ISEP - DM – Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia
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- 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.
- Estudos de fiabilidade em quadros de média tensãoPublication . ESPINHO, PEDRO JOSÉ GONÇALVES; Gomes, António Augusto AraújoOs estudos de fiabilidade, no âmbito dos quadros de média tensão (QMT), são fundamentais para garantir a continuidade do fornecimento de energia elétrica, com o intuito de minimizar falhas e assegurar a segurança e eficiência de instalações. Com este estudo, pretende-se melhorar o desempenho dos sistemas elétricos e promover uma operação e manutenção mais robusta e sustentável. Numa fase inicial, foi efetuado um enquadramento teórico ao tema, uma explicação dos objetivos a atingir com a realização do trabalho e uma calendarização das futuras tarefas a desenvolver ao longo do período da dissertação. Após este enquadramento, foi abordado de forma efetiva o trabalho realizado na empresa, com a primeira fase do projeto a passar por entender o processo de montagem dos equipamentos, bem como verificar os vários problemas associados ao mesmo. De seguida, foi desenvolvida uma descrição do trabalho realizado no departamento em relação ao produto da Área da Alta e Média Tensão, as celas Normacel, nomeadamente as estratégias e equipamentos utilizados para o cálculo da fiabilidade do produto, como a metodologia RAMS (Reliability, Availability, Maintenability and Safety) e os métodos FMECA (Failure Mode, Effects and Critical Analysis) e FTA (Fault Tree Analysis). Por fim, foi apresentada a importância da avaliação da fiabilidade das celas de média tensão, justificando ser um ponto crucial para evitar a ocorrência de defeitos nos componentes, capazes de resultar em interrupções no fornecimento e distribuição de energia elétrica para os consumidores.
- Desenvolvimento de projeto de unidade de produção para autoconsumo na empresa IEOL, Lda.Publication . MOREIRA, PEDRO MIGUEL SILVA; Castro, Rui Paulo Ramos deA crescente pressão global para a descarbonização e a redução da dependência de combustíveis fósseis tem impulsionado a adoção de energias renováveis, em particular a energia solar fotovoltaica, cuja relevância no panorama energético português assume especial destaque devido ao elevado potencial solar do território e ao quadro legislativo favorável ao autoconsumo. Neste enquadramento, a presente dissertação centra-se no desenvolvimento de um projeto de uma unidade de produção para autoconsumo nas instalações da empresa IEOL, Lda., constituindo uma aplicação prática dos conhecimentos adquiridos no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia, no Instituto Superior de Engenharia do Porto. A dissertação inicia-se com uma revisão do estado da arte, abordando o panorama global e nacional da energia fotovoltaica, os fundamentos físicos da radiação solar, os principais equipamentos que compõe um sistema fotovoltaico e as diferentes tipologias de ligação à rede, complementados pelo enquadramento legal que regula o autoconsumo em Portugal. Posteriormente é apresentada uma metodologia para projetos de sistemas fotovoltaicos ligados à rede, englobando a análise do local de instalação, a caracterização detalhada do perfil de consumo, a seleção e compatibilização de equipamentos, o dimensionamento de cablagens e sistemas de proteção, bem como a utilização de ferramentas de simulação, em particular o software PVSyst, que possibilitou a estimativa da produção expectável e a otimização do desempenho do sistema. O caso de estudo apresentado materializa esta metodologia, analisando os consumos energéticos do edifício, avaliando os recursos solares disponíveis e propondo a solução técnica mais adequada às necessidades da empresa. A análise económico-financeira, assente em indicadores como o Valor Atual Líquido, a Taxa Interna de Retorno e o Retorno do Investimento, confirmou a viabilidade da instalação, revelando o potencial do sistema para reduzir significativamente a fatura de energia, melhorar a sustentabilidade operacional e constituir um modelo replicável para projetos futuros da empresa no âmbito profissional. A presente dissertação comprova que os sistemas fotovoltaicos de autoconsumo podem constituir uma solução técnica e economicamente vantajosa para o setor empresarial, permitindo simultaneamente ganhos de eficiência e contributos relevantes para a sustentabilidade ambiental. Através da integração entre teoria, enquadramento legal e aplicação prática, evidencia-se o papel do engenheiro eletrotécnico na conceção e implementação de sistemas fotovoltaicos.
