Simcenter System Simulation para projeto de sistemas fotovoltaicos solares
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Uma inovação revolucionária em energias renováveis.
Esta postagem do blog destaca o Simcenter System Simulation ajuda a solucionar seus desafios na área de energia solar fotovoltaica (FV) industrial.
Os sistemas fotovoltaicos são sistemas complexos, pois geralmente são combinados com outros elementos do ambiente, como residências, estações de carregamento rápido para veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) ou microrredes, chegando até estações espaciais e satélites.
Para ser bem-sucedido, o projeto exige a aplicação de diversas leis da física (elétrica, térmica, semicondutores, etc.), com importantes aspectos de integração de sistemas, controles e até mesmo análises técnico-econômicas (OPEX/CAPEX, condições climáticas, balanceamento de carga).
Com a redução dos custos e o avanço da tecnologia, cada vez mais organizações estão recorrendo à energia solar como principal opção para geração de energia. A energia solar fotovoltaica tende a se tornar a principal fonte de energias renováveis em todo o mundo, à frente de turbinas eólicas, hidrelétricas ou energia nuclear. Isso representa um aumento impressionante de sua capacidade instalada. A energia solar é hoje fundamental para garantir o sucesso no caminho da descarbonização rumo a um mundo mais sustentável.
Vamos ver como o System Simulation está impulsionando a transformação digital para solucionar todos os seus desafios em energia solar fotovoltaica.
A energia solar fotovoltaica (FV) é fundamental em muitos setores
A energia solar fotovoltaica (solar PV) é uma tecnologia que converte a luz solar (radiação solar) em eletricidade utilizando semicondutores.
A energia solar fotovoltaica converte a radiação solar em eletricidade
Os sistemas fotovoltaicos solares estão hoje presentes em todos os setores, desde aplicações fixas (residenciais, …) até à mobilidade (espacial, marítima, …) e, certamente, no setor energético, com a sua participação cada vez maior na geração de energia a partir de fontes renováveis (solar, eólica, hidroelétrica, das ondas, térmica, …).
Todas as indústrias precisam de energia solar fotovoltaica para a descarbonização
Abaixo, um exemplo de um sistema de energia de satélite representado no Simcenter Amesim, parte do portfólio Simcenter System Simulation. O gêmeo digital com o System Simulation auxilia no dimensionamento preliminar do painel solar e do conjunto de baterias para atender aos requisitos.
A alternância entre eclipses (sombra) e luz do dia fornece a irradiação solar na órbita geoestacionária
Só para constar, conforme afirmado pela Agência Internacional de Energia (IEA), a energia solar fotovoltaica está destinada a se tornar a maior fonte de energia renovável até 2029. Houve um crescimento exponencial na implantação de energia solar fotovoltaica, com sua capacidade global crescendo em um ritmo histórico. De 2018 a 2023, ela triplicou.
A geração de eletricidade renovável com energia solar fotovoltaica se tornará a maior fonte de energia renovável
Entre 2024 e 2030, espera-se que a tecnologia solar fotovoltaica seja responsável por 80% do crescimento da capacidade global de energia renovável. A energia solar fotovoltaica deverá se tornar em breve a maior fonte de energia renovável, superando a energia eólica e a hidrelétrica, que atualmente são as maiores fontes de geração de energia renovável.
Principais coisas a saber
Embora a energia solar fotovoltaica seja uma tecnologia bem conhecida há anos, foi apenas recentemente que cresceu o interesse na simulação de sistemas para melhor prever seu comportamento, seja focando no componente em si ou considerando sua completa integração em sistemas maiores com controles avançados e cenários variáveis (condições climáticas, demanda de energia ao longo do dia, evolução do preço da energia, controladores adaptativos inteligentes, etc.).
De uma célula solar a um sistema fotovoltaico (FV)
Com o Simcenter Amesim, você pode prever a produção de energia dos painéis solares e contribuir para o sucesso da transição energética.
Você pode dimensionar o painel solar de acordo com o número de painéis solares, o número de células e a área de cada célula. Você pode inserir a cidade onde está localizado ou sua posição GPS, as condições climáticas (se está nublado ou não), o coeficiente de reflexão do solo ou o fator de turbidez. Assim, você obterá a energia produzida ao longo do dia ou dos meses, podendo acompanhar os resultados em todas as estações do ano.
Potencial de geração de energia fotovoltaica – Fonte: globalsolaratlas.info
O Simcenter Amesim é normalmente usado para integração de sistemas, combinando os diferentes subsistemas envolvidos, como {painéis solares fotovoltaicos + controles + eletrônica de potência + microrredes + residências + consumidores}.
