Optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos‐eólicos em zonas insulares de diversidade climática‐Arquipélago da Madeira

Nesta tese apresento um estudo detalhado sobre vários aspectos relacionados com a optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos em zonas insulares de diversidade climática-arquipélago da Madeira que foi desenvolvido no Laboratório Regional de Engenharia Civil e com algumas deslocações no Laboratório de Energia Solar da Universidade de Vigo entre 2002 e 2007. Foi baseado nos conhecimentos adquiridos ao longode 25 anos de prática profissional de estudo, projecto, montagem e monitorização de tecnologias solares e eólicas, para produção de electricidade em locais isolados, bem como pesquisa e análise climatológica. Como resultado final e após a criação de uma base de dados climáticos para fins energéticos, determinámos os dias característicos de radiação solar e temperatura para cada um dos doze meses do ano, nas seis estações meteorológicas estudadas. Estes dias são de grande utilidade também para a elaboração de outros estudos. Após o tratamento dos dados constatou-se que a evolução das temperaturas ao longo do ano, tanto no caso das médias como nas médias dos valores máximos e nas médias dos valores mínimos,segue uma tendência similar em todas as estações. Concluimos que, a altitude é o factor determinante nestas diferenças, de tal maneira que quanto maior for a altitude menor são, em geral, as temperaturas médias. No estudo da irradiação global constatámos que na ilha do Porto Santo há mais 4% de radiação solar que na ilha da Madeira. Já na costa norte da Madeira, mais precisamente em São Jorge a média diária mensal e anual é inferior em cerca de 16.5 % em relação ao Porto Santo. Contudo, a costa sul da Madeira apresenta valores de radiação interessantes para o aproveitamento energético. Na abordagem à produção fotovoltaica e eólica, desenvolvemos um novo conceito que relaciona a produção eléctrica por metro quadrado de terreno horizontal, referente à área dos módulos fotovoltaicos e à área de afectação dos aerogeradores. Este novo conceito permite facilmente comparar sistemas energéticos diferentes utilizando diferentes recursos energéticos, permitindo também comparar a energia eléctrica produzida com a energia solar recebida e, deste modo, extrapolar os resultados para a toda a superfície do arquipélago. Finalmente, no que diz respeito à optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos nas seis zonas climáticas do arquipélago da Madeira, calculámos a produção eólica diária e a produção média diária para cada um dos doze meses do ano, bem como a média anual, isto por metro quadrado de área varrida pelo rótor do aerogerador, para que os resultados se pudessem comparar com os resultados anteriormente obtidos na produção fotovoltaica, reportados também a metro quadrado de área de módulo. No que concerne à produção máxima e comparativa de sistemas (100% fotovoltaicos e 100% eólicos), estudámos várias hipóteses para que os resultados fossem os mais gerais possíveis, tendo-se chegado à conclusão de que se se relacionar a procura de energia/consumo com a produção anual do sistema híbrido, não é necessário fazer a simulação dos sub-sistemas fotovoltaicos-eólicos em tamanho real, bastando apenas conhecer a proporção exacta destes, e extrapolar os resultados obtidos em percentagem para qualquer dimensão. Da análise comparativa dos resultados da produção energética das diferentes composições percentuais fotovoltaico-eólico, podemos avaliar facilmente o grau de cobertura de energia renovável. Conhecidas as percentagens de cobertura da procura que se obtêm com energias renováveis, é possível definir com segurança as percentagens solar-eólica que oferecem as melhores opções técnicas. Em termos de optimização técnica, concluímos que o único factor que diferencia um sistema híbrido de outro, nos 6 locais estudados, é a área do módulo fotovoltaico e a área varrida pelo rótor do aerogerador. Finalmente, concluímos que os custos das instalações híbridas e do kWh renovável produzido nos locais estudados, diminuem em todos os locais ao diminuir a percentagem do sub-sistema eólico no sistema híbrido fotovoltaico-eólico, sendo o custo mais baixo reportado sempre à Instalação toda solar (100% fotovoltaica).

Modelação da interacção entre um plasma de arco de alta pressão e cátodos refractários

