Sistema de Geração de Energia Híbrida Eólica-Solar e Soluções
2025-01-07
Definição do sistema híbrido eólico-solar
O sistema híbrido eólico-solar é um sistema de aplicação de geração de energia que utiliza células solares e turbinas eólicas (que convertem corrente alternada em corrente contínua) para armazenar a eletricidade gerada em um banco de baterias. Quando o usuário precisa de eletricidade, o inversor converte a corrente contínua armazenada na bateria em corrente alternada e a envia para a carga do usuário por meio da linha de transmissão. É um sistema no qual dois dispositivos de geração de energia, turbinas eólicas e painéis solares, geram eletricidade de forma conjunta.
Composição do sistema híbrido eólico-solar
O sistema híbrido eólico-solar é composto principalmente por turbinas eólicas, painéis solares fotovoltaicos, controladores, baterias, inversores, cargas AC e DC, etc. Veja a figura anexa para o diagrama da estrutura do sistema. O sistema é uma combinação de energia renovável que integra várias tecnologias de geração de energia, como energia eólica, solar e baterias, além de tecnologia de controle inteligente do sistema.
(1).Sistema de Geração de Energia Eólica
A parte de geração de energia eólica utiliza uma turbina eólica para converter a energia do vento em energia mecânica, que é então convertida em energia elétrica por meio de um gerador de turbina eólica. O controlador então carrega a bateria, e o inversor fornece energia à carga.
(2).Sistema de Geração de Energia Fotovoltaica
parte de geração de energia fotovoltaica utiliza o efeito fotovoltaico dos painéis solares para converter a energia luminosa em energia elétrica, que é então usada para carregar a bateria. O inversor converte a corrente contínua em corrente alternada para alimentar a carga;
(3).Sistema Inversor para Conversão de Energia AC
O sistema inversor é composto por vários inversores, que convertem a energia DC da bateria em energia AC padrão de 220V para garantir o uso normal dos equipamentos de carga AC. Ele também possui uma função automática de estabilização de tensão, o que pode melhorar a qualidade do fornecimento de energia do sistema híbrido eólico-solar.
(4).Sistema de Gerenciamento e Controle de Energia
A parte de controle ajusta continuamente o estado de funcionamento do banco de baterias de acordo com as mudanças na intensidade da luz solar, velocidade do vento e carga: por um lado, a energia elétrica ajustada é enviada diretamente para a carga DC ou AC. Por outro lado, a energia elétrica excedente é enviada para o banco de baterias para armazenamento. Quando a geração de energia não consegue atender às necessidades da carga, o controlador envia a energia da bateria para a carga, garantindo a continuidade e estabilidade do funcionamento do sistema.
(5).Sistema de Baterias para Regulação e Armazenamento de Energia
A parte da bateria é composta por várias baterias, que desempenham dois papéis no sistema: regulação de energia e balanceamento de carga. Ela converte a energia elétrica gerada pelo sistema de geração de energia eólica e pelo sistema de geração de energia fotovoltaica em energia química e a armazena para uso quando o fornecimento de energia for insuficiente.
O sistema híbrido eólico-solar pode operar nos seguintes três modos, de acordo com as mudanças na energia eólica e radiação solar: a turbina eólica sozinha fornece energia para a carga; o sistema de geração fotovoltaica sozinho fornece energia para a carga; a turbina eólica e o sistema fotovoltaico fornecem energia para a carga conjuntamente.
Wind solar hybrid system has the following advantages over wind power generation or photovoltaic power generation alone:
●Estabilidade e Confiabilidade
Ao utilizar a complementaridade entre energia eólica e solar, pode-se obter uma saída relativamente estável, e o sistema apresenta maior estabilidade e confiabilidade.
●Redução da Capacidade da Bateria
Ao garantir o mesmo fornecimento de energia, a capacidade da bateria de armazenamento pode ser significativamente reduzida.
●Otimização do Fornecimento de Energia
Através de um design e um dimensionamento adequados, o sistema híbrido eólico-solar pode basicamente fornecer energia de forma contínua, com pouca ou nenhuma necessidade de acionar fontes de energia de backup, como geradores a diesel, o que pode gerar melhores benefícios sociais e econômicos.
