A simulação é uma das ferramentas mais utilizadas para a aplicação da análise sistêmica nos mais diversos estudos. Ao longo do tempo, vários modelos foram desenvolvidos para representar sistemas de recursos hídricos, utilizando a simulação. Dentre esses modelos, está o Propagar MOO, que simula a propagação de vazões em uma bacia hidrográfica, submetida à decisões operacionais de suprimento de demandas e de operação de reservatórios, introduzidas pelo usuário através de rotinas escritas na linguagem de programação Pascal Script. A utilização eficiente dessas rotinas permite ao usuário ampliar a capacidade e flexibilidade do modelo na representação de um sistema hídrico. Com o objetivo de contribuir na ampliação da flexibilidade do modelo Propagar MOO e de sua aplicabilidade à modelagem de sistemas de recursos hídricos em geral, bem como facilitar o estudo da linguagem de programação Pascal Script e motivar os profissionais da área no desenvolvimento de novas rotinas aplicadas ao modelo, foram implementadas, através do presente trabalho, rotinas genéricas contendo estratégias de planejamento do uso da água e de operação de reservatórios, bem como ferramentas para analisar seus resultados. Para ampliar essa contribuição, foi aprimorada a possibilidade de simulação da geração de energia hidrelétrica em pontos de uma rede hidrográfica, com a criação de novas ferramentas para esse fim, na estrutura interna do modelo. Por fim, para que o próprio usuário pudesse construir ferramentas para auxiliar na verificação dos resultados obtidos nas simulações, esse estudo apresenta a implementação de rotinas de uso geral para servir como exemplos de ferramentas de análise de dados.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Estágio realizado na EDP Produção, S.A. e orientado pelo Eng.º Virgílio Mendes / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

A simulação é uma das ferramentas mais utilizadas para a aplicação da análise sistêmica nos mais diversos estudos. Ao longo do tempo, vários modelos foram desenvolvidos para representar sistemas de recursos hídricos, utilizando a simulação. Dentre esses modelos, está o Propagar MOO, que simula a propagação de vazões em uma bacia hidrográfica, submetida à decisões operacionais de suprimento de demandas e de operação de reservatórios, introduzidas pelo usuário através de rotinas escritas na linguagem de programação Pascal Script. A utilização eficiente dessas rotinas permite ao usuário ampliar a capacidade e flexibilidade do modelo na representação de um sistema hídrico. Com o objetivo de contribuir na ampliação da flexibilidade do modelo Propagar MOO e de sua aplicabilidade à modelagem de sistemas de recursos hídricos em geral, bem como facilitar o estudo da linguagem de programação Pascal Script e motivar os profissionais da área no desenvolvimento de novas rotinas aplicadas ao modelo, foram implementadas, através do presente trabalho, rotinas genéricas contendo estratégias de planejamento do uso da água e de operação de reservatórios, bem como ferramentas para analisar seus resultados. Para ampliar essa contribuição, foi aprimorada a possibilidade de simulação da geração de energia hidrelétrica em pontos de uma rede hidrográfica, com a criação de novas ferramentas para esse fim, na estrutura interna do modelo. Por fim, para que o próprio usuário pudesse construir ferramentas para auxiliar na verificação dos resultados obtidos nas simulações, esse estudo apresenta a implementação de rotinas de uso geral para servir como exemplos de ferramentas de análise de dados.