Nesta dissertação apresento um estudo detalhado de vários aspectos da interacção entre um plasma de arco de alta pressão e cátodos refractários. Um modelo da camada de plasma junto ao cátodo num plasma sujeito a uma pressão da ordem de uma ou várias atmosferas é reconsiderado com base em recentes resultados teóricos. A física da camada de plasma junto ao cátodo é analisada para valores da queda de tensão na camada de plasma junto ao cátodo até 50V, de acordo com recentes resultados experimentais que mostram que a queda de tensão na camada de plasma junto ao cátodo numa descarga de arco de alta pressão pode atingir valores tão elevados. São identificados os mecanismos que originam a não monotonia da dependência da densidade de fluxo de energia (proveniente do plasma para a superfície do cátodo) em relação à temperatura da superfície do cátodo, para um valor fixo da queda de tensão junto ao cátodo. Uma descrição fechada da interacção plasma-cátodo é obtida por meio da resolução numérica do problema não linear com condições de fronteira para a distribuição da temperatura no interior do corpo do cátodo. São apresentados resultados da modelação numérica da descarga difusa nas condições de funcionamento de uma lâmpada de descarga experimental, sendo bom o acordo entre os resultados numéricos e os dados experimentais. Manchas solitárias num cátodo plano infinito e modos difuso e mancha axialmente simétricos em cátodos finitos de descargas de arco de alta pressão são estudados num grande intervalo de corrente. São analisados aspectos gerais e apresentados resultados numéricos referentes a cátodos de tungsténio planos e de forma cilíndrica a operar num plasma de argon à pressão atmosférica para correntes de arco até 100 kA. Émostrado, em particular, que a temperatura da superfície do cátodo no interior de uma mancha solitária varia relativamente pouco, podendo ser estimada com uma precisão de cerca de 200 − 300K sem ser necesário resolver a equação da condução térmica no corpo do cátodo. O comportamento assimptótico das soluções para um cátodo finito no caso limite de altas correntes é encontrado e confirmado pelos resultados numéricos. É confirmado um padrão geral das características tensão-corrente de vários modos de transferência de corrente em cátodos finitos sugerido previamente com base numa análise de bifurcações. É estudada a transição de modos mancha num cátodo finito no limite de cátodos de grandes dimensões para o modo mancha solitária num cátodo plano infinito. É estabelecido que o modo mancha solitária representa uma forma limite do modo mancha de alta tensão num cátodo finito. É considerada a questão da distinção entre modo difuso e modo mancha num cátodo finito. É desenvolvida uma abordagem para o cálculo de pontos de bifurcação nos quais soluções mancha tridimensionais bifurcam-se a partir de soluções que descrevem o modo difuso e modos mancha axialmente simétricos. Em particular, é calculado o primeiro ponto de bifurcação posicionado na solução que descreve o modo difuso e, por conseguinte, o seu limite de estabilidade, isto é, a corrente abaixo da qual o modo difuso torna-se instável. São apresentados os resultados da modelação numérica efectuada para o caso de um cátodo de tungsténio de forma cilíndrica a operar num plasma de alta pressão. É estudado o efeito produzido no limite de estabilidade pelas variações dos parâmetros de controle (dimensões do cátodo, função de trabalho do material do cátodo, tipo e pressão do gás que produz o plasma). Foi encontrado que o comportamento do limite de estabilidade sujeito a estas variações está em conformidade com as tendências observadas experimentalmente. Foi encontrado que o limite de estabilidade é muito mais sensível às variações dos parâmetros de controle do que as características tensão-corrente do modo difuso, sendo o efeito mais forte produzido pelas variações das dimensões do cátodo e da função de trabalho do material do cátodo. Este resultado está em conformidade com o facto experimental de que a transição difuso-mancha é de difícil reprodução.

Sistema autónomo de alimentação para monitorização ambiental

Este projecto tem como principal objectivo a criação de sistemas autónomos de^alimentação para redes de sensores sem fios (RSSF) que prolonguem a autonomia das mesmas. Considerando que, geralmente, a alimentação das RSSF é fornecida por baterias e devido à limitação que estas impõem a nível de durabilidade e autonomia é crucial desenvolver sistemas capazes de captar e armazenar energia ambiental de modo a disponibilizá-la aos nós sensores quando estes necessitarem. Assim sendo, este projecto apresenta três protótipos cujo intuito visa prolongar a longevidade dos nós sensores. Nesta conformidade recorreu-se ao aproveitamento da energia produzida pelo sol, vento e cursos de água. Foram estudados dois protótipos solares, um com ligação directa ao elemento de armazenamento e o outro com um circuito que deve transferir o máximo de potência fornecida pela fonte. Para o aproveitamento do fluxo de ar foi desenvolvido um pequeno gerador trifásico com uma estrutura de captação de energia segundo o modelo de pás do aerogerador Savonius. As características (tensão e corrente) foram analisadas com o objectivo de poder desenvolver um circuito de controlo de carga para as baterias. O último sistema de controlo foi dirigido ao aproveitamento da água proveniente das levadas ou ribeiras. Este sistema também é composto por um pequeno gerador trifásico ao qual foi associado um sistema de pás do tipo Pelton. Este protótipo foi proposto para situações em o caudal à saída de um reservatório se mantém constante evitando desta forma, a necessidade de utilização de elementos de armazenamento de energia Todos os sistemas possuem circuitos que permitem a monitorização de variáveis fundamentais para a avaliação dos mesmos. Para a transferência de dados foi utilizada uma rede de sensores sem fios, com recurso a um rádio XBee. Estes dados são encaminhados para uma base de dados presente na estação central. Após todo o tratamento de dados, a informação é disponibilizada através de uma página da Internet.

