Produção de energia por mini e micro hidrelétricas na rede de distribuição de água.

A geração de energia hidrelétrica enfrenta uma crescente restrição a sua expansão, diretamente relacionada a fatores ambientais e da limitação de terrenos com potencial economicamente aproveitável. A partir deste fato, é relacionada uma possível fonte de energia hidrelétrica, resultante do aproveitamento dos potenciais presentes na rede de distribuição de água das cidades, ainda sem nenhum aproveitamento. O desenvolvimento desta fonte de energia se dá com a instalação de mini e micro centrais hidrelétricas nos condutos da rede distribuidora de água. Este trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de aproveitamento hidrelétrico por mini e micro hidrelétricas por meio de técnicas de modelagem e de otimização, para agilizar e facilitar o procedimento de identificação dos potenciais e a instalação na rede de abastecimento. O trabalho leva em conta as diversas peculiaridades das redes de distribuição de água e dos equipamentos eletro-hidráulicos, discorrendo sobre a possível complementariedade da geração de energia durante os picos de consumo. Discorre também sobre a contribuição para a rede de distribuição elétrica, na logística e nos custos de implantação além de discutir a tipologia das turbinas capazes de aproveitar o potencial energético. É avaliado, com o auxilio de modelos hidráulicos e de otimização, o posicionamento das centrais geradoras na rede e os possíveis benefícios, restrições e impedimentos ao seu uso, desenvolvendo uma metodologia para facilitar a tomada de decisão quanto ao aproveitamento para geração, ou não, em redes diversas. A construção deste procedimento e ferramenta são desenvolvidos a partir do estudo de caso do sistema distribuidor de água do Município de Piquete no estado de São Paulo, Brasil.

Reutilização de baterias automotivas como fonte alternativa de energia.

Atualmente um dos principais objetivos na área de pesquisa tecnológica é o desenvolvimento de soluções em favor do Meio Ambiente. Este trabalho tem por objetivo demonstrar a reutilização e consequentemente o aumento da vida útil de uma bateria Chumbo-Ácido, comumente instaladas em veículos automóveis, bem como beneficiar locais e usuários remotos onde o investimento na instalação de linhas de transmissão se torna inviável geográfica e economicamente, utilizando a luz solar como fonte de energia. No entanto a parte mais suscetível a falhas são as próprias baterias, justamente pela vida útil delas serem pequenas (em torno de 3 anos para a bateria automotiva) em comparação com o restante do sistema. Considerando uma unidade que já foi usada anteriormente, a possibilidade de falhas é ainda maior. A fim de diagnosticar e evitar que uma simples bateria possa prejudicar o funcionamento do sistema como um todo, o projeto considera a geração de energia elétrica por células fotovoltaicas e também contempla um sistema microcontrolado para leitura de dados utilizando o microcontrolador ATmega/Arduino, leitura de corrente por sensores de efeito hall da Allegro Systems, relés nas baterias para abertura e fechamento delas no circuito e um sistema de alerta para o usuário final de qual bateria está em falha e que precisa ser reparada e/ou trocada. Esse projeto foi montado na Ilha dos Arvoredos SP, distante da costa continental em aproximadamente 2,0km. Foram instaladas células solares e um banco de baterias, a fim de estudar o comportamento das baterias. O programa pôde diagnosticar e isolar uma das baterias que estava apresentando defeito, a fim de se evitar que a mesma viesse a prejudicar o sistema como um todo. Por conta da dificuldade de locomoção imposta pela geografia, foi escolhido o cartão SD para o armazenamento dos dados obtidos pelo Arduino. Posteriormente os dados foram compilados e analisados. A partir dos resultados apresentados podemos concluir que é possível usar baterias novas e baterias usadas em um mesmo sistema, de tal forma que se alguma das baterias apresentar uma falha o sistema por si só isolará a unidade.

