Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações.

Análise experimental e simulação de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos

Sistemas para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, com um mínimo impacto ambiental, apresentam uma contribuição energética cada vez mais significativa, sendo importante conhecer em detalhe o comportamento dos mesmos. A radiação solar e o vento podem se mostrar complementares, sendo interessante empregar uma combinação eólica e fotovoltaica em um sistema único. Os sistemas assim constituídos recebem o nome de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos e em algumas aplicações podem mostrar vantagens em relação aos sistemas singelos. Esta Tese tem por objetivo contribuir com o conhecimento sobre o comportamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de pequeno porte. Para obter dados experimentais foi montado um protótipo no Laboratório de Energia Solar, constituído de um painel de 420 Wp e de um aerogerador de 400 W de potência nominal, sendo que para o acionamento do aerogerador foi instalado um túnel de vento. Para a observação do comportamento do sistema híbrido foi também montado um sistema de monitoramento, sendo analisadas na Tese as incertezas associadas às medições realizadas. O sistema de monitoramento forma parte de um sistema mais amplo, que permite também o controle da velocidade do vento no túnel de vento e a ativação automática de um conjunto de cargas resistivas para simular o perfil de consumo. A Tese discute os modelos matemáticos de todos os componentes do sistema, assim como as principais configurações que podem ser dadas aos sistemas híbridos. Foram realizadas várias experiências com o sistema híbrido que permitiram a coleta de informações sobre o comportamento dos componentes independentes e como um todo Essas informações, por sua vez, serviram de base para a validação de modelos matemáticos dos diversos componentes do sistema, que foram integrados em um programa computacional de simulação elaborado como parte desta Tese. Além dos resultados do funcionamento do sistema híbrido experimental, a Tese mostra os resultados do programa de simulação e faz uma estimativa da aplicação de sistemas híbridos semelhantes em localidades de Rio Grande do Sul, a partir da informação do Atlas Eólico do Estado.

Previsão de demanda de energia elétrica por meio de redes neurais artificiais

Este estudo propõe um método alternativo para a previsão de demanda de energia elétrica, através do desenvolvimento de um modelo de estimação baseado em redes neurais artificiais. Tal método ainda é pouco usado na estimativa de demanda de energia elétrica, mas tem se mostrado promissor na resolução de problemas que envolvem sistemas de potência. Aqui são destacados os principais fatores que devem pautar a modelagem de um sistema baseada em redes neurais artificiais, que são: seleção das variáveis de entrada; quantidade de variáveis; arquitetura da rede; treinamento; previsão da saída. O modelo ora apresentado foi desenvolvido a partir de uma amostra de 125 municípios do Estado do Rio Grande do Sul (Brasil), nos anos de 1999 a 2002. Como variáveis de entrada, foram selecionados a temperatura ambiente (média e desvio-padrão anual), a umidade relativa do ar (média e desvio-padrão anual), o PIB anual e a população anual de cada município incluído na amostra. Para validar a proposta apresentada, são mostrados resultados baseados nas simulações com o modelo proposto.

Auto sustentação da empresa face abordagem da teoria marginalista: aplicado à Companhia Paranaense de Energia - COPEL

A configuração desta dissertação pretende, como objetivo principal, a análise fundamentada dos atributos essenciais para a auto-sustentação de uma concessionária, monopolista, sujeita à regulamentação, mediante a aplicação de uma metodologia de determinação dos seus custos marginais inerentes ao processo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica.

Programa computacional para dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos autônomos

Nas últimas décadas, sistemas de suprimento de energia que utilizam recursos renováveis têm sido estudados e empregados como opção para o fornecimento de energia elétrica em comunidades isoladas em áreas remotas. Devido aos avanços da tecnologia fotovoltaica associada à diminuição de custos e maior conhecimento de seu desempenho, os sistemas fotovoltaicos apresentam-se como uma opção promissora. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um programa computacional de dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos autônomos na linguagem de programação Visual Basic 5.0, chamado PVSize, capaz de propor, para uma certa configuração de sistema, o número de baterias e módulos com seu risco de déficit de energia. Este programa tem como finalidade facilitar a interação com o usuário, e poderá ser utilizado como uma ferramenta auxiliar no processo de escolha dos elementos do sistema e estabelecer a melhor configuração através de um acompanhamento anual com base horária dos parâmetros envolvidos. Estes elementos são caracterizados através da implementação de modelos matemáticos propostos por diferentes autores que descrevem o seu desempenho individual. A integração destes modelos através de uma metodologia apropriada levou ao desenvolvimento de um programa completo de dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos autônomos. O potencial energético solar é obtido a partir de informações das características climatológicas locais, utilizadas para gerar séries de dados de radiação a partir de modelos estatísticos O programa permite projetar sistemas de suprimento de energia elétrica que atenderão cargas comunitárias (iluminação pública e de escolas, bombeamento de água, refrigeração em centros de saúde, irrigação, telecomunicações, e mais) e cargas residenciais (iluminação, refrigeração, lazer, etc.) tornando-se uma ferramenta importante para o projeto de sistemas fotovoltaicos autônomos. A comparação dos valores obtidos através de PVSize e outros programas computacionais desenvolvidos por estabelecimentos conceituados na área apresentou uma ótima concordância. Desta forma fica demonstrada a adequação do PVSize para o dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos autônomos.

