Modelos de gestão de energia para pequenas micro redes fotovoltaicas no contexto colombiano
A developing country that does not have adequate energy solutions undoubtedly experiences adverse effects in terms of its competitiveness, economic, and social development. In recent decades the electrical power system has evolved into low-scale microgrids that integrate distributed power resources,...
| Autor principal: | Hernandez, Alejandro Sallyth Guerrero |
|---|---|
| Formato: | Tese |
| Idioma: | Inglês |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2021
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25137 |
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riut-1-251372021-06-11T06:05:29Z Modelos de gestão de energia para pequenas micro redes fotovoltaicas no contexto colombiano Energy management models for small photovoltaic microgrids in the colombian context Hernandez, Alejandro Sallyth Guerrero Arruda, Lucia Valeria Ramos de https://orcid.org/0000-0002-5704-8131 http://lattes.cnpq.br/8616017152145795 Neves Junior, Flavio https://orcid.org/0000-0002-1627-1425 http://lattes.cnpq.br/0494282486171725 Salamanca, Henry Leonardo Lopez https://orcid.org/0000-0002-9261-0214 http://lattes.cnpq.br/7466042746164746 Magatao, Leandro https://orcid.org/0000-0002-6917-9753 http://lattes.cnpq.br/4652695720103701 Arruda, Lucia Valeria Ramos de https://orcid.org/0000-0002-5704-8131 http://lattes.cnpq.br/8616017152145795 Ferreira, Vitor Hugo http://lattes.cnpq.br/3961773765127529 Sistemas de energia elétrica - Administração - Colombia Energia elétrica - Produção Energia elétrica - Distribuição Sistemas de energia fotovoltaica Programação não-linear Energia - Fontes alternativas Estudos de viabilidade Electric power systems - Management - Colômbia Electric power production Electric power distribution Photovoltaic power system Nonlinear programming Renewable energy sources Feasibility studies CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS Engenharia Elétrica A developing country that does not have adequate energy solutions undoubtedly experiences adverse effects in terms of its competitiveness, economic, and social development. In recent decades the electrical power system has evolved into low-scale microgrids that integrate distributed power resources, loads, power converters, and grid components stably, working in grid-connected or island mode. This thesis focuses on the study of adaptable energy management systems for microgrids to coordinate generation, demand, and storage, given the needs of the user in the Colombian context. The first case study considers the non-interconnected zones (ZNI), where the primary source of electrical energy in these communities is diesel generators, which are expensive and do not respect the environment. The case study objective is to propose a model to an energy system able to reduce the consumption of this fossil fuel in the Colombian ZNI. The technical and economical implementation of a small-scale photovoltaic system with and without a hybrid energy storage system (HESS) connected to the grid is proposed based on Colombian regulation’s incentive policy. A mixed-integer nonlinear programming optimization model (MINLP) was developed, including the storage costs of a lead-acid battery and a supercapacitor. This model allows to analyze the benefits of the electric tariff and maximize the income of the generation by photovoltaic system. This study’s conclusions offer policy suggestions and economic incentives to improve the use of renewable energy sources in Colombia’s ZNIs. It also serves as a precedent that can be implemented in other developing countries. The second case introduces the concept of agrivoltaic as a dual-purpose land-use solution (power generation and planting). An analysis is carried out to evaluate the installation of photovoltaic systems elevated at a considerable height from the ground, and below them, industrial cassava is grown. For such installation, a mixed-integer linear optimization model (MILP) is developed to optimize the proposed microgrid operation while managing the stored energy in a battery bank, reducing the heat absorbed from the electricity grid, and, in case of a surplus, exporting it for sale. The results show that the producer will obtain a double benefit: the sale of energy throughout the year and the profit generated by industrial cassava, which contributes to preserving food security and satisfying the growing electricity demand. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Um país em desenvolvimento que não possui soluções energéticas adequadas experimenta sem dúvida, efeitos adversos em termos de competitividade, desenvolvimento econômico e social. Nas últimas décadas o sistema de energia elétrica evoluiu para microrredes de pequena escala que integram recursos de energia distribuída, cargas, conversores de energia e componentes da rede de forma estável, funcionando em modo ilha ou conectadas à rede. Esta tese se concentra no estudo de sistemas de gerenciamento de energias adaptáveis a microrredes para coordenar geração, demanda e armazenamento, atendendo às necessidades do usuário no contexto colombiano. O primeiro estudo de caso considerou as zonas não interligadas (ZNI), onde a principal fonte de energia elétrica dessas comunidades são os geradores a gasóleo, caros e que não respeitam o meio ambiente. O objetivo de estudo é propor um modelo de sistema de energia capaz de reduzir o consumo