Com o Simcenter Amesim, você pode abordar e resolver todos esses desafios, desde painéis solares até sistemas integrados inteligentes:
📐 Dimensões e desempenhos
♻️ Eficiência do sistema
❄️ Gestão térmica, refrigeração
💧 Produção de Hidrogênio Verde
🔋 BESS (sistemas de armazenamento de energia em baterias)
🔌 Conexão à rede elétrica/microrrede, conversores de energia, inversores
💡 Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT)
🧭 Rastreadores de painéis solares, melhores locais para energia solar
🏠 Indústrias: residencial, aquecedores de água, navios, carros, veículos elétricos, aviões
Os usuários podem arrastar e soltar os componentes predefinidos (sem necessidade de programação) para montá-los e obter seus sistemas completos. Embora a execução seja muito rápida, leva apenas alguns segundos/minutos de tempo de CPU para calcular o dia/semana/ano completo, incluindo aspectos econômicos.
Por que o Simcenter Amesim é perfeito para energia solar fotovoltaica?
Bem, o Simcenter Amesim oferece tudo o que você precisa para investigar seus sistemas fotovoltaicos solares. Ele vem com bibliotecas prontas para uso de componentes físicos (elétricos, térmicos, etc.) que podem ser combinados em um único ambiente, além de excelentes solvers para alcançar integração avançada e monitoramento do sistema em tempo real. Isso inclui até mesmo o comissionamento virtual com testes avançados de estratégia de controle antes mesmo da implementação do sistema real.
Você obtém grandes benefícios ao usar componentes fotovoltaicos solares para:
Configure os parâmetros do modelo a partir das informações da folha de dados.
Amplie facilmente a escala da célula fotovoltaica para painéis ou conjuntos solares.
Levar em consideração a influência da temperatura e da irradiação solar no desempenho elétrico da célula fotovoltaica.
Obtenha a irradiação solar de acordo com as coordenadas GPS, altitude e data.
Cálculos de eficiência dependentes da temperatura para diferentes valores de irradiância
De fato, existe uma enorme variabilidade nas configurações devido às diferentes localizações (Berlim, Xinjiang, México, Abu Dhabi) e condições climáticas (verão, inverno), que impactam diretamente o desempenho do sistema para a implementação local. Essa é a razão pela qual os usuários precisam explorar a energia solar fotovoltaica digitalmente para reduzir o tempo de testes dispendiosos e obter confiança em seus produtos desde o início dos ciclos de projeto.
Seleção de cidades em todo o mundo, ou com posições GPS (variáveis) a partir de coordenadas
Na prática, existem muitos desafios a serem resolvidos. Eles vão desde o dimensionamento usual ou o gerenciamento térmico/resfriamento para melhorar a eficiência, até análises mais avançadas, como o desenvolvimento de estratégias de controle com otimização de "Maximum Power Point Tracking" (MPPT), a integração com sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) ou a conexão às redes/microrredes com componentes eletrônicos de potência (conversores, inversores, etc.).
Desafios típicos para energia solar fotovoltaica
Também é fácil simular toda a produção de hidrogênio verde ao longo de dias/meses de operação. Além disso, é possível gerar automaticamente controladores otimizados que levam em consideração a previsão do tempo ou a evolução do preço da energia com Inteligência Artificial (IA), graças a Modelos de Ordem Reduzida (ROM), Redes Neurais (NN) ou Aprendizado por Reforço (RL).
Produção de painéis solares ao longo de 12 meses
Integração completa do sistema
Vamos analisar alguns exemplos de sistemas fotovoltaicos solares integrados em instalações maiores. O objetivo é mostrar como podemos ir de painéis solares a sistemas inteligentes e integrados graças à multifísica e aos gêmeos digitais escaláveis.
Dessa forma, os engenheiros podem lidar com interações complexas entre diferentes fenômenos físicos e modelar toda a cadeia de conversão de energia, da radiação solar à produção de eletricidade. Isso permite, na prática, adequar os perfis de carga dinâmicos, otimizar a potência de pico e alcançar o dimensionamento de sistema adequado e economicamente viável.
Em conjunto com as poderosas ferramentas de análise integradas ao Simcenter Amesim, os usuários podem investigar suas previsões de produção de energia, cálculos de índice de desempenho ou análises de perda de potência, tudo com estudos paramétricos detalhados. Isso permite até mesmo o monitoramento da eficiência do sistema em tempo real, em períodos simulados que variam de curtos (minutos) a longos (meses). Uma conquista valiosa!
Por exemplo, o modelo apresentado prevê o desempenho do sistema dependendo das condições meteorológicas (do tempo) e da localização do sistema.
