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).

Estudo e avaliação das componentes térmicas na utilização de energia em edifícios

Este trabalho tem por objectivo desenvolver eimplementar metodologias relacionadas com a temática de térmica de edifícos, no sentido dequantificar e optimizar as perdas e ganhos decalor e os consumos de energia associados aosedifícios. Com base na teoria de transferência de calor e massa, foram construídos programas de cálculo numérico para simular, em regime estacionário (permanente) e não estacionário (transiente), os fluxos de calor e a distribuição das temperaturas em diferentes tipos de paredes comummente encontradas em Portugal e em particular na Região Autónoma da Madeira. Estes resultados permitiram analisar a eficácia dos diversos tipos de paredes estudadas bem como o risco de condensação em algumas dessas situações. Para além deste estudo houve a preocupação de desenvolver uma metodologia de análise económica relacionada com a espessura de isolamento a aplicar. Foram igualmente estudadas algumas medições simples de conservação de energia cuja implementação em edifícios será facilmente ustificada atendendo aos baixos períodos de retorno de investimento geralmente associados a estas medidas. Como resultado deste trabalho foi desenvolvida uma ferramenta de cálculo cuja aplicaçãovai permitir não só estimar o risco decondensação mas igualmente o campo de temperaturas no interior das paredes ao longo do período de tempo considerado, visando a optimização de soluções de isolamento térmico versus condições de conforto recomendadas.

Sistema de interrogação de sensores bioquímicos

Este documento reporta as fases de concepção, desenvolvimento e teste de uma unidade autónoma de interrogação de sensores bioquímicos, de custo reduzido e de fácil utilização, baseado na espectroscopia no domínio das frequências. Com este protótipo, é possível efectuar medições de concentrações bioquímicas de diferentes compostos, de acordo com a cabeça sensora utilizada. Devido ao número e à complexidade dos equipamentos de bancada necessários num esquema tradicional, este tipo de medições pode implicar um custo bastante elevado. Daí a importância deste projecto no desenvolvimento de uma alternativa que seja economicamente viável, utilizando novas técnicas de medição. Inicialmente este projecto começou por uma pesquisa significativa dos componentes electrónicos necessários para o desenvolvimento do sistema, seguindo-se uma escolha detalhada do material, de acordo com as características desejadas para o sistema. Um dos factores mais relevantes deste trabalho foi a introdução da instrumentação virtual, utilizada para controlar por intermédio de uma placa de aquisição de dados (DAQ), as componentes electrónicas do sistema e na implementação de um “lock-in” virtual, sendo este responsável pela recuperação dos sinais “enterrados” no ruído de fundo. O sistema desenvolvido é composto pelos seguintes módulos: O módulo de alimentação, que fornece as tensões e correntes para o funcionamento do sistema, o módulo de geração e modulação utilizado para gerar o sinal modulador e fornecer corrente ao LED, o módulo de detecção e amplificação, que recebe e eleva o nível do sinal emitido pela amostra, e por fim, o módulo de controlo e processamento, que recolhe esse sinal através da DAQ e processa-o por intermédio do “lock-in” virtual. Para avaliar o desempenho do sistema de interrogação foi estudada a resposta de um complexo de rutênio luminescente a diferentes temperaturas. São apresentados resultados em que o sistema desenvolvido é comparado com um sistema padrão e caracterizado face aos parâmetros do “lock-in” virtual, demonstrando-se as suas possibilidades e limitações.

