Sistemas para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia, com um mínimo impacto ambiental, apresentam uma contribuição energética cada vez mais significativa, sendo importante conhecer em detalhe o comportamento dos mesmos. A radiação solar e o vento podem se mostrar complementares, sendo interessante empregar uma combinação eólica e fotovoltaica em um sistema único. Os sistemas assim constituídos recebem o nome de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos e em algumas aplicações podem mostrar vantagens em relação aos sistemas singelos. Esta Tese tem por objetivo contribuir com o conhecimento sobre o comportamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos de pequeno porte. Para obter dados experimentais foi montado um protótipo no Laboratório de Energia Solar, constituído de um painel de 420 Wp e de um aerogerador de 400 W de potência nominal, sendo que para o acionamento do aerogerador foi instalado um túnel de vento. Para a observação do comportamento do sistema híbrido foi também montado um sistema de monitoramento, sendo analisadas na Tese as incertezas associadas às medições realizadas. O sistema de monitoramento forma parte de um sistema mais amplo, que permite também o controle da velocidade do vento no túnel de vento e a ativação automática de um conjunto de cargas resistivas para simular o perfil de consumo. A Tese discute os modelos matemáticos de todos os componentes do sistema, assim como as principais configurações que podem ser dadas aos sistemas híbridos. Foram realizadas várias experiências com o sistema híbrido que permitiram a coleta de informações sobre o comportamento dos componentes independentes e como um todo Essas informações, por sua vez, serviram de base para a validação de modelos matemáticos dos diversos componentes do sistema, que foram integrados em um programa computacional de simulação elaborado como parte desta Tese. Além dos resultados do funcionamento do sistema híbrido experimental, a Tese mostra os resultados do programa de simulação e faz uma estimativa da aplicação de sistemas híbridos semelhantes em localidades de Rio Grande do Sul, a partir da informação do Atlas Eólico do Estado.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. / Made available in DSpace on 2012-10-24T14:12:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 263068.pdf: 3501407 bytes, checksum: e499e7e2baabf547151031a0c29e476e (MD5) / O desenvolvimento da humanidade há muito tempo está ligado à disponibilidade energética. Atualmente a matriz energética mundial está baseada nos combustíveis derivados de petróleo, que possui alto coeficiente energético, mas que também gera grande degradação ambiental em sua exploração e utilização. As fontes renováveis têm como vantagem a geração de energia sem danos significativos ao meio ambiente. Dentre essas, a energia solar fotovoltaica surge como um grande potencial de geração limpa e descentralizada. Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sobre a aplicabilidade de sistemas solares fotovoltaicos interligados à rede elétrica urbana e integrados às edificações. O estudo deteve-se na integração de painéis solares fotovoltaicos em edificações residenciais urbanas, buscando quantificar sua contribuição na rede elétrica. Para isso foi proposta uma tipologia de kits, de painéis fotovoltaicos, com área e potência pré-definidas para serem instalados nas coberturas das edificações residenciais unifamiliares de um bairro de uso misto da cidade de Florianópolis - SC. O potencial de geração foi estimado a partir do número de kits a serem instalados e da irradiação solar incidente na cidade. Já o percentual de contribuição na rede elétrica foi definido a partir do consumo do alimentador da rede que serve o bairro em questão. A partir da avaliação das residências foi possível concluir que estas têm coberturas com elevado potencial de aproveitamento da energia solar, podendo sempre integrar os kits e ainda na porção mais ensolarada do telhado. Em comparação com a demanda do bairro, os kits têm muito a contribuir, principalmente pelo pico de geração energética ser concomitante com o pico de consumo das edificações de serviço e comércio existentes no bairro. Os estudos mais detalhados também mostraram que, na proporção em que se encontram as residências no bairro, a geração dos kits nas residências seria suficiente para uma contribuição significativa na demanda total, sem comprometer o fornecimento de energia pela adição de uma fonte sazonal, como é a energia solar.