Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE)
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Browsing Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) by advisor "Costa, Paulo Moisés Almeida da"
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- Análise e controlo de sistemas de aquecimento residenciaisPublication . Santos, João Baptista dos; Costa, Paulo Moisés Almeida daA presente dissertação procura contribuir para a divulgação e melhor integração do conceito de microcogeração (μCHP) nos sistemas de aquecimento central residenciais O trabalho começa com a exposição das principais motivações e dos objetivos que se pretendem alcançar. De seguida, são apresentados conceitos relativos ao aquecimento central residencial e às tecnologias mais promissoras da uCHP. A contribuição mais importante deste trabalho consiste na definição de um modelo que permite simular o comportamento de uma unidade de μCHP quando aplicada com o objetivo de satisfazer as necessidades térmicas típicas de uma habitação. Este modelo permite efetuar simulações considerando que a unidade de μCHP satisfaz as necessidades de energia térmica de forma direta (produção térmica feita no momento do consumo) ou indireta, utilizando um depósito de armazenamento térmico (produção térmica não é necessariamente feita no momento do consumo). A modelização desenvolvida é aplicada a casos de estudo realistas, baseados numa unidade de μCHP específica aplicada numa habitação localizada em Viseu e com consumos de energia térmica bem definidos. Os resultados obtidos permitem retirar conclusões interessantes sobre o comportamento elétrico e térmico da unidade μCHP utilizada. Adicionalmente, os resultados permitem inferir conclusões sobre a influência que a utilização de depósitos de armazenamento de energia térmica e a otimização do funcionamento da unidade de μCHP podem produzir.
- Conceção de sistema de baixo custo para avaliação do comportamento e monitorização dos estados de carga e de saúde de baterias LiFePO4Publication . Ferraz, Nelson Viegas; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Santos, Vasco Eduardo Graça dosAs baterias de Lítio–Fosfato de Ferro (LiFePO4) têm vindo a assumir-se como uma das mais promissoras tecnologias de armazenamento de energia, particularmente para aplicações de pequena escala relacionadas com a mobilidade elétrica e com os sistemas de aproveitamento de energias renováveis. As características que estas baterias apresentam são favoráveis a tais aplicações, nomeadamente o facto de esta tecnologia ser segura, durável, apresentar reduzido impacto ambiental, possuir um rendimento elevado e uma taxa de autodescarga reduzida. O presente trabalho apresenta uma descrição da tecnologia LiFePO4 e descreve as respetivas vantagens e inconvenientes face a outras tecnologias de armazenamento. Adicionalmente é apresentado um conjunto de ensaios efetuados com baterias LiFePO4, os quais permitiram caracterizar o comportamento de baterias deste tipo, nomeadamente no que se refere à tensão (em carga e em vazio) e ao rendimento do processo de carga e descarga. Para o efeito foi desenvolvida uma plataforma de ensaios dotada de um banco de cargas, um carregador e um sistema de controlo, monitorização e registo de dados. A referida plataforma e os dados recolhidos nos ensaios serviram de suporte ao desenvolvimento e teste de um algoritmo capaz de estimar e transmitir, a um sistema de gestão de energia, o estado de um sistema de armazenamento baseado em baterias LiFePO4, nomeadamente no que se refere ao estado de carga (SoC) e de saúde (SoH). O algoritmo desenvolvido baseia-se no método da contagem de Coulomb, tendo sido integrado um mecanismo de ajuste automático e dinâmico. O algoritmo foi testado usando a plataforma desenvolvida, a qual foi parametrizada para simular um consumidor doméstico alimentado por um sistema isolado da rede elétrica constituído por um gerador fotovoltaico e por um sistema de armazenamento baseado em baterias LiFePO4. Os testes efetuados mostram que o algoritmo permitiu estimar o SoC e o SoH de uma bateria com um erro máximo de 1,5 e 3%, respetivamente.
