Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2010. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2011-03-03T14:35:36Z No. of bitstreams: 1 2010_RafaelAmaralShayani.pdf: 5804752 bytes, checksum: 13033e458c21dc4aa22006108a8c5060 (MD5) / Approved for entry into archive by Luanna Maia(luanna@bce.unb.br) on 2011-03-15T13:11:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_RafaelAmaralShayani.pdf: 5804752 bytes, checksum: 13033e458c21dc4aa22006108a8c5060 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-03-15T13:11:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_RafaelAmaralShayani.pdf: 5804752 bytes, checksum: 13033e458c21dc4aa22006108a8c5060 (MD5) / O mundo apresenta crescimento constante do consumo energético, permitindo melhor qualidade de vida para a população, ao poder usufruir das comodidades modernas movidas a eletricidade. Porém, a preocupação com o aquecimento global também se intensifica, e a produção de energia utilizando fontes de origem fósseis contribuem diretamente para o aumento da emissão de gases de efeito estufa. A consciência da importância da utilização de fontes renováveis desponta em diversos países, com destaque para a energia solar fotovoltaica conectada à rede de distribuição. Para que essa tecnologia possa ser utilizada em larga escala, podendo ser instalada no telhado das casas, estudos são necessários para avaliar os impactos causados à rede de distribuição e para definir um limite máximo de potência que pode ser instalada sem prejudicar o sistema elétrico. Neste trabalho é apresentado um método para determinar o limite de penetração da geração distribuída fotovoltaica em sistemas radiais de distribuição, que destaca os critérios de aumento de tensão e de capacidade térmica de condutores e transformadores como limitadores. De posse desse método, regras práticas são obtidas e aplicada a um estudo de caso, indicando a quantidade de potência que pode ser instalada nos telhados de residências de um alimentador específico sem a necessidade de modificações no sistema elétrico da concessionária de distribuição. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The world presents a continuous increase on energy consumption that enables better quality of life for the population as it enjoys the comfort provided by modern equipments powered by electricity. But the concern about global warming is also increased and fossil-based energy production contributes to greater emission of greenhouse gases. The importance of using renewable energy sources stands out in several countries, especially for grid-connected solar photovoltaic energy. Studies are needed to assess the impacts of this distributed generation on the utility's grid in order to this technology to be used on a large scale and be installed on several roof-tops. It is also necessary to set a maximum photovoltaic power, which can be installed without affecting the electrical system. This thesis presents a method to determine the photovoltaic distributed generation penetration limit on radial distribution grids, which highlights the criteria of voltage rise and conductor ampacity. Based on this method, rules of thumb are identified and applied to a case study indicating the amount of distributed generation photovoltaic power that can be installed on roof-tops of a particular feeder without modifications to the utility's grid.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, 2010. / Submitted by Jaqueline Ferreira de Souza (jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-04-04T21:50:49Z No. of bitstreams: 1 2010_ElenOliveiraVianna.pdf: 23382780 bytes, checksum: b06e679d8c145df4b7c9e5d62cce7c42 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Ferreira de Souza(jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-04-04T21:51:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_ElenOliveiraVianna.pdf: 23382780 bytes, checksum: b06e679d8c145df4b7c9e5d62cce7c42 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-04-04T21:51:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_ElenOliveiraVianna.pdf: 23382780 bytes, checksum: b06e679d8c145df4b7c9e5d62cce7c42 (MD5) / A questão energética acompanha a história da humanidade e atualmente tem gerado uma polêmica de caráter multidisciplinar, no interior da qual situa-se o tema central deste estudo: o enfoque ao alto consumo de energia elétrica em edifícios públicos. A abordagem vai, então, de encontro à sustentabilidade na arquitetura e a utilização de energia solar fotovoltaica como tecnologia que alia fontes alternativas renováveis de energia integradas a edifícios conectados à rede elétrica urbana. O presente trabalho direciona-se à desmistificação da utilização de fontes alternativas de energia aliadas à produção arquitetônica contemporânea. Em um primeiro momento contextualiza-se a sustentabilidade, a questão energética mundial e a utilização de sistemas solares ativos na arquitetura e em seguida, o principal objetivo é dimensionar um Sistema Fotovoltaico integrado a um edifício público – Fórum de Palmas – TO. Para isto foi