Desempenho econômico de um sistema de produção de biomassa da cana energia

O uso da biomassa como fonte de energia elétrica corresponde a uma alternativa de grande importância para o planejamento estratégico do crescimento econômico de diversos países. A vasta extensão territorial e o clima favorável ao desenvolvimento da agricultura no Brasil trazem como vantagem o poder de planejar sua matriz energética utilizando variadas fontes primárias renováveis. A cana-de-açúcar destaca-se pela rusticidade e grande produtividade. O bagaço como um subproduto resultante do processamento da cana é utilizado como fonte para a cogeração de energia e pode contribuir significativamente para a descentralização das fontes de energia nacional. Com o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração, a busca pela maior produção de biomassa ganha relevância. Os programas de melhoramento identificaram que se caso com redução de 25 a 35% da sacarose na cana, a planta teria um potencial de aumento de mais de 100% da biomassa. Os híbridos derivados de programas de melhoramento da espécie Saccharum spp., direcionados exclusivamente para a produção de biomassa, foram denominados de cana energia. Tendo em vista o potencial de produtividade da cultura e consequentemente de geração de energia, torna-se necessário conhecer se esse potencial se traduz em resultado econômico. Com esse enfoque, o objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade econômica da produção de biomassa da cana energia. Para tanto foi desenvolvido um modelo em planilha eletrônica e o modelo foi empregado na simulação de cenários e alternativas. A planilha integra modelos de balanço hídrico, produtividade da cultura e distribuição de chuvas, e suas relações com aspectos econômicos e produtivos. O preço de venda da biomassa, a produtividade da cultura e a distância de transporte se mostraram como os itens que mais influem sobre os indicadores de viabilidade econômica. Diferentemente da eficiência gerencial, a eficiência de campo corresponde a um fator de grande importância a ser considerado para reduzir o custo de produção. A análise da área de colheita como uma variável crítica indicou que existem módulos ideais para a utilização de máquinas agrícolas, reduzindo o seu custo operacional devido ao uso melhor atribuído das máquinas na propriedade. A análise da textura do solo como variável crítica mostrou que o cultivo da planta em diferentes tipos de solos reflete em diferentes custos operacionais, produtividade potencial e no montante de investimento. O ano de reforma corresponde a um fator crítico para a viabilização da atividade. Para o cenário base, o indicador de atratividade financeira apresenta um Valor Presente Líquido de 6,4 milhões de reais e uma Taxa Interna de Retorno de 15,2%, com um horizonte de 20 anos de produção. As análises de sensibilidade mostram que as variáveis que mais impactam nos indicadores de viabilidade econômica financeira são o preço de venda da biomassa e a produtividade média da lavoura.

Desenvolvimento de algoritmo de controle de tração para regeneração de energia metroviária - ACTREM: melhoria da eficiência energética de sistemas de tração metroviária.

Esta tese propõe um modelo de regeneração de energia metroviária, baseado no controle de paradas e partidas do trem ao longo de sua viagem, com o aproveitamento da energia proveniente da frenagem regenerativa no sistema de tração. O objetivo é otimizar o consumo de energia, promover maior eficiência, na perspectiva de uma gestão sustentável. Aplicando o Algoritmo Genético (GA) para obter a melhor configuração de tráfego dos trens, a pesquisa desenvolve e testa o Algoritmo de Controle de Tração para Regeneração de Energia Metroviária (ACTREM), usando a Linguagem de programação C++. Para analisar o desempenho do algoritmo de controle ACTREM no aumento da eficiência energética, foram realizadas quinze simulações da aplicação do ACTREM na linha 4 - Amarela do metrô da cidade de São Paulo. Essas simulações demonstraram a eficiência do ACTREM para gerar, automaticamente, os diagramas horários otimizados para uma economia de energia nos sistemas metroviários, levando em consideração as restrições operacionais do sistema, como capacidade máxima de cada trem, tempo total de espera, tempo total de viagem e intervalo entre trens. Os resultados mostram que o algoritmo proposto pode economizar 9,5% da energia e não provocar impactos relevantes na capacidade de transporte de passageiros do sistema. Ainda sugerem possíveis continuidades de estudos.