- Contribuição para o dimensionamento de condomínios energéticosPublication . Carvalho, José Óscar Madeira; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Santos, Vasco Eduardo Graça dosAo longo dos últimos anos, a produção distribuída de eletricidade teve um rápido crescimento, devido aos mecanismos de incentivo que foram implementados principalmente nos países que integram a União Europeia. Perante este cenário tem-se assistido a um aumento da ligação de pequenas unidades de produção distribuída (microgeração) à rede de baixa tensão. Este facto tem levado à investigação sobre formas de integrar dos sistemas de microgeração nas redes baixa tensão. Neste âmbito, um dos conceitos que têm vindo a ser desenvolvido são as microredes elétricas. No entanto, novos conceitos como os condomínios energéticos poderão também ser englobados no seio do sistema elétrico. A presente dissertação procura contribuir para a definição do conceito de condomínio energético, visto como uma expansão natural das microredes e, consequentemente, na definição de modelos que podem ser aplicados para dimensionamento destas entidades. Os modelos desenvolvidos procuram potenciar os benefícios mais relevantes da produção distribuída, tendo em consideração os seguintes fatores: i) dimensionamento de uma rede elétrica totalmente (condomínio autónomo) ou parcialmente (condomínio com consumo líquido zero) autónoma; ii) conjugação de redes elétricas e de calor; iii) localização da produção distribuída no interior da rede visando a redução de perdas e a não degradação dos níveis de tensão; e iv) dimensionamento otimizado da rede de distribuição de eletricidade integrada no condomínio. A metodologia desenvolvida é aplicada a casos de estudos baseados em redes reais. Os resultados obtidos permitem retirar conclusões que caracterizam os potenciais benefícios e custos que resultam da implementação do conceito de condomínio energético. A dissertação é finalizada com a avaliação da capacidade dos condomínios energéticos prestarem serviços à rede a montante. Esta avaliação teve em consideração as características destas estruturas, nomeadamente a possibilidade de alterar a carga e a produção internas.
- Controlo da Produção de Centrais Fotovoltaicas Integradas na Rede ElétricaPublication . Ribeiro, Susana Mafalda Valério; Albuquerque, Daniel Filipe; Costa, Paulo Moisés Almeida daOs sistemas eléticos projetados, em grande parte, tendo em conta a utilização de grandes centrais de produção de energia elétrica, as quais se caracterizam pela sua elevada disponibilidade e, em algumas tecnologias pela flexibilidade de operação (ou seja, permitem adaptar de forma relativamente simples o nível de produção). A integração de produção distribuída nas redes elétricas, em particular aquela cujo regime de produção é dependente de condições climatéricas (e portanto com variações significativas, incluindo no curto prazo), tem vindo a produzir efeitos para os quais as redes elétricas não foram dimensionadas, em particular as redes de distribuição. Ao longo dos anos, têm-se vindo a estudar formas que permitam mitigar os efeitos negativos resultantes daquela integração, sem inviabilizar a operação das unidades de produção distribuída. O estabelecimento de limites à potência das unidades de produção distribuída. O estabelecimento de limites à potência das unidades de produção distribuída (global e individual) tem sido uma das medidas mais comumente utilizadas. Estes limites são frequentemente, mais conservadores, uma vez que são estabelecidos considerando regimes extremos (carga mínima na rede e produção máxima das unidades de produção distribuída). No caso das centrais fotovoltaicas, estes limites determinam o máximo de potência a injetar na rede elétrica, mesmo existindo viabilidade técnica (existência de maior consumo ba rede nesse período) e produção disponível por parte da central. Esta dissertação propões a implementação de um sistema destinado ao controlo da potência injetada de uma central fotovoltaica interligada à rede elétrica de distribuição. Este controlo tem como foco principal a definição da potência ativa máxima, que a cada momento, a central pode injetar na rede recetora, bem como, o fator de potência correspondente, Ademais, o sistema permite um controlo dinâmico da potência ativa injetada máxima e o respetivo fator de potência. Esse controlo dinâmico pode ser utilizado ao invés do limite conservativo que tradicionalmente são impostos no ponto de interligação da central com a rede elétrica. o sistema implementado foi desenvolvido com base numa aplicação (a operar em sistema operativo Windows), a qual, se destina a aplicar, no inversor, os setpoints desejados de limite de potência ativa máxima, que pode ser injetada na rede elétrica, e o respetivo fator de potência. Como forma de estimar a influência das perdas desde a central ao ponto de interligação, foi desenvolvido um algoritmo que permite o cálculo dos valores de setpoint com a compensação das perdas. O sistema permite também, para além, do controlo através de comandos locais, o controlo através de comandos remotos (a partir de uma aplicação desenvolvida para envio de mensagens para aplicação local).
