ISEP - DM – Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia
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- Otimização de recursos energéticos na utilização de baterias de segunda vida de veículos elétricosPublication . Santos, Fernando Augusto Alves dos; Ramos, Sérgio Filipe Carvalho; Soares, João Andé PintoNo ano de 2018 a demanda por veículos elétricos cresceu 63% em relação ao ano anterior com uma frota de veículos elétricos estimada em mais de 5,1 milhões de veículos. Esses números crescem enquanto os preços associados as tecnologias de armazenamento por baterias de lítio decrescem, de forma a apresentar uma redução de 40% no mesmo ano. As baterias dos veículos elétricos após 10 anos de utilização acabam por se degradar e já não servem mais para a mesma finalidade, porém ainda podem ser utilizadas em outras aplicações que exigem menos de sua integridade física, como as de servirem à um sistema de armazenamento estacionário combinado a fontes de energia renovável. Uma segunda vida para essas baterias significa otimizar sistemas de produção distribuída e prolongar a vida útil de baterias que seriam descartas ou teriam de passar por processos onerosos de reciclagem dos seus componentes.As Second Life Batteries como uma solução para armazenamento estacionário vêm a ser uma ótima opção para essa finalidade por apresentar custos menores associados e uma opção na reutilização das baterias usada dos veículos elétricos. Este projecto consiste na modelagem de um sistema computacional em Simulink no MATLAB para representação de uma bateria real de um veículo elétrico. O programa é dividido em blocos com funções específicas para se obter os resultados. Com o programa foi possível avaliar o comportamento de uma bateria de um Nissan Leaf combinada a um sistema fotovoltaico de 1,2 kWp. O programa estima valores de uma fatura de energia de acordo com dados de entrada de consumo e produção, com isso, é estimada a poupança advinda do sistema fotovoltaico e do sistema de armazenamento. Os resultados mostraram ser possível poupar até 100% da fatura de energia quando a simulação combina o sistema fotovoltaico ao BESS.
- Classificação e análise dos impactos de ataques cibernéticos em mercados locais de energiaPublication . Porte, Rafael Alves; Pereira, Isabel Cecília Correia da Silva Praça Gomes; Ramos, Sérgio Filipe Carvalho; Fernandes, Rubipiara CavalcanteOs mercados locais de energia elétrica são uma forte tendência na evolução dos aspetos relacionados à comercialização de energia elétrica em todo o mundo. Consumidores produtores e outros agentes que compõem um mercado local de energia podem estar sujeitos a ataques cibernéticos em sua rede de dados, tais ataques podem ter impactos econômicos e sociais. Desta forma, a presente dissertação apresenta uma revisão bibliográfica sobre os mercados de energia elétrica tradicionais, mercados locais de energia e seus modelos de negócio. Além disso, apresenta, ainda, as arquiteturas de Smart Grids e Smart Homes, que possibilitam o fluxo de dados para que seja possível estabelecer preços e quantidades de maneira dinâmica. Também é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os riscos e objetivos de segurança aos quais estão submetidos esses sistemas. Por fim, são classificados os tipos de ataques e definidas as graduações de impacto considerando o que foi apresentado previamente além da listagem de metodologias utilizadas para a garantia dos critérios de segurança. No âmbito da delimitação dos estudos de caso são definidos os métodos de precificação, bem como os modelos a serem analisados. Nos casos 1 e 2 há uma análise qualitativa daquilo que poderia acontecer em casos de ataques previamente definidos para uma rede de mercado local situada em Salamanca na Espanha. Já nos casos 3 e 4, os dados utilizados foram adquiridos de medições locais e inseridos em uma rede de mercado local estabelecida neste trabalho e simulada no software MASCEM [1].