Formação do preço da energia convencional nas transações entre agentes no mercado de curto prazo brasileiro.

Hoje no mercado brasileiro de eletricidade, o preço da energia convencional é composto pela soma do valor do Preço de Liquidação das Diferenças (PLD) divulgado pela Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) semanalmente com o valor do Spread negociado bilateralmente no mercado à vista (mercado de curto prazo), resultante do equilíbrio entre oferta e demanda. Em alguns momentos, o valor do Spread chega a representar mais de 100% do custo total da energia. Este trabalho faz uma análise do mercado brasileiro, bem como, de alguns mercados no exterior de energia elétrica e destaca os pontos que tem influência direta, na formação do Spread da energia convencional e como isso afeta a decisão de contratação dos agentes. Além disso, o trabalho busca encontrar correlações entre dados divulgados, como carga e oferta de energia, com o ágio negociado no mercado de curto prazo, buscando entender o real impacto de cada um desses fatores e explicar as grandes variações já observadas. Sugere-se também um modelo de regressão linear múltipla para a projeção de valores do ágio. Para tanto, foram utilizadas informações proveniente de um banco de dados de cotações de negócios efetivamente realizados no curto prazo desde janeiro de 2011 até julho de 2014, bem como informações retiradas da CCEE e Operador Nacional do Sistema (ONS).

Análise do regime de produção distribuída fotovoltaica para autoconsumo

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Energia eólica em alto mar: distribuição dos recursos e complementaridade hídrica

The stabilization of energy supply in Brazil has been a challenge for the operation of the National Interconnected System in face of hydrological and climatic variations. Thermoelectric plants have been used as an emergency source for periods of water scarcity. The utilization of fossil fuels, however, has elevated the cost of electricity. On the other hand, offshore wind energy has gained importance in the international context and is competitive enough to become a possibility for future generation in Brazil. In this scenario, the main goal of this thesis was to investigate the magnitude and distribution of offshore wind resources, and also verify the possibilities of complementing hydropower. A data series of precipitation from the Climatic Research Unit (CRU) Blended Sea Winds from the National Climatic Data Center (NCDC/NOAA) were used. According to statistical criteria, three types of complementarity were found in the Brazilian territory: hydro × hydro, wind × wind and hydro × wind. It was noted a significant complementarity between wind and hydro resources (r = -0.65), mainly for the hydrographical basins of the southeast and central regions with Northeastern Brazil winds. To refine the extrapolation of winds over the ocean, a method based on the Monin-Obukhov theory was used to model the stability of the atmospheric boundary layer. Objectively Analyzed Air-Sea Flux (OAFLUX) datasets for heat flux, temperature and humidity, and also sea level pressure data from NCEP/NCAR were used. The ETOPO1 from the National Geophysical Data Center (NGDC/NOAA) provided bathymetric data. It was found that shallow waters, between 0-20 meters, have a resource estimated at 559 GW. The contribution of wind resources to hydroelectric reservoir operation was investigated with a simplified hybrid wind-hydraulic model, and reservoir level, inflow, outflow and turbine production data. It was found that the hybrid system avoids drought periods, continuously saving water from reservoirs through wind production. Therefore, from the results obtained, it is possible to state that the good winds from the Brazilian coast can, besides diversifying the electric matrix, stabilize the hydrological fluctuations avoiding rationing and blackouts, reducing the use of thermal power plants, increasing the production cost and emission of greenhouse gases. Public policies targeted to offshore wind energy will be necessary for its full development.

