ISEL - Eng. Electrotécn. - Dissertações de Mestrado
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Percorrer ISEL - Eng. Electrotécn. - Dissertações de Mestrado por Domínios Científicos e Tecnológicos (FOS) "Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática"
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- Avaliação energética e económica de sistemas híbridos renováveis em habitações residenciais com Integração de flexibilidade de consumoPublication . Moreira, Ruan Lopes; Camus, Cristina Inês; Sousa, Jorge Alberto Mendes deA transição energética global exige soluções inovadoras para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e promover a integração de energias renováveis no setor residencial, alinhando-se diretamente com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), em particular o ODS 7 – Energia Acessível e Limpa, o ODS 11 – Cidades e Comunidades Sustentáveis, o ODS 12 – Produção e Consumo Sustentáveis e o ODS 13 – Ação Climática. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um estudo detalhado da implementação de sistemas híbridos de produção de energia, combinando tecnologias solar fotovoltaica, eólica de pequena escala e armazenamento em baterias, aplicados a uma habitação unifamiliar em Portugal. Para além da avaliação técnica, foram consideradas estratégias de flexibilidade de consumo, nomeadamente o carregamento de veículos elétricos e a utilização de sistemas de rega, com vista a maximizar o autoconsumo, a autossuficiência e a eficiência no uso de recursos. A metodologia incluiu a recolha e tratamento de dados reais, a modelação da produção renovável através de ferramentas como o PVGIS e uma análise económica baseada em indicadores como o LCOE, VAL, TIR e PRI. Os resultados demonstram que o sistema fotovoltaico isolado apresenta a maior atratividade económica, enquanto a integração da eólica e das baterias aumenta a resiliência energética, ainda que com custos superiores. A flexibilidade de consumo revelou benefícios marginais ao nível individual, mas com elevado potencial quando considerada em contexto agregado, como em comunidades energéticas. Conclui-se que a solução fotovoltaica representa a opção mais competitiva no cenário residencial português, sendo o armazenamento e a flexibilidade elementos complementares que reforçam a sustentabilidade energética e a contribuição para os ODS, sobretudo numa perspetiva futura de redes inteligentes e comunidades energéticas.
- Conversor DC-AC de 100W de onda sinusoidal com aquisição e processamento de sinalPublication . Marques, João Paulo Pereira; Redondo, Luís Manuel dos Santos; Canacsinh, HirenEste trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de conversão DC-AC com dois estágios, concebido para transformar uma tensão contínua de baixa tensão, proveniente de uma bateria, numa tensão alternada sinusoidal de 230 V eficaz, a 50 Hz. O primeiro estágio consiste num conversor de tipo flyback com realimentação e regulação, responsável pela elevação da tensão até 330 V DC. Diversas estratégias de controlo e topologias foram analisadas para maximizar a estabilidade e a eficiência do sistema, incluindo a implementação de um snubber regenerativo com deteção de falhas e resposta automática. O segundo estágio converte a tensão contínua elevada numa forma de onda sinusoidal utilizando uma ponte de transístores com modulação por largura de impulso (PWM), complementada por um filtro passa-baixo que assegura a forma da onda sinusoidal na saída. O sistema integra ainda medição de corrente e tensão, com envio dos dados via Bluetooth para uma aplicação em Windows, que realiza a Transformada Discreta de Fourier (DFT) e permite a visualização e análise espectral da saída. Através dos ensaios realizados com diferentes tipos de carga, foi possível avaliar o comportamento harmónico do sistema e validar a eficácia da conversão. Os resultados demonstram a viabilidade da abordagem adotada e a sua aplicabilidade em contextos onde se exige uma alimentação alternada estável a partir de fontes contínuas de baixa tensão.