Cenários de aplicação do sistema híbrido eólico-sola
Aplicação ao ar livre
O consumo de energia de projetos de iluminação ao ar livre no mundo representa cerca de 12% da geração global de energia. No contexto de uma crescente escassez de energia e crescente ênfase na proteção ambiental global, seu trabalho de economia de energia tem atraído cada vez mais atenção mundial.
O princípio básico é: a energia solar e a energia eólica são carregadas de forma inteligente para a bateria por meio do controlador, em uma forma complementar, e vários tipos de lâmpadas LED externas são automaticamente acesas e apagadas de acordo com a intensidade da luz à noite. O controlador inteligente possui uma função de rede de sensores sem fio e pode realizar o gerenciamento remoto triplo (telemetria, telecomunicações e controle remoto) com o computador de fundo. O controlador inteligente também possui uma função poderosa de inteligência artificial e implementa o gerenciamento avançado triplo via computador de todo o projeto de iluminação, focando na inspeção do status de operação das luminárias e nos alarmes de falhas e anti-furto
Iluminação de Estradas
●Projetos de iluminação de estradas (autoestradas/estradas principais/estradas secundárias/estradas laterais);
●Projetos de iluminação de estradas em comunidades (iluminação de ruas/residenciais/jardins/luzes de gramado/luzes subterrâneas/luzes de parede, etc.).
Os projetos de iluminação externa com novas fontes de energia e novos recursos de luz que foram desenvolvidos incluem: iluminação de ruas inteligentes LED complementadas por energia eólica e solar, projetos de iluminação de estradas em comunidades com LED complementar eólico-solar, projetos de iluminação paisagística com LED complementar eólico-solar, projetos de iluminação inteligente de túneis LED complementados por energia eólica e solar, iluminação de ruas inteligentes LED, entre outros.
Aplicação de Marcas de Navegação
As marcas de navegação em algumas áreas já aplicaram geração de energia solar, especialmente em faróis, mas também existem alguns problemas. O mais proeminente é que a geração de energia solar é insuficiente sob condições climáticas ruins contínuas, o que pode facilmente causar sobre-descarga da bateria e interrupção da luz, afetando o desempenho ou até danificando a bateria. O problema da geração insuficiente de energia solar é particularmente grave no inverno e na primavera.
As condições climáticas ruins são frequentemente acompanhadas por ventos fortes. Ou seja, as condições climáticas em que a geração de energia solar não é ideal são, frequentemente, aquelas em que a energia eólica está mais abundante. Nesse caso, um sistema híbrido eólico-solar, com a geração de energia eólica como principal e a geração de energia fotovoltaica como auxiliar, pode ser usado para substituir o sistema tradicional de geração solar.
O sistema híbrido eólico-solar possui características de proteção ambiental, ausência de poluição, manutenção reduzida, fácil instalação e uso, atendendo às exigências da aplicação de energia em marcas de navegação. Quando a configuração de energia solar atende à demanda de fornecimento de energia na primavera e no verão, o sistema híbrido eólico-solar não é acionado; no inverno, na primavera ou em condições climáticas ruins contínuas, o sistema híbrido eólico-solar é iniciado. Pode-se perceber que a aplicação do sistema híbrido eólico-solar nas marcas de navegação tem características sazonais e climáticas. Fatos demonstraram que sua aplicação é viável e eficaz.
Monitoramento de fornecimento de energia
As câmeras de rodovias geralmente funcionam 24 horas por dia e utilizam sistemas tradicionais de fornecimento de energia da rede elétrica. Embora o consumo de energia não seja grande, ele consome muita eletricidade devido ao grande número de câmeras. O uso de sistemas tradicionais de fornecimento de energia não favorece a economia de energia. Além disso, os cabos de fornecimento de energia das câmeras frequentemente são roubados, resultando em grandes perdas, o que aumenta consideravelmente os custos de uso e manutenção, além de elevar os custos operacionais das unidades responsáveis pelas rodovias.
A aplicação de sistemas híbridos eólicos-solares para fornecer energia para as câmeras de monitoramento rodoviário não só é econômica, mas também elimina a necessidade de instalação de cabos, reduzindo a possibilidade de roubo e prevenindo eficazmente furtos. No entanto, algumas áreas podem enfrentar condições climáticas severas, como clima de névoa contínuo, pouca luz solar e vento com intensidade insuficiente, o que pode resultar em fornecimento de energia insustentável. As linhas de energia originais da rede elétrica podem ser usadas para carregar automaticamente as baterias quando a energia solar e eólica forem insuficientes, garantindo que o sistema funcione normalmente.