- Definição Comunidades elétricas dotadas de geração fotovoltaicaPublication . Santos, Joilson Oliveira dos; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Albuquerque, Daniel FilipeA produção de energia a partir de fontes renováveis, e em particular a energia fotovoltaica, tem vindo a crescer de forma muito significativa ao longo dos últimos anos. Este crescimento tem sido impulsionado pela necessidade de se aplicarem medidas que permitam mitigar as alterações climáticas, que são um dos maiores desafios que a humanidade enfrenta na atualidade. A produção de eletricidade em regime de autoconsumo insere-se neste contexto e é assumida como uma linha de atuação importante. A Diretiva Europeia 2018/2001 do Parlamento Europeu e do Conselho de 11 de dezembro (relativa à promoção da utilização de energia de fontes renováveis), transposta para a ordem jurídica portuguesa através do Decreto-Lei n.º 162/2019 de 25 de outubro veio reforçar a importância da produção em regime autoconsumo, consagrando a definição dos conceitos de autoconsumidor de energia renovável em regime individual ou coletivo, bem como de comunidades de energia renovável. Este trabalho, desenvolvido em colaboração com a empresa TripleWatt, insere-se neste âmbito e apresenta uma proposta de um modelo que permite definir o gerador fotovoltaico economicamente mais adequado (melhor Valor Atualizado Líquido do investimento) para uma determinada situação de autoconsumo, em particular autoconsumo coletivo. Esta definição consiste no estabelecimento da potência de pico a instalar no gerador bem como na definição da orientação e inclinação dos painéis fotovoltaicos. No processo de determinação do gerador mais adequado é utilizada, entre outra, informação sobre históricos de consumos de energia elétrica dos consumidores envolvidos bem como sobre a produção esperada para o gerador a instalar. Esta última é obtida com recurso a informação disponibilizada em bases de dados disponíveis. O modelo desenvolvido foi implementado em ambiente Matlab e testado com dados de cenários realistas, constituindo-se desta forma os casos de estudos deste trabalho.
