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 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.

A influência de decisões arquitetônicas na eficiência energética do Campus vol. 1/UFRN

Building design is an effective way to achieve HVAC energy consumption reduction. However, this potentiality is often neglected by architects due to the lack of references to support design decisions. This works intends to propose architectural design guidelines for energy efficiency and thermal performance of Campus/UFRN buildings. These guidelines are based on computer simulations results using the software DesignBuilder. The definition of simulation models has begun with envelope variables, partially done after a field study of thirteen buildings at UFRN/Campus. This field study indicated some basic envelope patterns that were applied in simulation models. Occupation variables were identified with temperature and energy consumption monitoring procedures and a verification of illumination and equipment power, both developed at the Campus/UFRN administration building. Three simulation models were proposed according to different design phases and decisions. The first model represents early design decisions, simulating the combination of different types of geometry with three levels of envelope thermal performance. The second model, still as a part of early design phase, analyses thermal changes between circulation halls lateral and central and office rooms, as well as the heat fluxes and monthly temperatures in each circulation hall. The third model analyses the influence of middle-design and detail design decisions on energy consumption and thermal performance. In this model, different solutions of roofs, shading devices, walls and external colors were simulated. The results of all simulation models suggest a high influence of thermal loads due to the incidence of solar radiation on windows and surfaces, which highlights the importance of window shading devices, office room orientation and absorptance of roof and walls surfaces

Análises de elementos arquitetônicos de proteção solar em edificações institucionais na cidade de Natal/RN Diretrizes projetuais

The present work concerns the use of shade elements as architectural elements to block sunlight in public buildings. In a city like Natal, (5o South) the incidence of sunrays in any type of design should be a constant concern for all the architects. Besides, this habit of avoiding insolation in the environment is not a common practice. Within this context, the present work has the objective to dig deep into the knowledge of solar control, studying some cases and verifying its function according to the orientation and the original design of the building, having in mind if the shade elements usually used in the region have achieved their purpose of providing protection against the incidence of direct sun rays. This study considers the position of the shade element (horizontal and vertical), the angle formed between them and the respective facades, and the local of the buildings in relation to their orientation during the summer, winter and equinox solstice. As supporting instruments the solar map of the city and the protractor, for measuring shade angles, were used. It was concluded that in all the cases studied, it was not possible to obtain the maximum use of the elements. It was verified that the best type of shade element (more efficient) for the city of Natal is the mixed type (horizontal and vertical) and that the vertical shade elements are more efficient in the early mornings and late afternoon. The horizontal shade elements are used more effective at midday. We intend to present the results of this study to the architects in the region in order to show them the correct ways of using the shade elements according to the possible orientation on the facade, as a supporting tool at the time of designing a project as well as a subsidy for further discussions on the elaboration of the new urban standards for the city of Natal/RN

Efeitos do manejo de Eichhornia crassipes sobre a qualidade da água em condições de mesocosmos

As macrófitas, apesar da enorme importância na dinâmica do ambiente aquático, quando formam extensas e densas colonizações, promovem uma série de prejuízos ao ambiente e aos usos múltiplos dos reservatórios. Nessas situações, há necessidade de redução de seu tamanho populacional, seja reduzindo as condições favoráveis ao crescimento, seja por meio do controle direto das plantas. Dentre as macrófitas aquáticas que promovem esses tipos de problema, o aguapé (Eichhornia crassipes) é considerada a mais importante. Seu controle é praticado em todo o mundo. O diquat tem sido bastante utilizado para o controle desta planta, em razão de seu baixo custo, eficácia, rapidez de controle e baixa toxicidade no ambiente aquático. O objetivo do presente trabalho foi avaliar os possíveis impactos causados pelo controle de Eichhornia crassipes sobre algumas características de qualidade da água em mesocosmos. Para isso, cinco situações experimentais foram estudadas: CPCH - mesocosmo colonizado por aguapé, o qual foi controlado pela aplicação do herbicida diquat; CPCG - mesocosmo colonizado por aguapé, o qual foi morto por congelamento; CPSH - mesocosmo colonizado com aguapé, sem controle; SPCH - mesocosmo sem macrófitas e com aplicação de diquat na superfície da água; e SPSH - mesocosmo sem macrófitas aquáticas e sem aplicação. O herbicida diquat foi utilizado na dose de 7,0 L da formulação comercial Reward/ha. A temperatura foi mais elevada nos mesocosmos sem plantas, devido à maior incidência de raios solares na coluna d'água. As concentrações de oxigênio dissolvido foram menores nos mesocosmos colonizados pelo aguapé e também tiveram rápida queda após o controle das plantas tanto com diquat como por congelamento. O pH da água foi maior nos mesocosmos sem a cobertura da macrófita. Os valores de sólidos totais dissolvidos (STD) e de condutividade elétrica foram maiores nos tratamentos com morte por congelamento e pelo diquat e em mesocosmos colonizados sem controle da macrófita. Esse efeito pode ser devido à presença de material orgânico em suspensão e à maior concentração de nutrientes presentes na água. Comparando os mesocosmos sem plantas, sem e com a aplicação de diquat na superfície da água, os valores das características avaliadas foram estatisticamente similares, levando à conclusão de que as alterações observadas nos fatores analisados decorrem principalmente da decomposição das plantas.