- Metodologia de cálculo do LCOE para parques eólicos offshorePublication . WALTER, JUAN HERNAMPEREZ; Nogueira, Teresa Alexandra Ferreira Mourão Pinto; Tenfen, DanielA necessidade de reduzir as emissões de gases de efeito estufa e a busca por fontes de energia mais limpas estão acelerando o desenvolvimento da tecnologia eólica offshore, que se destaca por seu vasto potencial energético. Este estudo descreve uma metodologia para calcular o Custo Nivelado de Energia (LCOE, da sigla em inglês), que determina o custo médio de produção de cada megawatt-hora (MWh) em um parque eólico offshore. Este cálculo considera os investimentos iniciais, os custos de operação e manutenção, as despesas de descomissionamento e outros fatores econômicos. O LCOE é um parâmetro vital para decisões de investimento em parques eólicos offshore, que normalmente exigem um investimento inicial significativo. Ele fornece uma perspectiva abrangente sobre o desempenho financeiro do projeto ao longo de seu ciclo de vida. A metodologia proposta permite a avaliação individual de cada componente de custo e receita, conferindo flexibilidade para aplicá-la em diversos cenários e condições operacionais. Para facilitar esse processo, foi criado um script em MATLAB para automatizar os cálculos, gerar relatórios e realizar análises de sensibilidade. A metodologia foi validada por meio de um estudo de caso utilizando dados do projeto do Parque Eólico Offshore de Walney, demonstrando sua eficácia na avaliação da viabilidade econômica e na identificação dos principais fatores que influenciam o LCOE. Os resultados ressaltam o potencial da ferramenta para apoiar a tomada de decisões estratégicas, otimizar projetos e aumentar a competitividade da energia eólica offshore no contexto da transição energética global.
- Painéis fotovoltaicos flutuantes em albufeiras hidroelétricas: Contribuição para a transição energéticaPublication . Ventura, Leonardo Brand; Nogueira, Teresa Alexandra Ferreira Mourão Pinto; Tenfen, DanielA dissertação analisa a implementação de centrais fotovoltaicas flutuantes (FPV) em dois sítios: a Central Hidrelétrica (UHE) de Machadinho, no Brasil, e a Central Hidroelétrica de Alqueva, em Portugal. A utilização das albufeiras em conjunto com sistemas fotovoltaicos permite reduzir custos, otimizar áreas subutilizadas e ampliar o aproveitamento de infraestrutura existente. O estudo considerou duas variações do coeficiente de perda de calor, representando diferentes estruturas flutuantes, e avaliou cenários de conexão tanto utilizando a infraestrutura elétrica da central hídrica quanto por ligação independente. As simulações foram realizadas no PVsyst com dados de irradiação provenientes do Meteonorm. Os resultados mostram que Portugal apresenta o Custo Nivelado de Energia (LCOE) ligeiramente inferior ao brasileiro para potências equivalentes, devido à menor taxa de desconto e ao melhor aproveitamento da irradiação através da inclinação dos módulos. No Brasil, o curtailment impactou a associação FPV–UHE, podendo ser mitigado pelo deslocamento da geração hídrica. Já em Alqueva verificou-se maior flexibilidade para integração da geração fotovoltaica, favorecida pela sua operação reversível. A análise de sensibilidade indicou que o CAPEX e a energia gerada são os parâmetros mais influentes no LCOE. Também são descritos os principais componentes das estruturas flutuantes e suas vantagens, como o arrefecimento proporcionado pela albufeira, o aumento de eficiência dos módulos e a redução da evaporação. Conclui-se que as FPV constituem uma alternativa promissora para ampliar a participação solar na matriz energética.
- Projeto, construção e avaliação da viabilidade económica e financeira de uma central solar fotovoltaicaPublication . RIBEIRO, DAVID BARBOSA; Castro, Rui Paulo Ramos de; Barros, Carlos Lourenço Moreira deA presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular de “Dissertação/Estágio”, do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Este documento irá começar por rever e dar a conhecer os conceitos fundamentais e os avanços recentes relacionados à tecnologia e indústria do solar fotovoltaico, com o objetivo de estabelecer uma base sólida para o desenvolvimento de estudos e projetos neste ramo. O estudo de caso, irá ter como objetivo efetuar o layout ótimo de uma central solar fotovoltaica e simular a sua produção de energia, assim como o cálculo dos condutores e verificar a importância dos sistemas de terras em centrais solares fotovoltaicas. São usados três softwares distintos para essa análise, PVCase, PVsyst e XGSLab. É, por fim, efetuada uma análise técnicofinanceira do caso de estudo desenvolvido e comparada com um tipo de estrutura fixa que é menor em termos de custos de aquisição e instalação. Os resultados obtidos ao longo deste estudo evidenciam a importância de um dimensionamento técnico rigoroso, desde uma fase muito prévia à construção até ao fim dos 25 anos de exploração da central solar fotovoltaica. A adoção de boas práticas permite maximizar a produção de energia, minimizar perdas elétricas, reduzir custos e garantir uma integração eficiente na rede elétrica de serviço público. Esta abordagem contribui para a fiabilidade e estabilidade do sistema elétrico, enquanto a missão do compromisso com a sustentabilidade ambiental. O aumento do interesse pelas energias renováveis, traduzido no crescimento do número de centrais fotovoltaicas em Portugal torna imperativo a análise da configuração ótima destas estruturas e a sua análise financeira.
