os lucros podem, por sua vez, estar relacionados com a venda dos componentes no final do tempo de vida do sistema, ou da energia vendida à rede.
O NPC é, assim, o parâmetro mais importante para o software no que toca aos outputs económicos do sistema, sendo este aquele que o software utiliza para determinar qual o sistema mais rentável economicamente para o caso em estudo;
Custo de Energia (COE) - O COE é definido como sendo o custo médio por “kWh” de energia útil produzida pelo sistema. Este valor é obtido pela divisão do custo anual de produção de energia elétrica (soma dos custos anuais de todos os componentes do sistema), pelo total de energia elétrica útil obtida por ano;
Capital de investimento - Capital necessário no início para tornar o sistema realidade, ou seja, o custo total de aquisição de todos os componentes que fazem parte do sistema;
Fração de energias renováveis - Percentagem de energia total do sistema que foi obtida a partir de fontes renováveis. O HOMER calcula esta fração, dividindo o total de energia obtida através de energias renováveis, pelo total de energia produzido pelo sistema;
Consumo de combustível - Quantidade de combustível utilizado por cada um dos sistemas.
8.5 Tipos de Análise
O HOMER permite ao seu utilizador, com estes “inputs” e “outputs”, efetuar três tipos de tarefas, sendo elas: simulação, otimização e análise de sensibilidade.
Simulação – O Homer identifica as conjugações de sistemas que são viáveis, assim como os custos associados a cada um destes sistemas para cada hora do ano. Por
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outro lado, a configuração do sistema, bem como, as estratégias de operação do mesmo são também testadas nesta fase. Tanto a tarefa de otimização, como a análise de sensibilidade dependem da simulação para obter os seus resultados.
Otimização – O Homer exibe todas as soluções consideradas viáveis durante a fase de simulação, ordenando-as de acordo com o menor custo atual líquido de funcionamento do sistema (NPC). Assim, o HOMER define a configuração do sistema otimizada, como aquela que corresponde a todos os requisitos mínimos do sistema, apresentando o menor custo atual líquido [8].
Análise de sensibilidade – O Homer permite ao utilizador analisar que efeitos podem causar variações em determinados parâmetros. Alterações como o número de componentes, a abundância, ou escassez, de recursos renováveis ou a variação do preço de parâmetros como a rede elétrica ou o combustível podem ser avaliados. Para tal, o HOMER realiza a simulação em cada uma das condições definidas anteriormente, determinando o sistema ótimo para cada uma destas variações. Assim, o principal objetivo desta ferramenta do Homer é permitir analisar qual a solução ideal, mesmo havendo alterações dos recursos disponíveis.
8.6 Simulação do Sistema Híbrido
O sistema híbrido simulado no Homer é composto por energia solar e um gerador a Diesel como forma de produção de energia. Importa também referir que o sistema terá armazenamento de energia, na forma de baterias, caso estas se provem rentáveis. Em análise estará também uma rede elétrica instável, ou seja, essa rede apresentará falhas nas horas críticas de energia, de forma a recriar as condições encontradas nas zonas do globo que serão analisadas.
A carga a que o sistema híbrido vai estar sujeito será suportada pelas energias renováveis em conjunto com o banco de baterias e, caso tal não seja possível, entrarão então em ação a rede elétrica e o gerador a Diesel. Desta forma, procurar-se-á reduzir os gastos em combustível, bem como os custos de aquisição de energia à rede.
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Componentes do sistema:
O sistema desenvolvido neste trabalho será constituído por painéis solares, turbinas eólicas, banco de baterias, gerador a Diesel e um inversor, sendo necessário saber-se diversos detalhes de cada um destes componentes para se realizar a simulação.
• Painéis Fotovoltaicos:
Tabela 4- Dados relativos aos Painéis Solares
Modelo Fabricante Potência Nominal Custo aquisição e Substituição Custo de operação e manutenção
300 Mono SolarWorld 300W 270€/unid 27€/ano
• Turbinas Eólicas:
Tabela 5 - Dados relativos às Turbinas Eólicas
Modelo Fabricante Potência Nominal Custo aquisição e Substituição Custo de operação e manutenção
Bornay 6000 Bornay 6000W 9043€/unid 452€/ano
• Gerador:
Tabela 6 - Dados relativos ao Gerador
Modelo Fabricante Potência
Nominal Tempo de Vida Carga Mínima Combustível Custo aquisição e Substituição Custo de operação e manutenção Perkins
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• Baterias:
Tabela 7 - Dados relativos às Baterias
Modelo Fabricante Voltagem Custo aquisição e Substituição
Custo de operação e manutenção
12V 225AH Black SDR 12V 75/unid 3,75€/unid/ano