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).

Sistema de medição de energia baseado no medidor de energia Teridian 71M6515H

Esta tese de mestrado descreve o desenvolvimento, implementação e teste de um sistema de medição de energia concebido para um ambiente doméstico, baseado no circuito integrado medidor de energia Teridian 71M6515H. O sistema desenvolvido envia periodicamente os valores monitorizados para uma base de dados, através de uma rede sem fios com base no protocolo IEEE 802.11 (Wi-Fi). Os dados podem ser acedidos remotamente em tempo real, através de uma página na internet, onde é possível consultar a quantidade de energia consumida acumulada. Na primeira fase deste trabalho realizou-se o enquadramento do tema no contexto atual, realizando-se o estudo de alguns sistemas domésticos de monitorização do consumo de energia elétrica existentes no mercado. Numa segunda fase foi realizado o estudo dos componentes a serem utilizados, o desenho da placa de circuito impresso e o desenvolvimento do firmware, para que todo o processamento e manipulação dos dados fossem realizados pela unidade de aquisição de dados. Em seguida procedeu-se à construção da unidade de aquisição e à programação para o registo dos valores numa base de dados. A última fase consistiu nos testes de funcionamento da unidade de aquisição em conjunto com a aplicação de registo de dados. Com a implementação do sistema desenvolvido o consumidor doméstico poderá ter conhecimento, em tempo real, do custo de funcionamento dos equipamentos que possui e assim tomar decisões para os utilizar de forma mais racional, o que se pode traduzir numa economia dos recursos energéticos.

Sistema de monitorização de defeitos na rede de energia elétrica de média tensão

Nesta dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Telecomunicações desenvolveu-se um sistema de monitorização de defeitos de uma rede de energia elétrica de média tensão, para melhorar a qualidade de serviço do fornecimento de energia elétrica. O sistema deteta e indica a localização da respetiva falha, que impede o funcionamento de uma parte da rede, também interliga todos os sensores instalados na rede a um ponto central que recebe toda a informação proveniente dos sensores, e ajuda na tomada de decisão. Neste trabalho de dissertação fez-se o estudo e descrição das redes de energia elétrica, realçando a topologia, o modo de operação e parâmetros de qualidade. Assinalou-se também os principais defeitos que podem ocorrer na rede de média tensão. Apresentou-se, ao nível comercial, soluções para mitigar o problema alvo de estudo. Explorou-se, num ambiente de simulação, soluções de deteção dos defeitos da rede, tendo sido desenvolvidos três sistemas distintos: sistema A, sistema B e sistema C. Sistema A que monitoriza o valor nominal da corrente elétrica em cada troço da rede elétrica, sistema B com a monitorização do valor da corrente elétrica em cada posto de transformação e sistema C que compara as correntes no inicio e final de cada troço da rede elétrica, verificando se há alguma discrepância entre ambas. Após a análise e simulação das soluções descreve-se o procedimento realizado para criar um protótipo de um sistema de monitorização. Começou-se por testar, individualmente, os sensores de corrente, circuito de condicionamento, microcontroladores e sistema Scada, usado para a visualização dos dados. Posteriormente, elaborou-se manuais de utilização de forma a auxiliar o sistema em trabalhos futuros que venham dar continuidade a este trabalho. Para validar a análise teórica e confirmar os resultados da simulação, testou-se experimentalmente o sistema de deteção C. Confirmou-se que o sistema de monitorização de defeitos é capaz de detetar e localizar a avaria presente na rede de energia elétrica.

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.

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.

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.

Projeto de um sistema de alimentação ininterruptível para alimentar um sistema de telecomunicações ou de informática

Universidade da Madeira

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.

Otimização de microprodução em redes inteligentes de energia

As energias renováveis têm-se tornado uma alternativa viável e complementar aos combustíveis fósseis, pelo facto de serem energias virtualmente inesgotáveis, limpas e economicamente vantajosas. Um dos principais problemas associados às fontes de energia renováveis é a sua intermitência. Este problema impossibilita o controlo da produção de energia e reflete-se na qualidade da energia elétrica. Em sistemas de microprodução de energia, este problema pode ser atenuado com a inclusão de sistemas de armazenamento intermédio que possibilitam o armazenamento do excedente extraído das fontes renováveis, podendo ser utilizado como recurso auxiliar na alimentação de cargas ou como meio de estabilização e otimização do desempenho da Rede Elétrica de Energia (REE), evitando variações bruscas na energia transferida para a mesma. Os sistemas de microprodução com armazenamento intermédio podem ser considerados fundamentais na implementação do conceito de Rede Inteligente de Energia (RIE), visto serem sistemas de energia descentralizados que permitem uma melhor gestão da energia elétrica e uma consequente redução de custos. No presente trabalho desenvolveu-se um sistema de microprodução de energia renovável compatível com as fontes renováveis fotovoltaica e eólica, possuindo um banco de baterias como sistema de armazenamento intermédio. A construção deste sistema teve como principal objetivo seguir as referências de potência impostas pela RIE, independentemente das condições meteorológicas, com recurso à energia armazenada nas baterias, evitando a introdução de perturbações na REE ao nível da tensão e da frequência. Estudou-se o comportamento do sistema na ocorrência de variações bruscas da fonte renovável, perturbações na tensão da REE e introdução de cargas lineares e não lineares. Foi desenvolvido um protótipo experimental com painéis fotovoltaicos, no qual foram registados os valores de alguns parâmetros da qualidade da energia elétrica. Obteve-se uma resposta de aproximadamente 25 μs por parte das baterias para cada Watt de potência requisitado pela RIE.

