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).

Simulação do comportamento espectral de redes de período longo em fibra óptica

Esta tese é dedicada às redes de período longo, LPG’s, em fibra óptica, escritas por exposição a radiação ultravioleta (UV) ou por exposição a descargas eléctricas, e às suas aplicações em comunicações ópticas e em sistemas sensores. Numa primeira fase estudaram-se os aspectos teóricos fundamentais para a compreensão das LPG, nomeadamente os dois modelos matemáticos propostos na literatura, para a transmissão espectral de uma LPG, o modelo de duas camadas e o modelo de três camadas. Em seguida, estudou-se o deslocamento do comprimento de onda ressonante perante mudanças de parâmetros externos. Aqui, verificou-se que para variações da temperatura no exterior da LPG, o deslocamento do comprimento de onda ressonante é linear. Por outro lado, para variações de índice de refracção exterior, verificou-se que à medida que o índice exterior se aproxima dos valores do índice de refracção da bainha, o comprimento de onda ressonante tende para valores mais baixos. Por último, realizou-se um estudo da transmissão espectral de duas aplicações que envolvem LPG’s, nomeadamente dois tipos de interferómetros e filtros ópticos. Numa segunda fase, foi desenvolvida uma ferramenta de simulação destes modelos, que permitia não só a obtenção dos espectros de transmissão das LPG’s mas também a obtenção das curvas de phase matching em função do período da rede e do comprimento de onda ressonante. A aplicação permitia também a obtenção das curvas do deslocamento do comprimento de onda ressonante, perante variações do índice de refracção exterior ou da temperatura. Para além disso, essa ferramenta realiza a simulação dos espectros de transmissão de filtros ópticos e de interferómetros de Michelson e de Mach-Zehnder construídos com base em LPG’s. A última fase do trabalho, a componente laboratorial, foi realizada na Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos do INESC Porto, onde foram construídos e testados os dispositivos estudados anteriormente, com o intuito de validar a aplicação desenvolvida. A ferramenta de simulação demonstrou ser capaz de simular de forma adequada os diversos aspectos do comportamento das LPG’s que foram estudados. A comparação dos resultados obtidos permitiu concluir que o modelo mais correcto para o estudo das LPG’s é o modelo de três camadas, o que está de acordo com o esperado.

Filogeografia e sistemática molecular de répteis de alguns arquipélagos africanos do Atlântico oriental