- Dimensionamento de uma estação de carregamento de veículos elétricos com apoio de sistema fotovoltaico e armazenamento em bateriasPublication . Ferreira, Lucas Daboit; Barata, Filipe André De Sousa Figueira; Elvas, Luís Miguel SilveiroA transição energética e a redução das emissões de gases com efeito de estufa (GEE) no setor dos transportes, principalmente nos transportes rodoviários, exigem soluções inovadoras para o abastecimento de veículos elétricos (VE). O transporte rodoviário continua a representar uma elevada parcela das emissões, contudo a União Europeia estabeleceu metas ambiciosas de neutralidade carbónica até 2050. Neste contexto, a integração de sistemas de carregamento de VE, com produção local de energia renovável e armazenamento de energia, assume um papel crucial para reduzir a dependência da rede elétrica, mitigar sobrecargas e promover uma mobilidade sustentável. A presente dissertação propõe o desenvolvimento e análise técnico-económica de uma infraestrutura de carregamento de VE integrada com sistema fotovoltaica e sistema de armazenamento de energia em baterias, estando conectado à rede de distribuição de energia elétrica. O caso de estudo considera a instalação de uma estrutura carport no parque de estacionamento do estabelecimento comercial da Decathlon em Almada, equipado com 120 módulos fotovoltaicos de 640Wp cada, totalizando 76,8kWp. O sistema de carregamento será composto por quatro postos de carregamento de VE trifásicos de 22kW cada, com um sistema de balanceamento de carga ativo integrado, que limita a uma potência máxima consumida em 44kW, e um sistema de armazenamento de energia elétrica com uma capacidade de 193,5kWh. Para além do dimensionamento do sistema fotovoltaico, sistema de carregamento e sistema de armazenamento, são também detalhados os componentes da instalação, incluindo cablagem, proteções elétricas e quadros elétricos. Por fim é apresentada uma a análise técnico-económica considerando um investimento inicial, com base num orçamento detalhado, uma produção de energia anual e um consumo anual estimado, por parte do sistema de carregamento, avaliando a viabilidade financeira do projeto através do retorno do investimento (ROI).
- Estudo comparativo de centrais fotovoltaicas com módulos bifaciais em estrutura fixa e estrutura tracker (E-O)Publication . Fernandes, Rodrigo Roque; Camus, Cristina InêsO presente estudo realiza uma análise comparativa de duas centrais fotovoltaicas localizadas na região de Grândola, ambas equipadas com módulos bifaciais Longi de 550 W, mas com diferentes configurações estruturais, uma com estrutura fixa (7,24 MWp, 13.160 módulos) e outra com trackers Este-Oeste (4,8 MWp, 8.736 módulos). A metodologia integra a simulação do desempenho energético através do software PVSyst, fazendo a caracterização técnica dos módulos e inversores, definição de strings, orientação e tipo de estrutura, bem como modelação das perdas do sistema (térmicas, óhmicas, LID, sujidade e degradação). A análise incluiu indicadores de performance como a produção anual estimada, Performance Ratio (PR), LCOE, Valor Atual Líquido (VAL) e Taxa Interna de Rentabilidade (TIR). Os resultados evidenciam que a produção real da central fixa foi de 6.811 MWh/ano, enquanto a central com tracker registou 5.064 MWh/ano, valores abaixo das estimativas de simulação. No entanto, a produtividade específica favoreceu o tracker (1.266 MWh/MW face a 1.135 MWh/MW da estrutura fixa), confirmando maior eficiência por unidade de potência instalada. Também ao nível económico o tracker demonstrou vantagem, com um LCOE real de 52,14 €/MWh, inferior ao da estrutura fixa (54,05 €/MWh). Verificou-se que o projeto com estrutura tracker obteve um VAL de -62.694 €, ao passo que a instalação com estrutura fixa apresentou um VAL de -294.516 €. No que respeita à TIR, o sistema com trackers alcançou um valor superior (3,8% face a 3,5%), o que reforça a sua maior atratividade económica relativa. Conclui-se, assim, que os trackers proporcionam maior eficiência energética e competitividade económica por MW instalado, representando a solução mais vantajosa para projetos futuros. Recomenda-se, ainda, que investigações subsequentes explorem a integração de sistemas de armazenamento e a hibridização com parques eólicos, de forma a otimizar a produção, reduzir a variabilidade e potenciar a rentabilidade ao longo da vida útil das centrais.
