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.

Ferramenta de simulação do consumo de energia na iluminação pública

A iluminação pública é uma área importante de consumo energético. Actualmente existem uma variedade de soluções tecnológicas que permitem diminuir esse consumo e o correspondente impacte ambiental. No entanto, estas soluções tecnológicas nem sempre são utilizadas devido à falta de suporte informático que permita o planeamento para instalação de redes de iluminação, e/ou actualização das tecnologias utilizadas na rede de iluminação existente. Este relatório apresenta uma ferramenta de simulação do consumo de energia na iluminação pública, através da definição de cenários pelo utilizador, nos quais são simuladas a escolha de lâmpadas, luminárias e sistemas de controlo para cada ramal de electricidade, representados sobre um plano geográfico, que permita o cálculo de indicadores de apoio à decisão. A solução apresentada neste relatório, desenvolvida sobre o sistema de web mapping Google Maps, e sobre a plataforma de desenvolvimento para a web Ruby on Rails, permite o desenho sobre o mapa de uma rede de iluminação pública, e o cálculo em tempo de execução do custo e consumo de energia dos cenários de iluminação simulados pelo utilizador. Através de expansões futuras esta ferramenta poderá contribuir para a eficiente optimização de redes de iluminação pública.

GreenEnergy: produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável para sistemas de microprodução

O uso de energias renováveis está cada vez mais presente no nosso quotidiano. A forte aposta por parte de várias empresas, grupos privados e habitações domésticas na produção de energia renovável tem vindo a crescer bastante nos últimos anos, porque além de ser uma energia limpa, é economicamente vantajosa. No âmbito residencial na Ilha da Madeira, tem havido um grande crescimento na microprodução de energia fotovoltaica. Para que se consiga converter energia garantindo os critérios e qualidade da energia elétrica maximizando a eficiência são necessários conversores eletrónicos de potência, responsáveis pela conversão e gestão da energia produzida a partir de uma fonte de energia renovável e conversão para a REE (Rede Elétrica de Energia). A oferta de soluções na área tem vindo a aumentar com o aumento dos pedidos do mercado, existindo cada vez mais concorrência, devido ao surgimento de sistemas mais compactos e eficientes. Neste trabalho é desenvolvido um sistema para microprodução de energia renovável, através de uma ou mais fontes de energia, de maneira a que este seja compacto e eficiente, além de adicionar várias soluções a nível de software (automatismos) de maneira a aumentar as funções do sistema sem utilizar hardware adicional. Apresentam-se também resultados de simulação de maneira a demonstrar todas as funcionalidades do sistema. Conseguiu-se demonstrar que é possível melhorar o rendimento, qualidade de energia e diminuir os custos dos sistemas de conversão de energia utilizando software, mantendo o hardware do sistema. Além das melhorias no sistema que o software permite, conseguiu-se adicionar novos modos de funcionamento ao sistema utilizando automatismos.

Simulação de um sistema aerogerador com controlo óptimo predictivo

Nesta dissertação de mestrado propõe-se simular um sistema para melhorar a qualidade da energia eléctrica produzida por um parque eólico, utilizando conversores multinível NPC costas com costas e controlo óptimo predictivo. Neste trabalho é feito o controlo da potência activa e reactiva que é fornecida à rede de energia eléctrica, a partir de um gerador eólico e é optimizada a forma de onda alternada e sinusoidal de tensão trifásica sem neutro, minimizando o tremor das correntes e a distorção harmónica total, contribuindo para melhorar a qualidade de energia da rede ou de sistemas de alimentação para aplicações críticas como são os sistemas de telecomunicações. Recorre-se ao Matlab/Simulink para simular e comparar os resultados obtidos no sistema de conversão de energia de um parque eólico com o conversor costas com costas com controlo óptimo predictivo com os resultados obtidos com o conversor costas com costas PWM, disponível na biblioteca do software de simulação.

Caracterização, simulação (à escala) e modelação do escoamento em canais artificiais: aplicação a caso de estudo

Os escoamentos no interior de zonas urbanas, apresentam grande heterogeneidade, pelo que a sua caracterização, requer uma formulação que incorpore explicitamente essa variabilidade espacial. A caracterização, simulação (à escala) e modelação do escoamento em canais artificiais e a aplicação a um caso de estudo, no Laboratório de Hidráulica da UMa, representa o cerne desta dissertação. Os objetivos principais desta dissertação são: a caracterização e desenvolvimento de ferramentas de simulação do comportamento do escoamento em canais artificiais, no caso de uma variação súbita dos caudais afluentes, mecanismos de prevenção de cheia; o desenvolvimento de um modelo de simulação hidrodinâmico, considerando os escoamentos variáveis em superfície livre no caso de situações de cheia, na simulação entre as condições variáveis das afluências, das condições hidromorfológicas do canal e da instalação e operação dos sistemas e regulação dos escoamentos; e ainda a análise da viabilidade da simulação (modelo) na gestão e prevenção de cheias em canais artificiais. Numa primeira instância, procede-se à recolha de toda a informação bibliográfica disponível. Com recurso aos modelos digitais do terreno e ao programa ArcGis, é efetuada toda uma exaustiva caracterização da bacia hidrográfica, relativa ao caso de estudo (canal artificial), a partir da qual foi possível obter os dados inerentes às características geométricas, características de relevo e características de drenagem. Segue-se a análise da precipitação com recurso a folhas de cálculo e dados fornecidos pelas instituições pertinentes, de forma a obter valores de precipitação média diária e anual para aplicação de fórmulas, tanto para calcular valores de tempo de concentração, bem como caudais. O próximo passo é selecionar os troços relevantes do canal em estudo e com recurso ao equipamento disponível no Laboratório de Hidráulica da UMa, à folha de cálculo programada e ao programa HEC-RAS procede-se à simulação/modelação/análise desses troços, comparando o resultado/comportamento simulado, com o expectável e entre os vários métodos. Por fim, são expostas as conclusões, bem como algumas considerações finais e uma listagem de objetivos a manter ou alcançar nos próximos anos, onde se incluem, ações prioritárias e recomendações visando, não só melhorar o processo de caracterização do escoamento em canais artificiais, bem como simplificar a prevenção e gestão de cheias.