@PhDThesis{Gonçalves:2021:HiUsSo,
author = "Gon{\c{c}}alves, Andr{\'e} Rodrigues",
title = "Hibridiza{\c{c}}{\~a}o de usinas solares e e{\'o}licas e sua
complementariedade no Brasil",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2021",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2021-05-21",
keywords = "energia solar, energia e{\'o}lica, climatologia, planejamento,
energia renov{\'a}vel, solar energy, wind energy, climatology,
planning, renewable energy.",
abstract = "O fornecimento de energia no Brasil est{\'a} se tornando
dependente de novas vari{\'a}veis clim{\'a}ticas com o aumento
da participa{\c{c}}{\~a}o das fontes solar e e{\'o}lica. Uma
das solu{\c{c}}{\~o}es mais promissoras para reduzir a
intermit{\^e}ncia da gera{\c{c}}{\~a}o de eletricidade a
n{\'{\i}}vel local {\'e} a hibridiza{\c{c}}{\~a}o de duas ou
mais fontes de energia em uma {\'u}nica usina, fornecendo
servi{\c{c}}os ancilares para estabilidade da rede. Embora a
energia e{\'o}lica j{\'a} responda pela segunda maior parcela da
matriz el{\'e}trica brasileira, a energia solar est{\'a}
crescendo duas vezes mais r{\'a}pido nos {\'u}ltimos anos,
podendo superar a capacidade instalada e{\'o}lica na pr{\'o}xima
d{\'e}cada. As diferentes configura{\c{c}}{\~o}es de plantas
h{\'{\i}}bridas para energia solar, e{\'o}lica e
hidr{\'a}ulica s{\~a}o o foco deste estudo, uma vez que a
energia hidrel{\'e}trica {\'e} a espinha dorsal do setor
el{\'e}trico brasileiro. Uma ampla revis{\~a}o sobre
planejamento energ{\'e}tico, variabilidade clim{\'a}tica e
energias renov{\'a}veis vari{\'a}veis (ERVs) {\'e} apresentada,
com foco em sistemas h{\'{\i}}bridos de energia para o Brasil.
Dois estudos de caso s{\~a}o delineados, um para sistemas
h{\'{\i}}bridos e{\'o}lico-solares e outro para sistemas
h{\'{\i}}bridos hidro-solares, ambos focados em aspectos
meteorol{\'o}gicos da complementaridade energ{\'e}tica. No
primeiro estudo foram utilizados dados de 14 anos de
irradi{\^a}ncia solar e de vento medidos nas esta{\c{c}}{\~o}es
radiom{\'e}tricas e anemom{\'e}tricas co-localizadas de
Petrolina (PTR) e S{\~a}o Martinho da Serra (SMS), oriundos do
projeto SONDA. Esses locais representam dois dos principais
dom{\'{\i}}nios clim{\'a}ticos para expans{\~a}o de ERVs no
Brasil. Avaliou-se o n{\'{\i}}vel de complementaridade para uma
planta h{\'{\i}}brida hipot{\'e}tica buscando uma
fra{\c{c}}{\~a}o solar {\'o}tima (SF) por meio de m{\'e}tricas
de estabilidade de gera{\c{c}}{\~a}o de energia para escalas de
tempo hor{\'a}rias, di{\'a}rias e mensais. A fra{\c{c}}{\~a}o
solar {\'o}tima depende das escalas de tempo de interesse,
variando de 0,3, para m{\'a}xima estabilidade hor{\'a}ria a 0,9
para maior estabilidade di{\'a}ria, variando entre os locais.