Contribuições para estratégia de controle aplicada à geração fotovoltaica interconectada à rede elétrica

Generation systems, using renewable sources, are becoming increasingly popular due to the need for increased use of electricity. Currently, renewables sources have a role to cooperate with conventional generation, due to the system limitation in delivering the required power, the need for reduction of unwanted effects from sources that use fossil fuels (pollution) and the difficulty of building new transmission and/or distribution lines. This cooperation takes place through distributed generation. Therefore, this work proposes a control strategy for the interconnection of a PV (Photovoltaic) system generation distributed with a three-phase power grid through a connection filter the type LCL. The compensation of power quality at point of common coupling (PCC) is performed ensuring that the mains supply or consume only active power and that his currents have low distorcion. Unlike traditional techniques which require schemes for harmonic detection, the technique performs the harmonic compensation without the use of this schemes, controlling the output currents of the system in an indirect way. So that there is effective control of the DC (Direct Current) bus voltage is used the robust controller mode dual DSMPI (Dual-Sliding Mode-Proportional Integral), that behaves as a sliding mode controller SM-PI (Sliding Mode-Proportional Integral) during the transition and like a conventional PI (Proportional Integral) in the steady-state. For control of current is used to repetitive control strategy, which are used double sequence controllers (DSC) tuned to the fundamental component, the fifth and seventh harmonic. The output phase current are aligned with the phase angle of the utility voltage vector obtained from the use of a SRF-PLL (Synchronous Reference Frame Phase-Locked-Loop). In order to obtain the maximum power from the PV array is used a MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm without the need for adding sensors. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control system.

Aplicação dos Sistemas de Informação Geográfica nas energias renováveis: o potencial da energia solar na ilha de São Vicente – Cabo Verde

Informação Geográfica (SIG) ao estudo das energias renováveis, tendo como caso avaliar o potencial solar na ilha de São Vicente do arquipélago de Cabo Verde. A energia do sol é a principal fonte de energia renovável, e está disponível em quase todas as regiões do planeta. Quantificar o potencial energético solar de um lugar ou região é indispensável, para avaliar as potencialidades de produção de energia fotovoltaica. Outro fator importante prende-se com ordenamento territorial associado à exploração desses recursos energéticos, pelo que devem ser avaliadas as condições técnicas, ambientais e económicas, quando se pretende instalar parques para a produção de energia fotovoltaica. Assim, neste trabalho foram aplicadas as ferramentas SIG, para quantificar a radiação solar mensal e anual da ilha de São Vicente, arquipélago de Cabo Verde, através do modelo Solar Analyst. Numa segunda fase, aplicou-se a técnica de análise multicritério em combinação com os SIGs para definir as áreas mais favoráveis para a instalação de parques de produção de energia elétrica a partir da energia solar. Para o cálculo da radiação solar na ilha de São de Vicente, utilizou-se o modelo digital de terreno (MDT) e a latitude da ilha como parâmetros de entrada ao modelo. Para a análise multicritério definiram-se um conjunto de critérios que devem ser considerados na implementação de parques solares, nomeadamente, a disponibilidade de radiação solar existente na área, a distância à rede de transporte de energia elétrica e à rede viária, o declive do terreno, o uso e ocupação do solo e a proximidade às linhas de água. Para auxiliar na atribuição dos pesos aos critérios utilizados na análise aplicou-se a método Analytic Hierarchy Process (AHP). As áreas resultantes do processo da análise multicritério, foram confrontadas com a Carta de Condicionantes do esquema regional de ordenamento da ilha de São Vicente, aferindo a conformidade das propostas e reajustes subsequentes, de modo a obter os resultados finais.

