Planeamento de curto prazo de sistemas de energia solar usando técnicas de otimização robusta

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica

Esta dissertação aborda o problema de planeamento de curto prazo de sistemas de aproveitamento de energia solar por central de concentração solar térmica. O objetivo desta abordagem é o de propor uma nova metodologia baseada em programação linear inteira mista e otimização robusta para resolver o problema de planeamento, de forma a maximizar o lucro inerente à exploração da central de concentração solar térmica, através da otimização da produção de energia elétrica em ambiente de mercado. Para melhorar a produtividade operacional da central de concentração solar térmica durante períodos de ausência de radiação solar, sistemas de armazenamento de energia e de ‘backup’ são considerados na abordagem ao planeamento. O problema envolve o tratamento de três considerações fundamentais que justificam à necessidade de utilização da nova metodologia. As considerações respeitam à formalização de: i) restrições de rampa; ii) custos variáveis e custos de arranque do sistema de ‘‘backup’’; iii) restrições de emissões poluentes do sistema de ‘backup’. A necessidade destas considerações advém da mitigação indispensável de desgastes de equipamentos envolvidos na produção de energia elétrica. Assim, é possível diminuir os custos de manutenção e aumentar o tempo de vida útil dos equipamentos. O problema de planeamento é formulado recorrendo ao uso de variáveis binárias, que permitem modelizar os estados discretos de funcionamento da central. Adicionalmente, a incerteza na potência térmica associada com a conversão energética proveniente do campo solar é modelizada através de um intervalo deprevisão, permitindo a utilização da técnica de otimização robusta, sendo o coeficiente de robustez predominante nesta técnica de otimização utilizado para controlar o nível de conservadorismo da solução alcançada e para garantir uma solução admissível para o pior caso associado com a incerteza modelizada. Para comprovar a proficiência da metodologia proposta são utilizados casos de estudo realísticos para concluir sobre o desempenho da nova metodologia.

Abstract: This dissertation addresses the problem of short-term planning of systems exploiting solar energy by a concentrating solar power plant. The objective of this addressing is to propose a new methodology based on mixed integerlinear programming and robust optimization to solve the planning problem in orderto maximize the profit inherent to the operation of a concentration solar plant, by optimizing the production of electrical energy in the market environment. To improve the operational productivity of concentration solar plant during periods of no solar radiation, energy storage and ‘backup’ systems are considered in the planning. The problem involves the treatment of three fundamental considerations that justify the need for the new methodology. The considerations are related to the formalization of: i) ramp constraints; ii) variable costs and start-up costs of the ‘backup’ system; iii) constraints on emissions from the ‘backup’ system. The need for these considerations come the necessary mitigation of wear on equipments involved in the production of electricity. So, reducing maintenance costs and increasing the useful life of equipments are achievable. The planning problem is formulated using binary variables, which allow modeling the discrete states of operation status of the plant. Additionally, the uncertainty of the thermal power associated with the energy conversionfrom the solar field is modeled through a prediction interval, allowing the use of robust optimization technique, being the predominant factor in this technique used to control the level of conservatism of the solution reached and to ensure a feasible solution for the worst case associated with the modeled uncertainty. To prove the proficiency of the proposed methodology study of realistic cases are used to conclude about the performance of the new methodology.