Time-domain optimization of amplifiers based on distributed genetic algorithms

Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Electrical and Computer Engineering

Simulation of a-Si PV system linked to the grid by DC boost and three-level inverter under cloud scope

This paper is about a PV system linked to the electric grid through power converters under cloud scope. The PV system is modeled by the five parameters equivalent circuit and a MPPT procedure is integrated into the modeling. The modeling for the converters models the association of a DC-DC boost with a three-level inverter. PI controllers are used with PWM by sliding mode control associated with space vector modulation controlling the booster and the inverter. A case study addresses a simulation to assess the performance of a PV system linked to the electric grid. Conclusions regarding the integration of the PV system into the electric grid are presented. © IFIP International Federation for Information Processing 2015.

Autoconsumo fotovoltaico, um elemento de eficiência energética. Caso de estudo: ISEP

Mestrado em Energias Sustentáveis

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

This book discusses in detail the CMOS implementation of energy harvesting. The authors describe an integrated, indoor light energy harvesting system, based on a controller circuit that dynamically and automatically adjusts its operation to meet the actual light circumstances of the environment where the system is placed. The system is intended to power a sensor node, enabling an autonomous wireless sensor network (WSN). Although designed to cope with indoor light levels, the system is also able to work with higher levels, making it an all-round light energy harvesting system. The discussion includes experimental data obtained from an integrated manufactured prototype, which in conjunction with a photovoltaic (PV) cell, serves as a proof of concept of the desired energy harvesting system. © 2016 Springer International Publishing. All rights are reserved.

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.

Impacto da Microprodução na Forma de Onda de Tensão na Rede de Distribuição de Energia

Actualmente tem sido dada uma importância à energia de origem renovável. No entanto, o conceito de fonte de energia renovável não significa necessariamente que essas fontes sejam renováveis, para o que seria necessário considerar os impactos que a sua produção e utilização tem ao nível dos três pilares fundamentais da sustentabilidade: o social, o ambiental e o económico. Num mundo cada vez mais insustentável, a busca por melhorias ao nível da eficiência energética constitui uma prioridade. A dissertação que aqui se apresenta visa essencialmente analisar o problema que representa a produção distribuída de energia para a amplitude e forma de onda de tensão na rede de distribuição. Sendo do conhecimento dos especialistas que as cavas de tensão constituem um problema significativo, a questão das harmónicas ainda é uma área em desenvolvimento. No caso de estudo que é apresentado no âmbito desta dissertação, pretendeu-se analisar esta problemática ao nível da amplitude e forma da onda de tensão na rede de distribuição. Foi possível tirar algumas ilações relativas ao impacto que a microprodução a partir de fonte FV tem, através da utilização do equipamento de medição adequado. Conclui-se que existe, efetivamente, uma distorção da forma de onda, distorção essa que constitui não só uma desvantagem para os consumidores de energia, visto poder causar efeitos colaterais nos seus equipamentos, mas também um problema de eficiência energética, obrigando a que no futuro, e assumindo que estes sistemas vão proliferar em larga escala a nível global, exista uma exigência em termos de requisitos técnicos como o aumento da secção do cabo elétrico e a respectiva ramificação da rede para a distribuição de energia que por si só, é insustentável.

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Elaboração de um projeto de uma central fotovoltaica de miniprodução e estudo de viabilidade técnica, económica e financeira

Desde o final do século XVIII, quando se iniciou a revolução industrial, o crescimento económico tem sido assente num consumo elevado de combustíveis fósseis que libertam gases com efeito de estufa. A emissão destes gases e a escassez dos combustíveis fósseis são temas que, desde as últimas duas décadas do século XX, ocupam um lugar de destaque nas agendas de política mundial. A produção de energia através de fontes renováveis surge como alternativa e poderá ser a solução para países com escassos recursos de origem fóssil, como é o caso de Portugal, minimizando também a sua dependência energética do exterior. Uma das medidas de incentivo lançada pelo Governo Português em 2007, foi a criação de um regime simplificado aplicável à microprodução descentralizada de eletricidade através de fontes de energia renováveis e de cogeração. À semelhança da maioria dos países europeus, o principal meio de promoção destes sistemas em Portugal foram as Feed-in-Tariffs, que consistem numa tarifa de venda de energia elétrica de origem renovável acima da tarifa de mercado. Estas tarifas permitiram, sobretudo, o crescimento do setor fotovoltaico em Portugal. Atualmente, o amadurecimento da tecnologia fotovoltaica, associado ao constante aumento das tarifas de energia elétrica, permite que se torne vantajosa a instalação de sistemas fotovoltaicos para autoconsumo. Neste contexto, o atual Governo Português, criou recentemente um regime jurídico aplicável à produção de eletricidade para autoconsumo. O objetivo deste trabalho é demonstrar, com base na minha experiência profissional, a metodologia de dimensionamento de uma central fotovoltaica ligada à Rede Elétrica de Serviço Público. Será utilizado como objeto de estudo um projeto constituído por 28 centrais fotovoltaicas de Miniprodução de 100 kW, dispersas por Portugal Continental, para o qual será efetuada a análise financeira do investimento. Pretende-se ainda apresentar o novo enquadramento legislativo para o Autoconsumo e Pequena Produção distribuída, detalhar as suas principais caraterísticas e efetuar um estudo económico para cada um destes regimes.