Teoria de carteiras e a alocação de parques eólicos offshore

The consumption of energy on the planet is currently based on fossil fuels. They are responsible for adverse effects on the environment. Renewables propose solutions for this scenario, but must face issues related to the capacity of the power supply. Wind energy offshore emerging as a promising alternative. The speed and stability are greater winds over oceans, but the variability of these may cause inconvenience to the generation of electric power fluctuations. To reduce this, a combination of wind farms geographically distributed was proposed. The greater the distance between them, the lower the correlation between the wind velocity, increasing the likelihood that together achieve more stable power system with less fluctuations in power generation. The efficient use of production capacity of the wind park however, depends on their distribution in marine environments. The objective of this research was to analyze the optimal allocation of wind farms offshore on the east coast of the U.S. by Modern Portfolio Theory. The Modern Portfolio Theory was used so that the process of building portfolios of wind energy offshore contemplate the particularity of intermittency of wind, through calculations of return and risk of the production of wind farms. The research was conducted with 25.934 observations of energy produced by wind farms 11 hypothetical offshore, from the installation of 01 simulated ocean turbine with a capacity of 5 MW. The data show hourly time resolution and covers the period between January 1, 1998 until December 31, 2002. Through the Matlab R software, six were calculated minimum variance portfolios, each for a period of time distinct. Given the inequality of the variability of wind over time, set up four strategies rebalancing to evaluate the performance of the related portfolios, which enabled us to identify the most beneficial to the stability of the wind energy production offshore. The results showed that the production of wind energy for 1998, 1999, 2000 and 2001 should be considered by the portfolio weights calculated for the same periods, respectively. Energy data for 2002 should use the weights derived from the portfolio calculated in the previous time period. Finally, the production of wind energy in the period 1998-2002 should also be weighted by 1/11. It follows therefore that the portfolios found failed to show reduced levels of variability when compared to the individual production of wind farms hypothetical offshore

Gestão de energia em ambiente industrial

A Sociedade da Água de Luso, S.A., localizada no concelho de Mealhada, é uma empresa do setor do engarrafamento de águas minerais naturais, de nascente e de consumo humano. Esta realiza as suas atividades, tendo em consideração a eficiência energética, ao longo do seu processo produtivo. Desta forma, o trabalho desenvolvido teve como objetivo o acompanhamento da implementação do sistema de monitorização e recolha de dados, que posteriormente foi útil na redução dos consumos energéticos (consumo de ar comprimido). Para além disto, também foi proposta uma medida de eficiência energética que visa a redução de energia elétrica na área da iluminação. O sistema de monitorização e recolha de dados e a criação de uma equipa de redução do consumo de ar comprimido permitiram a identificação das áreas de atuação, a monitorização das metas estipuladas no âmbito da equipa e a detecção de anomalias. A medida de eficiência energética aplicada incide na substituição de lâmpadas fluorescentes tubulares T8 por lâmpadas fluorescentes tubulares T5. Assim, a implementação deste sistema e a aplicação das medidas de eficiência energética na rede de ar comprimido no âmbito da equipa permitiram uma redução de 0,03 kWh/hL o que significa uma poupança de 5.600 € em quinze semanas. Ao nível da iluminação as medidas sugeridas permitem uma redução de 8.945 kWh/ano o que corresponde a uma poupança de 1.055 €/ano.

Controle de uma microrrede ilhada baseada em geração eólica-diesel com alto nível de inserção de geração eólica

The insertion of distributed generation units in the electric power systems have contributed to the popularization of microgrid concepts. With the microgrids, several potential benefits can be achieved in regard to power quality and supply reliability. However, several technical challenges related to the control and operation of microgrids, which are associated with high insertion of generation systems based on static converters, must be overcame. Among the opportunities in the context of microgrids, there is the islanded operation of microgrids temporarily disconnected from the electric power systems and also the autonomous operation of geographically isolated microgrids. The frequency in large power systems is traditionally controlled by the generation units based on traditional synchronous generator. The insertion of distributed generation units based on static power converters may bring difficulties to the frequency control in microgrids, due to the reduction of the equivalent inertia of conventional synchronous generators present in islanded and isolated microgrids. In this context, it becomes necessary the proposition of new operational and control strategies for microgrids control, taking into account the presence of distributed generation units based on full-rated converter. This paper proposes an operational and control strategy for the islanded operation of a winddiesel microgrid with high insertion level of wind generation. The microgrid adopted in this study comprises of a wind energy conversion system with synchronous generator based on full rated converter, a diesel generator (DIG) and a dump load. Due to the high insertion level of wind generation, the wind unit operates in Vf mode and the diesel generator operates in PQ mode. The diesel generator and the dump load are used to regulate the DC-link voltage of the wind generation unit. The proposed control allows the islanded operation of the microgrid only with wind generation, wind-only mode (WO), and with wind-diesel generation, wind-diesel mode (WD). For the wind-only mode, with 100% of penetration level of wind generation, it is proposed a DC-link voltage control loop based on the use of a DC dump load. For the winddiesel mode, it is proposed a DC-link voltage control loop added to the diesel generator, which is connected to the AC side of the microgrid, in coordinated action with the dump load. The proposed operational and control strategy does not require the use of batteries and aims to maximize the energy production from wind generation, ensuring the uninterrupted operation of the microgrid. The results have showed that the operational and control strategy allowed the stable operation of the islanded microgrid and that the DC-link voltage control loop added to the diesel generator and the dump load proved to be effective during the typical variations of wind speed and load.