Os répteis, nomeadamente os lagartos, lagartixas e osgas, constituem um dos grupos de vertebrados com maior sucesso de colonização das ilhas oceânicas. Juntamente com as aves, devem constituir o grupo que naturalmente melhor se disseminou pelas ilhas oceânicas. Os mamíferos e anfíbios que aí possam existir são na sua maioria de introdução antropogénica. Como são bons colonizadores constituem bons modelos para o estudo de fenómenos e padrões de colonização das ilhas sobretudo tendo em conta que possuem ainda baixa dispersão dentro de cada ilha. Neste trabalho utilizamos marcadores do DNA mitocondrial (12S rRNA, 16S rRNA, citocromo b), marcadores do DNA nuclear (c-mos e enolase) assim como marcadores enzimáticos, para estudar os padrões de colonização, as relações entre espécies, a detecção de espécies introduzidas, a importância dos dados moleculares em relação a outro tipo de dados, nos répteis terrestres dos Arquipélagos da Madeira, Selvagens e Cabo Verde, e ilhas do Golfo da Guiné (São Tomé, Príncipe e Annobon). As sequências de DNA quer mitocondrial quer nuclear permitiram revelar a existência de uma estrutura geográfica em Mabuya spp. de São Tomé (de natureza intraespecífica) e de Cabo Verde (interespecífica) bem como em Lacerta dugesii (intraespecífica) do Arquipélago da Madeira. Esta estrutura é mais evidente em Lacerta dugesii, que apresenta haplótipos típicos e exclusivos de cada um dos quatro grupos principais de ilhas (Madeira, Porto Santo, Desertas e Selvagens), sem que se tivessem observado haplótipos comuns a mais do que um grupo de ilhas. Os dados moleculares obtidos permitem ainda inferir os casos de expansões demográficas recentes como no caso das populações de Lacerta dugesii da Madeira e Porto Santo ou pelo contrário indicativas de subdivisão geográfica da população como no Arquipélago das Selvagens. Nesta espécie apenas terá ocorrido um evento de colonização, e os nossos dados não corroboram a possibilidade de introdução nas Ilhas Selvagens mediada pelo homem. Mabuya spp. de Cabo Verde também forma um grupo monofilético, subentendendo a exemplo de L.dugesii um evento de colonização mas bem mais antigo, dando origem a eventos de radiação evolutiva, tendo-se formado novas espécies que por sua vez terão sido actores na colonização entre ilhas. Usando como modelo os Arquipélagos das Canárias e Cabo Verde, o número de eventos de colonização é menor nos escincídeos do que nos geconídeos. As ilhas do Golfo da Guiné parecem introduzir uma excepção à regra. Assim Mabuya spp. do Golfo da Guiné (São Tomé, Príncipe e Annobon) serão resultantes de 4 eventos de colonização, sendo dois responsáveis pelo aparecimento de M. maculilabris (uma forma no Príncipe e outra em São Tomé), M. ozorii (Annobon) e M. affinis (Príncipe). A exemplo de Lacerta dugesii, Mabuya maculilabris apresenta uma forte estruturação geográfica. Fazendo recurso a sequências já publicadas no GenBank, podemos propor um novo arranjo taxonómico no género Mabuya, não se devendo considerar quatro grupos (sensu Mausfeld), mas sim cinco, em que se adiciona um novo grupo que contempla as espécies do Norte de África e Turquia. As osgas em Cabo Verde, a exemplo das Canárias, apresentam grande variabilidade e terão sido resultado de maior número de eventos de colonização do que os Escincídeos. A nossa análise revela que existem em Cabo Verde maior número de grupos geneticamente distintos do género Tarentola, do que havia sido registado anteriormente. Os Hemidactylus também devem ter sido resultantes de mais do que um evento de colonização: um para Hemidactylus bouvieri e um para Hemidactylus brooki da Ilha do Sal. Hemidactylus brooki existente nas restantes ilhas bem como Hemidactylus mabouia são muito provavelmente de introdução antropogénica. No Golfo da Guiné o número de eventos de colonização não é maior nas osgas do que nos Escincídeos, constituindo assim uma excepção à regra, sendo os Hemidactylus resultantes de pelo menos dois eventos de colonização (quatro em Mabuya). Utilizando Lacerta dugesii como modelo, não encontramos qualquer congruência entre dados enzimáticos, morfológicos e moleculares. Com a aplicação de técnicas moleculares foi possível identificar espécies introduzidas como Hemidactylus mabouia na Madeira, Cabo Verde, São Tomé e Príncipe e Annobon bem como Ramphotyphlops braminus em Annobon. Estas espécies caracterizam-se por serem geneticamente homogéneas. Foi ainda possível verificar o estatuto taxonómico das várias espécies. Em Lacerta dugesii as três subespécies não deverão ser omitidas. Em Mabuya de Cabo Verde dever-se–ão manter as espécies consideradas e as relações estabelecidas. Em Tarentola spp. uma nova subespécie de Tarentola gigas deverá ser considerada e alvo de novas investigações. Os restantes grupos obtidos, geneticamente distintos, são em maior número do que havia sido registado, e deverão ser alvo dum estudo exaustivo.Confirmou-se a presença duma Mabuya em Annobon, muito provavelmente Mabuya ozorii, espécie esquecida ou omitida em muitas listas de espécies como na “EMBL Reptile database”. Duas formas de M. maculilabris em São Tomé e Príncipe, deixam transparecer a possibilidade da existência dum complexo de espécies. A análise de dados moleculares permitiu também referir que M. maculilabris não parece ter sido introduzida pelo homem nestas ilhas. Do ponto de vista conservacionista é fundamental monitorizar as espécies introduzidas pois podem levar à extinção de espécies indígenas, e monitorizar a manutenção dos vários grupos geneticamente distintos encontrados, muitos deles com distribuições restritas. Por fim, ao testar o c-mos na filogenia de Lacerta dugesii, podemos dizer que este gene nuclear pode também ser utilizado sob determinadas condições, ao nível intraespecífico. A região controle do DNA mitocondrial revelou-se também adequada na estimativa das relações filogenéticas. Verificou-se que esta estrutura é em Lacerta dugesii, bem menos variável que o gene do citocromo b (também mitocondrial). Mostra ainda uma variação entre populações e apresenta aspectos curiosos relacionados com a sua estrutura no contexto do que é conhecido actualmente dentro dos vertebrados.