necessário avaliar a eficiência energética do edifício; e neste sentido foi considerado o consumo de energia nos denominados horários de pico e de ponta. Posteriormente, o estudo buscou testar diversas possibilidades de painéis fotovoltaicos, analisando qual o melhor desempenho, em função das características locais como: a orientação solar, a latitude, a média mensal anual de radiação solar. Foi feita uma simulação de um sistema solar fotovoltaico ideal com os devidos cálculos de seu rendimento, a fim de proporcionar uma compensação do gasto energético do edifício – ou parte dele - através da utilização da fonte alternativa em questão. O objetivo é desmistificar a geração de energia elétrica a partir da utilização da energia solar, avaliando ao longo do estudo, a contribuição do sistema ao consumo da energia elétrica convencional. Finalmente, realizou-se a análise econômica parcial do sistema, vislumbrando-se assim, caracterizar o potencial de contribuição do Sistema Solar Fotovoltaico integrado a um edifício público - o Fórum de Palmas – TO - conectado à rede de energia elétrica, colaborando com a sua popularização no contexto da arquitetura sustentável. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The energy issue accompanies the history of mankind and nowadays has triggered a multidisciplinary debate. Within this discussion, there is the main topic of this study: the focus on the high electric power consumption in public buildings. The approach is in consonance with the sustainability of architecture and the use of solar photovoltaic energy as a technological tool that brings into alliance the renewable alternative energy sources and the buildings which are connected to the urban electric power lines. This study aims to dismystify the use of alternative energy sources in conjunction with the contemporary architectonic production. In the first part the sustainability, the world energy issue and the use of active solar systems in architecture were contextualized and then, the main objective was to measure.an Integrated Photovoltaic System in a public building- the Court of Justice in Palmas, Tocantins. For that reason, it was necessary to evaluate the energy efficiency in the building and to achieve that objective the energy consumption in the so-called rush hours and the 19:00 to 21:00 period of time were considered. Subsequently, the study tested several possibilities of photovoltaic panels and analyzed which one had the best performance, according to the local characteristic such as: the solar orientation, the latitude, the monthly and annual solar radiation average. There has been done a simulation of an ideal photovoltaic solar system with the proper calculii of its productivity, in order to provide a compensation to the energy consumption of the building- or a part of it- through the use of the alternative energy source in question. The objective is to dismystify the generation of electric power from the use of solar energy and thus evaluating the contribution of the system to the conventional electric energy. Finally, a partial economic analysis of the system was carried out, driving to characterize the contribution potential of the Integrated Photovoltaic Solar system in a public building- the Court of Justice in Palmas, Tocantins, connected to the electric power lines and therefore collaborating to its popularization in the sustainable architecture context.

Uma simulação numérica do ciclo de refrigeração a adsorção é realizada para os pares zeólita-água e carvão ativo AC-35 metanol, justificando a escolha do par bem como do sistema de captação a serem utilizados no protótipo. O protótipo construído compreende um concentrador cilíndrico-parabólico com rastreamento solar, um tubo de calor e uma unidade frigorífica (com zeólita-água). Aspectos tecnológicos como válvulas, soldas e carregamento do par na máquina são analisados. Os resultados dos testes de desempenho são apresentados, discutidos e comparados com a literatura. Uma análise de custos é feita. Paralelamente, construímos termo pilhas pelo método da evaporação. Estas termopilhas foram utilizadas na construção do piranômetro e do pireliômetro. Os instrumentos são caracterizados em termos de sensibilidade, constante de tempo, linearidade, efeitos de temperatura e convecção natural. Os resultados desta caracterização são discutidos e comparados com um modelo fabricado pela Eppley. Finalmente, no apêndice I, testamos o desempenho de um coletor plano utilizando no absorvedor o revestimento seletivo de óxido de alumínio recentemente desenvolvido no IFQSC. As melhores condições para obtenção do revestimento seletivo em placas de grande porte são estudadas. / A numerical simulation of the adsorption refrigeration cycle was made for zeolite/water and activated carbon(AC-35)/ methanol pairs, to select the pair and the solar collector in the prototype. The fabricated prototype consists of a cylindrical paraolic concentrator with solar trackins, a heat pipe and the refrigeration unit (with the zeolite/water pair). The technical aspects