Aplicações de comunicação
Muitas ilhas e áreas montanhosas estão distantes da rede elétrica, mas devido às necessidades locais de comunicação de indústrias como turismo, pesca e navegação, é necessário estabelecer estações base de comunicação. A carga elétrica dessas estações não é muito grande. Se for utilizada a energia elétrica da cidade, os custos de instalação de postes e linhas são muito elevados. Se um gerador a diesel for usado para o fornecimento de energia, há problemas como altos custos de armazenamento e transporte de diesel, dificuldades de manutenção do sistema e baixa confiabilidade.
Para resolver o problema de fornecimento de energia estável e confiável a longo prazo, é necessário contar com os recursos naturais locais. Como fontes renováveis inesgotáveis, a energia solar e a energia eólica são bastante abundantes nas ilhas. Além disso, a energia solar e a energia eólica têm forte complementaridade em termos de tempo e região. O sistema híbrido eólico-solar em ilhas é um sistema independente de fornecimento de energia com boa confiabilidade e economia, adequado para alimentar estações base de comunicação. Como a estação base possui pessoal para manutenção, o sistema pode ser equipado com geradores a diesel para uso quando a geração de energia solar e eólica for insuficiente. Isso pode reduzir a capacidade dos arrays de células solares e turbinas eólicas no sistema, diminuindo os custos do sistema e aumentando sua confiabilidade.
Aplicação em usinas
A usina de armazenamento por bombeamento complementar eólico-solar utiliza energia eólica e solar para gerar eletricidade, aciona diretamente bombas para bombear água e armazenar energia em intervalos irregulares, sem o uso de baterias, e depois usa a energia da água armazenada para gerar e fornecer energia de forma estável. Este método de desenvolvimento de energia combina o desenvolvimento de fontes tradicionais de energia renováveis, como hidrelétrica, energia eólica e solar, e utiliza as diferenças na distribuição temporal e espacial dessas três fontes de energia para alcançar um desenvolvimento complementar durante o período. É adequado para áreas remotas de difícil cobertura pela rede elétrica e é favorável à proteção ambiental no desenvolvimento de energia.
Análise da solução do sistema híbrido eólico-solar
A solução do sistema híbrido eólico-solar é principalmente usada para iluminação de rodovias, agricultura, pecuária, plantio, criação, turismo, publicidade, setor de serviços, portos, áreas montanhosas, áreas florestais, ferrovias, petróleo, postos militares de fronteira, estações de retransmissão de comunicação, estações de sinais de rodovias e ferrovias, estações de exploração geológica e estações de investigação de campo, e outras áreas com dificuldades de fornecimento de energia.
O sistema híbrido eólico-solar consiste principalmente em uma turbina eólica, um array de células solares, um controlador inteligente, um banco de baterias, um inversor multifuncional, cabos e suportes, e peças auxiliares que formam um sistema de geração de energia. A energia eólica é usada para gerar eletricidade à noite e em dias de chuva, quando não há luz solar, e a energia solar é usada para gerar eletricidade em dias ensolarados. Quando há tanto vento quanto sol, ambos funcionam simultaneamente, realizando a função de geração de energia em todas as condições climáticas, o que é mais econômico, científico e prático do que usar turbinas eólicas ou energia solar separadamente.
Diagrama do sistema híbrido eólico-solar:
As turbinas eólicas são dispositivos que convertem a energia mecânica das lâminas da turbina eólica em energia elétrica. As turbinas eólicas são divididas em geradores de corrente contínua (DC) e geradores de corrente alternada (AC).
(1) Gerador DC: Gerador de corrente contínua com excitação elétrica.