- Desafios da descarbonização da economia: tecnologias sustentáveis para economias de baixo carbonoPublication . Almeida, Bruno Francisco da Cunha; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Tomé, Paulo Rogério PerfeitoO fenómeno do aquecimento global e as consequentes alterações climáticas torna inevitável a reestruturação dos atuais sistemas energéticos, intensivos em carbono. Ao longo dos últimos anos, muita investigação sobre políticas e tecnologias para a descarbonização tem vindo a ser desenvolvida, resultando num elevado volume de artigos científicos, projetos de investigação e patentes. Este volume torna complexa a compreensão da relevância das diversas tecnologias e estratégias de descarbonização que a comunidade científica tem vindo a propor. O presente trabalho, desenvolvido no âmbito do projeto Transições Transformativas Sustentáveis - Conciliar a Aceleração das Transições para Baixo Carbono com Transformações do Sistema (PTDC/GES-AMB/0934/2020), apresenta uma metodologia que permite percecionar as tendências tecnológicas, no âmbito da descarbonização, presentes na literatura científica, projetos e patentes. Esta metodologia, baseada em análise bibliométrica, utiliza de dois programas informáticos de mineração de texto, especificamente, o “Tools for Innovation Monitoring” (TIM) e o VOSviewer. A aplicação da metodologia desenvolvida, sobre bases de dados de publicações científicas (SCOPUS e Web Of Science), de patentes (PATSTAT) e projetos de investigação (CORDIS), evidencia que as tecnologias de captura e armazenamento de carbono, o H2, o armazenamento de energia, as fontes renováveis de energia e a mobilidade elétrica foram, no período 2011-2021, aquelas que mais atenção receberam por parte da comunidade científica. Não obstante, outras tecnologias foram também identificadas, incluindo tecnologias de resposta da procura, microrredes e redes inteligentes. Os domínios de tecnologias promissoras identificados são enquadrados em três grupos fundamentais: tecnologias do lado da oferta (exemplo: eletricidade, H2), tecnologias do lado da procura (exemplo: mobilidade elétrica, resposta da procura) e tecnologias relacionadas com infraestruturas (exemplo: redes inteligentes e microrredes). As tecnologias mais relevantes que foram identificadas são descritas, evidenciando-se a sua maturidade e custo. Ainda que dependentes das bases de dados consideradas, os resultados apontam para uma ênfase nas tecnologias do lado da oferta, podendo abordagens mais distribuídas e com grande potencial de descarbonização, nomeadamente do lado da procura, não estarem a ser suficientemente investigadas. Outra conclusão retirada é que não existe um caminho “mágico” universal para a transição energética, o que se deve ao facto de os recursos energéticos disponíveis em diferentes regiões serem diversos e de se encontrarem em diferentes proporções. Assim, países com abundância de recursos renováveis tendem a centrar esforços nesses recursos, enquanto países com recursos fósseis tendem a optar por tecnologias de captura e armazenamento de carbono. A maturidade das tecnologias e a sua relação custo-benefício também influenciam os decisores, uma vez que as opções por tecnologias são condicionadas pela maturidade destas a qual tende a reduzir os respetivos custos.
- Desenvolvimento de um datalogger de baixo custo para aquisição de dados de equipamentos em parques solares fotovoltaicosPublication . Almeida, Diogo Miguel Melo de; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Tomé, Paulo Rogério PerfeitoA monitorização de parques solares fotovoltaicos é, em particular nas instalações de maior potência instalada, uma atividade crucial para assegurar o adequado desempenho técnico e económico destas unidades de produção de eletricidade. A referida monitorização implica a aquisição de dados relativos ao funcionamento das centrais, em termos de grandezas elétricas e não elétricas (meteorológicas). Estes dados possibilitam o cálculo de indicadores de desempenho (por exemplo energia efetivamente produzida face ao valor expectável) e a deteção de situações de falha. A aquisição dos dados necessários à monitorização contínua de uma central impõe a comunicação com diversos equipamentos instalados no parque fotovoltaico. O presente trabalho, realizado em parceria com a empresa Voltalia Portugal S.A., tem por objetivo fundamental o desenvolvimento de um sistema de aquisição e registo de dados (“datalogger”) provenientes de equipamentos instalados em parques solares fotovoltaicos, nomeadamente inversores, sensores (temperatura, irradiância, tensão e corrente), autómatos e até mesmo servidores. O sistema desenvolvido destina-se, principalmente, a ser utilizado em parques solares mais antigos, cujos equipamentos não possuem acesso a softwares com as funcionalidades pretendidas. O desenvolvimento deste projeto teve como base partes de dataloggers anteriormente desenvolvidos pela Voltalia, em particular no que se refere a drivers de comunicação com dispositivos instalados nas centrais fotovoltaicas. Estes componentes de programação já existentes foram melhorados e adaptados para a utilização no datalogger desenvolvido neste trabalho. Adicionalmente, foi desenvolvido todo o sistema de aquisição, tratamento e armazenamento de dados referentes a grandezas elétricas (potências, tensão elétrica, corrente elétrica, frequência, energia, nível de carga em baterias, etc.) e não elétricas (temperaturas, irradiância, pressão atmosférica, velocidade e direção do vento, humidade relativa, etc.). Além disso, foi também implementada uma interface gráfica que permite visualizar as grandezas relevantes, para além da definição de utilizadores e respetiva atribuição de permissões relacionadas com o uso do sistema. O sistema desenvolvido irá funcionar num Raspberry Pi, que por sua vez terá de efetuar uma comunicação com um sistema central de modo a recolher os dados necessários dos equipamentos, esta comunicação será possível através do uso de um serviço de comunicação desenvolvido (aplicação de comunicação) pela própria Voltalia.