- Abordagem fuzzy híbrida para detecção de fraudes em programas de participação ativa de usuários finais de energiaPublication . CARVALHO, GUILHERME ABREU; Vale, Zita Maria Almeida do; Gomes, Luís Filipe de Oliveira; Faia, Ricardo Francisco Marcos; Costa, Edson Bruno MarquesOs avanços nas redes elétricas inteligentes têm desempenhado um papel crucial na descarbonização, facilitando a integração de fontes de energias renováveis e otimizando o equilíbrio entre oferta e demanda de energia. Nesse contexto, um dos principais objetivos das Smart Grids é aprimorar a interação entre os usuários finais e o sistema elétrico, por meio da implementação de programas que incentivam a redução do consumo e a adoção de práticas mais sustentáveis. No entanto, apesar das vantagens significativas resultantes da expansão da infraestrutura energética, surgem novos desafios relacionados à segurança e à integridade dos dados coletados. Sem mecanismos robustos de validação, o sistema fica vulnerável a manipulações, o que pode comprometer a eficácia dos mecanismos de distribuição de benefícios. Para resolver esse problema, a presente dissertação propõe uma abordagem fuzzy híbrida: um modelo evolutivo orientado a dados (denominado de Evolving Takagi‐Sugeno Plus) e um sistema fuzzy Mamdani baseado em conhecimento. O método evolutivo é utilizado para modelar e prever os padrões de comportamento dos indivíduos em programas de participação ativa de usuários finais de energia. Este é capaz de evoluir dinamicamente, adaptando seus parâmetros e ajustando sua estrutura automaticamente a partir das amostras recebidas. Durante a etapa de concepção do modelo, o método foi comparado com outras técnicas disponíveis na literatura, mostrando resultados competitivos, especialmente em relação ao tempo de execução. Por outro lado, o sistema Mamdani utiliza o resíduo obtido entre a saída do modelo evolutivo e os dados reais de flexibilidade, combinados com informações sobre geração e consumo de energia, para estimar um grau de alerta caso comportamentos anômalos sejam identificados. Os resultados desta fase indicam que o sistema proposto detecta tanto fraudes pontuais quanto aquelas que ocorrem ao longo de períodos extensos. Dessa forma, os métodos combinados demonstram potencial de aplicação em contextos práticos, auxiliando as entidades gestoras na tomada de decisões por meio de uma metodologia robusta e altamente interpretável.
- Plano de melhoria de eficiência energética a longo prazo numa unidade industrial de rolhas naturaisPublication . FERREIRA, ALEXANDRE JOSÉ RODRIGUES DA CONCEIÇÃO; Felgueiras, Manuel Carlos Malheiro de CarvalhoEsta dissertação apresenta uma análise aprofundada dos processos produtivos na indústria da cortiça, com especial enfoque na eficiência energética e sustentabilidade. A investigação tem como objetivo identificar e implementar melhorias que otimizem o desempenho operacional e reduzam os custos energéticos. As principais medidas propostas incluem a substituição de motores ineficientes, a melhoria da manutenção preventiva e a instalação de sensores de temperatura nos permutadores de calor. Uma componente importante do estudo envolveu a criação de um documento detalhado de análise de rotas, que identificou caminhos específicos da produção de cortiça que consomem mais energia. Ao analisar estas rotas, foi possível identificar as ineficiências e desenvolver estratégias direcionadas para a melhoria. Esta abordagem não só aumenta a eficiência energética, como também promove uma cultura de melhoria contínua e sustentabilidade na organização. Uma das medidas significativas inclui a substituição de motores desatualizados por modelos mais eficientes (IE3 ou superior). Prevê-se que esta iniciativa poupe aproximadamente 63,2 MWh por ano, o que equivale a cerca de 10 000 euros em custos de energia. A análise também salientou a necessidade de um programa de manutenção preventiva abrangente, centrado em componentes críticos e na aplicação de materiais de isolamento térmico, com o objetivo de reduzir as perdas de calor, diminuir o desgaste das máquinas e prolongar a vida útil dos equipamentos. O estudo sugere ainda a instalação de sensores de temperatura nos permutadores de calor, uma medida apoiada por sólidos fundamentos técnicos. Espera-se que esta medida preventiva e de otimização energética melhore a precisão das medições e aumente a eficiência dos permutadores de calor. Globalmente, prevê-se que a implementação destas medidas resulte em poupanças substanciais de energia e numa melhoria da eficiência operacional, reduzindo a pegada ambiental da unidade industrial. As ações recomendadas neste estudo visam não só o aumento da eficiência energética, mas também a promoção de uma cultura de sustentabilidade e inovação na organização. Com a adoção destas estratégias, a empresa poderá atingir níveis mais elevados de desempenho, competitividade e responsabilidade ambiental, estabelecendo-se como um modelo de eficiência e sustentabilidade na indústria da cortiça.
