Maximização da eficiência de parques eólicos por otimização do posicionamento espacial dos aerogeradores

Abstract

A otimização de um processo pode ser compreendida como sendo a busca por maximizar ou minimizar uma função objetivo sujeita a um conjunto de restrições e que descreve o problema analisado. Com o avanço da tecnologia, processos de otimização têm sido cada vez mais aplicados em diversas áreas, como, por exemplo, a de energias renováveis. Dentre estas, a energia eólica tem aumentado a sua participação na matriz energética de diversos países, consolidando-se como uma fonte alternativa de energia sustentável, obtida convencionalmente a partir de parques eólicos. Na construção de empreendimentos deste tipo, deve-se atentar para que a disposição dos aerogeradores seja tal que as turbinas não tenham sua produção reduzida em função das esteiras aerodinâmicas geradas no processo de extração da energia cinética do vento pelos demais aerogeradores do parque. A esse efeito dá-se o nome de efeito esteira, o qual deve ser fortemente evitado em função do seu grande impacto sobre a produção total de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo otimizar o layout de parques eólicos, visando maximizar a eficiência energética através da aplicação de abordagens metaheurísticas. Na análise da influência do efeito esteira sobre a eficiência do aerogerador, é considerado uma modelagem que emprega uma abordagem amplamente aplicada e reportada na literatura, para a qual propõe-se um melhoramento da formulação para consideração de diferença de altura entre os aerogeradores. Além disso, são relacionados fatores como condições do vento através da rosa dos ventos local, bem como características físicas e de operação dos aerogeradores, além de características do solo como a rugosidade do terreno. Na análise, são avaliados 2 casos amplamente discutidos na literatura, além do caso de um parque eólico hipotético com condições de relevo distintas, localizado no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Os resultados obtidos para os casos reportados na literatura evidenciam a obtenção de resultados melhores do que aqueles obtidos por outras metodologias, fazendo a validação da aplicabilidade da abordagem metaheurística na análise desse tipo de problema. Por sua vez, na análise do parque eólico hipotético, o algoritmo obtém valores de eficiência acima dos 97% em todos os casos, evidenciando a capacidade do algoritmo em explorar as condições do terreno para dispor os aerogeradores de forma otimizada.

The optimization of a process can be understood as the search to maximize or minimize an objective function subject to a set of constraints and that describes the problem under analysis. With the advance of technology, optimization processes have been increasingly applied in several areas, such as, for example, renewable energy. Among these, wind energy has increased its participation in the energy matrix of several countries, consolidating itself as an alternative source of sustainable energy, conventionally obtained from wind farms. In the construction of enterprises of this type, it is important to ensure that the arrangement of the wind turbines is such that the turbines do not have their production reduced due to the aerodynamic wakes generated in the process of extracting kinetic energy from the wind by the other wind turbines in the park. This effect is called the wake effect, which should be strongly avoided because of its great impact on total energy production. In this context, the present work aims to optimize the layout of wind farms, focusing in the maximization of energy efficiency through the application of metaheuristic approaches. In the analysis of the influence of the wake effect on wind farm efficiency, a modeling is considered that employs an approach widely applied and reported in the literature, for which an improvement of the formulation is proposed to consider height differences between the wind turbines. In addition, factors such as wind conditions are related through the local wind rose, as well as physical and operating characteristics of the wind turbines, and soil characteristics such as terrain roughness. In the analysis, 2 cases widely discussed in the literature are evaluated, as well as the case of a hypothetical wind farm with distinct topography conditions, located in the state of Rio Grande do Sul, Brazil. The results obtained for the cases reported in the literature show better results than those obtained by other methodologies, validating the applicability of the metaheuristic approach in the analysis of this type of problem. In turn, in the analysis of the hypothetical wind farm, the algorithm obtains efficiency values above 97% in all cases, demonstrating the ability of the algorithm to explore the terrain conditions in order to place the wind turbines in an optimized manner.