modelação e optimização do dimensionamento de um sistema ...· 3.1 critérios de dimensionamento

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRFICA, GEOFSICA E ENERGIA

Modelao e optimizao do dimensionamento de um

sistema electroprodutor hbrido isolado

Andr Filipe Quintas Malheiro

Dissertao de Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

2014

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRFICA, GEOFSICA E ENERGIA

Modelao e optimizao do dimensionamento de um

sistema electroprodutor hbrido isolado

Andr Filipe Quintas Malheiro

Dissertao de Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Trabalho realizado sob a superviso de:

Professora Doutora Ana Isabel Lopes Estanqueiro

Doutor Ricardo Manuel Pinto de Lima

2014

i

Agradecimentos

Ao longo desta dissertao foram diversas as pessoas que me auxiliaram. Mais ainda, a concluso desta

etapa a consequncia de diferentes acontecimentos com diferentes pessoas, que me marcaram e me

ajudaram a crescer.

Comeando de uma fase mais recente, agradeo imenso ao Doutor Pedro Castro e ao Doutor Ricardo

Lima pelos seus contributos na elaborao desta dissertao. O esclarecimento de dvidas, as questes

colocadas constantemente, as sugestes, a disponibilidade e acima de tudo a forma como me

conseguiram motivar, foram determinantes para concluir com sucesso este trabalho.

Agradeo Professora Ana Estanqueiro pela oportunidade de desenvolver esta dissertao junto de um

ambiente propcio, pela disponibilidade e contribuies para este trabalho.

A toda a equipa do LNEG a quem recorri e pelo espao de trabalho. A todos os novos amigos que aqui

fiz e aos que aqui encontrei e me acompanharam nesta fase, pela companhia e pela boa disposio.

Aos meus professores, a quem recorri quando precisei e que sempre me aconselharam pelo melhor.

RUEM, onde passei a minha estadia em Lisboa e onde fiz amigos para a vida.

A todos os meus amigos, por tudo.

Aos meus familiares em Lisboa, que sempre me acolheram e tratarem de uma forma que nunca

conseguirei retribuir.

Aos meus pais e irmos, que so as pessoas em quem mais posso confiar e que esto presentes nos bons

e maus momentos.

Obrigado!

ii

iii

Abstract

The lack of energy services affects millions of people all over the world. Considering yet the regions

where the access to electricity is done by fossil fuels, vulnerable to cost variations, it becomes urgent to

promote access to sustainable energy services both environment-friendly and economically viable. One

potential solution is the implementation of isolated hybrid systems that rely on local renewable energy

sources.

In this work it is developed a methodology for the optimal sizing and scheduling for isolated hybrid

systems that count with wind and photovoltaic conversion technologies, batteries and diesel generators.

The goal is to help the project manager to determine the number of equipments to install of each

technology. The optimal sizing is achieved by minimizing the total cost during 20 years of the useful

life of the project. With that, it is possible to determine the cost of energy or LCOE (/kWh). The

methodology consists on a sizing and scheduling model that evaluates in each hour the energy balance

of production/consumption, for one year of climate data. The developed methodology is a mixed integer

linear programming problem and is applied in the GAMS platform.

Various configurations of hybrid systems are analyzed and compared and a sensitivity analysis to

economic factors like diesel cost is performed. Also a climate analysis is performed to conclude about

the applicability of the developed methodology in different climates.

The results demonstrate that the implementation of hybrid systems is the most viable economical option

in the considered scenarios. The most economic solutions are the ones that include the four subsystems

proposed: wind, photovoltaic, batteries and diesel generators.

Keywords: LCOE, isolated systems, hybrid systems, sizing optimization, renewable energies;

iv

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Resumo

A falta de acesso a servios de energia afecta milhes de pessoas por todo o mundo. Considerando ainda

as regies onde o acesso a electricidade efectuado por queima de combustveis fsseis, vulnerveis s

variaes de custo de combustvel, torna-se urgente promover o acesso a servios de energia limpos e

economicamente viveis. Uma potencial soluo a implementao de sistemas hbridos isolados que

contem com os recursos renovveis locais.

Neste trabalho desenvolvida uma metodologia de optimizao do dimensionamento e escalonamento

para sistemas hbridos isolados que renam as tecnologias de converso elica e fotovoltaica, baterias e

gerao a diesel. O objectivo auxiliar o decisor do projecto a determinar o nmero de equipamentos a

instalar de cada tecnologia. O dimensionamento ptimo alcanado minimizando o investimento total

para 20 anos de vida til do projecto. Determina-se deste modo o custo de energia ou LCOE (/kWh).

A metodologia consiste num modelo de dimensionamento e escalonamento que avalia a cada hora o

balano de energia produo/consumo, para 1 ano de dados climticos. A metodologia desenvolvida

um problema de programao linear inteira mista e aplicada na plataforma GAMS.

So analisadas e comparadas diversas configuraes de sistemas hbridos e efectuada a anlise de

sensibilidade a factores econmicos como o custo do diesel. efectuada uma anlise climtica

demonstrando a aplicabilidade da metodologia desenvolvida a diferentes condies climticas.

Os resultados verificam que a implementao de sistemas hbridos isolados a opo economicamente

mais vivel nos cenrios considerados. As melhores solues econmicas so as que aplicam os quatro

subsistemas propostos: elica, fotovoltaica, baterias e geradores a diesel.

Palavras-chave: LCOE, sistemas isolados, sistemas hbridos, optimizao do dimensionamento,

energias renovveis;

vi

vii

ndice 1. Introduo ........................................................................................................................................ 1

1.1 Enquadramento ........................................................................................................................ 1

1.2 Motivao e Objectivos ........................................................................................................... 2

1.3 Estrutura do documento ........................................................................................................... 2

2. Contextualizao: Sistemas isolados ............................................................................................... 3

2.1 Sistemas hbridos isolados ....................................................................................................... 3

2.2 Recursos renovveis e tecnologias de converso .................................................................... 3

2.3 Normas tcnicas ...................................................................................................................... 7

3. Dimensionamento de sistemas hbridos isolados ............................................................................ 8

3.1 Critrios de dimensionamento ................................................................................................. 8

3.1.1 Custo de energia .............................................................................................................. 8

3.1.2 Fiabilidade do abastecimento .......................................................................................... 9

3.1.3 Outros critrios ................................................................................................................ 9

3.2 Modelao dos subsistemas ................................................................................................... 10

3.2.1 Condicionadores de Potncia ........................................................................................ 10

3.2.2 Configurao da Rede Interna ....................................................................................... 11

3.2.3 Aerogeradores ............................................................................................................... 12

3.2.4 Painis Fotovoltaicos ..................................................................................................... 14

3.2.5 Gerador Diesel ............................................................................................................... 16

3.2.6 Armazenamento de energia. Baterias. ........................................................................... 18

3.3 Modelo de sistema integrado ................................................................................................. 21

4. Optimizao de sistemas hbridos isolados ................................................................................... 22

4.1 Formulao do problema de optimizao .............................................................................. 22

4.2 Metodologia de modelao e optimizao ............................................................................ 26

4.3 Interface e tra

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