Produção de energia verde com diferentes fontes de energias renováveis, incluindo energia solar fotovoltaica
Após a execução de simulações rápidas, que levam poucos minutos, ao longo de um ano (12 meses), diversas arquiteturas ou opções de dimensionamento de componentes podem ser avaliadas para selecionar os projetos mais eficientes e rentáveis.
Produção de painéis solares com todas as variáveis acessíveis
Para os painéis solares, você pode considerar o azimute solar (ângulo lateral), a altitude solar (incidência solar/horizontal), a potência de irradiação solar na superfície [W], a potência radiativa do ambiente na superfície [W] ou a inclinação da superfície. Para acessar qualquer tipo de resultado, como a potência elétrica do painel solar [W], a densidade de corrente fotogerada [A/cm²] ou a corrente elétrica do painel solar [A]. E, ao ampliar o zoom, você pode até acompanhar as evoluções durante o dia/noite atual.
Outra aplicação é a sustentabilidade e a eficiência energética na indústria de data centers. Atualmente, eles são responsáveis por até 3% do consumo global de eletricidade e chegarão a 4% em 2030. Por isso, o mercado decidiu tomar medidas para reduzir sua pegada de carbono e tornar o consumo de energia mais eficiente, também devido às regulamentações mais rigorosas previstas. Uma possibilidade é considerar energias renováveis para a geração de energia, tipicamente com painéis solares.
Centros de dados – Distribuição convencional de energia elétrica CA de 480 V com integração de painéis fotovoltaicos
Com o Simcenter Amesim, você pode dimensionar corretamente os painéis solares com base na localização e na cobertura de nuvens. Aqui, três cidades diferentes são comparadas, simplesmente selecionando-as em um menu, e vemos que a radiação solar em Paris, em uma data e hora específicas, é quase a metade da de Tóquio ou Nova York. É muito bom saber disso de antemão, antes de tentar adaptar todas as peças no local!
Em relação às arquiteturas de distribuição de energia elétrica, seu desempenho pode ser aprimorado com o uso de transformadores e conversores de alta eficiência, a implantação de energias renováveis e o balanceamento de cargas. Todos esses aspectos precisam ser verificados, e é aí que o System Simulation pode definitivamente ajudar na tomada de decisões corretas. E, finalmente, verificar virtualmente se o seu novo projeto de sistema é totalmente compatível com a carga elétrica e se tudo pode ser fornecido adequadamente à rede.
Você pode ir ainda mais longe na análise para prever os parâmetros do controlador de forma adequada, com base na previsão do tempo e nos dados transmitidos. Este é o novo desafio que se apresenta, para que você possa tomar decisões mais acertadas em relação a OPEX (despesas operacionais) e CAPEX (despesas de capital).
Controle supervisório da rede elétrica, combinando IA, previsão do tempo e dados transmitidos em fluxo contínuo
É uma boa maneira de lidar com cenários do mundo real, incluindo sombreamento parcial (variações na cobertura de nuvens, flutuações de temperatura, mudanças sazonais, variações na demanda de carga). E, em certa medida, de investigar as perturbações na rede elétrica durante grandes variações nas condições de contorno e eventos em cascata.
System Simulation é a abordagem correta para um público amplo, incluindo projetistas de sistemas fotovoltaicos solares, integradores de sistemas de energia, instituições de pesquisa, empresas de serviços públicos e consultores de energia.
Gostaria apenas de salientar que o System Simulation é perfeito e muito adequado para alcançar excelentes resultados em termos de sustentabilidade através da energia solar fotovoltaica na sua empresa.
System Simulation desempenha um papel crucial
Para concluir, vamos resumir como o System Simulation desempenha um papel crucial na avaliação técnico-econômica de sistemas fotovoltaicos (FV) solares.
Indústria solar busca reduzir pegada de carbono
Você pode abordar alguns aspectos-chave, como:
Previsão de desempenho
Otimização do projeto,
Análise de impacto ambiental,
Análise econômica.
De forma geral, a simulação de sistemas fornece uma estrutura abrangente para avaliar a viabilidade técnica e econômica de projetos de energia solar fotovoltaica, ajudando as partes interessadas a tomar decisões informadas sobre investimentos e operações.
Segmentação energética – System Simulation em todos os setores
Em resumo, a adoção de sistemas fotovoltaicos solares no desenvolvimento de produtos exige uma abordagem estratégica, considerações desde os estágios iniciais e ferramentas avançadas, como gêmeos digitais baseados em princípios físicos, para lidar com as complexidades e aproveitar a energia solar fotovoltaica (FV) como uma vantagem competitiva.
Graças à digitalização, o System Simulation certamente contribui para o sucesso da sua jornada em energia solar fotovoltaica.
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