Sistemas híbridos 2017 - POLI-USP - Engenharia Elétrica

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PEA – 3420 : Produção de Energia
SISTEMAS 
HÍBRIDOS
(Solar – Eólico) 
SISTEMAS HÍBRIDOS
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Definição: 
Sistema que utiliza mais de uma fonte de energia que, dependendo 
da disponibilidade dos recursos, deve gerar e distribuir energia 
elétrica, de forma otimizada e com custos mínimos, a uma 
determinada carga ou à uma rede elétrica, isolada ou conectada à 
outras redes. Dada a possibilidade de uma fonte suprir a falta 
temporária de outra, este tipo de sistema tem capacidade de operar 
com menor risco de interrupção. 
Comumente os sistemas híbridos são isolados e incorporam os 
seguintes equipamentos:
• Módulos fotovoltaicos, aerogeradores, turbinas hidráulicas –
tecnologias de conversão de fontes renováveis
• Grupos geradores a diesel, gás ou gasolina- tecnologias de 
conversão de fontes não renováveis
PRINCIPAIS TIPOS DE SISTEMAS
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� Sistema Eólico- Diesel
� Sistema Fotovoltaico-diesel
� Sistema Fotovoltaico- Eólico-Diesel
� Sistema Fotovoltaico- Eólico
Sistema Híbrido Fotovoltaico - Diesel
Sistema Híbrido Eólico - Diesel
Complementaridade das Fontes Solar e Eólica
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Uma das principais desvantagens dos sistemas de geração individuais com as
fontes de energia solar e eólica, a intermitência do recurso, pode ser parcial ou
totalmente superada quando da utilização conjunta de tais fontes em sistemas
híbridos. A complementaridade entre as fontes, muitas vezes verificada em
alguns locais durante diferentes períodos de tempo, garante maior confiabilidade
ao sistema, além de reduzir consideravelmente a participação do banco de
baterias e/ou do grupo gerador a diesel.
Complementaridade entre as fontes solar e eólica
Classificação dos sistemas híbridos
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As mais usuais são as classificações quanto à:
� Interligação com a rede elétrica convencional
� Prioridade dos usos das fontes de energia 
� Configuração
� Porte do sistema 
� Quanto a interligação com a rede elétrica convencional
� Sistemas isolados – São aqueles que suprem uma determinada carga 
de forma totalmente independente, isto é, sem estarem conectados à 
rede elétrica do sistema interligado
� Sistemas interligados – São aqueles em que a energia elétrica gerada 
é entregue à rede convencional, complementando assim a geração de 
outra fonte, que é a base da formação da rede de médio ou grande 
porte. 
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� Prioridade do uso das fontes de energia
� Sistema baseado nas fontes não renováveis de energia 
A geração a partir das fontes renováveis de energia é usada apenas para o suprimento da carga no período 
de baixa demanda, na qual a unidade de geração a diesel operaria com baixa eficiência, ou em 
complementação à geração à diesel.
� Sistema baseado nas fontes renováveis de energia 
A unidade de geração a diesel serve apenas como um sistema de reserva, que supre a carga nas condições 
de baixa geração renovável e alta demanda. Para suprimento de carga média diária, as fontes renováveis 
de energia e o banco de baterias têm de apresentar contribuições significativas.
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� Configuração
� Sistema híbrido série – Denominação devido ao transporte de energia até às 
cargas CA ser realizado em sequencia – as fontes de energia renovável e não 
renovável (grupo gerador a diesel) são usados para carregar o banco de baterias. 
Principal vantagem deste sistema:
Simplicidade de implantação do 
projeto.
Principais desvantagens:
� A eficiência global do sistema é 
baixa. Ex: A energia CA do grupo-
gerador a diesel flui através de dois 
estágios de conversão.
� O inversor não pode operar em 
paralelo com o gerador a diesel; 
portanto, o mesmo deve ser 
projetado para suprir a demanda 
máxima do sistema
� Possíveis interrupções no 
fornecimento de energia, caso o 
inversor venha apresentar 
problemas operacionais
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Desvantagens:
� Interrupção momentânea quando é realizado o chaveamento entre as fontes, no caso de 
chaveamento manual
� O grupo gerador a diesel e o inversor de tensão têm de ser projetados para a demanda máxima
� Sistema chaveado – É o mais empregado em sistemas híbridos. O banco de 
baterias é carregado pelas fontes renováveis e/ou pelo grupo gerador á diesel. A 
carga CA pode ser suprida diretamente pelo grupo gerador à diesel, ou pelo 
inversor de tensão; porém , não pelos dois ao mesmo tempo.