Distributed Energy Resources Management using Plug-in Hybrid Electric Vehicles as a Fuel-Shifting Demand Response Resource

In the smart grids context, distributed energy resources management plays an important role in the power systems’ operation. Battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles should be important resources in the future distribution networks operation. Therefore, it is important to develop adequate methodologies to schedule the electric vehicles’ charge and discharge processes, avoiding network congestions and providing ancillary services. This paper proposes the participation of plug-in hybrid electric vehicles in fuel shifting demand response programs. Two services are proposed, namely the fuel shifting and the fuel discharging. The fuel shifting program consists in replacing the electric energy by fossil fuels in plug-in hybrid electric vehicles daily trips, and the fuel discharge program consists in use of their internal combustion engine to generate electricity injecting into the network. These programs are included in an energy resources management algorithm which integrates the management of other resources. The paper presents a case study considering a 37-bus distribution network with 25 distributed generators, 1908 consumers, and 2430 plug-in vehicles. Two scenarios are tested, namely a scenario with high photovoltaic generation, and a scenario without photovoltaic generation. A sensitivity analyses is performed in order to evaluate when each energy resource is required.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Dimensionamento do Sistema Híbrido para Alimentação de Energia Elétrica da Escola Rural de Nangade (Cabo Delgado)

Os combustíveis fósseis, como o carvão, o petróleo e o gás, constituem fontes de energia que em breve se esgotarão e que são demasiado caras para serem desperdiçadas pelas centrais elétricas na produção de electricidade. Para além desse facto, existem outros argumentos (sobretudo económicos) que inviabilizam a utilização destas fontes de energia em algumas regiões, abrindo caminho a fontes de energia alternativas (e.g. solar, eólica, biomassa, mini-hídricas, geotérmicas, etc) e preferencialmente com contornos locais. No caso particular de Moçambique, tem-se verificado um interesse crescente por parte do governo e de várias ONGs na promoção do uso de energias alternativas para as zonas onde a energia convencional não chega e não chegará, devido aos custos muito elevados que esse processo acarretaria. Esta dissertação apresenta um estudo aprofundado do dimensionamento dum sistema híbrido de geração de energia elétrica envolvendo gerador FV e grupo eletrogéneo de emergência para a Escola Rural da Nangade, situada no Distrito de Nangade, na Província do Cabo Delgado. São também descritos os diversos componentes e as tecnologias associadas a um sistema deste género, com a inclusão de sistemas inteligentes de controlo de energia com a utilização de inversores bidireccionais (inversores de bateria e carregadores) para sistemas isolados. Os resultados são apresentados de forma a facilitar a aplicação e montagem deste tipo de sistemas in loco. Espera-se que esta dissertação possa servir de base no futuro próximo, para a implementação deste tipo de sistemas para permitir a melhoria da qualidade de ensino através de melhores infraestruturas, democratizando desta forma o acesso à educação para as crianças das zonas rurais das várias províncias de Moçambique. Como as energias renováveis são parte integrante do Sistema Elétrico Nacional, apresenta-se resumidamente, no anexo 17, o “Plano de Desenvolvimento na Área de Energia de Moçambique”.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

