STUDY AND DEVELOPMENT OF CONTROL TECHNIQUES FOR RENEWABLE ENERGY GENERATION SYSTEMS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10045892
Mylenna Alcantara Araujo
Resumo
Neste artigo investigamos questões importantes relacionadas com a produção de energia renovável e estratégias de controlo aplicadas a sistemas energéticos, com particular enfoque em turbinas eólicas e sistemas fotovoltaicos. Apresentamos um cenário de energia renovável e destacamos a importância das energias renováveis na redução das emissões de carbono e na transição para uma matriz energética mais sustentável. Este artigo destaca a necessidade de superar desafios como a transformação de fontes de energia renováveis. Discutimos os desafios na produção de energia renovável, incluindo a variabilidade e variabilidade da energia eólica e solar, bem como oportunidades para integrar estas fontes de energia nos sistemas energéticos existentes. Detalhamos técnicas básicas de controle de turbinas eólicas, incluindo controle de passo das pás, controle de velocidade e controle de torque, que são importantes para aumentar o desempenho e a segurança de toda a turbina eólica. Também são apresentadas técnicas específicas de controle para sistemas fotovoltaicos, com foco na detecção do ponto de máxima potência (MPPT), controle de tensão e controle de corrente para otimizar a produção de energia solar. Este artigo enfatiza a importância das técnicas de controle analítico, incluindo aspectos como determinação de parâmetros de desempenho, avaliação de estabilidade e análise de respostas transitórias e estacionárias. Além disso, são discutidos os requisitos básicos para a realização de análises de controle, incluindo a disponibilidade de sistemas apropriados, equipamentos de medição, software de simulação, fatores ambientais e recursos adequados. Os resultados mostram que a aplicação adequada de técnicas de controle pode contribuir significativamente para aumentar a eficiência e a confiabilidade dos sistemas de energia renovável. O artigo conclui reafirmando a importância da geração de energia renovável e do controle eficaz desses sistemas como parte essencial da transição energética global. A pesquisa realizada abre caminho para novos avanços na otimização e integração de energias renováveis na rede.
Palavras-chave: Energias Renováveis. Energia eólica. Energia fotovoltaica.
1 INTRODUÇÃO
Figura 1https://olhardigital.com.br/2023/03/30/pro/producao-de-energia-limpa-bate-recordedo-seculo-no-brasil/ – hrui/Shutterstock
A crescente procura de energia eléctrica, a necessidade de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e as preocupações com a sustentabilidade ambiental impulsionaram o desenvolvimento de sistemas de produção de energia renovável. No entanto, a intermitência e a incontrolabilidade das fontes de energia renováveis, como a energia eólica e solar, colocam grandes desafios ao sector energético, que precisa de garantir a estabilidade e fiabilidade do sistema energético.
Neste contexto, o controle dos sistemas de produção de energia renovável tem-se revelado crucial para otimizar o desempenho destes sistemas e garantir a sua integração segura e eficiente no sistema elétrico. O objetivo deste trabalho é pesquisar e desenvolver tecnologias de controle para sistemas de geração de energia renovável, com foco em turbinas eólicas e sistemas fotovoltaicos.
Para tanto, é realizada uma revisão bibliográfica para identificar as principais técnicas de controle encontradas na literatura, uma análise crítica dos métodos selecionados e um estudo das condições em que o trabalho será executado. Com base nos resultados, pretendemos propor uma estratégia de controle adaptativo para lidar com a incerteza dos recursos energéticos renováveis e garantir a estabilidade do sistema elétrico. O principal objetivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento do conhecimento na área de controle de sistemas de produção de energia renovável e para o desenvolvimento de soluções práticas e eficazes para os problemas enfrentados pela indústria energética.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
Referencial teórico/Estado da arte
A base teórica deste trabalho baseia-se numa revisão da literatura existente sobre produção de energia renovável e estratégias de controlo associadas. A pesquisa bibliográfica envolve a análise de livros, artigos científicos e publicações confiáveis na área. Os principais temas que compõem este relatório são os seguintes:
Energia Renovável e Sustentabilidade A produção de energia a partir de fontes de energia renováveis desempenha um papel importante na mitigação das alterações climáticas e na promoção da sustentabilidade ambiental. As fontes de energia renováveis incluem energia eólica, solar, hidrelétrica, biomassa, etc. A transição para fontes de energia renováveis é impulsionada pela necessidade de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e minimizar os impactos negativos das fontes de energia tradicionais.
Desafios na Geração de Energia Renovável Uma característica importante das fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica, é a sua variabilidade e intermitência. Isto representa um desafio para a integração destas fontes em sistemas de energia convencionais porque a produção de energia pode ser afetada por condições climáticas flutuantes.