- Índices de mérito e valoração de recursos energéticos distribuídosPublication . RIBEIRO, PAULO VITOR DA SILVA; Felgueiras, Manuel Carlos Malheiro de Carvalho; Neto, José Cesar de Souza AlmeidaO prossumidor é um termo que descreve um agente que, além de consumir, também produz recursos ou serviços, como no caso da geração de energia, onde consumidores geram e consomem eletricidade, e este por si, tem assumido um papel crescente no setor elétrico brasileiro. Esta Tese de Mestrado tem como objetivo desenvolver um software que analise e proponha incentivos tarifários baseados em perfis de geração e consumo energético, buscando otimizar o uso da rede elétrica e reduzir perdas na transmissão através da previsibilidade ocasionada no sistema. Para isso, são definidos e calculados cinco índices principais, incluindo o Fator de Autossuficiência Energética (FAE), Índice de Autoconsumo, Índice de Excedentes Injetados, Benefício Horário, Índice de Eficiência de Armazenamento de Energia (IEAE), com o acréscimo de um quadro que apresenta um Fator de Emissões Evitadas para acompanhamento. A metodologia inclui a coleta e análise de dados reais, aplicação de algoritmos em Python, e apresentação dos resultados em dashboards desenvolvidos no Power BI. A aplicação prática dos índices a dois agentes com perfis de demanda semelhantes demonstrou que a presença de um sistema de armazenamento energético resultou em um aumento de 33% no benefício financeiro total referente à Tarifa de Uso do Sistema de Distribuição (TUSD). A ferramenta proposta proporciona aos agentes uma visão abrangente de seu desempenho energético, permitindo a personalização dos indicadores conforme as especificidades de cada distribuidora e contribuindo para a identificação de oportunidades de melhoria e para uma atuação mais estratégica no mercado elétrico.
- Análise geoespacial para mapeamento e visualização da infraestrutura da rede elétrica de média tensão no apoio à sua expansãoPublication . GONÇALVES, PEDRO FILIPE RIBEIRO; Cruzvillasante, Fernando Lezama; Castro , Fábio Daniel da SilvaRecent studies have highlighted the growing importance of integrating geospatial analysis into the planning of Medium Voltage distribution networks. For this analysis, it is important to incorporate land use, slope constraints, and regulatory factors into cost models, ensuring solutions that are both technically feasible and economically sustainable. Building upon these foundations, this thesis explores the integration of Geographic Information Systems to support the expansion of Medium Voltage electricity distribution networks. Using Least Cost Path analysis in QGIS, multiple candidate routes were generated across eight case studies covering different regions, from south to north, of the Portuguese mainland. Each study area presented unique challenges, such as urbanized zones, industrial areas, aerodromes, agricultural land, and slope constraints, which were incorporated into spatial cost surfaces. These geospatial outputs were then processed with an optimization model built in Python, using Pyomo library and the optimization solver Gurobi, to evaluate engineering feasibility and economic efficiency. The model accounted for an optimal pole spacing and evaluated the cost related to each pathway generated. The findings demonstrate that the integration of Geographic Information Systems and optimization offers a powerful tool for Medium Voltage grid planning, enabling the identification of cost-effective and technically feasible routes. Results highlight the variability of costs across different conditions, showing that minor routing changes can lead to significant savings. Overall, this methodology bridges spatial analysis and decision-making, contributing to more sustainable and efficient energy infrastructure planning.
- O potencial de semicondutores wide bandgap em aplicações de eletrónica de potênciaPublication . COSTA, JOÃO SILVA RIBEIRO DA; Gomes, Nuno Filipe da Fonseca BastosCom a evolução do mundo tecnológico, a crescente procura por sistemas mais complexos e mais eficientes tem impulsionado avanços na eletrónica de potência. É neste contexto, que, surgem os semicondutores de banda proibida ou também conhecidos por semicondutores wide bandgap (WBGs), nomeadamente os Carboneto de Silício (SiC) e o Nitreto de Gálio (GaN) que surgem como materiais revolucionários. Estes semicondutores oferecem características superiores aos tradicionais semicondutores de Silício (Si), incluindo, uma banda proibida ou forbidden gap superior, tensões de rotura elevadas e melhor condutividade térmica, tornando-os ideias para aplicações de potências e frequências elevadas. Esta dissertação tem como principal objetivo explorar as propriedades únicas destes comutadores, e o seu potencial para superar os dispositivos tradicionais de Si. É realizada uma análise comparativa, com foco no desempenho do SiC e do GaN em aplicações especificas, como conversores de potência, veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Através da simulação de conversores de potência otimizados para componentes WBG, este estudo procura evidenciar o impacto destes materiais na eletrónica de potência.