A presente tese descreve diferentes soluções que permitem a reutilização da energia recuperada em ascensores eléctricos de roda de aderência dotados de conversores electrónicos de frequência e dessa forma contribuir para a melhoria da eficiência energética nos ascensores. Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará em modo gerador. Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia. Igualmente, se a cabina subir vazia, também se poderá recuperar energia eléctrica. A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor estará a funcionar como um gerador. De modo a estudar a viabilidade técnica e económica das diferentes soluções foram realizadas medições a uma amostra representativa de ascensores eléctricos de roda de aderência. Esta amostra é constituída por 39 ascensores que estão instalados em diferentes tipos de edifícios e que pertencem a diferentes categorias de utilização, de acordo com a norma VDI 4707:2009. Para cada ascensor foi medida a energia consumida e a energia gerada para uma manobra completa – a descida e a subida da cabina sem carga. A partir das medições, e com base na norma VDI 4707:2009 foram calculados os valores anualizados de energia eléctrica consumidos e produzidos por cada ascensor. A partir das 5 hipóteses identificadas para a utilização da energia recuperada (carregamento de bateria para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentar o barramento DC; reinjecção da energia no barramento DC de um conjunto de ascensores em grupo; reinjecção da energia na rede eléctrica do edifício onde o ascensor está instalado) foi realizada a avaliação técnica e a avaliação económico-financeira para cada um dos ascensores. Por último, foi desenvolvido um simulador que permite definir a solução de recuperação de energia que seja técnica e economicamente mais viável, para um dado ascensor eléctrico de roda de aderência instalado, mediante a introdução dos parâmetros técnicos do ascensor em avaliação.

Impacto das opções de conceção em edifícios zero energy o caso dos grandes edifícios de serviços

Atualmente, o parque edificado é responsável pelo consumo de 40% da energia total consumida em toda a União Europeia. As previsões apontam para o crescimento do sector da construção civil, nomeadamente a construção de edifícios, o que permite perspetivar um aumento do consumo de energia nesta área. Medidas importantes, como o lançamento da Diretiva 2010/31/EU do Parlamento Europeu e do Conselho de 19 de Maio de 2010 relativa ao desempenho energético dos edifícios, abrem caminho para a diminuição das necessidades energéticas e emissões de gases de efeito de estufa. Nela são apontados objetivos para aumentar a eficiência energética do parque edificado, tendo como objetivo que a partir de 2020 todos os novos edifícios sejam energeticamente eficientes e de balanço energético quase zero, com principal destaque para a compensação usando produção energética própria proveniente de fontes renováveis. Este novo requisito, denominado nearly zero energy building, apresenta-se como um novo incentivo no caminho para a sustentabilidade energética. As técnicas e tecnologias usadas na conceção dos edifícios terão um impacto positivo na análise de ciclo de vida, nomeadamente na minimização do impacto ambiental e na racionalização do consumo energético. Desta forma, pretendeu-se analisar a aplicabilidade do conceito nearly zero energy building a um grande edifício de serviços e o seu impacto em termos de ciclo de vida a 50 anos. Partindo da análise de alguns estudos sobre o consumo energético e sobre edifícios de balanço energético quase nulo já construídos em Portugal, desenvolveu-se uma análise de ciclo de vida para o caso de um edifício de serviços, da qual resultou um conjunto de propostas de otimização da sua eficiência energética e de captação de energias renováveis. As medidas apresentadas foram avaliadas com o auxílio de diferentes aplicações como DIALux, IES VE e o PVsyst, com o objetivo de verificar o seu impacto através da comparação com estado inicial de consumo energético do edifício. Nas condições iniciais, o resultado da análise de ciclo de vida do edifício a 50 anos no que respeita ao consumo energético e respetivas emissões de CO2 na fase de operação foi de 6 MWh/m2 e 1,62 t/m2, respetivamente. Com aplicação de medidas propostas de otimização, o consumo e as respetivas emissões de CO2 foram reduzidas para 5,2 MWh/m2 e 1,37 t/m2 respetivamente. Embora se tenha conseguido reduzir ao consumo com as medidas propostas de otimização de energia, chegou-se à conclusão que o sistema fotovoltaico dimensionado para fornecer energia ao edifício não consegue satisfazer as necessidades energéticas do edifício no final dos 50 anos.