Sistema de replicação de circuitos integrados digitais baseado em análise comportamental

Nesta dissertação de mestrado é desenvolvido um sistema de replicação de circuitos integrados digitais (combinatórios e sequenciais), por observação do seu normal funcionamento. O sistema desenvolvido carateriza-se pela capacidade de extrair e descrever na linguagem VHDL o comportamento de um circuito integrado digital em funcionamento, utilizando técnicas não invasivas e automatizadas, suportado por um vasto conjunto de algoritmos de aquisição e análise de dados. O sistema desenvolvido assenta em dois módulos principais: um módulo de software que consiste numa plataforma de algoritmos de análise, controlo e gestão do sistema (alojada num computador) e um módulo de aquisição de dados (hardware) que consiste num circuito capaz de realizar as medições necessárias para o funcionamento do sistema, comandado pelo módulo de software. A comunicação entre os dois módulos é efetuada via porta série. Os algoritmos desenvolvidos realizam uma análise da correspondência entre entradas e saídas procurando aplicar uma aproximação a um circuito combinatório se possível, caso contrário são utilizados métodos heurísticos para efetuar uma aproximação a um circuito sequencial através de uma máquina de estados. Entradas ou saídas constantes são previamente identificados e excluídos do processo de análise, para efeitos de simplificação. Os resultados obtidos demonstram que é possível replicar o comportamento observado em circuitos digitais (combinatórios e sequenciais) desde que o número de amostras recolhidas seja adequado. Verifica-se ainda que o método desenvolvido replica a funcionalidade do circuito integrado nas condições onde o circuito está inserido.

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.

Sistema de transmissão de dados de uma aplicação remota

O principal objetivo deste projeto foi propor um sistema de aquisição de dados de uma aplicação remota. Existem diversas aplicações que requerem a recolha de informação remota, sendo, para isso, necessário estabelecer um sistema de comunicação dedicado. Este trabalho procurou encontrar as melhores soluções para o problema em causa, testando e avaliado um sistema de comunicação. Para testar o sistema foi desenvolvido um protótipo de monotorização de parâmetros ambientais, que mede periodicamente os valores de temperatura, humidade, luminosidade e pressão atmosférica. A comunicação entre sensores foi realizada com recurso a rádios XBee com protocolo Zigbee. Foi, também, desenvolvido um nó de coordenação que tem como objetivo principal gerir e manter todo o sistema de aquisição de dados. Este protótipo recebe, valida e armazena num cartão SD todos os dados provenientes do nó sensor e periodicamente envia os dados para um servidor com acesso a internet. A aquisição de dados em aplicações remotas, normalmente, é efetuada em zonas de ausência de energia elétrica. Então, tendo em consideração a capacidade reduzida dos sistemas de armazenamento de energia, foram desenvolvidos sistemas de alimentação através de energia solar, focando-se no mínimo de consumo possível. Para a comunicação de longa distância foi implementado e testado um sistema de feixes hertzianos. Estudou-se a propagação, utilizando a banda isenta de licença dos 2,4 GHz. Projetou-se uma ligação entre dois pontos e procedeu-se à validação das áreas de cobertura, a qual requer a estimação do sinal nos pontos de interesse. Verificou-se as zonas de interferência e as zonas onde o sinal é fraco ou está no seu limite. O desenvolvimento deste sistema de comunicação foi fundamentado com a análise e avaliação dos modelos de propagação, juntamente com o software criado em plataforma Matlab. Finalmente foram apresentadas as conclusões e algumas sugestões de trabalhos futuros.

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.

Sistema sensor em fibra ótica para deteção de gás

O presente trabalho descreve duas técnicas de deteção de gás baseadas em fibra ótica e apresenta dois sistemas sensores testados em ambiente laboratorial, usando técnicas de processamento de sinal usualmente associadas à espetroscopia de absorção. O estudo inicial do estado da arte dos sensores baseados em fibra ótica para a deteção de gases apresenta soluções com elevada seletividade, sensibilidade e resolução que permitem tempos de resposta curtos e esquemas de multiplexagem versáteis. A técnica de espetroscopia de absorção direta (DAS) permite a deteção de gases de forma simples e com alguma eficácia, mas com uma baixa relação-sinal-ruido. A espetroscopia por modulação de comprimento de onda (WMS) é uma técnica muito eficaz e de elevada sensibilidade para a deteção de gases, dado que a deteção é deslocada para frequências afastadas do ruído base, melhorando significativamente a relação-sinal-ruído. Estas técnicas foram escolhidas para a implementação de dois sistemas optoeletrónicos, totalmente controlados pelas respetivas aplicações em LabVIEW para a deteção e monitorização de amónia (NH3), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). O trabalho é finalizado com a caraterização laboratorial dos sistemas e avaliação do desempenho, permitindo a otimização dos sistemas e técnicas implementados. De referir que o trabalho realizado nas instalações da Unidade de Optoeletrónica e Sistemas Eletrónicos (UOSE) do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores (INESC), Tecnologia e Ciência (TEC), laboratório associado coordenado pelo INESC Porto, permitiu, excelentes condições de trabalho, essenciais para implementar de forma prática os diversos conceitos estudados, bem como testar e caraterizar todos os sistemas desenvolvidos em ambiente laboratorial. O trabalho desenvolvido enquadra-se no âmbito do projeto europeu ECOAL-MGT (Gestão ecológica de pilhas de resíduos de carvão), que será implementado para monitorização remota de parâmetros fundamentais de uma escombreira de carvão em auto-combustão em S.ºPedro da Cova, Portugal.