Além do diesel: backup híbrido com bateria solar e bateria em locais africanos fora da rede

Artigo

8 de outubro de 2019

Locais fora da rede no norte da Nigéria, Níger, Mali, Burkina Faso, Etiópia e Turkana funcionam a diesel, com custos de combustível, transporte e roubo consumindo grande parte do OPEX. Este artigo aborda as três topologias e quando cada uma se aplica, a vida útil real da bateria em ciclos diários, a variável de poeira subestimada e uma fórmula de retorno com quatro entradas que você pode medir no local.

Um dia em um local fora da rede

Em torno de Kano e Kaduna, no norte da Nigéria, nas zonas rurais do Níger, Mali e Burkina Faso, nas terras altas da Etiópia, na árida região de Turkana, no Quénia, e nas províncias periféricas da Zâmbia, um dia típico funciona assim: o gerador a diesel arranca antes do anoitecer e funciona noite adentro com uma carga de cerca de 1 a 3 kW; ele desliga durante a noite e a bateria carrega banda base e transmissão; durante o dia, a bateria continua a carregar o local até a noite, carregando apenas se a energia da rede aparecer por algumas horas. O problema não é o gerador em si, mas três custos ocultos: entrega de combustível no local, que onde é necessário o transporte de motocicletas ou camelos pode exceder o dobro do preço na bomba; roubo de combustível, que em algumas áreas representa 10% a 30% do volume adquirido; e manutenção e revisão amortizada por hora de funcionamento. O objetivo da energia solar não é ambiental – é retirar a carga diurna do gerador e cortar diretamente todos os três custos.

Escolhendo entre três topologias

O híbrido solar não é um projeto, mas três, e a escolha errada dobra o retorno. O primeiro é o modo solar mais bateria mais diesel em espera, também chamado de prioridade solar: o PV atende a carga e carrega a bateria durante o dia, reduz quando a bateria está cheia e o diesel inicia somente após nublado prolongado ou esgotamento da bateria. Minimiza as horas do gerador e adapta-se a locais com boa irradiância anual e carga concentrada durante o dia – a escolha mais comum na África Subsaariana. O segundo é o diesel primário com assistência solar, onde a energia fotovoltaica transporta apenas parte da carga, normalmente 30% a 50%, e o gerador funciona como antes com menor consumo de combustível. Mais simples de modernizar e mais barato em termos de capital, é adequado para cargas maiores ou locais com um gerador relativamente novo. A terceira é pura energia solar mais bateria sem nenhum gerador, viável apenas onde a carga estiver abaixo de 500 W e três dias de risco de nublado forem aceitáveis. O fator decisivo em todos os três não é o recurso de irradiância, mas o quão bem a curva de carga se sobrepõe à curva solar: uma sobreposição alta favorece a primeira, uma sobreposição baixa torna a segunda mais segura.

Vida útil real da bateria no ciclismo diário

Em um híbrido solar, a bateria completa um ciclo completo todos os dias, o que não é nada parecido com o modo de espera flutuante e é onde muitos projetos falham – eles especificam uma bateria flutuante e a substituem em dois anos. A seleção depende de três valores e não da capacidade da placa de identificação. Primeiro, ciclo de vida e, especificamente, ciclo de vida em uma profundidade de descarga determinada; os sistemas solares normalmente funcionam com 50% a 70% DOD, então peça dados nessa faixa. Em segundo lugar, aceitação de carga: a potência de carregamento fotovoltaico varia com a irradiância, a corrente é baixa pela manhã e no final da tarde, e se a bateria pode absorver efetivamente em baixa corrente determina a recuperação diária de energia. A série chumbo-carbono (LLC, 300–1.000Ah, seis modelos) oferece quatro a cinco vezes o ciclo de vida do produto convencional em serviço PSoC com aproximadamente 30% melhor aceitação de carga e foi projetada exatamente para isso. Terceiro, comportamento em altas temperaturas: temperaturas do gabinete acima de 40°C são rotineiras em África, portanto o ciclo de vida deve ser corrigido em função da temperatura. A série de ciclo profundo (FTC, 100–170Ah, 1.500 ciclos ou mais) também é uma boa escolha para capacidades pequenas e médias.