A energia solar e a utilização racional de energia em edifícios de acordo com os regulamentos em vigor

Este projecto toma partido do Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), tendo por base uma obrigatoriedade legal imposta a nível nacional e europeu, que funciona como um “benchmark”. Desta forma contribui-se para uma utilização racional da energia, que passa a ser encarada como uma necessidade fundamental para um futuro economicamente sustentável e mais limpo, tendo em conta que os índices de dependência energética terão que diminuir (sustentabilidade), mas com a preocupação e o cuidado de preservar o conforto térmico. O aquecimento de águas para o consumo doméstico – águas quentes sanitárias (AQS) – é nos dias que correm um bem indispensável e de utilização generalizada para a vida e bem-estar de todos nós. O RCCTE permite avaliar o impacto das necessidades de energia para AQS nas necessidades globais de energia primária, com base em parâmetros (e.g., Esolar) que foram estudados neste trabalho, para demonstrar o real impacte associado à introdução de sistemas solares térmicos. Neste trabalho a contribuição da energia solar térmica foi estudada recorrendo a um programa de cálculo desenvolvido e validado pelo autor (Matlab) e ao programa Solterm, tendo sido analisados dois casos distintos com aplicações de sistemas solares térmicos, e um estudo económico de forma a garantir a viabilidade da implementação destes sistemas.

Potencial solar dos edifícios públicos da RAM

As energias renováveis têm sido cada vez mais a alternativa encontrada para substituir o uso dos combustíveis fósseis na produção de energia. Neste contexto, surge a oportunidade de realizar um estudo sobre o “Potencial Solar dos Edifícios Públicos da RAM” como objeto de trabalho desta tese de Mestrado em Engenharia de Telecomunicações e Redes de Energia (METRE). Pretende-se que este estudo sirva para impulsionar o investimento nesta área por parte dos decisores regionais, dotando-os de um estudo do potencial de produção de energia solar nos edifícios públicos da RAM. Através de estudos desenvolvidos pelo LREC, ERAMAC - Maximização da Penetração das Energias Renováveis e Utilização Racional da Energia nas Ilhas da Macaronésia, e do Joint Research Centre (JRC), contendo dados do Instituto Meteorológico (IM), da Agência Regional da Energia e Ambiente da Região Autónoma da Madeira (AREAM), do LREC e do World Meteorological Organization (WMO), avaliou-se a radiação solar na RAM, através de tabelas e mapas de radiação solar, contendo a radiação solar global diária média mensal e média anual. Posteriormente fez-se uma análise da oferta do mercado atual de painéis fotovoltaicos (PV) em termos de eficiência, distinguindo as várias gerações de tipos de painéis introduzidos no mercado. Foram realizadas várias pesquisas em diversas áreas de energias renováveis e tecnologias existentes para, posteriormente, se realizar uma seleção e introspeção da informação essencial ao tema de forma a definir-se a fase de desenvolvimento desta tese. Com o auxílio da ferramenta computacional Quantum GIS, foram identificados alguns edifícios públicos com a dimensão e exposição solar apropriada para a colocação de sistemas solares nos mesmos. De seguida, foi realizado uma análise do preço pago/recebido por kWh consumido/produzido e cinco casos de estudos, nos quais foram focados os diferentes impactos de várias tecnologias solares nos prédios públicos da RAM, avaliando financeiramente os custos e retorno do investimento na aplicação destas tecnologias em cada caso, através das ferramentas computacionais, SolTerm e RETScreen. Finalmente retirou-se as respetivas conclusões acerca das opções tomadas, por exemplo, na escolha das tecnologias solares a implementar, os seus custos, o retorno do investimento, preços dos painéis fotovoltaicos, entre outros.