- Desenvolvimento de uma plataforma para estudo de sistemas híbridos de microproduçãoPublication . Santos, Marcelo Rafael Almeida; Costa, Paulo Moisés Almeida da; Gouveia, Eduardo Miguel Teixeira M.O consumo de energia nos edifícios representa 40 % da energia total consumida na União Europeia (UE). Neste contexto, e visando a diminuição da dependência energética e a diminuição da emissão de poluentes atmosféricos, a Diretiva 2010/31/EU do Parlamento Europeu e do Concelho de 19 de Maio de 2010 definiu o conceito de “Edifício com necessidades quase nulas de energia” e estabeleceu metas temporais a partir das quais todos os edifícios novos têm obrigatoriamente de apresentar um elevado desempenho energético, sendo as suas necessidades de energia (nulas ou muito reduzidas) suplantadas, em larga escala, por energia proveniente de sistemas locais de produção renovável. Esta dissertação enquadra-se neste âmbito, tendo como principal objetivo o desenvolvimento e instalação de uma plataforma destinada à avaliação do comportamento de algoritmos de gestão de sistemas híbridos autónomos de microgeração, nomeadamente no que se refere à forma de alimentação de cargas (prioritárias e não prioritárias), à gestão do sistema de armazenamento, à monitorização da produção de diferentes tecnologias de microgeração e à avaliação do SoC e do SoH do sistema de armazenamento. A plataforma foi desenvolvida visando o estudo de sistemas híbridos destinados à alimentação de instalações residenciais unifamiliares, sem prejuízo de que, no futuro, a utilização possa ser alargada a outras instalações. A plataforma desenvolvida permite a simulação dos consumos de uma instalação elétrica residencial típica bem como a aquisição de informação relativa a estes consumos e à produção das unidades de microprodução integradas no sistema (uma turbina microeólica e um gerador fotovoltaico). Adicionalmente, a plataforma integra um sistema, baseado na contagem de Coulomb, que permite estimar o estado de carga (SoC) e de saúde (SoH) do sistema de armazenamento do sistema autónomo. A implementação deste sistema confere a possibilidade de se efetuar uma gestão dos consumos, procedendo, em função do SoC instantâneo, ao deslastre de cargas segundo uma ordem de mérito. Este tipo de gestão, com algoritmos concebidos para o efeito, poderá otimizar a utilização da energia disponível (alimentando as cargas prioritárias em detrimento das menos prioritárias) bem como a vida útil das baterias integradas no sistema de armazenamento.