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T02:45:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 279104.pdf: 12142340 bytes, checksum: ee36755aa6b85baae4cefb09fe871d54 (MD5) / A inserção de geradores convencionais de energia geralmente ocorre em locais afastados dos grandes centros urbanos, pois tende a acarretar problemas para o entorno como poluição do ar, poluição sonora e poluição visual. No entanto, com a energia cada vez mais necessária para o desenvolvimento humano, utilizar a fonte de geração próxima ao ponto de consumo é uma maneira eficaz de reduzir as perdas por transmissão e distribuição (T&D), Neste contexto, destaca-se a energia solar fotovoltaica, que, além de gerar eletricidade de forma distribuída, diferenciando-se da forma como se constitui o setor elétrico brasileiro, é inesgotável, silenciosa, estática, extremamente simples em sua operação, possui característica modular e pode integrar-se a edificações. Tem-se então, através da geração fotovoltaica, a oportunidade de instalar geradores limpos, renováveis e silenciosos em meio urbano. O objetivo desta dissertação é analisar a inserção do que poderia ser o maior gerador fotovoltaico da América do Sul de que se tem notícia até o presente, integrado ao envelope da edificação da Eletrosul, empresa do setor elétrico, localizada em área urbana de Florianópolis - SC. Através do estudo de área disponível na edificação e suas áreas adjacentes, quantificou-se o potencial fotovoltaico existente na Eletrosul. A partir daí, estimou-se a geração fotovoltaica horária, mensal e anual, a fim de comparar com o consumo da edificação. Com 1 MWp instalado, a contribuição anual seria de 31% do consumo energético, chegando a 42% no mês de dezembro. Na comparação horária, verificaram-se momentos de geração energética superior ao consumo, resultando em energia injetada na rede. Como o consumo e a geração fotovoltaica apresentaram curvas semelhantes, constatou-se a possibilidade de uma recontratação de demanda pela empresa, agregando mais valor à integração fotovoltaica. Por fim, analisou-se a participação da geração deste sistema de grande porte na redução de consumo energético no alimentador em que a edificação está inserida. Neste caso, a contribuição foi de 5% do consumo anual. Através das análises, pode-se quantificar a contribuição energética de um gerador fotovoltaico de grande porte tanto para a edificação quanto para o alimentador em que ela está inserida.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2012-10-23T07:32:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 244870.pdf: 5144034 bytes, checksum: 9a643ee225ba7e6ac97286157e8ccac0 (MD5) / Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de uma metodologia para o posicionamento estratégico de sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição em centros urbanos, visando maximizar os benefícios da natureza distribuída da geração fotovoltaica. Esta metodologia, baseada no Fator Efetivo de Capacidade de Carga (FECC), oferece uma ferramenta de planejamento para a concessionária decidir em quais alimentadores do sistema de distribuição a geração fotovoltaica será mais vantajosa. A metodologia descrita é baseada na forte correlação que se verifica entre as curvas de demanda de alimentadores diurnos e as curvas de geração solar fotovoltaica. Considera-se que os maiores picos de demanda estão associados a dias ensolarados, e que uma parcela considerável da capacidade fotovoltaica conectada a alimentadores com pico de demanda diurno estará sempre presente quando necessário. Para dias/períodos com céu encoberto, considera-se que haverá uma redução na demanda do alimentador correspondente ao déficit relativo à geração solar. Dados horários de demanda dos alimentadores de duas concessionárias, CELESC (cidade de Florianópolis) e CEMIG (cidade de Belo Horizonte), foram correlacionados aos dados de radiação/geração solar fornecidos pelo Laboratório de Energia Solar - LABSOLAR da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). O LABSOLAR opera uma estação solarimétrica e um gerador solar fotovoltaico de 2 kWp conectado à rede de distribuição elétrica e integrado à edificação desde 1997. Esse sistema fotovoltaico é utilizado para validação da metodologia. Para a cidade de Florianópolis, dos 35 alimentadores urbanos existentes, 17 foram caracterizados como alimentadores com pico de demanda diurno e foram analisados neste trabalho. Em Belo Horizonte, somente um número limitado de alimentadores foi analisado; dos 16 alimentadores analisados 11 possuem pico de demanda diurno. Para todos os casos, o FECC foi calculado para diferentes níveis de penetração fotovoltaica e os resultados utilizados foram utilizados na construção de uma estratégia que estabelece a priorização dos alimentadores e a capacidade dos geradores fotovoltaicos para uma capacidade instalada desejada. O FECC é apresentado como uma ferramenta útil na identificação do potencial e da localização estratégica de geradores fotovoltaicos em centros urbanos. This thesis presents the development of a methodology for the strategic siting of grid-connected PV generators in the distribution network in urban areas in Brazil, aiming at maximizing the benefits of the distributed nature of PV generation. The methodology, based on the Effective Load Carrying Capacity (ELCC), offers a tool for utility planners to decide to which feeders in the distribution system the introduction of a given amount of PV generators will be most advantageous. The methodology described is based on the strong correlation between daytime peaking feeder load curves and the solar generation profile. It is assumed that the largest demand peaks are associated with sunny periods, and that a considerable fraction of a given and limited PV capacity connected to a daytime peaking feeder will always be available when needed. For cloudy and overcast periods, it is assumed that there will be a reduction in a given daytime peaking feeder demand, which is at least as large as the corresponding solar generation deficit. Hourly utility feeder demand data from two utilities (CELESC in Florianópolis, and CEMIG in Belo Horizonte) were correlated to solar radiation/generation data supplied by the solar energy research laboratory at the Universidade Federal de Santa Catarina#s (UFSC) Solar Energy Laboratory (LABSOLAR). LABSOLAR operates a fully-monitored, building-integrated gridconnected PV installation since 1997. This PV system is used to validate the methodology. For the capital city of Florianópolis, out of the 35 existing urban feeders 17 were found to be daytime peaking and were analyzed in this work. In Belo Horizonte, only a limited number of feeders were analyzed, and out of 16 feeders 11 presented daytime peaking load curves. In all cases, the ELCC of PV was calculated for different PV penetration levels and the results were used to establish a priority schedule for connecting PV to feeders. The ELCC is presented as a useful tool for identifying the potential and optimizing the sitting of PV generators in the urban environment.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. / Made available in DSpace on 2012-10-24T06:23:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 260094.pdf: 1262382 bytes, checksum: 557bfd12801c02b862521eabff67ac0b (MD5) / Na busca por novas opções para a constituição de uma nova matriz energética, os Sistemas Fotovoltaicos Interligados à Rede de Distribuição (SFIRD) se configuram como uma alternativa para centros urbanos, valendo-se de ser uma forma de geração distribuída (GD), assim gerando energia no próprio local onde esta será consumida. Os SFIRD não necessitam de novas áreas para sua instalação, pois estes farão uso de espaços já existentes, como o envelope das edificações para as quais estes gerarão energia, além de que eles possuem potencial de colaborar no desempenho da rede em que se encontram conectados. Neste trabalho é apresentado um estudo de caso de um SFIRD conectado a um alimentador de característica fortemente comercial, com pico de carga diurno e bastante coincidente com o pico de geração fotovoltaica. Este SFIRD encontra-se em funcionamento contínuo desde 1997 no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC) em Florianópolis - SC. Nesta pesquisa foram confrontados os dados de geração deste SFIRD com os dados do alimentador da concessionária elétrica local ao qual este gerador se encontra conectado (TDE-07). O trabalho mostra o quanto este SFIRD contribui nos momentos mais críticos da operação do alimentador TDE-07. Utilizando para isso o Fator Efetivo de Capacidade de Carga (FECC). O trabalho mostra também o quanto este SFIRD contribui no total de energia consumida por este alimentador e qual seria a contribuição esperada caso um número significativo de edificações residenciais da mesma região fossem equipadas com um gerador solar semelhante. In search for new options to build a different energy mix, grid-connected, building-integrated PV generators (BIPV) are an alternative to urban areas because they constitute a distributed generation tool providing energy that will be generated at the point of use. BIPVs do not require new areas to be installed, since they use areas that are already occupied by the building envelope. This thesis shows the study of a BIPV system that has been connected to a very commercial feeder which has a diurnal load peak which matches the solar radiation profile very closely. This BIPV installation is operating continually since 1997 in Laboratório de Energia Solar of Universidade Federal de Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC), in Florianópolis - Brazil. The research compares the amounts of energy generated by BIPV installations with the energy demands of the respective Utility feeder (TDE-07) to which this BIPV installation is connected. The results presented show that on top of the energy produced, BIPV installations can assist distribution feeders during load peaks (peak-shaving capability). To quantify this benefit, the Effective Load Carrying Capacity (ELCC) concept was used. The study also shows the potential of BIPV solar generators in residential buildings in contributing to the total energy demands of the Utility feeder studied.