A influência do tipo de envidraçados e da inércia térmica dos materiais na prevenção de situações de sobreaquecimento no verão: uma análise baseada no RCCTE

A importância dos vãos envidraçados deve-se não só à sua contribuição para o isolamento térmico da habitação, mas também, por permitirem obter uma otimização dos ganhos solares, maximizando-os no inverno e minimizando-os no verão, contribuindo deste modo para a melhoria das condições de conforto e diminuição dos consumos energéticos. Sendo os vãos envidraçados elementos bastante favoráveis às trocas de calor, tornase necessário conhecer de que forma as diferentes soluções envidraçadas existentes no mercado, e proteções solares/oclusão noturna, podem influenciar o desempenho térmico dos edifícios. Com a crescente tendência de utilização do vidro na construção torna-se ainda mais importante uma escolha criteriosa das soluções para os vãos envidraçados. Este trabalho contribui para a avaliação da influência do tipo de envidraçados e da inércia térmica dos materiais, na prevenção de situações de sobreaquecimento no verão, com base no RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios), bem como para identificar a melhor relação custo/benefício das soluções. Como caso de estudo, considerou-se uma moradia unifamiliar, simulando diferentes soluções envidraçadas e analisado o seu impacto na moradia. A metodologia consistiu numa análise paramétrica e económica, sustentada no RCCTE e direcionada para a influência dos envidraçados na prevenção do sobreaquecimento no verão. Para a análise da viabilidade económica das soluções propostas, recorreu-se à metodologia definida pela ADENE (Agência para a Energia), pelo cálculo dos custos de exploração e períodos de retorno do investimento, e também o método VAL (Valor Atual Líquido) que pressupõe uma análise do investimento ao longo do tempo. Com este trabalho, conclui-se que um projeto cuidado dos vãos envidraçados e uma seleção criteriosa dos elementos construtivos, aliados a uma análise inerente ao custo/benefício, contribui significativamente para a escolha adequada das soluções construtivas a adotar, de forma a privilegiar o conforto térmico, o desempenho energético dos edifícios e a conservação de energia.

Sistema de gestão de rega com uma rede de sensores sem fios

Este projeto descreve a criação de um sistema de gestão de rega aplicado à agricultura, baseado numa rede de sensores sem fios (RSSF), e apresenta a implementação de um sistema para captação de energia, nomeadamente, um gerador hídrico segundo os modelos de pás do tipo hélice, para além da utilização de painéis solares. O sistema de gestão de rega consiste num protótipo de monitorização que permite o controlo dos atuadores (válvulas), de modo a ligar e desligar os canais de rega conectados a um reservatório de água, com base na informação monitorizada pelos nós sensores do solo. Assim, o sistema desenvolvido otimiza a quantidade de água aplicada ao cultivo, oferecendo as condições ideais para o correto desenvolvimento dos mesmos. Inicialmente realizou-se um estudo sobre os tipos de sensores utilizados no setor agricultura. Posteriormente verificou-se o funcionamento das RSSF, baseado no protocolo ZigBee, de modo a compreender o envio dos dados dos nós sensores para a estação base. A otimização do consumo energético das RSSF foi outro dos desafios tidos em consideração neste projeto, uma vez que, atualmente, a alimentação dos nós sensores em ambientes exteriores, na sua maioria, é realizada por baterias, o que limita o nível de longevidade do sistema. Desta forma, foi necessário desenvolver um sistema que possibilite a captação da energia gerada pelo meio envolvente (ex. energia hídrica, e solar), capaz de prolongar a longevidade dos nós sensores a nível energético. O sistema desenvolvido contém uma estação meteorológica alimentada por um painel solar fotovoltaico, dois nós sensores de monitorização dos parâmetros do solo, também alimentados por painéis solares fotovoltaicos, um nó atuador alimentado por um gerador hídrico e uma aplicação web para a visualização dos dados em tempo real. O protótipo referido foi instalado em ambiente exterior, com características semelhantes às de interesse, de modo a ter em consideração os efeitos do ambiente no sistema, nomeadamente, a proteção do equipamento em situações de ocorrência de intempéries.

Projeto de um sistema de conversor multinível para painéis fotovoltaicos

A produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável está gradualmente a ser uma alternativa à energia produzida a partir de combustíveis fósseis. A técnica de conversão dessas mesmas energias para energia elétrica, para entrega na Rede de Energia Elétrica (REE), é cada vez mais estudada para que se obtenha uma maior eficiência assim como qualidade. Neste trabalho desenvolve-se um projeto de conversão de energia fotovoltaica, para produção de energia elétrica para a rede utilizando um conversor multinível, otimizando a transferência de potência assim como melhorando a forma da corrente AC. A conversão multinível é uma topologia que tem algumas vantagens relativamente à topologia de 2 níveis, permitindo trabalhar com níveis de tensão mais elevados, melhorando a qualidade de energia. O conversor multinível de díodos ligados ao ponto neutro utiliza condensadores para criar os níveis de tensão, que neste trabalho vão ser usados para ligar os painéis, otimizando a transferência de potência. Aplica-se um método de controlo das correntes AC para terem a forma a alternada e sinusoidal e em fase com a tensão da rede. Os resultados experimentais mostram que a utilização do algoritmo de procura do ponto de máxima potência dos painéis permitem a extrair a máxima potência, de acordo com as condições de irradiação solar e temperatura dos painéis.