- Integração do sistema de armazenamento de energia por bateria para guindaste RTG diesel híbridoPublication . Fernandes, Mauro Mascarenhas; Luís, Ricardo Jorge FerreiraNum contexto marcado pelo reconhecimento das alterações climáticas e pela procura de soluções sustentáveis, esta dissertação investiga a viabilidade de aumentar a eficiência energética de um guindaste RTG (Rubber-Tyred Gantry) convencional, que opera com um motor diesel, através da implementação de um sistema híbrido de armazenamento de energia. O principal objetivo é analisar a integração de um sistema híbrido paralelo utilizando baterias de iões de lítio, avaliando o seu impacto na eficiência operacional e nas emissões de CO2. Para validar esta abordagem, foi desenvolvido um estudo de caso baseado em dados de operação de guindastes e consumo de energia, complementado por simulações numéricas que recriam o desempenho nos modos diesel convencional e híbrido. As simulações foram projetadas para replicar com precisão os parâmetros operacionais do guindaste, permitindo uma análise detalhada do consumo de energia. Na configuração híbrida proposta, o sistema de baterias foi dimensionado para atender às demandas específicas do guindaste, permitindo uma operação mais eficiente dos motores a diesel. Os resultados demonstram que, através de um investimento relativamente modesto e soluções tecnológicas viáveis, é possível melhorar a eficiência energética do guindaste. Isso não só contribui para a redução das emissões de CO2, alinhando-se com as metas do Acordo de Paris, como também oferece benefícios ambientais e financeiros significativos, sem comprometer as funções operacionais dos equipamentos.
- Localização e dimensionamento de BESS para reforço de segurança e suporte dinâmico em redes de transmissão de energia elétricaPublication . Santos, Richard Daniel Whitehead Mota dos; Reis, Francisco Alexandre Ganho da SilvaA elevada penetração de renováveis na Europa expõe limitações estruturais da rede de transporte, com maior incidência de congestionamentos e de problemas de tensão. Esta dissertação avalia o contributo de sistemas de armazenamento em baterias (BESS), no conceito Grid Booster, para mitigar constrangimentos e fornecer suporte dinâmico de operação. Inclui enquadramento técnicoregulamentar (requisitos RfG para módulos de parque Tipo C/D) e comparação com medidas tradicionais, como FACTS e redespacho. A metodologia baseia-se em PSSE para modelar parte da rede 500/220 kV do Chile, construir perfis representativos de carga e geração e identificar a localização ótima do BESS em regime RMS (N e N-1). Em seguida, desenvolveuse um modelo EMT do BESS com controlo de P e Q, limites de potência aparente, rampas e seguimento do estado de carga (SoC). Os cenários RMS foram reproduzidos no EMT para avaliar o comportamento dinâmico e suportar o dimensionamento. Os resultados mostram que o BESS reduz quase de imediato os fluxos pós-falha, previne sobrecargas, melhora o perfil de tensão através de injeção contínua de Q dentro do limite do inversor e diminui a necessidade de redespacho. Realizaram se sensibilidades ao SoC, às rampas, aos limites do inversor e à integração do BESS em esquemas operacionais do operador de rede, medindo a redução do pico |S| no troço crítico (ΔSmax) e a redução de Vmax após N-1, em função desses parâmetros. A partir destas métricas definiram-se os requisitos mínimos do BESS (potência/energia, rampa, limites P/Q e modo de controlo) que garantem uma utilização menor de 100 % e tensão nos barramentos entre 0,95 e 1,05. Conclui-se que os BESS, quando dimensionados e integrados com critérios de rede, aumentam a segurança operacional e permitem adiar reforços físicos, contribuindo para uma estratégia de integração eficiente de fontes de energia renovável.