Poeira: a variável subestimada

Em todo o Sahel e na árida África Oriental, a poeira é subestimada. Primeiro, a sujeira: cada camada de poeira no vidro reduz a transmitância em vários pontos percentuais e, após uma tempestade de poeira, o conjunto pode ficar coberto com espessura suficiente para reduzir a produção pela metade. No Níger, no Mali e no Chade, ignorar a limpeza pode custar mais de 20% do rendimento anual. Segundo, térmico: a poeira na folha traseira impede a rejeição de calor, aumentando a temperatura da célula e reduzindo a eficiência, agravando a perda. Terceiro, mecânico e elétrico: a poeira que entra nas caixas de junção e nos conectores causa mau contato e risco de arco, e a poeira nas vias de ar do inversor bloqueia o resfriamento. Seguem quatro respostas de projeto: aumentar a inclinação do array para que a poeira seja soprada ou removida mais facilmente; especifique caixas de junção e conectores com classificação de ingresso mais alta; utilizar inversores refrigerados naturalmente ou instalar filtros de poeira e adicioná-los à rota de inspeção; e incluir a limpeza no contrato de O&M com uma frequência definida — mensalmente na estação de poeira, trimestralmente caso contrário — em vez de “conforme necessário”.

Calculando o retorno

O retorno não precisa de um modelo complexo, apenas quatro entradas, e todas as quatro podem ser medidas no local. Primeiro, o custo anual atual do gasóleo: consumo médio diário em litros × 365 × preço do combustível entregue incluindo transporte. Use o preço entregue, não o preço do cais. Em segundo lugar, o custo do diesel pós-retrofit: escala pela redução nas horas de funcionamento do gerador, que para projetos com prioridade solar é normalmente de 20% a 40% do original. Terceiro, rendimento fotovoltaico anual: capacidade do conjunto em kWp × horas de pico solar equivalentes locais × 365 × eficiência do sistema de 0,75 a 0,8 × fator de sujeira e degradação de 0,85 a 0,9. Quarto, investimento total incluindo módulos, montagem, controlador, bateria, transporte e instalação. Retorno = investimento ÷ (custo anual pré-retrofit do diesel − custo anual pós-retrofit do diesel − custo anual de manutenção). A informação mais frequentemente exagerada é a terceira: as pessoas utilizam horas de sol ideais e esquecem a sujidade e a degradação. Pegue os coeficientes conservadores e o retorno que você calcula é aquele que pode realmente ser entregue.

Dimensionando o array e a bateria juntos

Os dois erros mais comuns no projeto híbrido solar são um conjunto subdimensionado e uma bateria subdimensionada, e geralmente ocorrem juntos. O princípio é tratar o período nublado como a restrição e o balanço energético diário como o objetivo, em três etapas. Primeiro, consumo diário: carga em kW × 24 horas, calculada separadamente quando as cargas diurnas e noturnas diferem. Em segundo lugar, o rendimento fotovoltaico diário médio: capacidade do conjunto em kWp × horas de pico solar equivalentes × eficiência do sistema de 0,75 a 0,8 × fator de sujidade de 0,85. Esse resultado deve exceder o consumo diário, normalmente com 20% a 30% de margem para cobrir variações sazonais, degradação do módulo e sombreamento ocasional. Terceiro, capacidade da bateria: consumo diário × dias nublados ÷ profundidade de descarga, com dias nublados retirados dos registos meteorológicos locais – dois a três no Sahel, mais um nas terras altas da África Oriental. Após as três etapas, execute uma verificação reversa: no final do período mais longo de céu nublado, a capacidade residual da bateria não deverá cair abaixo de 20%, ou as partidas do gerador aumentarão acentuadamente e a economia do híbrido desaparecerá. Essa verificação é frequentemente ignorada, mas é o único indicador concreto de se a proporção é sólida. Outro detalhe muitas vezes esquecido é a inclinação do array: em regiões empoeiradas, adicionar 5 a 10 graus além da inclinação de geração ideal permite que a poeira seja removida mais rapidamente e produza mais ao longo do tempo. View Telecom Backup Power Selection