A utilização de fontes de energias renováveis vem a cada dia se destacando como forma de suprir um mundo em constante desenvolvimento tecnológico e crescimento econômico. O crescimento de uma economia é sempre acompanhado por um aumento da demanda de energia, e em tempos de aquecimento global e consciência ecológica, a busca pelo maior uso de fontes de energia renováveis passa a ocupar uma posição de destaque. O fato de mais de 8 milhões de pessoas, ou 5,2% da população, ainda esperarem pela disponibilidade de energia elétrica no Brasil, deve levar ao estudo e desenvolvimento de alternativas que preencham essa lacuna, e proporcionem uma maior qualidade de vida. Programas de incentivo criados pelo governo, como LUZ PARA TODOS, e o PRODEEM, e o potencial apontado pela energia dos ventos no Brasil, motivaram um estudo sobre como a reservação de energia hidráulica poderia afetar o uso da energia eólica em sistemas isolados. Este trabalho teve por objetivo estudar a influência das diversas variáveis presentes em um sistema de reservação de energia hidráulica, visando explorar o uso da energia eólica, e garantir o atendimento da crescente demanda energética. Através de simulações numéricas, utilizando o programa Visual Basic, variáveis como cotas entre reservatórios, proporção entre demanda e potências instaladas, e diferentes capacidades de reservatórios foram exploradas, e através do uso de reservatórios hidráulicos, foi possível elevar o atendimento de demandas em sistemas isolados de menos de 50% em sistemas convencionais, para 99,6% em sistemas com reservação hidráulica, e obter custos de energia próximos dos US$90/MWh. Estes dados situam o sistema de geração de energia eólica com reservação hidráulica em sistemas isolados dentro da faixa de atendimento e custos praticados atualmente, e abrem caminho para futuros estudos, avaliando diferentes regimes de ventos, ou aplicando a tecnologia de reservação hidráulica a outras fontes de energia renováveis, como a energia proveniente das ondas, por exemplo. / The use of renewable energy sources to supply a world in constant technological and economical development is a growing trend. A growing economy is always followed by an increased demand, and in a time of global warming and ecological awareness, the seeking for major renewable energy use takes a prominent position. In a continental country such as Brazil, the fact that 8 million people, or about 5.2% of population, are still waiting for electric energy, leads to the study and development of alternatives to fill this gap and to provide a better life quality. Incentive programs, by the Brazilian government, as LUZ PARA TODOS, and PRODEEM, and the great potential seen in the wind energy in Brazil, motivated a study about how pumped storage may affect the wind generation for isolated systems. The main goal of this work is to understand the influence of the several variables present on a pumped storage system, as a way to better use the wind energy, and to ensure the supply of the growing energy demand. Variables as vertical heads, demand to installed power ratio, and different reservoir capacities are studied, and by the use of hydraulic reservoirs, the feasibility of increasing the wind energy supply, from the 50% in conventional systems up to 99.6% on a pumped storage scheme, while obtaining energy costs around US$90/MWh, is demonstrated. These results place the pumped storage wind power within the expected supply reliability and energy cost levels actually practiced, and suggest future studies, evaluating different wind regimes, or applying the pumped storage technology to other renewable energy sources, such as ocean waves for example.

A simulação é uma das ferramentas mais utilizadas para a aplicação da análise sistêmica nos mais diversos estudos. Ao longo do tempo, vários modelos foram desenvolvidos para representar sistemas de recursos hídricos, utilizando a simulação. Dentre esses modelos, está o Propagar MOO, que simula a propagação de vazões em uma bacia hidrográfica, submetida à decisões operacionais de suprimento de demandas e de operação de reservatórios, introduzidas pelo usuário através de rotinas escritas na linguagem de programação Pascal Script. A utilização eficiente dessas rotinas permite ao usuário ampliar a capacidade e flexibilidade do modelo na representação de um sistema hídrico. Com o objetivo de contribuir na ampliação da flexibilidade do modelo Propagar MOO e de sua aplicabilidade à modelagem de sistemas de recursos hídricos em geral, bem como facilitar o estudo da linguagem de programação Pascal Script e motivar os profissionais da área no desenvolvimento de novas rotinas aplicadas ao modelo, foram implementadas, através do presente trabalho, rotinas genéricas contendo estratégias de planejamento do uso da água e de operação de reservatórios, bem como ferramentas para analisar seus resultados. Para ampliar essa contribuição, foi aprimorada a possibilidade de simulação da geração de energia hidrelétrica em pontos de uma rede hidrográfica, com a criação de novas ferramentas para esse fim, na estrutura interna do modelo. Por fim, para que o próprio usuário pudesse construir ferramentas para auxiliar na verificação dos resultados obtidos nas simulações, esse estudo apresenta a implementação de rotinas de uso geral para servir como exemplos de ferramentas de análise de dados.