- Coordenação da cadeia de isoladores de uma linha de transmissão a ser instalada na região Nordeste do BrasilPublication . LOHN, RODRIGO GUETTEN; Ramos, Sérgio Filipe Carvalho; Neto, Edison Antônio Cardoso AranhaOs isoladores de cadeia desempenham um papel crucial na transmissão de eletricidade, especialmente em linhas de média, alta e muito alta tensão. Estes componentes são responsáveis por suportar as linhas condutoras e garantir simultaneamente que a eletricidade flua de forma segura, evitando curtos-circuitos e perdas de energia. Os isoladores de cadeia protegem, igualmente, os componentes da rede elétrica contra a humidade, poeira, poluição e outros fatores ambientais, aumentando assim a confiabilidade e a durabilidade das infraestruturas elétricas. A sua utilização é, pois, fundamental para garantir a segurança e a eficiência na distribuição e transmissão de energia elétrica, prevenindo acidentes e interrupções no serviço. Esta dissertação tem como objetivo principal analisar os fatores que impactam no projeto da cadeia de isoladores para uma linha de transmissão de alta tensão destinada a escoar a geração de energia elétrica da região Nordeste do Brasil e identificar a metodologia para o seu correto dimensionamento de forma a garantir a confiabilidade necessária para uma infraestrutura de tamanha importância. A relevância do tema se evidencia pela contínua expansão do sistema de transmissão, que prevê a implementação de aproximadamente 37.454 km de novas linhas até 2030. Deste total, cerca de 7.308 km estão projetados para a região Nordeste, a representar um passo essencial para o escoamento da crescente geração de energia nessa região, proveniente principalmente de energias eólica e solar fotovoltaica. Diante dessa previsão, este estudo apresenta dados relevantes para a análise de viabilidade do traçado de uma linha de transmissão (LT), além de considerar os impactos das características estruturais e construtivas das cadeias de isoladores, bem como os aspetos geográficos do local de instalação, sobre a frequência anual de desligamentos por cada 100 km de extensão da linha devido a descargas atmosféricas. Esse índice é fundamental para avaliar a viabilidade e a confiabilidade do projeto. Para isso, serão desenvolvidos os cálculos relevantes para o correto dimensionamento da cadeia de isoladores, assim como a validação por meio do software Flash 1.6, no qual verificou-se os impactos das condições meteorológicas, da distância de isolamento e do sistema de aterramento via simulações, nas quais foi possível perceber a influência significativa do nível ceráunico, da distância de isolamento em arco da cadeia de isoladores e da resistência do sistema de aterramento no número de desligamentos anuais.