Principais vantagens:
� Ambas as fontes (renovável 
ou não) podem suprir 
diretamente as cargas; 
portanto, em caso de falta ou 
necessidade de manutenção 
de uma, a outra é acionada.
� Aumento na eficiência global 
do sistema, devido à 
eliminação de um estágio de 
conversão, para o caso de um 
atendimento em CA feito 
diretamente. 
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� Sistema Paralelo – Uma ou mais fontes podem suprir as cargas CA nos 
períodos de demanda baixa e média, bem como duas ou mais em paralelo 
podem fazê-lo nos períodos de demanda máxima, através do sincronismo entre 
o inversor e o grupo gerador diesel e/ou outra fonte renovável acoplada no 
barramento CA. Um inversor bidirecional pode carregar o banco de baterias 
(função retificador), ou atuar como inversor sob operação normal.
Vantagens:
� A eficiência do grupo 
diesel pode ser 
maximizada
� A manutenção do 
grupo diesel pode ser 
minimizada
� Redução das 
capacidades do grupo 
gerador, banco de 
baterias, fontes 
renováveis, inversor e 
consequentemente 
custos de 
investimento.
A obrigatoriedade de um sistema de controle mais 
complexo que garanta o sincronismo das fontes é a 
principal desvantagem desses sistemas para 
pequenas capacidades instaladas.
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Estratégia de operação- SH
1- Carga e descarga do banco de baterias : visa maximizar sua vida 
útil 
2- Controle de despacho – Determina quando e como o gerador 
diesel deve ser ligado e desligado, a fim de minimizar os custos de 
operação e manutenção do mesmo. 
Considerando a estratégia de controle os sistemas híbridos são 
classificados:
� Acoplamento dos geradores no barramento CC
� Acoplamento dos geradores no barramento CA
� Acoplamento dos geradores de forma mista (barramento CC e CA) 
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Acoplamento do geradores feitos inteiramente no 
barramento CC
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Acoplamento do geradores feitos inteiramente no 
barramento CA
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Acoplamento Misto 
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Acoplamento Misto 
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Vantagens e desvantagens de cada configuração
Dependem das diferentes condições de oferta e demanda de energia 
e das diferentes estratégias de operação consideradas.
Na fase de projeto de um sistema, o ideal é que sejam feitas 
simulações com diferentes cenários, visando à otimização de vários 
fatores relacionados à operação e manutenção dos sistemas, de tal 
forma que haja a minimização dos custos e do consumo de óleo 
diesel, o melhor aproveitamento possível da energia proveniente 
das fontes renováveis, a maximização da vida útil das baterias, o 
melhor atendimento das cargas, dentre outros.
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Estratégia de operação - continuação
a) Mais simples – o gerador é acionado automaticamente quando o banco de 
baterias atinge um certo nível mínimo de tensão, determinado pela sua máxima 
profundidade de descarga . O gerador permanece em operação até que a tensão 
do banco atinja um determinado valor ou quando um tempo mínimo de operação 
é determinado.
b) A mais sofisticada – Neste caso o gerador é acionado quando o estado da carga 
do banco de baterias está baixo ou quando a potência demandada pela carga é 
elevada.
O valor da potência no qual o grupo gerador deve ser acionado é definido como 
potência crítica.
Um fator que determina a operação ótima do sistema é a utilização do grupo gerador, a qual
depende da configuração (gerador ligado diretamente à rede CA, ligado ao barramento CC etc.)
e da estratégia de despacho adotada para o sistema (quando o grupo gerador deve ser acionado
e quais critérios são levados em consideraçãopara acionamento e parada do mesmo).
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Estratégia de operação - continuação
A potência crítica é definida pela seguinte equação:
O termo CEB se refere ao custo da energia do banco de baterias 
c) Outra estratégia – mantém-se o grupo gerador a diesel 
funcionando 24 horas e com a parte renovável acoplada diretamente 
a parte CA (em geral via inversor) , com o objetivo de minimizar ao 
máximo o consumo de combustível e reduzir o tamanho e a 
utilização do banco de baterias. 