desse combustível fóssil na ZNI colombiana. A implementação técnica e econômica de um sistema fotovoltaico de pequena escala com e sem sistema híbrido de armazenamento de energia (HESS) conectado à rede é proposta com base na política de incentivos da regulamentação colombiana. Um modelo de otimização de programação não linear inteira mista (MINLP) foi desenvolvido, incluindo os custos de armazenamento de uma bateria de chumbo-ácido e um supercapacitor. Este modelo permite analisar os benefícios da tarifa de energia elétrica e maximizar a receita da geração por sistema fotovoltaico. As conclusões deste estudo oferecem sugestões de políticas e incentivos econômicos para melhorar o uso de fontes de energia renováveis em ZNIs na Colômbia. Também serve como um precedente que pode ser implementado em outros países em desenvolvimento. O segundo caso de estudo apresenta o conceito de agrivoltaico como uma solução de uso do solo de duplo propósito (geração de energia e plantação). É realizada uma análise para avaliar a instalação de sistemas fotovoltaicos elevados a uma altura considerável do solo, e sob eles é feito o cultivo de mandioca industrial. Para esta instalação, é desenvolvido um modelo de otimização linear inteira mista (MILP) para otimizar o funcionamento da microgrid proposta, gerenciando a energia armazenada no banco de baterias, reduzindo a potência absorvida da rede elétrica e, em caso de sobra, exportando para a venda . Os resultados mostram que o produtor terá um duplo benefício: a venda de energia ao longo do ano e o lucro gerado pela industrialização da mandioca, que contribui para a preservação da segurança alimentar e atendimento à crescente demanda por eletricidade. 2021-06-10T20:12:28Z 2021-06-10T20:12:28Z 2021-04-16 doctoralThesis HERNANDEZ, Alejandro Sallyth Guerrero. Modelos de gestão de energia para pequenas micro redes fotovoltaicas no contexto colombiano. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25137 eng openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Inglês |
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Sistemas de energia elétrica - Administração - Colombia Energia elétrica - Produção Energia elétrica - Distribuição Sistemas de energia fotovoltaica Programação não-linear Energia - Fontes alternativas Estudos de viabilidade Electric power systems - Management - Colômbia Electric power production Electric power distribution Photovoltaic power system Nonlinear programming Renewable energy sources Feasibility studies CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS Engenharia Elétrica |
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A developing country that does not have adequate energy solutions undoubtedly experiences adverse effects in terms of its competitiveness, economic, and social development. In recent decades the electrical power system has evolved into low-scale microgrids that integrate distributed power resources, loads, power converters, and grid components stably, working in grid-connected or island mode. This thesis focuses on the study of adaptable energy management systems for microgrids to coordinate generation, demand, and storage, given the needs of the user in the Colombian context. The first case study considers the non-interconnected zones (ZNI), where the primary source of electrical energy in these communities is diesel generators, which are expensive and do not respect the environment. The case study objective is to propose a model to an energy system able to reduce the consumption of this fossil fuel in the Colombian ZNI. The technical and economical implementation of a small-scale photovoltaic system with and without a hybrid energy storage system (HESS) connected to the grid is proposed based on Colombian regulation’s incentive policy. A mixed-integer nonlinear programming optimization model (MINLP) was developed, including the storage costs of a lead-acid battery and a supercapacitor. This model allows to analyze the benefits of the electric tariff and maximize the income of the generation by photovoltaic system. This study’s conclusions offer policy suggestions and economic incentives to improve the use of renewable energy sources in Colombia’s ZNIs. It also serves as a precedent that can be implemented in other developing countries. The second case introduces the concept of agrivoltaic as a dual-purpose land-use solution (power generation and planting). An analysis is carried out to evaluate the installation of photovoltaic systems elevated at a considerable height from the ground, and below them, industrial cassava is grown. For such installation, a mixed-integer linear optimization model (MILP) is developed to optimize the proposed microgrid operation while managing the stored energy in a battery bank, reducing the heat absorbed from the electricity grid, and, in case of a surplus, exporting it for sale. The results show that the producer will obtain a double benefit: the sale of energy throughout the year and the profit generated by industrial cassava, which contributes to preserving food security and satisfying the growing electricity demand. |
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2021 |
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HERNANDEZ, Alejandro Sallyth Guerrero. Modelos de gestão de energia para pequenas micro redes fotovoltaicas no contexto colombiano. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
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