A energia solar e a energia eólica são fontes de energias renováveis com potencial inesgotável e que não liberam contaminantes ao meio ambiente. O uso destas energias em conjunto, explorando a sua complementaridade, pode viabilizar economicamente e permitir um uso confiável deste sistema, denominado sistema híbrido fotovoltaico-eólico, podendo ser um sistema autônomo de geração de energia elétrica. Dependendo das aplicações, o sistema híbrido fotovoltaico-eólico pode apresentar vantagens em comparação ao sistema que utiliza somente uma das fontes de energia solar ou eólica, dito singelo. A elaboração de mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico no Estado do Rio Grande do Sul, permitiria um melhor aproveitamento de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico neste Estado do Brasil. O uso desses mapas é de grande valia para a identificação de potenciais locais geográficos para o emprego de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul. Através de uma pesquisa dos dados existentes e dos métodos utilizados para estimar a radiação solar e a velocidade dos ventos, obtiveram-se valores das médias trimestrais correspondentes às quatro estações do ano (verão, outono, inverno e primavera) e a média anual, que possibilitaram a elaboração dos mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico para serem utilizados em sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul para estes períodos. A metodologia utilizada para a obtenção dos dados de mapas da velocidade dos ventos a 10 metros de altura no Estado do Rio Grande do Sul fez uso de um programa de leitura de mapas de velocidade do vento a 50 metros de altura e de rugosidade e, após foi feita a correção para obtenção da velocidade do vento a 10 metros de altura. Os dados referentes à radiação solar horizontal também sofreram uma correção da inclinação, para a obtenção da radiação incidente em uma superfície inclinada, de forma a obter-se o melhor rendimento do módulo fotovoltaico. A conclusão obtida é que existem regiões no Estado do Rio Grande do Sul que apresentam um potencial energético fotovoltaico-eólico que viabilizariam o uso dos sistemas híbridos fotovoltaico-eólico, possibilitando uma opção a mais para o uso de energias alternativas.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de energia elétrica estão sendo muito estudados, pois representam uma alternativa tecnicamente confiável para incrementar a contribuição das fontes renováveis na matriz elétrica. Portanto é importante conhecer o comportamento desses sistemas e o seu impacto sobre a rede elétrica. Esta dissertação apresenta uma análise da distribuição de tensões em uma instalação fotovoltaica de 4800 WP conectada à rede de distribuição de energia elétrica. A instalação é dividida em três subsistemas onde cada um possui 16 módulos de células de silício monocristalino de 100 Wp de potência nominal e 24 V de tensão nominal organizados em dois painéis de oito módulos em série, conectados dois a dois em paralelo e conversores CC/CA de potência nominal e máxima de, respectivamente, 1000 W e 1100 W na saída. O comportamento da instalação é estudado a partir do monitoramento das tensões dos módulos de um subsistema, das tensões e correntes dos seis painéis que compõem a instalação, da temperatura ambiente, da temperatura dos módulos, da temperatura dos conversores CC/CA e da irradiância no plano do gerador fotovoltaico. A análise abrange diferentes situações de funcionamento da instalação, tanto em condições normais de operação da mesma como em situações especiais, quando algumas células de módulos estão sombreadas e quando o sistema está em curto circuito ou em circuito aberto. Os módulos sombreados apresentam valores de tensão inferiores aos dos módulos que não foram sombreados conforme o número de células sombreadas e principalmente como estão conectados os diodos de bypass. Os módulos apresentam produções diferentes em baixos níveis de irradiância ou em diferentes temperaturas. Com a utilização de um programa de simulação foi possível analisar o comportamento de uma associação de módulos fotovoltaicos, considerando efeitos de temperatura, irradiância e possíveis diferenças entre os módulos que compõem a instalação. Os resultados da simulação apresentaram concordância com a experimentação. Na dissertação são apresentados os métodos de aquisição de dados, a análise dos resultados experimentais, e a descrição dos resultados obtidos a partir da simulação computacional. / Grid-connected photovoltaic plants are being studied because they represent a confident alternative for the increase of the renewable energy sources contribution to the electric matrix. Therefore it is important to know the behavior of these plants and their impact on the electric grid. This work presents an analysis of the distribution of voltages in a 4800 WP grid-connected photovoltaic plant. This plant was divided in three subsystems. Each subsystem is constituted by two strings of 100 Wp / 24 V modules with mono-crystalline silicon cells. These arrays feed three grid commuted single phase inverters, with 1100 W maximum power each, thus characterizing a modular plant. The system for data monitoring registers the operational voltages of the modules in a subsystem, the operational voltages and currents of the six strings of the plant, the solar irradiance incident at the generator plane, and temperatures of the ambient air, of a PV module and of the inverters. The analysis includes different operational situations of the plant and special situations as the shadowing of cells in the modules, system in short circuit and open circuit condition. The modules shadowed present inferior values of voltage to the modules that was not shadowed. This result depends on the number of shadowed cells and mainly if the diodes of bypass are connected. The modules present different performance under low solar irradiances or in different temperatures. Finally, comparisons between experimental and simulated values were performed using a simulation software, considering the effect of the temperature, solar irradiance and possible differences between the modules that compose the installation. These comparisons show a very good agreement. The methodology for data acquisition are also presented, as well as the analysis of the experimental results and the description of the computational obtained results.