of values, welds and out-gassing are analyzed. The results of the performance tests are presented, discussed and compared with the literature. An analysis of costs is made. In parallel thermopiles were constructed using the evaporation method. These thermopiles were used in the construction of the piranometer and the pirheliometer. The instruments were characterized in terms of: sensitivity, stability with time, linearity, effects of temperature and natural convenction. The results of this characterization are discussed and compared with a model made by Eppley. Finally, in Apendix I, we tested the performance of a flat plate collector using a selective coating of aluminium oxide (developed in IFQSC) as absorber. The Best conditions for obtaining the seletive coating on big size plates are discussed.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos. / This work aimed to design a cavity receptor for purpose of chemical reactor for cycles of energy conversion of solar energy to chemical energy. The proposed chemical agent is hydrogen gas. Solar energy is concentrated in a device that absorbs thermal radiation, transforming it in thermal energy, used to activate chemical reactions. This reaction transforms the heat in hydrogen gas and the last, in its turn, can be used to generate other forms of energy. The first step oh this work was an assessment of metal/oxides pairs studied in literature, which can be used to activate thermochemical cycles for hydrogen production. These pairs were compared based in four parameters, important to cavity receptor design: reaction temperature, physical state of the reactants and products, material resistance to several cycles; hydrolysis reaction rate and other aspects. The chosen pair, rated as the higher average in all parameters, was the pair tungsten and tungsten trioxide. (W/WO3). Based in the literature, it was determined a standard reactor, which was studied regarding cavity reactor performance. By such analysis, it was possible to determine the main design parameters, therefore, cavity aperture, window transmissivity, and the cavity geometric dimensions. The results allowed to establish a mathematical model in which solar energy can be converted in useful energy for chemical processes, inside a cavity receptor. Given a profile of solar energy concentration, it was calculated absorption and energy lost efficiencies, related to a solar concentration field and radiation available. This method can be used in tandem with available methodologies and data of solar predictions for hydrogen production by concentration systems via thermochemical cycles.

Este trabalho apresenta a montagem de uma instalação fotovoltaica de 4,8 kWp conectada à rede elétrica e uma análise experimental do seu comportamento, com o propósito de otimizar o fator de dimensionamento. Para fins de análise comparativa a instalação foi dividida em três subsistemas com arranjos de potências diferentes, os quais possuem fatores de dimensionamentos de 0,65, 0,73 e 0,86 (razão entre a potência nominal do inversor e a potência do gerador fotovoltaico), respectivamente para os subsistemas 1, 2 e 3. Cada subsistema possui um arranjo formado por dois painéis que utilizam módulos de 100 Wp/24 V, com células de silício monocristalino. Estes arranjos alimentam, de forma independente, três inversores senoidais monofásicos comutados pela própria rede e com potência máxima na saída de 1100 W cada um, caracterizando desta forma uma planta modular. O sistema de aquisição de dados monitora sistematicamente a instalação a uma varredura por minuto, a fim de se obter um acompanhamento ao longo do tempo e poder caracterizá-la. São monitoradas as tensões elétricas de cada painel de módulos e as suas correspondentes correntes, as tensões elétricas e as correntes alternadas, as potências elétricas contínuas e alternadas, a irradiância no plano do gerador, as temperaturas do ar ambiente, de um módulo do gerador e dos inversores. A metodologia de análise desta instalação consiste no monitoramento, na caracterização e na quantificação das medidas adquiridas, com a finalidade de determinar correlações que possam predizer a potência injetada na rede bem como a determinação da performance energética para dias típicos ensolarados, parcialmente nublados e encobertos. A divisão da instalação em três subsistemas permitiu caracterizá-los quanto aos seus comportamentos energéticos, além de possibilitar a análise de arranjos superdimensionados, os quais fornecem uma potência superior a máxima na entrada dos inversores, originando desperdício de energia nos momentos de elevada irradiância. O método desenvolvido para determinar a energia perdida na entrada dos inversores possibilitou avaliar o quanto se perde mensalmente nos subsistemas 1 e 2, uma vez que as perdas de captura e de sistema aumentam quando o arranjo está superdimensionado e isto significa uma redução na produtividade. Com as correlações encontradas para cada subsistema e com a equação geral foi possível predizer o quanto de energia pode ser injetada na rede.