Novas metodologias para a determinação do conteúdo de ácido árcobico em alimentos frescos

A vitamina C é uma das vitaminas mais importantes para a nutrição humana e destacase pela sua eficiente acção antioxidante e participação em inúmeras reacções metabólicas como cofactor enzimático. A vitamina C inclui vários compostos que têm actividade biológica semelhante ao ácido L-ascórbico (L-AA), incluindo o produto da sua oxidação, ácido desidroascórbico (DHAA), e as formas sintéticas. Os seres humanos não são capazes de sintetizar a vitamina C, sendo necessário obter este nutriente através da alimentação. As frutas e vegetais são alimentos ricos em vitamina C, ao contrário das carnes e cereais. Existem diversos métodos analíticos disponíveis para quantificação dos teores de vitamina C nos alimentos, sendo os métodos cromatográficos os mais utilizados devido à sua capacidade de separação e elevada sensibilidade e precisão. Neste trabalho, foi desenvolvido e validado um método de cromatografia líquida de ultra-eficiência (UHPLC) para determinar o conteúdo de vitamina C total (L-AA + DHAA) em várias frutas e vegetais com proveniências diferentes. A produção de produtos hortofrutícolas na ilha da Madeira não é auto-suficiente, sendo necessário importar alguns alimentos. Realizou-se um pequeno estudo comparativo do teor total de vitamina C e a sua degradação nos produtos locais e importados. O DHAA foi medido indirectamente através da reacção com o redutor DL-1,4-ditiotreitol (DTT), antes da injecção cromatográfica. Os resultados obtidos foram comparados com a titulação iodométrica. As amostras foram extraídas durante 5 dias consecutivos sendo os extractos resultantes armazenados a -80ºC imediatamente após a extracção até ao dia de análise. A estabilidade do L-AA nos extractos conservados a diferentes temperaturas e os efeitos do cozimento dos alimentos sobre esta molécula foram avaliados. A actividade antioxidante dos produtos hortofrutícolas foi também medida pelo método ABTS (2,2-azino-bis(3-etilbenzotiazolina- 6-sulfonato). O estudo da validação do método apresentou resultados bastante satisfatórios, demonstrando uma boa repetibilidade e sensibilidade elevada. Além disso, o método proposto revelou ser uma abordagem melhorada, simples e rápida para a determinação do conteúdo de vitamina C total em diversos produtos alimentares.

Produção de monoglicéridos através de catalisadores de argila

As reações de esterificação do glicerol com ésteres de ácidos gordos, na presença de catalisador originam monoglicéridos que possuem inúmeras aplicações em diversas indústrias e são emulsionantes e antibacterianos. Para a produção dos monoglicéridos, nomeadamente a monolaurina, recorreu-se à utilização de catalisadores heterogéneos de características básicas, após modificação de uma bentonita recolhida na Serra de Dentro (SD), Ilha do Porto Santo e de uma argila comercial, a K10. Estas argilas foram modificadas recorrendo a uma solução de hidróxido de lítio, e posteriormente calcinadas a diferentes temperaturas, 350, 450, 550 e 650ºC. Todas as argilas foram posteriormente caracterizadas recorrendo à difração de raios X, aos indicadores de Hammett, à titulação potenciométrica e à espectroscopia de infravermelho que confirmaram o carácter básico dos materiais produzidos. Os produtos de reação foram analisados e quantificados por cromatografia gasosa. A caracterização dos catalisadores demonstra que temperaturas de calcinação superiores a 450ºC provocam uma diminuição da força da base devido à excessiva perda de água resultante da calcinação. A produção de monolaurina é maior quando ocorre a reação do glicerol com o laurato de metilo na presença de argilas baseadas na SD, em particular o material calcinado a 450ºC como catalisador (rendimento em monolaurina de 43%). Não se detetaram outros produtos reacionais, mas a sua formação não é de excluir. Para a minimização da produção potencial de subprodutos, testou-se, também, uma reação de acetalização do glicerol com acetona originando o composto solketal. Os resultados desta reação, apesar de indiciarem uma elevada seletividade para o produto pretendido, não foram elucidativos em termos de ordenamento dos catalisadores em termos de atividade catalítica. Posteriormente fez-se uma tentativa de reação do solketal com o laurato de metilo na presença de catalisador heterogéneo básico de argila, não se tendo observado atividade catalítica.