Padr{\~o}es de complementaridade importantes foram descritos em
escalas hor{\'a}rias e sazonais. A mitiga{\c{c}}{\~a}o de
eventos extremos tamb{\'e}m foi investigada. Para todos os
crit{\'e}rios avaliados, a hibridiza{\c{c}}{\~a}o trouxe ganhos
de confiabilidade no suprimento pot{\^e}ncia relativo,
confirmando a relev{\^a}ncia de uma avalia{\c{c}}{\~a}o
detalhada da gera{\c{c}}{\~a}o h{\'{\i}}brida devido ao
acoplamento temporal das s{\'e}ries. O segundo estudo investigou
os efeitos da brisa lacustre na nebulosidade sobre {\'a}reas
alagadas de usinas hidrel{\'e}tricas. A maioria das usinas
hidrel{\'e}tricas brasileiras possui grandes reservat{\'o}rios
de {\'a}gua que podem induzir mudan{\c{c}}as significativas no
microclima local. Identificou-se o mecanismo de brisa predominante
em um reservat{\'o}rio hidrel{\'e}trico brasileiro em
regi{\~a}o tropical. Imagens vis{\'{\i}}veis do sat{\'e}lite
GOES-16 e medi{\c{c}}{\~o}es locais coletadas pelo INMET e INPE
forneceram dados para a an{\'a}lise estat{\'{\i}}stica. O
aumento da irradi{\^a}ncia solar sobre a superf{\'{\i}}cie da
{\'a}gua foi comparado {\`a} {\'a}reas continentais ao redor do
reservat{\'o}rio. Os resultados indicaram que a nebulosidade
m{\'e}dia di{\'a}ria aumenta {\`a} medida que nos afastamos do
reservat{\'o}rio em qualquer uma das dire{\c{c}}{\~o}es
cardeais. Essa diferen{\c{c}}a chega a 8% durante o outono (MAM)
e a primavera (SON). Consequentemente, o aumento da
irradi{\^a}ncia m{\'e}dia na superf{\'{\i}}cie da {\'a}gua em
compara{\c{c}}{\~a}o com as {\'a}reas externas foi de 1,73%
Estes resultados sugerem que as usinas fotovoltaicas flutuantes
podem experimentar ganhos relevantes de irradi{\^a}ncia solar
devido ao mecanismo de brisa predominante em grandes
reservat{\'o}rios hidrel{\'e}tricos em regi{\~o}es tropicais
brasileiras. Outros fatores que afetam a produtividade destas
usinas devem ser combinados para se estimar os ganhos globais
destes sistemas. Espera-se que os resultados deste trabalho
constituam mais uma fonte de informa{\c{c}}{\~o}es a dar suporte
ao planejamento da expans{\~a}o do sistemas h{\'{\i}}bridos de
energia no pais. ABSTRACT: Energy systems are becoming more
dependent on new climate variables in Brazil due to increasing
wind and solar power share. One of the most promising solutions
for ensuring reliability of electricity supply, reducing costs and
optimizing the grid is the hybridization of two or more power
sources in a single generation plant, providing ancillary services
for grid stability. Although wind responds currently for the
second highest share of brazilian electricity mix, solar power is
growing twice faster in recent years, probably overcoming wind in
the next decade. The various hybridization sets for solar, wind
and hydropower are the focus of this study since hydropower is the
backbone of the Brazilian electricity sector. A broad review on
energy planning, climate variability and variable renewable energy
(VRE) is introduced, focusing on hybrid energy systems for Brazil.
Two case studies are outlined, one for wind-solar and other for
hydro-solar hybrid systens, both focused on meteorological aspects
of power complementarity. The first case used 14 years of solar
irradiance and wind data, measured at the Petrolina (PTR) and
S{\~a}o Martinho da Serra (SMS) co-located
radiometric/anemometric stations from the SONDA project. These
locations represent two of the main climatological domains for VRE
expansion in Brazil. The complementarity level for a hypothetical
hybrid plant was quantified seeking for an optimal solar fraction
(SF). This was done through power generation stability metrics
developed for hourly, daily and monthly time scales. Results show
that optimum share of solar to wind mix depends on time scales of
interest, varying from a SF of 0.3, for maximum hourly stability,
to 0.9 for maximum daily stability, ranging among locations.
Hourly and seasonal scales revealed important complementarity
patterns. Further investigation comprised mitigation of extreme
events. For all the criteria, some level of hybridization brought
value to power reliability, confirming the relevance of a detailed
coupled power assessment due to wind and solar temporal
dependency. The second case study investigated the effects of lake
breeze on cloudiness over flooded areas of hydroelectric dams.
Most Brazilian hydropower plants have large water reservoirs that
may induce significant changes in the local environment. A
prevailing breeze mechanism in a Brazilian tropical hydropower
reservoir is identified. GOES-16 satellite visible imagery, and
ground measurement sites operated by INMET and INPE provided data
for the statistical analysis. The solar irradiance enhancement
over the water surface was compared to the border and dry land
areas surrounding the reservoir. The results pointed out that the
daily average cloudiness increases as we move away from the
reservoir in any of the four cardinal directions. This difference
reaches 8% during autumn (MAM) and spring (SON). Consequently, the
irradiance enhancement at the water surface compared to external
areas was around 1.73% for daily average. Our results suggest that
floating solar PV power plants may experience enhanced irradiance
due to prevailing breeze mechanism in large tropical reservoirs in
Brazil. Other factors that affect plant productivity should be
combined to evaluate system overall performance. The
abovementioned results may provide valuable information for hybrid
energy systems planning in Brazil.",
committee = "Alves, Lincoln Muniz (presidente) and Pereira, Enio Bueno
(orientador) and Martins, Fernando Ramos (orientador) and Assireu,
Arcilan Trevenzoli and Pes, Marcelo Pizzuti and R{\"u}ther,
Ricardo",
englishtitle = "ybridization of wind and solar power plants and their
complementarity in Brazil",
language = "pt",
pages = "143",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/44M4UNB",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/44M4UNB",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "10 maio 2024"
}