Análise de sensibilidade na simulação dinâmica de um grande edifício escolar existente

Dado o panorama de conservação de energia a nível nacional e mundial, torna-se hoje em dia muito importante, que seja possível controlar e estimar o consumo energético nos edifícios. Assim, atendendo à actual problemática energética e ao crescente consumo energético nos edifícios, é importante parametrizar, avaliar e comparar este consumo. Neste sentido, nas últimas décadas, têm sido efectuados desenvolvimentos técnicos, quer ao nível do equipamento de campo para efectuar monitorização e medição, quer ao nível da simulação dinâmica de edifícios. Com esta dissertação de mestrado, pretendeu-se efectuar a simulação dinâmica de um edifício escolar existente a funcionar em pleno, e efectuar uma análise de sensibilidade relativamente ao grau de variação dos resultados obtidos através da aplicação de dois programas de cálculo térmico e energético. Foram utilizados, o programa VE-Pro da IES (Integrated Environmental Solutions) e o programa Trace 700 da TRANE. Ambos os programas foram parametrizados com os mesmos dados de entrada, tendo em atenção as opções de simulação disponibilizadas por ambos. Posteriormente, utilizaram-se os dados retirados da simulação para calcular a classificação energética no âmbito do sistema de certificação energética (SCE), através de uma folha de cálculo desenvolvida para o efeito. Foram ainda consideradas várias soluções de eficiência energética para o edifício, com vista a poupanças reais de energia, tendo sempre atenção ao conforto térmico dos ocupantes. Dessas medidas fazem parte, medidas relacionadas com a iluminação, como a substituição da iluminação existente por luminárias do tipo LED (Light Emitting Diode), soluções de energias renováveis, como a instalação de colectores solares para aquecimento das águas quentes sanitárias, e painéis fotovoltaicos para produção de energia, bem como medidas ligadas aos equipamentos de climatização. Posteriormente, recalculou-se a classificação energética afectada das melhorias. Os resultados obtidos nas duas simulações foram analisados sob o ponto de vista do aquecimento, arrefecimento, ventilação, iluminação e equipamentos eléctricos. A comparação das duas simulações para cada parâmetro acima referido, apresentaram variações inferiores a 5%. O desvio maior verificou-se na ventilação, com o valor de aproximadamente 4,9%. Transpondo estes resultados para o cálculo do IEE (Índice de Eficiência Energética), verificou-se um desvio inferior a 2%.

Eficiência energética e energias renováveis em edifícios

As preocupações com a escassez dos recursos fósseis, o aumento gradual e acentuado dos seus preços e problemas ambientais, cada vez mais há uma preocupação em relação à eficiência energética e as energias renováveis, sendo estes os dois pilares para se encaminhar para uma política energética sustentável. Sobretudo nos edifícios que são responsáveis por grande parte do consumo de energia mundial. Cabo Verde tem um elevado grau de desperdício energético e de consumo de energia elétrica, torna-se imprescindível ressaltar a importância da análise de Eficiência Energética nas Edificações. Contudo, em Cabo Verde, relativamente à vertente da eficiência energética nos edifícios, não existe ainda uma legislação que de alguma forma condicione o consumo de energia e os impactos ambientais associados aos edifícios. De igual forma, as construções com características bioclimáticas ou incorporando sistemas passivos ainda não são prática corrente, pois não existe nenhuma regulamentação que garante que o projetista aquando a conceção de um edifício aplique estratégias de construção bioclimática ou integração das energias renováveis, fazendo o uso do potencial dos recursos renováveis existente no país. Assim, o conforto dos ocupantes dos edifícios e a diminuição das necessidades de consumo não estão presentes de uma forma satisfatória na construção de edifícios em Cabo Verde. Neste contexto, a presente dissertação tem como intuito, recolher e estruturar informação relativa a temática da eficiência energética e energias renováveis nos edifícios de forma a promover a eficiência energética nos edifícios e apoiar o desenvolvimento das energias renováveis em Cabo Verde, contribuindo para a mudança de mentalidade. Assim este estudo pretende refletir sobre a importância da construção sustentável, a Certificação Energética, sistemas e procedimentos para garantir, no mínimo, igual conforto dos ocupantes e simultaneamente a redução do consumo de energia nos edifícios, mudança de comportamentos e escolhas com menor consumo energético. São ainda apresentados as possibilidades de integração das energias renováveis nos edifícios. Assim decidiu-se analisar a implementação de um sistema de microgeração fotovoltaico, para aumentar a eficiência energética de edifícios de acordo com a legislação vigente em Cabo Verde. Nestes termos, é dimensionado um sistema para atender cerca de 70% do consumo anual de energia elétrica do edifício, com consumo de 3869 kWh/ano. Com a realização deste estudo, pretende-se incentivar a implementação de unidades de microprodução fotovoltaica para a produção de energia elétrica em edifícios, bem como aproximar o cidadão comum das soluções técnicas/económicas no campo do aproveitamento das energias renováveis para a produção de energia elétrica.