A energia solar fotovoltaica é a forma de produção de eletricidade que mais cresce no mundo. A potência instalada mundial, até o ano de 2010, era de cerca de 40 GWP e a previsão é de que, somente em 2011, este cifra seja aumentada em mais 24 GWP. O inversor é o elemento central dos sistemas fotovoltaicos. Além de executar a conversão da energia elétrica em corrente contínua para corrente alternada, ele também é responsável pelo gerenciamento da energia entregue à rede e pelo seguimento do ponto de máxima potência. O seguimento do ponto de máxima potência (MPPT) é um processo de controle no qual o inversor procura manter o gerador fotovoltaico operando em uma região da sua curva característica na qual o produto corrente × tensão tenha o seu valor máximo, de forma a otimizar a extração de potência do gerador fotovoltaico. A eficiência de MPPT é um número que indica o grau de precisão, tanto em termos de rapidez como de magnitude, com que o seguidor do ponto de máxima potência atinge o seu objetivo. Assim podem ser definidas duas eficiências de MPPT: a eficiência estática, associada a situações em que a irradiância solar permanece constante durante o intervalo considerado, e a eficiência dinâmica de MPPT, que considera os momentos de variação na intensidade da irradiância, resultantes, por exemplo, da passagem de nuvens. As eficiências de MPPT (especialmente a dinâmica) são de difícil determinação, porém a tarefa fica muito facilitada com a utilização de um simulador de arranjos fotovoltaicos. A norma européia EN 50530:2010 Overall Efficiency of Photovoltaic Inverters propôs uma metodologia para a determinação da eficiência dinâmica de MPPT utilizando perfis variáveis de irradiância a serem programados no simulador de arranjos fotovoltaicos. O objetivo central da tese é fazer uma análise experimental da eficiência dinâmica do seguimento de máxima potência de inversores conectados à rede através da comparação dos resultados de eficiência obtidos seguindo a metodologia definida na norma citada com resultados obtidos a partir de medições em tempo real ao longo de um dia, verificando a adequação da norma às situações de campo. Para a obtenção dos dados de entrada do simulador foram medidas, por diversos dias, a irradiância e temperatura de uma célula de referência. Os inversores foram conectados à saída do simulador de arranjos fotovoltaicos e foram reproduzidas as condições de irradiância e temperatura de três dias selecionados em função do grau de nebulosidade, com comportamento dinâmico semelhante aos perfis de irradiância da norma. Os resultados foram, na maioria dos casos, discordantes. Uma análise dos resultados parciais de eficiência dinâmica indicou como causa desta discrepância a dependência que a eficiência dinâmica de MPPT tem com a taxa de variação da irradiância. Conclui-se que, embora as seqüências de irradiância propostas pela norma constituam uma eficiente ferramenta para o diagnóstico de eventuais deficiências no comportamento do seguidor de máxima potência de inversores, a média dos valores de eficiência de MPPT calculados a partir delas não pode, em princípio, ser considerada como representativa de valores diários. / Photovoltaic solar energy is the fastest growing electricity source in the world. The worldwide capacity until 2010 was about 40 GWP and, by the end of 2011, this figure will be increased by another 24 GWP. The inverter is the pivotal element of PV systems. In addition to performing the conversion of electrical energy from direct current to alternating current, the inverter is also responsible for the management of the energy delivered to the grid and for performing the maximum power point tracking. The maximum power point tracking (MPPT) is a control process by which the inverter tries to keep the PV generator operating in a region of its characteristic curve where the product current × voltage reaches its maximum value. The MPPT efficiency is a figure that indicates the degree of precision, both in terms of speed and magnitude, that the MPPT reaches its goal. Thus, two MPPT efficiencies can be defined: the static efficiency, associated to situations in which the solar irradiance does not vary during the considered interval, and also the dynamic MPPT efficiency, which considers the variation of the irradiance intensity as a result, for example, of the passage of clouds. MPPT efficiencies (especially the dynamic) are hard to determine, but the task becomes much easier with the use of a photovoltaic array simulator. The European standard EN 50530:2010 Overall Efficiency of Photovoltaic Inverters proposes a methodology for determining the dynamic efficiency of MPPT using variable irradiance profiles to be programmed into the photovoltaic array simulator. The main objective of this thesis is to make an experimental analysis of the dynamic MPPT efficiency of grid connected inverters by comparing the efficiency results obtained by following the methodology defined in the referred standard with results obtained from real time measurements in the course of a day, checking the adequacy of the standard when applied to field situations. In order to obtain the input data for the simulator, the irradiance and temperature of a reference cell were measured for several days. The inverters were connected to the output of the array simulator, which reproduced the conditions of irradiance and temperature for three days selected according to the degree of cloudiness, having a dynamic behavior similar to the standard irradiance profiles. The results, in most cases, disagree. An analysis of partial results of dynamic efficiency indicated the dependence of the dynamic MPPT efficiency to the rate of irradiance change as the cause of this discrepancy. As a conclusion, it can be stated that, although the sequences of irradiance proposed by the standard are an efficient tool for the diagnosis of deficiencies in the behavior of the MPP tracker, the average efficiency of MPPT calculated from the sequences cannot, in principle, to be considered as representative of the daily values of dynamic MPPT efficiency.