O presente trabalho visou a utilização da energia solar na cura de pré-fabricados de concreto. Para tanto, foi utilizado dois modelos. O primeiro modelo constou da utilização de coletores solares planos, ligados até uma câmara de cura por um sistema de dutos; A radiação direta do sol incide sobre os coletores, que acumulam energia, que é removida pela água que circula pelos mesmos, levando essa energia através do sistema de distribuição (dutos) até a câmara de cura; Essa câmara, possui uma pista metálica em sua base, onde a energia é cedida para os pré-fabricados de concreto; Esse ciclo de captação distribuição e consumo é repetido a cada hora do dia, onde há radiação solar; Um segundo modelo constou de uma heliocâmara, princípio de um destilador solar convencional, onde a radiação incide diretamente sobre a câmara de cura; A radiação, penetra pela cobertura e forma-se um efeito estufa no interior da câmara, aquecendo seu interior e consequentemente os pré-fabricados de concreto; Avaliou-se os dois sistemas para as estações de verão e inverno na cidade de Porto Alegre (dias típicos) e concluiu-se que para o verão, tanto o sistema com coletores solares quanto o sistema com heliocâmaras poderão ser utilizados. No período de inverno, nenhum destes sistemas serão satisfatórios, porém suas utilizações serão viáveis em conjunto com uma fonte de energia alternativa; A energia solar constitui-se assim numa importante fonte de energia a ser utilizada em pré-fabricados de concreto.

Apresentar um modelo para simular um sistema de armazenamento de calor no solo em estufas para plasticultura é o objetivo do presente trabalho. O sistema consiste num feixe de tubos enterrados no solo. A convecção forçada de ar no seu interior realiza a troca térmica necessária para manter as estufas sob faixas desejadas de temperatura. O objetivo do modelo é investigar os efeitos no calor armazenado e a influência das variáveis, tais como diâmetro, comprimento, espaçamento entre os tubos e a velocidade de ar no canal provocam no sistema. O solo é tratado como um meio difusivo e avalia-se a contribuição do termo de condensação e evaporação da água contida no ar em escoamento nos tubos. A equação da energia é resolvida para o solo e para o ar. Os tubos de seção transversal circular são modelados como tubos de seção transversal quadrada com o objetivo de que as simulações possam ser processadas em coordenadas cartesianas. O programa resolve situações tridimensionais, transientes e emprega o Método dos Volumes Finitos para integrar as equações diferenciais governantes. O modelo original é baseado no modelo de Gauthier et al., 1997, tendo sido os resultados do mesmo foram usados para a validação do presente estudo. Um circuito de água quente é também projetado e apresentado para o aquecimento das estufas. A água circula através de mangueiras sobre o solo e é aquecida por um sistema de queimadores a gás liqüefeito de petróleo ou óleo combustível, transferindo assim calor para o interior da mesma. O projeto de aquecimento foi realizado através de um programa de parceria entre a Ufrgs, Sebrae, Fapergs e a Agropecuária Clarice.

É muito difícil falar sobre aquecimento de água usando energia solar, sem falar em energia de apoio, ou auxiliar. Essa indispensável energia auxiliar, que pode ser eletricidade, gás ou um outro combustível qualquer, tem por objetivo substituir a energia solar nos dias nublados, ou complementá-la nos períodos de baixa radiação solar. Sua finalidade é manter um certo volume de água quente dentro das condições mínimas de temperatura para uso imediato. Essa energia, tão importante para a eficácia do sistema, tem sempre um custo agregado que deve ser considerado no projeto. A escolha do tipo de energia auxiliar recai justamente sobre a eletricidade por sua facilidade de controle e baixo investimento inicial. O custo da energia elétrica, contudo, é hoje alto o suficiente para que a fração elétrica no consumo de energia do sistema seja importante e passe a merecer mais atenção. Esta dissertação visa a estudar estratégias para minimizar o consumo de energia elétrica auxiliar. O trabalho foi desenvolvido através da simulação do atendimento de uma residência unifamiliar, habitada por cinco pessoas, com um consumo de água quente variável ao longo do dia e igual para todos os dias do ano. Empregou-se para as simulações de todos os casos estudados, o software TRNSYS em sua versão 14.2, (KLEIN, 1997) que demonstrou eficácia e coerência nos resultados obtidos Ao longo do trabalho foram simulados mais de setecentos casos, variando-se parâmetros como área de coletores, volume do reservatório, potência elétrica, dentre outros. Com os resultados obtidos nas simulações foram elaboradas tabelas e gráficos dos quais foi possível retirar algumas conclusões relevantes tais como a dependência do consumo de energia auxiliar com o volume do reservatório, número de coletores, potência da resistência de aquecimento e sua altura, bem como a altura do termostato. A partir dos resultados deste trabalho foi possível a elaboração de uma série de recomendações relativas a estudo e a projeto de sistemas de aquecimento solar de água quente para uso doméstico, visando à otimização na utilização do sistema de energia auxiliar.