- Soluções integradas de carregamento para viaturas elétricas: Habitação e empresas com e sem UPACPublication . MIRANDA, JOSÉ FILIPE FERNANDES; Ramos, Sérgio Filipe CarvalhoA mobilidade elétrica e as energias renováveis têm um papel chave para o desenvolvimento sustentável em Portugal e transição energética. A adoção de veículos elétricos e o uso de energia limpa são prioridades para se reduzir as emissões de gases efeito de estufa. Um aspeto relevante na mobilidade elétrica é a existência de soluções de carregamento que consigam dar resposta às necessidades dos diferentes tipos de utilizadores de veículos elétricos. Este projeto visa explorar diferentes tipos de soluções de carregamento de viaturas elétricas, considerando opção com o uso de energia fotovoltaica e outras opções também com sistemas de armazenamento, com o objetivo de avaliar a viabilidade económica e técnica, bem como a rentabilidade em diferentes contextos de utilização. Um dos objetivos deste trabalho é, através dos resultados obtidos, conseguir padronizar solução para casos futuros consoante a necessidade e o hábito de consumo do utilizador. Para atingir os objetivos em questão, é criado um website, em que o consumidor preenche um questionário onde partilha o tipo de instalação pretendida. Posteriormente são definidos os equipamentos a aplicar nas diferentes soluções. Por fim, o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos e sistemas de armazenamento (baterias) é através do software PVGIS. Consegue-se verificar, com a realização deste trabalho, que a utilização de viaturas elétricas é bastante vantajosa em relação a utilização de viaturas a combustão para utilizadores que consigam carregar a sua viatura na residência ou empresa conseguindo-se períodos de retorno financeiro nos melhores cenários de, aproximadamente, um ano e três meses para empresas e dois anos e cinco meses para residências unifamiliares. Contudo, a utilização de baterias revela-se menos atrativa devido ao elevado custo inicial, aumentando o período de retorno. No entanto, o Valor Atual Líquido no caso residencial atinge os e no melhor cenário empresarial. Este projeto permite apresentar soluções padronizadas de carregamento de viaturas elétricas. No entanto, quando o consumidor pretende a instalação adicional de um sistema fotovoltaico ou de armazenamento, exige uma análise mais detalhada, conduzindo a um tempo de resposta superior.
- Otimização da configuração elétrica em parques fotovoltaicos: Minimização de perdas por sombreamento e mismatchPublication . CUSTOIAS, FILIPE JOSÉ REIS PIRES; Gomes, Nuno Filipe da Fonseca BastosO investimento em projetos de energia solar fotovoltaica tem crescido de forma expressiva ao longo dos últimos anos, representando aproximadamente 80% da expansão da eletricidade renovável a nível global. A contínua redução dos custos dos equipamentos e o apoio político em diversos países tornam essencial a otimização da produção para garantir a viabilidade técnica e económica da construção de novos parques fotovoltaicos. No entanto a eficiência destes sistemas é fortemente condicionada por fatores externos, tais como sombreamento e as incertezas meteorológicas. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo desenvolver uma metodologia de otimização da configuração elétrica em parques solares, com a finalidade de maximizar a produção de energia elétrica e minimizar as perdas. O presente estudo baseia-se num parque fotovoltaico em fase de construção, cujo layout foi modelado no software PVcase e importado para o PVsyst para simular o desempenho energético e determinar o índice de performance. A metodologia proposta inclui a simulação e comparação de várias possibilidades de configuração de strings de módulos fotovoltaicos e estratégias de ligação aos MPPTs dos inversores, analisando o impacto na produção anual de energia, Performance Ratio (PR), perdas energéticas e variação sazonal do desempenho. Os resultados obtidos mostraram que a otimização da configuração elétrica permite obter ganhos de produção anual de energia de 2,3% correspondente a 45,7 MWh e um aumento de 1,85 pontos percentuais de PR para o caso de estudo 1 e 18,7 MWh (0,9%) e um aumento de 0,75 pontos percentuais de PR caso de estudo 2. Este estudo contribui desta forma para a definição de melhores práticas na configuração elétrica de parques solares que permitem obter melhores resultados com a mesma potência instalada, aumentando assim a sua eficiência e competitividade no setor energético.
- Cooperativas elétricas como mercados locais de energiaPublication . AZEVEDO, EDUARDO MIGUEL RODRIGUES; Ramos, Sérgio Filipe Carvalho; Rodrigues, AlexandreA União Europeia (EU), estabeleceu em setembro de 2023 um acordo para impulsionar a criação de produção de energia renovável, em consonância com o Pacto Ecológico e os objetivos de redução da dependência de energia russa. Os objetivos estabelecidos visam o aumento do consumo final de energia proveniente de fontes renováveis da UE para 42,5% até 2030. Os mercados locais de energia surgem como uma solução forte para o alcance das metas estabelecidas, onde fomentam um consumo mais eficiente e mais verde. Este trabalho explora a importância das comunidades de energia no desenvolvimento da economia local e na criação de mercados de energia locais, com foco no caso de estudo desenvolvido na Cooperativa Elétrica Vale d’Este. O estudo inclui toda a análise teórica e empírica, permitindo verificar detalhadamente os benefícios económicos para os cidadãos, assim como identificar as barreiras de natureza regulatória, técnica e social, que atrasam o crescimento deste modelo. O projeto-piloto apresenta resultados que evidenciam impactos positivos nas poupanças dos participantes, o que reforça a viabilidade da iniciativa. Dada a dimensão da CEVE, é também realizada uma projeção de benefícios global, alcançando uma redução significativa de custos e consumo de energia da rede. Por último, aborda-se a transição do estatuto da CEVE para Comunidade de Cidadãos para a Energia, alavancando a sua posição local, inovadora e abrindo portas a novos casos de investigação.