A presente Tese de Doutorado apresenta uma metodologia para caracterizar a distribuição espectral da irradiância solar sobre o território brasileiro através de dados obtidos por instrumentos a bordo de satélites, radiômetros em superfície e radiossondagem. Estas informações formam um banco de dados sobre parâmetros atmosféricos que alteram as características espectrais da irradiância solar. O modelo computacional de transferência radiativa na atmosfera SMARTS2 (Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine) adota este banco de dados como parâmetros de entrada e estima a intensidade e distribuição espectral da radiação solar sobre a superfície terrestre. Através da utilização dos instrumentos MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo dos satélites TERRA e AQUA e AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) também instalado na plataforma AQUA, foram determinadas as concentrações e propriedades ópticas de aerossóis, quantidade de água precipitável, coluna de ozônio e dióxido de carbono sobre o território brasileiro. A rede global de radiômetros AERONET (AErosol RObotic NETwork, NASA) foi utilizada para validação da caracterização óptica dos aerossóis e quantidade de água precipitável. Dados das redes SONDA (INPE-CPTEC), SolRad-Net(NASA) e instrumentos instalados no Laboratório de Energia Solar da UFRGS foram usadas para a validação das irradiâncias espectrais e de banda larga previstas pelo modelo computacional SMARTS2. Foram determinadas as características da distribuição espectral em Porto Alegre - RS, Petrolina - PE, Alta Floresta - MT e Manaus - AM e a influência desta distribuição em dispositivos fotovoltaicos de distintos materiais. / This doctoral thesis presents a methodology for characterizing the spectral distribution of solar irradiance over the Brazilian territory through data obtained by instruments aboard satellites, surface radiometers and radiosondes. This information forms a database of atmospheric parameters that alter the spectral characteristics of solar irradiance. The computational radiative transfer model SMARTS2 (Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine) adopts this database as input parameters and estimates the intensity and spectral distribution of solar irradiation on the earth’s surface. By using the MODIS instruments (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) aboard the TERRA and AQUA satellites and AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) also installed on the platform AQUA, concentrations and optical properties of aerosols, amount of precipitable water, total ozone and carbon dioxide column were determined over the Brazilian territory. The global radiometers network AERONET (AErosol RObotic NETwork, NASA) was used for validation of the aerosol optical depth (AOD) and the amount of precipitable water. The networks SONDA (CPTECINPE), SolRad-Net (NASA), and instruments installed at the Solar Energy Laboratory at UFRGS were used to validate the spectral and broadband irradiance provided by the computational model SMARTS2. We determined the characteristics of the solar spectral distribution in Porto Alegre - RS, Petrolina - PE, Alta Floresta - MT and Manaus - AM and its effect on different photovoltaic devices.