- Projeto integrador de tecnologias de diversas especialidades eletrotécnicas: Instalações elétricas, telecomunicações, segurança, automação, domóticaPublication . PEREIRA, TIAGO ALEXANDRE PINHEIRO OLIVEIRA GODINHO; Ramos, Sérgio Filipe Carvalho; Gomes, António Augusto AraújoO setor energético, em Portugal, é um pilar fundamental da economia nacional, quer do ponto de vista do cidadão quer do ponto de vista das empresas. Dada a sua natureza, é um sistema complexo que envolve diversas instituições e agentes, que está em constante mudança para se adaptar aos desafios globais europeus. Para dar resposta às necessidades desta constante evolução, as empresas precisam de estar sempre um passo à frente, antecipando tendências e possíveis cenários, tornando-se necessário investir cada vez mais em técnicos qualificados. No âmbito desta dissertação são desenvolvidas novas bancadas de ensaio para o Laboratório de Instalações Elétricas do Departamento de Engenharia Eletrotécnica do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), que dá suporte a atividades letivas no âmbito das instalações elétricas, sistemas de segurança, automação e domótica. Do levantamento realizado aos equipamentos existentes no Laboratório de Instalações Elétricas, conclui-se a necessidade eminente de substituição e atualização da aparelhagem de medição e ensaio, promovendo assim a sua renovação tecnológica e funcionalidades. No domínio deste trabalho foram, também, desenvolvidos na plataforma Moodle, conteúdos técnicos e guiões para a realização de trabalhos laboratoriais. Demonstrou-se a importância do desenvolvimento pessoal como sendo o fator-chave para o sucesso no mercado de trabalho e impulsionar a progressão na carreira. O objetivo fulcral é dotar as aulas de natureza laboratorial com cariz mais prático, fator essencial para estimular nos alunos a curiosidade, a autonomia, a criatividade, o espírito crítico e a responsabilidade, contribuindo para a melhoria na qualidade do ensino-aprendizagem. Manipular, mexer, fazer e experimentar possibilita experiências de aprendizagem mais marcantes e que perduram na memória. Em conclusão, o desenvolvimento das capacidades de investigação e de resolução de problemas são extremamente úteis, na definição da vida futura, para criar Engenheiros responsáveis, cultos e participativos na sociedade. A transladação do laboratório físico para as diferentes bancadas exigiu uma preparação detalhada, atendendo às limitações de espaço, ao cumprimento de todas as regras de segurança vigentes e às dinâmicas de trabalho. A disposição dos equipamentos, a respetiva sinalização, a escolha do material do painel e a estrutura onde se encontra apoiada a cablagem de interligação dos mesmos são alguns dos aspetos a pudessem ser análise de melhoria contínua. No estado da Arte são abordados os temas da escolha dos produtos, a fase de conceção do projeto com menção aos aspetos técnicos, a descrição dos equipamentos utilizados nos painéis e a apresentação das ligações elétricas. A contribuição deste trabalho culmina com o aparecimento das várias bancadas de trabalho, devidamente equipadas de forma versátil, utilizando uma solução de integração, através do protocolo de comunicação KNX.
- Sistema elétrico de uma unidade de produção de petróleoPublication . PAULA, VANDSOR SILVA DE; Ramos, Sérgio Filipe CarvalhoAs unidades petrolíferas desempenham um papel crucial na economia global e na sociedade como um todo. O petróleo é considerado um recurso natural extremamente estratégico devido à sua importância vital no abastecimento de energia, garantindo o funcionamento das sociedades. Além de ser uma fonte de renda, o petróleo confere poder e influência aos países que o possuem, uma vez que muitas nações do mundo desejam adquirir esse recurso para abastecimento interno. A presente dissertação tem como objetivo analisar o estado atual das tecnologias do sistema de proteção e controle numa unidade de exploração de petróleo que procura garantir a segurança operacional e a integridade do seu sistema elétrico. Esse sistema abrange uma variedade de medidas destinadas a prevenir falhas, responder rapidamente a eventos anômalos e proteger equipamentos críticos. A proteção de sobrecorrente é fundamental, monitorando e desconectando circuitos em caso de correntes excessivas. Além disso, a proteção diferencial é aplicada para detetar falhas internas nos transformadores. A proteção contra sobretensão e subtensão salvaguarda contra variações prejudiciais de tensão. A deteção de falhas à terra é essencial para prevenir riscos de choque elétrico e isolar seções afetadas. Sistemas de proteção também incorporam relés de proteção de motores, garantindo seu funcionamento adequado. A implementação de relés de proteção de geração principal e de emergência é crucial para assegurar a confiabilidade do suprimento elétrico. Adicionalmente, há ênfase na proteção contra curtos-circuitos e na monitorização da sincronização adequada dos geradores. Em ambientes marítimos, como plataformas offshore, as condições adversas exigem proteção específica contra corrosão e umidade. A automação e a comunicação entre os dispositivos de proteção são realizadas seguindo padrões como IEC 61850. Em resumo, o sistema de proteção em unidades de exploração de petróleo é uma rede complexa de dispositivos e tecnologias que visa salvaguardar a integridade do sistema elétrico, promovendo a segurança operacional em ambientes desafiadores.