Teoria de carteiras e a alocação de parques eólicos offshore

The consumption of energy on the planet is currently based on fossil fuels. They are responsible for adverse effects on the environment. Renewables propose solutions for this scenario, but must face issues related to the capacity of the power supply. Wind energy offshore emerging as a promising alternative. The speed and stability are greater winds over oceans, but the variability of these may cause inconvenience to the generation of electric power fluctuations. To reduce this, a combination of wind farms geographically distributed was proposed. The greater the distance between them, the lower the correlation between the wind velocity, increasing the likelihood that together achieve more stable power system with less fluctuations in power generation. The efficient use of production capacity of the wind park however, depends on their distribution in marine environments. The objective of this research was to analyze the optimal allocation of wind farms offshore on the east coast of the U.S. by Modern Portfolio Theory. The Modern Portfolio Theory was used so that the process of building portfolios of wind energy offshore contemplate the particularity of intermittency of wind, through calculations of return and risk of the production of wind farms. The research was conducted with 25.934 observations of energy produced by wind farms 11 hypothetical offshore, from the installation of 01 simulated ocean turbine with a capacity of 5 MW. The data show hourly time resolution and covers the period between January 1, 1998 until December 31, 2002. Through the Matlab R software, six were calculated minimum variance portfolios, each for a period of time distinct. Given the inequality of the variability of wind over time, set up four strategies rebalancing to evaluate the performance of the related portfolios, which enabled us to identify the most beneficial to the stability of the wind energy production offshore. The results showed that the production of wind energy for 1998, 1999, 2000 and 2001 should be considered by the portfolio weights calculated for the same periods, respectively. Energy data for 2002 should use the weights derived from the portfolio calculated in the previous time period. Finally, the production of wind energy in the period 1998-2002 should also be weighted by 1/11. It follows therefore that the portfolios found failed to show reduced levels of variability when compared to the individual production of wind farms hypothetical offshore

Mathematical analysis of maximum power generated by photovoltaic systems and fitting curves for standard test conditions

The rural electrification is characterized by geographical dispersion of the population, low consumption, high investment by consumers and high cost. Moreover, solar radiation constitutes an inexhaustible source of energy and in its conversion into electricity photovoltaic panels are used. In this study, equations were adjusted to field conditions presented by the manufacturer for current and power of small photovoltaic systems. The mathematical analysis was performed on the photovoltaic rural system I- 100 from ISOFOTON, with power 300 Wp, located at the Experimental Farm Lageado of FCA/UNESP. For the development of such equations, the circuitry of photovoltaic cells has been studied to apply iterative numerical methods for the determination of electrical parameters and possible errors in the appropriate equations in the literature to reality. Therefore, a simulation of a photovoltaic panel was proposed through mathematical equations that were adjusted according to the data of local radiation. The results have presented equations that provide real answers to the user and may assist in the design of these systems, once calculated that the maximum power limit ensures a supply of energy generated. This real sizing helps establishing the possible applications of solar energy to the rural producer and informing the real possibilities of generating electricity from the sun.

Estudo da aplicação de molas magnéticas na recolha da energia de fontes renováveis

Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Especialização em Sistemas de Energia e Controlo, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016