Medição e controle de desempenho estratégico em sistemas de manufatura

O objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para medição e controle de uma estratégia pré-existente de manufatura, visando a preencher uma lacuna identificada nos processos de gestão estratégica – a falta de alinhamento automático das ações definidas nos processos de planejamento estratégico de manufatura com a medição do desempenho. Observada sob uma perspectiva sistêmica, a manufatura se relaciona com o meio pela importação de informação, energia e materiais, exportando produtos, informação e serviços. Através de mecanismos de realimentação, como a medição de desempenho e a monitoração de grandezas ambientais, a manufatura governa seus recursos de modo a atingir objetivos, geralmente estabelecidos no planejamento estratégico. Considerando a problemática de medição e controle, faz-se uma discussão sobre a perspectiva sistêmica da manufatura, sobre formas de estruturar objetos, muitas vezes intangíveis, que deverão ser medidos e sobre modelos já propostos de medição do desempenho organizacional, comparando-os e propondose uma classificação. Apoiado na revisão bibliográfica, por um método de pesquisa hipotético-dedutivo, propõe-se uma metodologia para estruturar um sistema de medição de uma estratégia existente, que permita o controle das ações sempre que os objetivos não estejam sendo alcançados e que possa se adaptar sempre que o cenário estratégico varie. Por um método de trabalho de aproximações parciais testa-se e refina-se a metodologia proposta. Inicia-se a fase experimental pela modelagem e avaliação da capacidade de competição de uma manufatura de equipamentos eletrônicos, dada uma estratégia existente. Passa-se então à modelagem de parâmetros de processo de manufatura, tais como o tempo de atravessamento, o inventário em processo e o desempenho, necessários para medições internas, testada em uma manufatura calçadista. Agrega-se então ao conhecimento já testado uma técnica de otimização de cursos de ação estratégica e testa-se a metodologia como um todo em uma estratégia existente de manufatura mecânica. Ao fim, discute-se o caso e comparam-se os resultados com outras fontes, encaminhando-se a continuidade de pesquisas.

Estudo de acoplamento de luz a sistemas multicamadas : plasmons de superfícies e guias de onda

O acoplamento de radiação óptica em sistemas multicamadas tem sido objeto de diversas pesquisas, não somente acadêmicas, mas também para aplicações industriais, tanto na área de sensores ópticos, como na de processadores ópticos e na de comunicações ópticas. Existe uma variedade de técnicas que são exploradas nestes estudos. Nesta tese, focalizamos nossa atenção no acoplamento de radiação laser ou mesmo de luz branca incoerente a um filme tipo multicamadas e estudamos os mecanismos físicos que governam as reflexões e as perdas por absorção nas multicamadas, efeitos que normalmente não parecem quando a incidência ocorre diretamente do ar para o filme. A técnica que exploramos é conhecida como reflexão interna total atenuada, ATR. A presença de um filme fino metálico permite o estudo experimental de plasmons de superfície e do acoplamento a modos guiados do sistema multicamadas. Além dos estudos experimentais, apresentamos um cálculo teórico iterativo para a refletividade dos filmes do tipo multicamadas para um número qualquer de camadas, que apresenta vantagens computacionais no ajuste dos dados experimentais ou em simulações. Esta contribuição não necessita as aproximações encontradas em um grande número de trabalhos que envolvem sistemas mais simples. Apresentamos também o cálculo do fluxo de energia dentro de cada camada individual do sistema, o que nos permite determinar o tipo de modo acoplado e a sua localização. O método foi aplicado a diversos sistemas, quando uma das camadas foi modificada. Estes estudos foram realizados como função do ângulo de incidência e do comprimento de onda da radiação incidente para uma variedade de sistemas multicamadas. Nossa simulação teórica se mostra bastante adequada e útil para a projeção de sistemas multicamadas complexos com camadas metálicas e dielétricas para sensores óticos.

