Author(s): Coelho, Sílvia Catarina Pereira
Date: 2015
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/16272
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Meteorologia e oceanografia física; Energia fotovoltaica - Portugal; Energia eólica - Portugal; Armazenamento de energia
Dada a natureza intermitente da produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis de energia solar e eólica, a caracterização da variabilidade da produção conjunta por estes dois tipos de fontes renováveis de energia é muito importante para a planificação e gestão das redes de distribuição de energia. Com esse objetivo, apresenta-se um estudo que considera diferentes contribuições (percentagens) das duas fontes de energia, e procura determinar a melhor combinação (mix) para Portugal Continental. O melhor mix é identificado como aquele que apresente um menor desvio quadrático médio entre a potência produzida e o consumo e/ou menor necessidade de armazenamento. Para esse efeito foram analisados dados observados de consumo e de produção de energia eólica e solar fotovoltaica, distribuída pela Rede Eléctrica Nacional, nos anos de 2010 a 2013. A análise destes dados mostra que a mistura das duas fontes, que leva a uma menor diferença entre produção e consumo, depende da resolução temporal com que é feita a análise. Para uma gestão da rede à escala diária, o mix que resultará em menores diferenças entre produção e consumo, corresponde aproximadamente a uma contribuição de 60% de energia solar fotovoltaica e 40% de energia eólica. Quando se analisa a variabilidade à escala horária ou à escala mensal, notando-se uma grande influência dos ciclos diário e sazonal, o mix que dará menores diferenças entre produção e consumo, corresponde aproximadamente a uma contribuição de 65% de energia eólica e 35% de energia solar. Avaliando a qualidade do mix de energia através do valor máximo de armazenamento requerido, o melhor mix, isto é, aquele que requer menor capacidade de armazenamento, é conseguido com uma combinação de aproximadamente 60% de energia eólica e 40% de energia solar. As necessidades de armazenamento são, naturalmente, independentes da resolução temporal com que é feita a análise. Havendo estudos na literatura que demostram que a distribuição espacial das instalações fotovoltaicas contribui para a redução da variabilidade da produção de energia, e atendendo a que a maior parte da produção de energia solar injetada na Rede Eléctrica Nacional se concentra num número pequeno de parques no sul do país, procurou-se avaliar qual seria o efeito na variabilidade da produção de energia fotovoltaica de um cenário de produção distribuída por todo o País. Para isso, utilizaram-se dados de radiação solar à superfície, disponibilizados pelo Projecto Land SAF, liderado pelo Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA). Estes dados de radiação solar resultam de estimativas com base em observação de satélites, e foram disponibilizados para os anos de 2009 a 2012, com uma resolução temporal de 30 minutos e resolução espacial de 3 km. Utilizando um modelo de decomposição da radiação solar global nas componentes direta e difusa, seguido pela aplicação de um modelo de transposição das componentes da radiação de um plano horizontal para um plano inclinado, foi possível estimar a radiação solar incidente num plano inclinado. Finalmente, as estimativas da radiação incidente num plano inclinado foram usadas como input num modelo de painel fotovoltaico, a fim de estimar a potência elétrica produzida. A eficiência de um painel fotovoltaico depende, entre outros fatores, da temperatura ambiente, que foi caracterizada utilizando valores horários de temperatura observada na rede automática do IPMA. A qualidade das estimativas de produção fotovoltaica, dadas pelo conjunto de modelos utilizados, foi avaliada comparando os valores estimados com valores observados no parque fotovoltaico da Amareleja. A comparação mostrou muito boa correlação entre os valores estimados e os valores observado. Os valores estimados pelo modelo permitiram construir mapas de potencial fotovoltaico para todo o País, com uma resolução de 3 km, mas sem incluir efeitos de sombra devidos à orografia. Utilizando as séries simuladas da produção fotovoltaica, com painéis fixos ou fazendo o seguimento do sol, combinadas com as séries observadas da produção eólica, avaliou-se qual seria o melhor mix num cenário de produção distribuída de energia fotovoltaica. A rede elétrica foi considerada como um 'prato de cobre'. Avaliando o mix em termos do desvio quadrático médio entre a potência produzida e o consumo e/ou necessidade de armazenamento, os resultados não mostraram qualquer diferença qualitativa entre as análise baseadas nos dados observados ou em dados simulados, concluindo-se que as séries observadas dão um boa representação da variabilidade da produção fotovoltaica potencial em Portugal Continental.
Given the intermittent nature of the electrical energy produced by renewable sources of solar and wind energy, the characterization of variability of the simultaneous production by these two types of renewable energy sources is very important for planning and management of energy distribution grid. For this purpose is presented a study that considers different contributions (percentages) from both energy sources, and seeks to determine the best combination (mix) for Mainland Portugal. The best mix is identified as the one that presents a minimum root mean square deviation between the power produced and the load and/or minor necessary of storage. To this purpose, real data of load and power production from wind and photovoltaic plants, recorded by Portuguese electric network from 2010 to 2013, were analysed. The analysis shows that the mix from the two sources, which leads to a minimum deviation between the production and the load, depends on the temporal resolution. For a grid management at a daily scale, the mix resulting in minor deviations between production and load, corresponds approximately to a contribution of 60% from photovoltaic solar energy and 40% from wind energy. In the case of hourly or monthly scales, the mix presenting minor deviations between production and load, corresponds approximately to a contribution of 65% from wind energy and 35% from solar energy denoting a clear influence of daily and seasonal cycles. Evaluating the mix quality through the required maximum storage value, the best mix (requiring the smaller storage capacity), is reached with a combination of approximately 60% wind energy and 40% solar energy. The storage needs are, naturally, independent from the temporal resolution in which the analysis is made. Previous studies show that increasing the spatial distribution for photovoltaic facilities contributes to a reduction of the energy production variability. Having in consideration that the majority of the solar energy production injected into the “Rede Eléctrica Nacional” is concentrated in a small number of facilities in the south of the country, this work sought to assess the effect in photovoltaic energy production variability of a country distributed production scenario. With this purpose, surface solar radiation data, provided by “Projecto Land SAF”, a project led by the “Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA)” were used. These solar radiation data result from estimations based on satellite observations, and were provided from 2009 to 2012, with a 30 minute temporal resolution and 3 km spatial resolution. Applying a model for the decomposition of global solar radiation into direct and diffuse components, followed by the application of a model for the transposition of the radiation components from an horizontal plane to an inclined one, it was possible to estimate the incident solar radiation on an inclined plane. Finally, the estimations of incident radiation on an inclined plane were used as input in a photovoltaic panel model in order to estimate the electrical power produced. The efficiency of a photovoltaic panel depends, among other factors, on the ambient temperature, which was characterized using hourly temperature values observed in the automatic station network of IPMA. The quality of the photovoltaic production estimations, given by the set of used models, was evaluated comparing the estimated values to the observed values at the photovoltaic facility of Amareleja. The comparison showed a very good correlation between the estimated values and the observed ones. The values estimated by the model allowed one to make maps of photovoltaic potential for the entire country, with a 3 km resolution, not including shadow effects due to the orography. Using the simulated time series of photovoltaic production, with fixed panels or tracking panels, combined with the observed wind production series, the best photovoltaic energy production mix scenario was evaluated. The electrical grid was considered as a “copper plate”. Evaluating the mix in terms of the root mean square deviation between the produced power and the load and/or storage needs, the results do not show any qualitative difference between the analyses based on the observed data or estimated data. Therefore one can conclude that the observed series provide a good representation of the photovoltaic production potential variability in Mainland Portugal.