Estratégias de Controle em Energia Eólica Várias estratégias de controle foram desenvolvidas para otimizar a geração de energia eólica. Isso inclui controle de inclinação das pás para ajustar o ângulo das pás da turbina para otimizar a produção, controle de velocidade para manter a turbina operando em uma faixa segura e controle de torque em situações de vento forte.
Estratégias de Controle em Sistemas Fotovoltaicos O controle é essencial para aumentar a eficiência dos sistemas de energia solar. Isto é conseguido através de tecnologias como a Determinação do Ponto de Potência Máxima (MPPT), que ajusta a operação dos painéis solares para fornecer potência máxima e manter a estabilidade do sistema através do controle de tensão e corrente.
Controle Adaptativo e Estratégias de Otimização Estratégias avançadas, como o uso de técnicas adaptativas de controle e otimização, têm recebido atenção para otimizar a produção de energia renovável. O controle adaptativo permite que os parâmetros de controle sejam ajustados em tempo real para levar em conta as mudanças nas condições, enquanto os métodos de otimização buscam maximizar a eficiência do sistema.
Integração de Energia Renovável na Rede Elétrica A integração bem-sucedida das energias renováveis na rede elétrica tradicional é essencial. Isto envolve a utilização de sistemas de monitorização e diagnóstico para identificar problemas e melhorar a manutenção, bem como a aplicação de estratégias de controlo para abordar a variabilidade das fontes renováveis. Em resumo, a revisão da literatura enfatiza a importância da geração de energia renovável e das estratégias de controle relacionadas para enfrentar os atuais desafios energéticos e ambientais. Esta fundamentação teórica demonstra que o problema em questão é relevante e requer uma compreensão profunda e soluções eficazes, o que impulsiona a investigação neste campo em constante evolução.
3 METODOLOGIA
3.1 Análise das técnicas de controle selecionadas
A análise de métodos de controle selecionados é um aspecto essencial do projeto e implementação de sistemas de controle em diversas disciplinas de engenharia, incluindo engenharia de controle e automação. Esta análise permite avaliar a eficiência e o desempenho dos métodos de controle sob diversas condições operacionais, identificar problemas e limitações e otimizar o desempenho do sistema. A escolha do método de controle a analisar depende dos requisitos específicos e dos objetivos de controle do sistema em questão. Os métodos de controle comuns incluem controle PID (como mostrado na figura 2 a seguir), controle de modelo de referência adaptativo, controle preditivo e controle ideal. A análise do método de controle seletivo envolve uma série de etapas: definição de parâmetros operacionais, avaliação da estabilidade do sistema, avaliação da resposta transitória do sistema e avaliação da resposta em estado estacionário. Parâmetros de desempenho apropriados, como tempo de resposta, overshoot, tempo de acomodação e erro em estado estacionário, devem ser determinados para cada técnica de controle selecionada.
Figura 2 https://www.novus.com.br/blog/artigo-controle-pid-rompendo-a-barreira-dotempo/
A estabilidade do sistema é uma consideração importante ao analisar métodos de controle porque um sistema instável pode causar danos ou falhas catastróficas. A estabilidade é avaliada utilizando métodos como o critério de estabilidade de Routh Hurwitz e o critério de Nyquist. A resposta transitória de um sistema é avaliada para determinar a rapidez e suavidade com que o sistema responde às mudanças nas condições operacionais. Avalie a resposta do estado estacionário para determinar se e com que precisão o sistema atingiu o equilíbrio. Técnicas analíticas como modelagem matemática, simulações numéricas e testes de laboratório e de campo podem ser usadas para analisar métodos de controle selecionados. A escolha do método de análise depende do tipo de sistema e da finalidade da análise.
Os resultados da análise do método de controle selecionado são utilizados para avaliar a eficiência e o desempenho da técnica de controle sob diversas condições operacionais e para identificar possíveis problemas e limitações. Com base nesta análise, você pode selecionar a técnica de controle mais apropriada para otimizar a operação do sistema e
atender aos requisitos específicos do sistema. Em resumo, a análise dos métodos de controle selecionados é um passo importante no projeto e implementação de sistemas de controle em diversas disciplinas de engenharia. Esta análise inclui determinação de parâmetros de desempenho, avaliação da estabilidade do sistema, avaliação da resposta transitória do sistema e estimativa da resposta em estado estacionário. Os resultados da análise são usados para otimizar o comportamento do sistema e selecionar a técnica de controle mais apropriada para atender aos requisitos específicos do sistema.