Uma perspectiva pós-fordista na operação de sistemas elétricos

O objetivo deste trabalho é mostrar através de um estudo de caso que a implantação de um modelo de organização da produção e do trabalho baseado na gestão por processos pode acenar com uma perspectiva pós-fordista para a atividade de operação de sistemas de energia elétrica. As grandes empresas brasileiras do setor de energia elétrica adotaram, desde a sua criação, um modelo organizacional com base nas funções gerenciais propostas por Henri Fayol, sendo estruturadas de forma vertical e hierárquica. Por outro lado, as tarefas realizadas nas salas de controle dos Centros de Operação dessas empresas se processam de acordo com a forma preconizada pelo sistema de Administração Científica de Frederick Taylor e pelos princípios propostos por Henry Ford. Porém, em decorrência da mudança do modelo institucional do setor de energia, ocorrida em meados da década de 90, além da maior conscientização da sociedade a respeito dos seus direitos de cidadania e também da busca dos trabalhadores pela democratização nas relações sociais em seu ambiente de trabalho, as empresas de energia elétrica foram compelidas a buscar novas formas de gestão mais adequadas ao novo cenário cultural, político, social e econômico. Em FURNAS, como nova forma de organização da produção e do trabalho, o Departamento de Operação do Sistema resolveu adotar um sistema baseado na gestão por processos que respeita a estrutura funcional da Empresa, formando, assim, uma estrutura organizacional matricial. Por outro lado, observou-se que, dependendo da forma de implantação e dos mecanismos de gestão adotados, esse novo sistema podia acenar com uma perspectiva pós-fordista para a atividade de operação de sistemas elétricos de grande porte que, tipicamente, no Brasil, é desenvolvida por empresas fayolistas, segundo uma perspectiva taylorista-fordista. Para verificar se essa possibilidade se concretizou foi realizada uma pesquisa que abrangeu os cinco Centros de Operação do Departamento de Operação do Sistema de FURNAS Centrais Elétricas S.A., tomando como elemento-chave a seguinte caracterização do paradigma do pós-fordismo: diferenciação integrada da organização da produção e do trabalho sob a trajetória de inovação tecnológica em direção à ~ democratização das relações sociais nos sistemas-empresa. O trabalho apresenta a percepção da evolução nos relacionamentos interpessoais e a percepção das ações gerenciais empreendidas visando a implantação do novo sistema, bem como também mostra as transformações ocorridas no tocante à democratização das relaçõe~ sociais no Departamento, entre outros fatores que substanciam a pesquisa, cujo resultado aponta para uma nova forma de gestão do trabalho e da produção em que essas relações sociais tendem a ser pautadas por ações gerenciais dialógicas que caracterizam a perspectiva pós-fordista.

Sistemas de produção de carvão vegetal existentes no Brasil: uma análise de viabilidade econômica

O carvão vegetal tem um papel de destaque entre as biomassas consumidas no Brasil. Seu uso em larga escala na indústria siderúrgica para a produção de ferro gusa fez do país um dos maiores produtores e consumidores mundiais de carvão vegetal. A matéria-prima abundante, bem como a falta de preocupação com fatores ambientais e sociais, permitiu no passado que se atentasse apenas ao fator econômico; e a tecnologia de produção deste combustível/insumo se desenvolveu muito pouco ao longo de quase toda a sua história no Brasil até os anos mais recentes. Nas duas últimas décadas, quando se intensificou a preocupação social e ambiental e esses fatores ganharam relevância na análise da viabilidade de projetos tanto a serem implantados, quanto já existentes, a produção de carvão vegetal passou a ser identificada como extremamente rudimentar e impactante ao meio ambiente e sociedade onde se localiza. Neste trabalho buscou-se analisar a viabilidade econômica de quatro sistemas de produção de carvão existentes no Brasil. O sistema mais rudimentar, comumente chamado de “rabo quente”, um sistema ainda de alvenaria, com um pouco mais desenvolvimento tecnológico conhecido como forno retangular, e dois sistemas que utilizam fornos metálicos para buscar menor tempo do processo de carbonização (devido ao mais rápido resfriamento do sistema) e que têm, ambos, uma preocupação ambiental maior e buscam emitir menos poluentes e oferecer uma condição de trabalho mais adequada, refletindo também positivamente sob o aspecto sócio-ambiental. Percebe-se que em termos de implantação, obviamente, os sistemas que envolvem um pouco mais de tecnologia são bem mais dispendiosos em investimento inicial, porém, há resultados animadores do ponto de vista de retorno do investimento e possibilidades de agregação de valor que tendem a atrair o investimento especialmente dos grandes grupos siderúrgicos consumidores, que têm se preocupado cada vez mais em investir tanto na produção de matéria-prima, com grandes áreas de reflorestamento, quanto na produção sustentável do carvão vegetal.