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Balanço energético – Participação de cada fonte
1- Analisar as curvas típicas (diária, mensal, anual), de demanda e recurso 
primário solar e eólico da localidade.
2- De posse destas curvas, estima-se a energia elétrica produzida pelas fontes 
renováveis no período considerado verificando: 
i) se as mesmas atendem a demanda; 
ii) avaliando o déficit/superávit de energia; 
iii) e em que momentos há necessidade de complementação por parte de 
outra fonte, como geração diesel-elétrica. 
O % de participação da geração renovável no SH em um determinado período é. 
Um critério decisivo para a verificação de qual fonte renovável deverá ter maior participação 
no sistema está relacionado ao custo da energia elétrica gerada ($/kWh), que deve 
essencialmente incluídos custos de implantação, operação e manutenção do subsistema 
solar e do subsistema eólico.
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Dimensionamento do sistema de armazenamento 
CE – Capacidade energética máxima de uma bateria ( V x I) 
CB – Capacidade energética útil
Para ser capaz de suprir um certo consumo diário e mais as perdas, o subsistema de 
armazenamento deve possui capacidade total CBB, em (kWh), e considerando o consumo 
corrigido no lado CC.
Ccor – consumo corrigido ( eficiência do inversor e da fiação) 
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Dimensionamento do sistema de armazenamento –
continuação
Sistemas híbridos que utilizam grupos geradores juntamente
com fontes renováveis tendem a possuir bancos de baterias de menor 
capacidade, devido à disponibilidade do gerador atuar como backup. Nesses 
sistemas híbridos, o banco de baterias é dimensionado apenas para suprir a 
carga em curtos períodos, e para manter a estabilidade do
sistema em situações de variações bruscas de geração e carga
Cálculo do número de baterias:
Número de baterias nb Deve-se arrendorar o resultado (normalmente para 
maior), dependendo da tensão nominal do banco e da 
associação série- paralelo entre as baterias.
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Dimensionamento do sistema fotovoltaico 
Pproj – Potência do projeto 
Perdas por dispersão: perdas devido a temperatura 
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Dimensionamento da Geração eólica 
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Dimensionamento da Geração eólica 
É muito importante realizar simulações com curvas de potência de vários aerogeradores de
diferentes potências nominais e fabricantes, para verificar quais se adequam melhor ao 
perfil de vento do local, e apresentam melhor fator de capacidade, objetivando-se sempre a 
minimização do custo da energia gerada.
Estimativa da produção de 
energia
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Geração à diesel
Por estarem disponíveis comercialmente em uma vasta gama de 
potências, a determinação do valor de potência do grupo gerador mais 
adequado ao sistema irá depender apenas dos custos envolvidos, da 
finalidade do sistema, e da estratégia de operação adotada. 
O grupo gerador deve ser dimensionado para suprir completamente a 
carga durante o período em que a geração renovável está 
indisponível. 
Em contrapartida, em situações onde o gerador alimenta diretamente 
o banco de baterias através da utilização de um retificador, sua 
potência nominal deve ser especificada para que ele opere com fator 
de carregamento ótimo, pois nessas condições o carregador apresenta 
máxima eficiência. 
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Geração à diesel – continuação 
Cálculo do consumo de combustível
FC – consumo de combustível em L/h
Pci – valor instantâneo da demanda ativa (kW) 
PGMG –Potência nominal do gerador 
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Dimensionamento do acondicionamento da potência
Controlador de cargaga
ISC - Corrente de curto circuito do arranjo 
C ( com tolerância )= ISC x 1, 25 
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Dimensionamento do acondicionamento da potência
Para especificar um inversor é necessário considerar:
� Tensão CC na entrada
� Tensão CA na saída
� Potência elétrica que deverá suprir em operação normal
� Capacidade de surto
� Inversores para aplicação isolada devem ser capazes de atender 
a carga máxima instalada de forma contínua e com padrões de 
qualidade
� Eficiência - na maioria 90 % informados pelos fabricantes
PINV = Pmáxima x 1, 20