Os sistemas de aquecimento através da energia solar são uma fonte interessante de energia acessível e distribuída. No Brasil, a utilização de coletores solares planos já é bem conhecida e difundida. Os coletores solares de tubo evacuado até pouco tempo tinham um custo considerado elevado para o nosso mercado, mas atualmente esta tecnologia está cada vez mais difundida no mercado nacional com custos menores. Para se entender se o custo adicional deste coletor quando comparado aos tradicionais coletores planos é vantajoso, são necessários estudos comparativos para determinar as reais vantagens e quando as mesmas podem proporcionar uma maior economia financeira à instalação. Esta dissertação compara as tecnologias atuais de coletores planos com os de tubo evacuado disponíveis no mercado nacional, mostrando comparações em diferentes regiões do país e analisando se as vantagens encontradas são interessantes do ponto de vista do custo da instalação. Para realizar estas analises foram desenvolvidos testes para caracterização dos tubos destes coletores, de forma a determinar os parâmetros de desempenho dos mesmos. Também foi preparada uma bancada de testes para os coletores solares e foram realizados ensaios de comportamento térmico. Conhecendo os resultados foi possível adequar e utilizar um software de simulação desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Este software visa a simulação de sistemas de aquecimento de água com diferentes configurações em qualquer região do país. Com a implementação dos coletores de tubo evacuado, e com simulações do seu desempenho em diferentes regiões, é possível comparar o seu comportamento em relação ao coletor plano. Nesta dissertação as curvas de desempenho foram comparadas em diferentes situações, onde foi possível verificar em que momentos o coletor de tubos pode ser melhor que o plano. Também foram realizadas comparações entre a área ocupada e o custo destes coletores para instalações em 3 diferentes regiões do país. Com estas comparações ficou evidente que para climas mais frios o coletor de tubos evacuados pode apresentar melhor desempenho que os coletores planos, mas o seu custo ainda é muito maior que os coletores planos nacionais. / The solar water heating systems are a interesting source of accessible and distributed energy. In Brazil, the flat plate solar collector use is well known. The vaccum tube solar collectors until little time ago had an elevated cost for our market, but, today, the technology is available in our national market with lower costs. And to understand if this costs, that are higher than the flat plane collectors are worth it, some studies are necessary to understand the real benefits of this technology. This work aims to compare both technologies available in the national market, showing comparisons in different regions of the country and studying if the advantages are interesting in the economical point of view. To achieve that some tests were developed in order to obtain the performance parameters of this collectors. Also an external bench was developed to test this collectors according to the Brazilian standard. With the results and knowing the behavior of this collectors it was possible to program the simulation software that was developed in the Laboratório de Energia Solar of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. This software aims at the simulation of water heating systems in different regions of the country. With the implementation of the vacuum collectors in the software, it was possible to simulate different climate conditions over the country and compare the behavior with the flat plate collectors. In this work the performance curves were compared in different climate situations, so that was possible to understand when the vaccum collector can be better. Also some comparisons where made between the occupied area and the costs in three different regions of the country. With the results of this comparisons it is evident that for cold climates the vaccum collector can obtain a better performance than the flat plate collectors, but its cost is still higher.

Esta tese tem como objetivo o estabelecimento de bases técnicas para o dimensionamento de aproveitamentos híbridos hidrelétricos fotovoltaicos. Nesse sentido, investigam-se o funcionamento e a viabilidade técnica de uma configuração para esses aproveitamentos quanto aos efeitos de diferentes capacidades das baterias ou perfis de demanda, entre outros fatores. A tese traz à tona a questão da complementariedade entre fontes de energia, avaliando a influência de diferentes gradações de complementação entre as energias hídrica e solar e caracterizando essa complementariedade ao longo do Estado do Rio Grande do Sul. O sistema estudado é constituído por dois aproveitamentos, um hidrelétrico e outro fotovoltaico, operando em paralelo para atender a demanda. O desempenho foi investigado a partir da proposição de uma metodologia de análise, que consiste em um balanço energético baseado em disponibilidades energéticas idealizadas, resultando em um parâmetro para comparação de desempenho (um índice de falhas no atendimento). A idealização dos dados permite investigar a influência de determinado parâmetro, “filtrando” os efeitos de outros fatores (como condições climáticas). A avaliação dos efeitos da complementariedade foi efetuada pela proposição de índices matemáticos adimensionais. As simulações confirmaram tendências esperadas, como o aumento das falhas para baterias de menor capacidade e para menor complementariedade no tempo ou a redução das falhas para perfis com picos de demanda ao meio dia, entre outras, e mostraram como pequenas variações na capacidade