Esse tipo de gerador é dividido em três tipos: autoexcitados, excitados externamente e compostos. Sistemas de geração de energia de corrente contínua (DC) pequenos geralmente são usados em conjunto com baterias, com a capacidade do dispositivo geralmente inferior a 1000 W.Comparado ao gerador DC excitado eletricamente, esse tipo de gerador tem uma estrutura mais simples. Sua voltagem de saída varia com a velocidade do vento. É necessário adicionar uma bateria e um sistema de controle entre o gerador e a carga, ajustando a voltagem de saída através do ciclo de trabalho do sistema de controle. Como os geradores DC são complexos em termos de estrutura e caros, além de possuírem comutadores e retificadores, a manutenção torna-se um problema caso haja falha. Por isso, esse tipo de turbina eólica raramente é usado em aplicações práticas.
(2) Gerador AC
Os geradores AC são divididos em geradores síncronos e assíncronos. Geradores síncronos operam em uma velocidade síncrona, que é determinada pelo número de polos e pela frequência do gerador síncrono, enquanto os geradores assíncronos operam a uma velocidade ligeiramente maior que a dos geradores síncronos. Existem principalmente geradores autoexcitados sem escovas de pólo de garra, geradores autoexcitados de corrente alternada retificada, geradores de indução e geradores de ímã permanente. Os geradores síncronos de ímã permanente trifásicos são usados principalmente em sistemas de geração de energia eólica de pequeno porte. Esses geradores são geralmente pequenos, altamente eficientes e baratos. A estrutura do estator do gerador síncrono de ímã permanente é a mesma de um motor síncrono convencional, e o rotor adota uma estrutura de ímã permanente. Como não há enrolamento de excitação, não é consumida energia de excitação, o que resulta em maior eficiência. Além disso, como o gerador síncrono de ímã permanente dispensa o dispositivo de comutação e as escovas, ele apresenta alta confiabilidade, perdas menores de ferro no estator, perdas mecânicas reduzidas e uma vida útil mais longa.
(3) Painéis solares
Os painéis solares fotovoltaicos convertem principalmente a energia da luz solar em energia elétrica.
(4) Bateria
Como dispositivo de armazenamento de energia no sistema híbrido eólico-solar, a bateria desempenha um papel muito importante em todo o sistema de geração de energia. Primeiramente, porque o vento e a luz solar são fontes naturais instáveis, a bateria armazena o excesso de energia quando há vento e luz em abundância. Quando o vento e a luz solar estão baixos, a bateria pode ser usada como fonte de alimentação para a carga. Em segundo lugar, a bateria tem um efeito de filtragem, o que permite que o sistema de geração de energia forneça potência à carga de forma mais suave. Além disso, a geração de energia eólica e fotovoltaica é facilmente afetada por condições climáticas e ambientais, e a quantidade de eletricidade gerada varia em diferentes momentos, apresentando também grandes diferenças. Como o "hub" entre essas duas fontes de energia, a bateria pode conectá-las bem e integrar energia solar e eólica para alcançar o efeito complementar entre as duas.
(5) Controlador Híbrido Eólico-Solar
O controlador híbrido eólico-solar é composto por duas partes: a placa de circuito principal e a placa de circuito de controle.
A placa de circuito principal controla todo o sistema e é o núcleo do controle. Seus circuitos periféricos incluem circuitos de amostragem de tensão e corrente, circuitos de acionamento de tubo de potência, circuitos de proteção, circuitos de comunicação, circuitos de alimentação auxiliar, etc. O circuito principal é composto por dois circuitos de redução de tensão (buck) com terminais de saída independentes conectados em paralelo: um é o circuito principal do sistema de geração de energia fotovoltaica, e o outro é o circuito principal do sistema de geração de energia eólica.
Resumo do Sistema Híbrido Eólico-Solar
O sistema híbrido eólico-solar enfrenta desafios devido à incerteza nos recursos de vento e sol. Como ambos os recursos são imprevisíveis, a eletricidade gerada pelos sistemas eólicos e fotovoltaicos tende a ser desbalanceada, dificultando o fornecimento direto de energia para a carga. Para garantir um fornecimento estável de eletricidade, é necessário integrar baterias, que atuam como o "hub" do sistema, armazenando a energia excedente gerada e fornecendo energia contínua quando necessário. O sistema híbrido inteligente composto por baterias, painéis solares, turbinas eólicas e controladores integra a complementaridade entre a energia eólica e solar, aproveitando sua complementaridade em termos de tempo e região. Este arranjo permite um fornecimento de energia mais estável e confiável, mesmo diante da variabilidade dos recursos naturais.
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