Contribuições para o estudo teórico e experimental de sistemas de geração distribuída

Diretorio TesteAs recentes mudanças de estrutura no sistema elétrico (geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia) têm motivado o uso da geração distribuída e, em particular, pequenos produtores independentes conectados ao sistemas de distribuição e subtransmissão. Sendo recente, ainda há muitas lacunas quanto ao entendimento do impacto desta nova topologia na estabilidade e outros índices de desempenho do sistema. O presente trabalho está focado na conexão dos produtores independentes aos sistemas de distribuição e subtransmissão e visa contribuir quanto ao estudo teórico-prático deste problema, com ênfase nos aspectos de modelagem dos componentes do sistema. Este estudo faz parte do projeto de pesquisa “Impacto de Produtores Independentes e Autoprodutores Conectados aos sistemas de distribuição e subtransmissão", desenvolvido pela UFRGS com financiamento da CEEE. Como as unidades de geração distribuída são conectadas às redes de distribuição e transmissão, a distância entre estes geradores e as cargas é menor comparativamente às usinas de grande porte. Existe ainda a questão dos produtores independentes serem de potências menores e, portanto, mais suscetíveis às variações de carga da rede em que estão ligados. Devido a estes e outros fatores, uma melhor análise dos modelos estáticos e dinâmicos dos diversos componentes do sistema de potência dentro desta nova topologia se faz necessária. Um dos aspectos considerados neste trabalho, foi o estudo da influência da resistência da linha na análise da geração distribuída nas linhas de distribuição. Esta foi uma das contribuições deste trabalho e foi realizada por meio de simulações considerando vários modelos de geradores e cargas. Outra contribuição foi a construção do sistema consistindo de um protótipo de um produtor independente conectado a rede de distribuição, composto de um gerador de 100kVA conectado à rede elétrica, contendo cargas resistivas e indutivas, podendo serem ligadas/desligadas, emulando condições de operação similares às reais. A construção do protótipo também envolveu um sistema para simulação, um sistema supervisório para operação e realização de ensaios, e os algoritmos necessários para tal. Este sistema permite a simulação dinâmica de modelos de sistemas elétricos de potência em diversos cenários e a verificação experimental do comportamento dos grupos geradores em diversas condições de operação, incluindo a análise de desempenho estático, ensaios de curto circuito e as variações de despacho ativo e reativo de potência. Obtendo com isso uma melhor identificação e quantificação do impacto dos produtores independentes e autoprodutores na análise de sistemas elétricos de potência.

A utilização de leilões em modelos de expansão da rede de transmissão de energia elétrica