das baterias, na potência hidrelétrica instalada ou na área dos módulos fotovoltaicos podem influenciar o desempenho do sistema. Uma avaliação da “aderência” dessas idealizações com a realidade foi obtida com simulações a partir de dados reais e com uma simulação experimental. Em ambos os casos houve forte semelhança qualitativa dos resultados, mostrando a influência de efeitos climáticos e de outros fatores sobre o comportamento dos componentes do sistema. Os ensaios experimentais foram realizados em duas bancadas, uma no Laboratório de Energia Solar, da Escola de Engenharia, e a outra no Laboratório de Ensino de Hidráulica, do Instituto de Pesquisas Hidráulicas, ambos nesta Universidade. Os resultados experimentais forneceram também subsídios para definir o controle do sistema, mostrando como deve ser o controle de carga das baterias e a inserção da corrente fornecida pelo gerador hidrelétrico. Enfim, foram estabelecidas diretrizes para o dimensionamento de aproveitamentos hidrelétricos fotovoltaicos com base na aplicação da metodologia proposta para análise, além de ter sido avaliada de forma expedita a aplicabilidade desse tipo de sistema de geração no Estado. / This thesis purposes to establish the technical bases for component sizing of hydroelectric photovoltaic hybrid plants. In this sense, the operation and technical viability of a specific configuration of these plants were investigated with regard to the effects of different battery capacities or demand profiles, among others. The thesis deals with the question of complementarity between energy resources, evaluating the influence of different complementarity gradations between hydro and solar energies and describing this complementarity along the State of Rio Grande do Sul. The studied system consists of two plants, a hydroelectric and a photovoltaic, operating in parallel to supply the consumers. The performance was investigated from the proposition of an analysis methodology, based on an energetic balance with idealized resources availability, resulting into a comparison parameter (a supply failure index). The data idealization allows to investigate the influence of each parameter, filtering off another effects (as climatic conditions). The complementarity effects were evaluated from the proposition of adimensional mathematical indexes. Expected tendencies, like an increase of failures due to smaller battery capacities and smaller time complementarity, or a decrease due to demand profiles with peak of demand concentrated at noon, were confirmed by the computational simulations, as well as how small variations of battery dimension, of installed hydro power and of photovoltaic area affects the system performance were also demonstrated by these simulations. The simulation with real meteorological data and an experimental simulation provides an evaluation of the adherence of idealizations with reality. In both cases, there was a strong qualitative similarity between results, showing the influence of climatic conditions and other factors on the system performance. The experimental tests were performed at Laboratório de Energia Solar, Escola de Engenharia, and at Laboratório de Ensino de Hidráulica, Instituto de Pesquisas Hidráulicas, in this University. The laboratory experiments results in information to define the control of the system, showing how to control the charge of batteries and how to insert the hydro power into the dc bus. Finally, technical bases for sizing methodology of hydro photovoltaic plants were established, based on the analysis methodology proposed. The aplicability of these kind of energy system was also evaluated.

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações. / This thesis presents an analysis of the thermal behavior of a thermosyphon solar water heating system. In these systems the collector fluid circulates by natural convection, i.e., due to the density difference along the system. The mass flow rate varies along the day and the year, depending on the absorbed solar radiation, the system fluid temperatures, the system geometry, the demand conditions and others factors. Preliminary calculations and measurements were performed on the mass flow rate, fluid and storage tank temperatures. Comparison between experimental and predicted theoretical results is presented. The results analysis was used on the development of TermoSim: a software for computer simulation of solar water heating systems. The mathematical models considered on TermoSim comprises mainly the solar collectors, storage tanks and connecting pipes. The solar collectors are modeled according the classical quasi-steady approximation by Hottel-Bliss-Whillier theory. The storage tank is modeled as stratified liquid tank with multinodal convection and conduction. The collector mass flow rate is evaluated from a balance between the friction pressure drop and the pressure due to density differences along the thermosyphon circuit (thermosyphon head). The models were validated from the comparison between simulated results and experimental data. It was found that the models are adequate to reproduce accurately the thermal behavior for the solar collector and storage tank. Besides the software TermoSim, it was also developed the program TermoDim, which is a design tool that requires only system geometric parameters, monthly averaged meteorological data and information about the load amount. TermoDim is appropriate for estimating the performance of thermosyphon systems with vertical and horizontal storage tanks. The design method was based on the correlation for the system monthly efficiency obtained in this Thesis from a large number of simulations.