- Manutenção preditiva em semicondutores para conversores estáticos de potênciaPublication . Fernandes, André Filipe Mendes; Redondo, Luís Manuel Dos Santos; Canacsinh, HirenO trabalho apresentado teve o objetivo de estudar a temática da manutenção dos conversores estáticos de potência e dos semicondutores utilizados nos mesmos. Os semicondutores são dispositivos de extrema importância nos conversores estáticos de potência utlizados em diferentes aplicações a nível industrial, em veículos elétricos entre outros sistemas ou equipamentos. O desenvolvimento de técnicas/métodos que nos permitam antecipar falhas ou monitorizar, em tempo real, o funcionamento de semicondutores têm como objetivo melhorar o desempenho dos mesmos e otimizar os processos de manutenção aplicados. Será dada atenção aos semicondutores de potência (MOSFET e IGBT) que serão estudados ao pormenor, com especial atenção para os diferentes tipos de manutenção aplicados nos mesmos e as principais causas de falhas ou envelhecimento dos dispositivos ao longo do tempo. As suas principais características serão analisadas desde a sua estrutura física ao modo de funcionamento e principais particularidades. Após os devidos estudos, serão analisados os melhores indicadores/parâmetros que poderão trazer melhores resultados na aplicação de técnicas de manutenção preditiva. Após a devida análise será dimensionado um circuito que será alvo de diferentes ensaios, inicialmente em simulação com recurso ao software LTspice, de forma a ser feita uma análise objetiva da evolução dos diferentes parâmetros que possam apresentar os melhores resultados. Depois do estudo teórico e dos resultados obtidos em simulação, os ensaios serão replicados experimentalmente. Serão ainda feitos outros testes visando explorar a integridade dos dispositivos no que diz respeito às suas características originais. Por fim, as conclusões serão retiradas, analisando todos os aspetos dos resultados obtidos e a validação dos mesmos com os ensaios obtidos em ambiente de simulação.
- Motor síncrono de relutância assistido por magnetos permanentes para sistemas de traçãoPublication . Beato, Rodrigo António de Santos Silva; Luís, Ricardo Jorge Ferreira; Pereira, Rita Marcos Fontes MurtaO principal objetivo desta dissertação consiste na implementação, análise e estudo da Máquina Síncrona de Relutância (SynRM) e do Motor Síncrono de Relutância Assistido por Magnetos Permanentes (PMASR). Em primeiro lugar, são realizados ensaios para avaliar o comportamento da máquina SynRM sem magnetos permanentes. Posteriormente, a análise do PMASR é feita em duas etapas: primeiro, com a adição de magnetos permanentes de Ferrite, e posteriormente com adição de magnetos de Neodímio-Ferro-Boro (NdFeB). O objetivo é melhorar a densidade de potência da SynRM, adequando-a para sistemas de tração elétrica. O trabalho desenvolvido inclui a análise dos modelos analíticos das SynRM e PMASR, com validação através de simulações numéricas utilizando o método de elementos finitos (FEM). Esta ferramenta permite observar e estudar detalhadamente o comportamento magnético da máquina recorrendo à análise das linhas de campo magnético, do fluxo magnético, e do valor das indutâncias segundo o eixo d (𝐿𝑑) e segundo o eixo q (𝐿𝑞). Através dos resultados obtidos neste trabalho pretende-se oferecer uma compreensão abrangente sobre o impacto dos diferentes materiais magnéticos no desempenho da PMASR, contribuindo assim para o desenvolvimento de máquinas elétricas com mais densidade de potência e otimizadas para aplicações em sistemas de tração elétrica, em particular, para aplicações em veículos elétricos.