Efeito do ganho da antena nas perdas de percurso de uma ligação

O presente trabalho tem como objectivo principal a realização de um estudo do efeito do ganho das antenas nas perdas de percurso de uma ligação na banda de frequência ISM (Insdustrial Scientific and Medical) nos 2,4 GHz. Para tal, foram utilizadas 14 antenas de 7 tipos diferentes (2 monopolo, 2 colineares, 2 grelhas, 2 Yagi, 2 painéis, 2 parabólicas e 2 helicoidais) com ganhos a variar desde os 1,3 a 23 dBi. Inicialmente, obtiveram-se os parâmetros fundamentais das antenas utilizadas, nomeadamente o diagrama de radiação e o ganho. Desenvolveu-se um sistema, que permite a medição do diagrama de radiação de forma automática através de um motor passo a passo. Uma aplicação desenvolvida em ambiente Matlab realiza o controlo do motor e desenha o respectivo diagrama em tempo real. Para a realização das medições da propagação do sinal desenvolveu-se um sistema que interliga a antena receptora a um computador portátil através de um analisador de espectros. À medida que as medições são efectuadas, a atenuação do sinal em função da distância é determinada e apresentada graficamente no computador sendo, ainda, representada a atenuação esperada no espaço livre. Para isto, implementou-se uma aplicação em ambiente Matlab que faz o tratamento e representação dos dados. Tendo-se conhecimento dos parâmetros das antenas, e com o sistema de medição implementado, passou-se às medições da propagação do sinal em diferentes meios, tais como, meio sem obstáculos, meio urbano, meio florestal caracterizado por troncos no percurso de propagação e meio florestal caracterizado por folhagem no percurso de propagação. Em cada meio foram efectuadas medições para 37 combinações de antenas, com ganhos conjuntos a variar desde os 2,6 até o 46 dBi. As medições foram efectuadas com a colocação da antena emissora numa posição fixa e com o afastamento da antena receptora em intervalos de 5 metros, até os 150 metros, seguindo a linha de máxima radiação entre ambas as antenas. Ainda, para os meios sem obstáculos e florestais, foram efectuadas medições para dois ângulos em relação à linha indicada, sendo estes de 30° e 330°, respectivamente. Com base nos resultados obtidos, verificou-se um aumento da atenuação à medida que se passou para meios mais obstruídos, sendo que, para o meio sem obstáculos a atenuação aproxima-se da curva do espaço livre. No meio urbano observou-se que a atenuação aumentou ligeiramente. No entanto, esta não é muito significativa quando comparada com a atenuação no espaço livre. Por último, notou-se um grande aumento da atenuação nos meios florestais, ao nível dos troncos e da vegetação, sendo superior para esta última. Relativamente às antenas, verificou-se que existe um aumento da atenuação na medida que o ganho destas aumenta, sendo mais visível para meios com maior obstrução (florestais). Para a situação em que as antenas encontram-se com desvios de 30° e 330°, verificou-se que este aumento é mais significativo para as antenas directivas (ganhos superiores).

Estudo e concepção de sistemas de ventilação natural em edifícios de habitação

Pretende-se que este trabalho seja uma contribuição para o reconhecimento da importância da promoção da ventilação em edifícios de habitação, esta que é imprescindível para que haja um ambiente saudável e confortável no espaço interior. Pretende-se também que seja dado a conhecer alguns tipos de sistemas de ventilação que recorrem a processos naturais para o seu funcionamento, garantindo assim a sustentabilidade dos edifícios a nível energético. Nesta dissertação é inicialmente abordada a temática do conforto térmico, com o objectivo de compreender a adaptação e resposta de um indivíduo face às condições térmicas no interior de um edifício de habitação. Seguidamente foram estudados os factores que mais influenciam o processo de Ventilação Natural, ou seja, a acção do vento e a acção térmica (o sol). O passo seguinte foi o estudo do dimensionamento e concepção de sistemas de Ventilação Natural mais usuais (tais como aberturas exteriores, aberturas interiores e chaminés), e o estudo de vários exemplos de sistemas solar passivos e estratégias arquitectónicas que podem ser utilizados. Seguidamente foi estudada a modelação matemática dos processos de Ventilação Natural. Foram ainda estudados dois edifícios construídos na região autónoma da Madeira, mais concretamente na ilha de Porto Santo, estes que foram concebidos para se adaptarem ao clima da região através de algumas estratégias arquitectónicas e através de sistemas solar passivos. Finalmente foi elaborado um pequeno projecto para uma moradia a ser construída na ilha da Madeira. Para esta foram adoptadas algumas estratégias tendo em vista uma adaptação ao clima durante todo o ano, nomeadamente estratégias arquitectónicas e sistemas solar passivos para a promoção da Ventilação Natural.

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.