Estimativa da radiação solar global diária em função do potencial de energia solar na superfície do solo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Taxa de absorção atmosférica sobre as cidades de Botucatu-SP e Rio de Janeiro-RJ

O segundo satélite da Missão Espacial Completa Brasileira (SCD2/MECB) foi colocado em órbita em 23 de Outubro de 1998 e carrega a bordo um experimento de células solares. Célula solar de silício é um dispositivo semicondutor, que pode medir a intensidade da radiação visível e parte da radiação infravermelha (400-1100 nm). O experimento permite medir simultaneamente a insolação direta e parte da radiação solar que é refletida pela Terra para o espaço. Os dados do experimento célula solar são transmitidos em tempo real pela telemetria do satélite e recebidos pela estação terrestre em Cuiabá, MT-Brasil (16°S; 56°W). Este fato limita a cobertura espacial para um círculo sobre a América do Sul. O albedo planetário é obtido dentro desta cobertura e seus valores podem ser agrupados em períodos temporais (anual, sazonal ou mensal), ou podem ser estudados para várias localizações (latitude e longitude) durante a vida do satélite. O coeficiente de transmissão atmosférica ou índice de claridade (Kt), medido em estações meteorológicas na superfície da Terra, junto com o valor medido simultaneamente do albedo planetário, permite calcular o coeficiente de absorção atmosférica (Ka). O método desenvolvido neste trabalho para avaliar Ka considera que o albedo planetário é composto por duas partes: uma refletividade local e uma refletividade não local. Considerando este novo conceito, é definida uma taxa de absorção atmosférica (denominada Ra) que é a razão entre Ka e a potência de irradiância solar líquida, que não atravessou a atmosfera (100%-Kt). A taxa de absorção atmosférica assim definida é independente da cobertura de nuvens. O histograma de freqüência de Ra mostra os valores de 0,86±0,07 e 0,88±0,09 sobre as cidades de Botucatu-SP e do Rio de Janeiro-RJ, durante os anos de 1999 até 2006, respectivamente.

Perspectivas de inserção da energia solar fotovoltaica na geração de energia elétrica no Rio Grande do Norte

The generation of electricity in Brazil is predominantly renewable, with internal hydraulic generation being more than 70% of its energy matrix. The electricity rationing occurred in 2001 due to lack of rain, led the country to increase the participation of alternative energy sources. This need for new sources of energy makes the regional potential to be exploited, which configures the change of generation model from centralized generation to distributed generation. Among the alternative sources of energy, the solar energy is presented as very promising for Brazil, given that most of its territory is located near to the equator line, which implies days with greater number of hours of solar radiation. The state of Rio Grande do Norte (RN) has one of the highest levels of solar irradiation of the Brazilian territory, making it eligible to receive investments for the installation of photovoltaic solar plants. This thesis will present the state-of-the-art in solar photovoltaic power generation and will examine the potential for generation of solar photovoltaic power in Brazil and RN, based on solarimetrics measurements conducted by various institutions and also measurements performed in Natal, the state capital

Construção e análise de desempenho de um fogão solar à concentração utilizando dois focos para cozimento direto

A model of a solar oven with a reflective surface composed of two mirror segments is presented, constituting a two semi-parabolic surfaces made of fiberglass, applied on a ceramic mold, intended to be used in residential and commercial cooking. The reflective surface of the semi-parable is obtained with the use of multiple plain segments of 2 mm wide mirrors. The semi-parabolic structure has visible movements that are comparable to that of the sun. The technical details of the manufacturing and assembling processes will be presented with an analysis of the viability of thermal, economic, and materials of such prototype. This prototype has important social implications and primordial aspects, which combats the ecological damages caused by the wide-scale use of firewood during cooking. It has been demonstrated that the solar oven has the capacity to cook simultaneous two meals distinct for a family of four

Viabilidades térmica, econômica e de materiais de um sistema solar de aquecimento de água a baixo custo para fins residenciais

An solar alternative system for water heating is presented. Is composed for one low cost alternative collector and alternative thermal reservoir for hot water storing. The collector of the system has box confectioned in composite material and use absorption coils formed for PVC tubes. The box of hot water storage was confectioned from a plastic polyethylene drum used for storage of water and garbage, coated for a cylinder confectioned in fiber glass. The principle of functioning of the system is the same of the conventionally. Its regimen of work is the thermosiphon for a volume of 250 liters water. The main characteristic of the system in considered study is its low cost, allowing a bigger socialization of the use of solar energy. It will be demonstrated the viabilities thermal, economic and of materials of the system of considered heating, and its competitiveness in relation to the available collectors commercially. Relative aspects will be boarded also the susceptibility the thermal degradation and for UV for the PVC tubes. It will be shown that such system of alternative heating, that has as main characteristic its low cost, presents viabilities thermal, economic and of materials