3.2 Considerações sobre as condições do trabalho
A análise de uma técnica de controle selecionada é uma atividade que requer um conjunto de condições adequadas para garantir a precisão e confiabilidade dos resultados. Estas condições irão variar dependendo do tipo de sistema em questão e do objetivo da análise, mas aplicam-se algumas considerações gerais. Um dos requisitos mais importantes é o acesso a um sistema que possa ser facilmente testado ou simulado. Idealmente, o sistema deve ser representado por um modelo matemático preciso que possa ser usado para simulações numéricas ou análises analíticas. Caso não seja possível acessar um modelo matemático preciso, deve-se desenvolver um modelo que represente bem o sistema real.
Outra condição importante é o acesso a equipamentos adequados para coleta de dados. Dependendo da técnica de controle escolhida e dos parâmetros operacionais a serem avaliados, podem ser necessários equipamentos de medição especiais, como sensores de posição, velocidade ou temperatura. É importante que este equipamento esteja calibrado e tenha precisão suficiente para garantir a exatidão dos resultados. Também é necessário acesso a software de simulação ou análise apropriado. Diversas opções de software estão disponíveis no mercado para simulação de sistemas de controle e análise de dados. É importante selecionar um software apropriado que possa lidar com o modelo matemático do sistema e a técnica de controle selecionada. Também é importante considerar as condições ambientais sob as quais o trabalho será executado. Por exemplo, se a sua análise envolve testes de campo, você deverá considerar as condições climáticas e outras condições ambientais que possam afetar os resultados.
Se o trabalho for realizado em laboratório, deve ser fornecido um ambiente adequado para testes, incluindo iluminação, temperatura e umidade. Finalmente, é importante considerar o tempo e os recursos necessários para realizar uma análise do método de controle selecionado. Dependendo da complexidade do sistema e do método de controle selecionado, a análise pode levar algum tempo para ser concluída. Para concluir a análise com êxito, você deve garantir que possui recursos suficientes, incluindo pessoal qualificado, equipamentos e software. Em resumo, a análise de métodos de controle seletivo requer um conjunto apropriado de condições para garantir a precisão e fiabilidade dos resultados. Você precisará de sistemas que possam ser facilmente testados ou simulados, equipamentos adequados para coleta de dados e acesso a software de simulação ou análise adequado para levar em conta as condições ambientais e permitir tempo e recursos suficientes para análise.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
4.1 Técnicas de controle mais relevantes para turbinas eólicas e sistemas fotovoltaicos
Controle de inclinação das pás: Esta tecnologia controla o ângulo de inclinação das pás das turbinas eólicas para garantir que a velocidade do vento seja mantida dentro de uma faixa operacional ideal. Ao ajustar o passo das pás, você pode controlar a quantidade de energia produzida pela turbina. Controle de velocidade: Esta tecnologia controla a velocidade das turbinas eólicas para garantir que operem dentro de uma faixa segura. Além disso, a tecnologia de controle de velocidade garante um fornecimento de energia consistente. Controle de torque: Este método controla o torque produzido pela turbina eólica. Esta tecnologia é particularmente útil em situações de vento forte, onde as turbinas eólicas podem estar sobrecarregadas. Para sistemas de energia solar, os métodos de
Figura 3 MPPT da marca SRNE https://www.dgtec.com.br/energia-solar/controladorde-carga/mppt/controlador-de-carga-solar-40a-mppt-shiner2440-12v24v-srne
controle mais relevantes são: Rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT): Este método rastreia o ponto de potência máxima do painel solar, permitindo a produção máxima de energia. O MPPT é especialmente útil em situações onde a intensidade da luz solar muda, como em dias nublados ou mudanças sazonais.
Controle de tensão: Este método controla a tensão do sistema de energia solar para garantir que ela permaneça dentro de uma faixa segura. O controle de tensão é importante para garantir a segurança do sistema e a vida útil dos componentes. Controle de Corrente: Este método controla a corrente produzida pelo sistema de energia solar. Esta tecnologia é especialmente útil em situações onde os painéis solares estão parcialmente sombreados ou a intensidade da luz solar é baixa. Estes métodos de controle são importantes para garantir o desempenho e a eficiência dos sistemas de energia renovável. A seleção de um método de controle apropriado depende das características do sistema e dos objetivos operacionais. É importante enfatizar que a aplicação adequada destes métodos de controle pode levar a significativas economias de energia e redução de custos de operação e manutenção.