- Dimensionamento e gestão de sistemas de produção, armazenamento e consumo de electricidade com origem em fontes renováveisPublication . Correia, Rui Miguel dos Santos; Costa, Paulo Moisés Almeida daconsumo em edifícios representa 40% do total da energia consumida na União Europeia (UE), contribuindo de forma significativa para a emissão de poluentes atmosféricos e para a dependência energética que caracteriza o espaço europeu. A Directiva 2010/31/EU do Parlamento Europeu e do Conselho de 19 de Maio de 2010 procura obviar esta situação, definindo o conceito de «Edifício com necessidades quase nulas de energia», e estabelecendo datas a partir das quais todos os novos edifícios deverão apresentar um elevado desempenho energético e cujas necessidades de energia devem ser satisfeitas, em grande medida, por energia proveniente de fontes renováveis. Esta dissertação enquadra-se neste contexto, contribuindo para a definição de procedimentos para dimensionamento de sistemas de produção de energia elétrica e térmica capazes de satisfazer as necessidades de edifícios de habitação. O dimensionamento destes sistemas é efetuado tendo em consideração perfis típicos de consumo de energia, e visa a obtenção de soluções tecnicamente adequadas ao menor custo. A inexistência de perfis térmicos com definição dos consumos típicos ao longo das horas do dia implicou a necessidade de se proceder à sua construção. A integração de sistemas de armazenamento de energia térmica e elétrica foi incluída, inclusive no que se refere à respetiva vida útil. Alguns procedimentos de gestão potencialmente aplicáveis a estes sistemas são apresentados ao longo do trabalho, destacando-se o controlo das unidades de microcogeração por necessidades térmicas e por necessidades elétricas. As metodologias desenvolvidas foram aplicadas a um caso de estudo correspondente a uma habitação unifamiliar, permitindo a obtenção de conclusões sobre o desempenho de sistemas autónomos com diferentes constituições, definidos com o objetivo de satisfazerem apenas as necessidades de energia elétrica ou, simultaneamente, as necessidades de energia elétrica e térmica. A avaliação do desempenho económico destes sistemas finaliza a dissertação. ABSTRACT: The energy Consumption in buildings accounts for 40% of total energy consumed in the European Union (EU), contributing significantly to the emission of atmospheric pollutants and for the energy dependence that characterizes the European area. The Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010, seeks to remedy this situation by defining the concept of nearly zero- energy buildings, and establishing dates from which all new buildings must have a high energy performance and whose energy needs must be met, in a large measure, by renewable sources. This work intends to contribute to the development of procedures for sizing systems able to produce electricity and thermal energy in order to meet the needs of residential buildings. The sizing of these systems is performed taking into account typical profiles of energy consumption, and aims to obtain technically adequate solutions at the lowest cost. The lack of thermal profiles with typical consumption along the hours of the days imposed the need to provide for their construction. The integration of thermal and electrical energy storage was consumed, included their service life. Some management procedures potentially applicable to these systems are presented throughout the work namely concerning the control of microcogeneration units that allow thermal and electrical energy generation. The methodologies developed were applied to a case study based on a single family dwelling, allowing to obtain conclusions about the performance of autonomous systems with different constitutions, defined in order to meet the electrically or both electrical and thermal energy needs. The evaluation of the economic performance of these systems concludes the dissertation.
- Gestão e encaminhamento da produção de sistemas hibridos destinados ao autoconsumoPublication . Domingues, André Almeida; Albuquerque, Daniel Filipe; Costa, Paulo Moisés Almeida daEsta dissertação apresenta um sistema capaz de agregar a energia disponível em múltiplas fontes de energia e torna-la disponível num único barramento. Este sistema foi desenhado e projetado tendo em vista a sua aplicação num sistema destinado ao autoconsumo que permita a ligação tanto de painéis fotovoltaicos como de turbinas eólicas. O sistema implementado baseia-se num conjunto distribuído de conversores DC/DC flyback interligados com um único barramento DC. Para além disso, cada fonte de energia possui o seu próprio conversor e sistema de controlo sendo completamente independente e isolada do barramento. Devido a esta flexibilidade, o sistema implementado permite a adição ou remoção de fonte de energia elétrica (painéis e/ou turbinas eólicas), sem interferir nas restantes. Além disso, o sistema de controlo de cada conversor foi projetado para extrair a máxima potência de cada fonte de energia através da aplicação de um algoritmo Maximum power point tracking (MPPT). Os resultados práticos obtidos com três fontes de energia demonstram que o sistema proposto apresenta um rendimento global que ronda os 90%. Além disso, testes práticos realizados com um módulo fotovoltaico mostram que o sistema proposto é capaz de extrair a máxima potência disponível em cada fonte com um pequeno erro.