Com o objetivo de contribuir com a literatura sobre a regulação dos setores de infraestrutura, este trabalho apresenta uma análise do modelo regulatório utilizado para viabilizar a expansão de capacidade do setor de transmissão de energia elétrica no Brasil. Neste país, de dimensões continentais, o setor de transmissão tem um papel de fundamental importância para garantir o suprimento de energia elétrica e, consequentemente, para viabilizar uma trajetória de crescimento sustentável da atividade econômica. Grandes quantidades de energia são transportadas entre as unidades geradoras, principalmente hidroelétricas que, em muitos casos, estão localizadas em regiões bem distantes dos grandes centros de consumo. Devido à similaridade entre as dimensões continentais e os volumes de energia produzidos e consumidos, são comparados os modelos regulatórios utilizados para a expansão da transmissão no Brasil e Argentina. Aspectos institucionais e dos sistemas políticos nos dois países são ressaltados para explicar as diferenças entre os dois modelos e os resultados alcançados em cada um dos países. Neste caso destacam-se os desafios para expansão da infraestrutura de transmissão de elevada tensão e grande extensão no caso argentino e os benefícios do modelo brasileiro que combina a realização de leilões com um mecanismo de planejamento centralizado. As especificidades do modelo regulatório brasileiro, principalmente do modelo híbrido de leilões de contratos de concessões de transmissão, acompanhado de revisões periódicas da receita dos investidores têm especial atenção. Através de uma análise dos lances apresentados nos leilões realizados no Brasil entre 2002 e 2008, testa-se a reação dos participantes com relação à mudança no modelo regulatório introduzida em 2006, ano em que foi introduzida a revisão tarifária periódica nos contratos de concessão para serviços de transmissão. Evidencia-se que, com esta mudança, os participantes não diminuíram os deságios praticados nos leilões, indicando que não houve aumento da percepção de risco do negócio para os investidores devido a esta mudança na regulação. As informações utilizadas pelos participantes para formulação dos lances, no modelo de leilões para a expansão da transmissão no Brasil, são analisadas através de uma amostra ampliada dos lances apresentados no período 1999-2011. Encontram-se evidências empíricas de que os lances dos participantes são correlacionados, indicando que estes levam em consideração os lances dos seus competidores para formulação de seus próprios lances.

Estudo do desempenho de um sistema de aquecimento de água por energia solar e gás

A energia solar esta sendo cada vez mais utilizada para o aquecimento de água, tanto para o uso industrial, comercial e residencial, apresentando, esta última, um crescimento muito expressivo nos últimos anos, devido às ações de marketing de algumas empresas do setor. Para manter a temperatura da água do reservatório nas condições estabelecidas para o uso é necessário à utilização de uma fonte de energia auxiliar. As duas fontes de energia auxiliar mais empregadas nos sistemas de aquecimento de água por energia solar são a eletricidade e o gás. A escolha do gás como fonte auxiliar de energia, apesar de apresentar um investimento inicial superior ao da energia elétrica, representa um menor custo operacional em longo prazo. Na presente dissertação foram realizadas simulações computacionais para a cidade de Porto Alegre - RS, através do aplicativo TERMOSIM, com a finalidade de analisar o comportamento energético de um sistema de aquecimento de água por energia solar, por circulação natural (termossifão), utilizando como fonte de energia auxiliar o gás. Esta análise foi desenvolvida com a variação de parâmetros construtivos, de parâmetros de utilização e dos parâmetros de qualidade dos materiais e, ainda, com a caracterização dos componentes da instalação. Para a execução do trabalho foram realizadas 3456 simulações. Considerando os resultados obtidos foram elaboradas tabelas e gráficos, por meio dos quais verificou-se a influência do número de coletores, do volume do reservatório, da altura do termostato, da razão de aspecto do reservatório, do consumo de água quente e da qualidade dos coletores sobre a eficiência do sistema. O aplicativo demonstrou coerência nos resultados gerados, motivo pelo qual foi possível identificar, por meio da análise dos mesmos, quais os parâmetros que exercem maior influência no desempenho do sistema de aquecimento de água. Combinando os resultados, foi desenvolvida uma equação para estimar a eficiência média mensal do sistema.

A regulação do comércio internacional de energia: combustíveis e energia elétrica

O presente Sumário Executivo traz as conclusões gerais do estudo “Regulação do Comércio Internacional de Energia”, o qual apresenta o Multissistema de Regulação do Comércio Global e do Investimento na área de Energia, especificamente dos setores de combustíveis e energia elétrica. Os quadros regulatórios existentes tanto no sistema multilateral quanto nos sistemas regionais foram analisados a partir da identificação dos grandes temas relacionados ao comércio internacional de energia. Ambos os sistemas criam uma complexa estrutura de regras que podem oferecer soluções construtivas para as questões relativas à escassez de energia e aos altos custos de operação, bem como um mecanismo para a solução de conflitos. No âmbito multilateral, optou-se pela análise baseada em questões e desafios apresentados pelas regras do comércio internacional de energia. No regional, buscou-se apresentar as soluções encontradas nos acordos regionais que supram deficiências e lacunas da regulação multilateral. Cabe apontar que o estudo foi focado na análise das regras que regem o comércio internacional de energia. Desse modo, descartou-se a análise de instrumentos de soft law, que constituem apenas declarações de princípios e intenções e cujo cumprimento não é obrigatório. Também não foram analisadas outras iniciativas internacionais que, apesar de afetarem o setor de energia, não se relacionam ao comércio internacional de bens e serviços energéticos.