4.2 Desafios e oportunidades na área de controle de sistemas de geração de energia renovável
Os desafios e oportunidades na área de controle de sistemas de produção de energia renovável são analisados com base nas tendências de mercado e pesquisas científicas na área. Os resultados obtidos mostram que a procura por soluções de produção de energias renováveis está a aumentar, impulsionada pela necessidade de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e melhorar a segurança do abastecimento energético. Entre os desafios identificados destaca-se a variabilidade e periodicidade da produção de energia renovável, o que pode levar à instabilidade da rede e a problemas de segurança energética. Existe também o desafio de integrar a produção de energia renovável com as redes elétricas existentes e desenvolver soluções eficientes de armazenamento de energia. Por outro lado, as oportunidades são promissoras na área de controle de sistemas de produção de energia renovável. Existe um grande potencial para desenvolver soluções de controle mais sofisticadas e inteligentes que possam lidar com a variabilidade e intermitência da produção de energia renovável, bem como integrar a geração distribuída com as redes elétricas existentes. A aplicação de tecnologias de inteligência artificial, como aprendizado de máquina e otimização, tem se mostrado promissora no desenvolvimento de soluções de gerenciamento mais avançadas e eficazes. Além disso, sistemas de monitoramento e diagnóstico podem ajudar a identificar problemas e falhas em sistemas de geração de energia renovável, possibilitando uma manutenção mais eficiente e reduzindo custos operacionais. Em resumo, apesar dos grandes desafios no domínio do controle de sistemas de produção de energias renováveis, as oportunidades para desenvolver soluções mais eficientes e inteligentes são promissoras. A utilização de métodos de controle adequados pode maximizar a eficiência e a fiabilidade dos sistemas de produção de energia renovável, contribuindo para a transição para um sistema energético mais sustentável e seguro.
4.3 Estratégias de controle adaptativas para lidar com a incerteza das fontes de energia renovável
Os resultados obtidos a partir da análise de estratégias de controle adaptativo para lidar com a incerteza nas fontes de energia renováveis mostram que esta estratégia pode maximizar a eficiência e a confiabilidade dos sistemas de geração de energia renovável, especialmente em situações de alta volatilidade e intermitência. As estratégias de controle adaptativo permitem que os parâmetros de controle sejam ajustados em tempo real com base em informações sobre o estado atual do sistema, como velocidade do vento ou intensidade da radiação solar. Isto permite que os sistemas de geração de energia renovável se adaptem às mudanças nas condições climáticas para maximizar a eficiência e a produção de energia. Entre as estratégias de controle adaptativo mais importantes, destacam-se os algoritmos de controle baseados em modelos, que utilizam modelos matemáticos para prever o comportamento do sistema e ajustar de forma otimizada os parâmetros de controle. Além disso, técnicas de aprendizado de máquina, como redes neurais e algoritmos genéticos, têm se mostrado eficazes na coordenação do controle de sistemas de geração de energia renovável.
Os resultados também indicam que a utilização de sensores e sistemas de monitoramento é fundamental para a aplicação de estratégias de controle adaptativas. Os sensores permitem a coleta de dados em tempo real sobre as condições do sistema, enquanto os sistemas de monitoramento permitem a análise e o processamento desses dados para a tomada de decisões de controle. Em resumo, as estratégias de controle adaptativas são promissoras para lidar com a incerteza das fontes de energia renovável e maximizar a eficiência e a confiabilidade dos sistemas de geração de energia. A aplicação adequada dessas estratégias, em conjunto com a utilização de sensores e sistemas de monitoramento, pode contribuir para a transição para um sistema energético mais sustentável e seguro.
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Vários tópicos relacionados à produção de energia renovável e controle de sistemas de energia são abordados ao longo deste trabalho. Foi enfatizado que é urgente uma transição para um sistema energético mais sustentável e que as fontes de energia renováveis, como a energia eólica e solar, desempenham um papel importante nesta transição. Um dos principais desafios na produção de energia renovável é a incerteza das fontes de energia, que pode afetar a eficiência e a fiabilidade do sistema de produção de energia. No entanto, foram apresentadas várias estratégias de controle, tais como o controle adaptativo e o controle preditivo, que se revelaram eficazes na abordagem destas incertezas e no aumento da eficiência dos sistemas de energias renováveis. Ressalta-se também que o uso de sensores e sistemas de monitoramento é essencial para aplicar essas estratégias de controle, pois a coleta e análise de dados em tempo real permite a tomada de decisões de controle. Em resumo, a conclusão é que a produção de energia renovável oferece uma excelente oportunidade para criar um sistema energético mais sustentável e seguro. A implementação de estratégias de controlo adaptativo juntamente com a utilização de sensores e sistemas de monitorização pode contribuir significativamente para maximizar a eficiência e fiabilidade dos sistemas de energias renováveis, permitindo uma transição mais rápida e eficiente para sistemas energéticos mais sustentáveis.
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