Caracterização do problema

Este capítulo apresenta os modelos desenvolvidos destinados ao dimensionamento de sistemas autónomos capazes de satisfazer as necessidades energéticas de habitações unifamiliares. Atendendo a que estes sistemas podem ter diferentes configurações, nomeadamente no que se refere às tecnologias de produção envolvidas, optou-se por apresentar separadamente os modelos aplicáveis aos seguintes casos:

 Sistemas dotados de produção fotovoltaica;

 Sistemas dotados de produção fotovoltaica e microeólica;

 Sistemas dotados de unidades de microcogeração com e sem armazenamento térmico.

Naturalmente que, em qualquer das configurações, existe armazenamento de energia elétrica, tendo sido adotadas baterias para o efeito. Note-se que as duas primeiras configurações foram concebidas admitindo que apenas as necessidades de energia elétrica têm de ser satisfeitas (sem prejuízo de que se possa produzir alguma energia térmica, como veremos adiante). A terceira configuração procura satisfazer, além das necessidades de energia elétrica, as necessidades de energia térmica. Neste caso, para além dos sistemas fotovoltaicos e microeólicos são também utilizados sistemas de microcogeração.

A Figura 3-1 apresenta a topologia geral adotada neste trabalho para a constituição dos sistemas autónomos sendo que, dependendo da configuração do sistema a considerar, alguns dos componentes poderão estar ausentes.

Esta topologia é caracterizada pela existência simultânea de um barramento DC e de um barramento AC. O barramento DC será o ponto de ligação do gerador fotovoltaico, através do respetivo sistema de acondicionamento de potência (controlador MPPT) e do sistema de armazenamento elétrico (neste caso baterias ácidas).

Ao barramento AC será ligada a instalação elétrica a alimentar bem como, quando aplicável, o gerador microeólico e a parte elétrica do sistema de microcogeração. Importa frisar que a ligação do gerador microeólico ao barramento AC é assegurada por um inversor adequado, que pode ser dotado de controlo de potência máxima para otimizar a produção deste gerador. O mesmo tipo de ligação poderia ser adotado para o caso do gerador PV.

No que concerne ao gerador do sistema de microcogeração, assume-se que este está equipado com um condicionador de potência capaz de garantir as características de tensão e de frequência adequadas bem como de assegurar o sincronismo antes da respetiva ligação ao barramento AC.

Figura 3-1 Topologia geral de sistema autónomo adotada para o caso de estudo

A ligação entre os barramentos DC e AC é assegurada por um inversor/carregador. Este equipamento tem duas funções principais: i) ondular a corrente produzida pelo gerador fotovoltaico ou disponibilizada pelo sistema de armazenamento, quando esta é necessária para alimentação dos consumos; ii) retificar a corrente alternada e carregar as baterias quando estas estão em condições de aceitar carga, desde que e a produção de energia no lado AC seja superior ao consumo.

A topologia apresentada foi adaptada de um esquema de sistema autónomo proposto por um fabricante de equipamentos, particularmente o ilustrado na Figura 3-2. Esta opção foi tomada com vista a garantir uma maior aproximação à realidade nos casos de estudo desenvolvidos no capítulo 4. Naturalmente, outras topologias são possíveis sendo que os modelos que se apresentam nas secções seguintes continuam, a menos de pequenos ajustamentos, aplicáveis.

Figura 3-2 Esquema geral de sistemas Off-grid (fonte: SMA)

O objetivo fundamental dos modelos apresentados nas secções seguintes deste capítulo é a definição das capacidades das tecnologias de produção e armazenamento de energia a instalar, visando a satisfação dos consumos e, simultaneamente, a minimização dos custos ocorridos na instalação, operação e manutenção dos sistemas autónomos. Para o efeito, os modelos envolvem problemas de otimização cuja função objetivo consiste na minimização dos referidos custos.

As variáveis de decisão utilizadas na otimização dependem da configuração do sistema autónomo a dimensionar, sendo resumidas no Quadro 3-1 e convenientemente explicadas nas secções seguintes deste capítulo.

Quadro 3-1 Variáveis de decisão em função da configuração

Configuração Variáveis de decisão

Sistema dotados com produção PV

- Número de painéis fotovoltaicos a colocar em série; - Número de paralelos das séries de painéis fotovoltaicos; - Número de baterias a colocar em série;

- Número de paralelos das séries de baterias; - SOC mínimo a que serão sujeitas as baterias. Sistema dotados com produção

PV e com produção e

microeólica

- Número de painéis fotovoltaicos a colocar em série; - Número de paralelos das séries de painéis fotovoltaicos; - Número de baterias a colocar em série;

- Número de paralelos das séries de baterias; - SOC mínimo a que serão sujeitas as baterias. Sistema dotadas de unidades de

microcogeração

- Número de painéis fotovoltaicos a colocar em série; - Número de paralelos das séries de painéis fotovoltaicos; - Número de baterias a colocar em série;

- Número de paralelos das séries de baterias; - SOC mínimo a que serão sujeitas as baterias;

- Capacidade do depósito de armazenamento térmico (quando aplicável).

Algumas das restrições a considerar no problema de otimização são influenciadas pela configuração do sistema e, na essência, procuram traduzir as especificações/limitações técnicas dos componentes que integram o sistema autónomo. O quadro seguinte apresenta

estas restrições em função dos componentes utilizados, sendo que a sua justificação é concretizada nas secções seguintes deste capítulo.

Quadro 3-2 Restrições a considerar no processo de otimização

Componente Restrições

Gerador PV - Potência de pico ≥ 0

Baterias - Capacidade ≥ 0

- Limites das correntes de carga e descarga - Limites do nível de carga máximo e mínimo Depósito de armazenamento térmico - Capacidade ≥ 0

Mês de aquecimento da habitação - Temperatura do fluido ≥ temperatura mínima de aquecimento

Temperatura do fluido ≤ temperatura máxima de aquecimento

Meses sem aquecimento da habitação -Temperatura águas sanitárias ≥ temperatura mínima

-Temperatura águas sanitárias ≤ temperatura máxima

Outras restrições a considerar prendem-se com a necessidade de assegurar que os sistemas autónomos são capazes de satisfazer os consumos de energia elétrica e térmica (quando aplicável) bem como com a interligação dos diferentes dispositivos entre si.

Embora não tenha sido considerado neste trabalho, os modelos apresentados poderão ser adaptados facilmente para que possam ser utilizados noutro tipo de aplicações para além das vivendas unifamiliares (por exemplo em edifícios multifamiliares).