- Particle swarm optimization-based algorithm for optimal reactive power dispatchPublication . Menezes, Ruben Henrique de Brito Azancot de; Fonte, Pedro Miguel Neves da; Pestana, Rui José Oliveira NóbregaAbstract Reactive power optimization, more specifically the Optimal Reactive Power Dispatch (ORPD), is very important for the security and economy of power systems. It is a mixed integer non-linear optimization problem for which metaheuristic methods have proven to be effective in its solution. These methods do not guarantee that a global optimum is found, as premature convergence to local optima may occur. Much research is focused on improving the ability of metaheuristics in finding the global optimum. This thesis presents a particle swarm optimization-based algorithm (PSO) for the solution of the ORPD. The implementation of the PSO algorithm is explained in detail, including the parameter selection, a constraint handling method and a discrete variable rounding method. Another version of the PSO, called Fitness-Distance Ratio PSO (FDR-PSO), is implemented in order to improve the results of the basic PSO, by decreasing the chance of premature convergence to local optima. One other version of the PSO called Second Order PSO (SO-PSO) is implemented for the same purpose. The SO-PSO until this point remained somewhat untested in the ORPD. This second-order principle was combined with the FDR-PSO, making it the SO-FDR-PSO. The implemented versions of the PSO were tested on the IEEE 14 bus and IEEE 39 bus systems with 30 runs each. On the 14 bus system, the lowest active losses found were of 12,280 MW. The basic PSO had an average of 12,387 MW showing that it often converged to good local optimal solutions, and occasionally 12,280 MW, which is possibly the global optimum (the best optimal solution the PSO was able to find). The solutions found were also always feasible, meaning the ORPD was effectively solved. The FDR-PSO was able to improve the results, with an average of 12,297 MW. The SO-PSO improved the results further, the most notable improvement being in the success rate, now of 57%, which means it often found solutions close to 12,280 MW, the apparent global optimum of the problem, and was observed to never converge prematurely to local optima. The SO-FDR-PSO had an average of 12,280 MW and success rate, of 100%, meaning the apparent global optimum was consistently reached. On the 39 bus system the overall results worsened in statistical terms in relation to the 14 bus system, although the solutions remained always feasible, still with a considerable decrease in active losses and the FDR-PSO/SO-FDR-PSO maintained its superiority over the PSO/SO-PSO.
- Produção de energia eólica residencial com armazenamento em baterias aplicada a sistemas isolados da rede elétricaPublication . Kalashnyk, Yuriy; Pereira, Rita Marcos Fontes Murta; Fonte, Pedro Miguel Neves daO presente trabalho desenvolve-se no âmbito da conceção de um sistema autónomo de produção e armazenamento de energia elétrica destinado a uma habitação unifamiliar. O estudo teve início com a análise de diferentes tecnologias de geração e de armazenamento, identificando os componentes mais adequados para aplicações residenciais. Após uma revisão detalhada da literatura e da oferta comercial, concluiu-se que as turbinas eólicas de eixo vertical (VAWT) e as baterias de iões de lítio representavam a solução mais eficiente e robusta para o contexto em análise, atendendo às características técnicas, desempenho e requisitos de fiabilidade. Com base nessa escolha inicial, procedeu-se ao dimensionamento do sistema, que incluiu a avaliação do potencial eólico através da distribuição de Weibull, a definição da capacidade de armazenamento necessário considerando a profundidade máxima de descarga (DoD) e a eficiência das baterias, bem como o cálculo da cablagem e das proteções elétricas em conformidade com o regulamento técnico de instalações elétricas de baixa tensão (RTIEB). O sistema foi posteriormente integrado no software HOMER Pro, que permitiu simular o seu desempenho anual e analisar a resposta em diferentes cenários de consumo e disponibilidade do recurso eólico. Os resultados obtidos demonstraram que, para um perfil de consumo residencial de 3 kWh/dia, o sistema dimensionado é capaz de assegurar o fornecimento energético de forma estável e autónoma, garantindo resiliência em situações de ausência de rede elétrica. A análise destacou ainda a importância da correta escolha inicial dos componentes, uma vez que estes condicionam a eficiência global do sistema, os custos de implementação e a sua viabilidade prática. A conjugação de turbinas VAWT com baterias de lítio constitui uma solução tecnicamente viável e eficiente para a produção e armazenamento de energia em pequena escala, promovendo a autonomia energética residencial e contribuindo para a transição energética através da integração de fontes renováveis.