A utilização de fontes de energias renováveis vem a cada dia se destacando como forma de suprir um mundo em constante desenvolvimento tecnológico e crescimento econômico. O crescimento de uma economia é sempre acompanhado por um aumento da demanda de energia, e em tempos de aquecimento global e consciência ecológica, a busca pelo maior uso de fontes de energia renováveis passa a ocupar uma posição de destaque. O fato de mais de 8 milhões de pessoas, ou 5,2% da população, ainda esperarem pela disponibilidade de energia elétrica no Brasil, deve levar ao estudo e desenvolvimento de alternativas que preencham essa lacuna, e proporcionem uma maior qualidade de vida. Programas de incentivo criados pelo governo, como LUZ PARA TODOS, e o PRODEEM, e o potencial apontado pela energia dos ventos no Brasil, motivaram um estudo sobre como a reservação de energia hidráulica poderia afetar o uso da energia eólica em sistemas isolados. Este trabalho teve por objetivo estudar a influência das diversas variáveis presentes em um sistema de reservação de energia hidráulica, visando explorar o uso da energia eólica, e garantir o atendimento da crescente demanda energética. Através de simulações numéricas, utilizando o programa Visual Basic, variáveis como cotas entre reservatórios, proporção entre demanda e potências instaladas, e diferentes capacidades de reservatórios foram exploradas, e através do uso de reservatórios hidráulicos, foi possível elevar o atendimento de demandas em sistemas isolados de menos de 50% em sistemas convencionais, para 99,6% em sistemas com reservação hidráulica, e obter custos de energia próximos dos US$90/MWh. Estes dados situam o sistema de geração de energia eólica com reservação hidráulica em sistemas isolados dentro da faixa de atendimento e custos praticados atualmente, e abrem caminho para futuros estudos, avaliando diferentes regimes de ventos, ou aplicando a tecnologia de reservação hidráulica a outras fontes de energia renováveis, como a energia proveniente das ondas, por exemplo. / The use of renewable energy sources to supply a world in constant technological and economical development is a growing trend. A growing economy is always followed by an increased demand, and in a time of global warming and ecological awareness, the seeking for major renewable energy use takes a prominent position. In a continental country such as Brazil, the fact that 8 million people, or about 5.2% of population, are still waiting for electric energy, leads to the study and development of alternatives to fill this gap and to provide a better life quality. Incentive programs, by the Brazilian government, as LUZ PARA TODOS, and PRODEEM, and the great potential seen in the wind energy in Brazil, motivated a study about how pumped storage may affect the wind generation for isolated systems. The main goal of this work is to understand the influence of the several variables present on a pumped storage system, as a way to better use the wind energy, and to ensure the supply of the growing energy demand. Variables as vertical heads, demand to installed power ratio, and different reservoir capacities are studied, and by the use of hydraulic reservoirs, the feasibility of increasing the wind energy supply, from the 50% in conventional systems up to 99.6% on a pumped storage scheme, while obtaining energy costs around US$90/MWh, is demonstrated. These results place the pumped storage wind power within the expected supply reliability and energy cost levels actually practiced, and suggest future studies, evaluating different wind regimes, or applying the pumped storage technology to other renewable energy sources, such as ocean waves for example.

A utilização de fontes de energias renováveis vem a cada dia se destacando como forma de suprir um mundo em constante desenvolvimento tecnológico e crescimento econômico. O crescimento de uma economia é sempre acompanhado por um aumento da demanda de energia, e em tempos de aquecimento global e consciência ecológica, a busca pelo maior uso de fontes de energia renováveis passa a ocupar uma posição de destaque. O fato de mais de 8 milhões de pessoas, ou 5,2% da população, ainda esperarem pela disponibilidade de energia elétrica no Brasil, deve levar ao estudo e desenvolvimento de alternativas que preencham essa lacuna, e proporcionem uma maior qualidade de vida. Programas de incentivo criados pelo governo, como LUZ PARA TODOS, e o PRODEEM, e o potencial apontado pela energia dos ventos no Brasil, motivaram um estudo sobre como a reservação de energia hidráulica poderia afetar o uso da energia eólica em sistemas isolados. Este trabalho teve por objetivo estudar a influência das diversas variáveis presentes em um sistema de reservação de energia hidráulica, visando explorar o uso da energia eólica, e garantir o atendimento da crescente demanda energética. Através de simulações numéricas, utilizando o programa Visual Basic, variáveis como cotas entre reservatórios, proporção entre demanda e potências instaladas, e diferentes capacidades de reservatórios foram exploradas, e através do uso de reservatórios hidráulicos, foi possível elevar o atendimento de demandas em sistemas isolados de menos de 50% em sistemas convencionais, para 99,6% em sistemas com reservação hidráulica, e obter custos de energia próximos dos US$90/MWh. Estes dados situam o sistema de geração de energia eólica com reservação hidráulica em sistemas isolados dentro da faixa de atendimento e custos praticados atualmente, e abrem caminho para futuros estudos, avaliando diferentes regimes de ventos, ou aplicando a tecnologia de reservação hidráulica a outras fontes de energia renováveis, como a energia proveniente das ondas, por exemplo. / The use of renewable energy sources to supply a world in constant technological and economical development is a growing trend. A growing economy is always followed by an increased demand, and in a time of global warming and ecological awareness, the seeking for major renewable energy use takes a prominent position. In a continental country such as Brazil, the fact that 8 million people, or about 5.2% of population, are still waiting for electric energy, leads to the study and development of alternatives to fill this gap and to provide a better life quality. Incentive programs, by the Brazilian government, as LUZ PARA TODOS, and PRODEEM, and the great potential seen in the wind energy in Brazil, motivated a study about how pumped storage may affect the wind generation for isolated systems. The main goal of this work is to understand the influence of the several variables present on a pumped storage system, as a way to better use the wind energy, and to ensure the supply of the growing energy demand. Variables as vertical heads, demand to installed power ratio, and different reservoir capacities are studied, and by the use of hydraulic reservoirs, the feasibility of increasing the wind energy supply, from the 50% in conventional systems up to 99.6% on a pumped storage scheme, while obtaining energy costs around US$90/MWh, is demonstrated. These results place the pumped storage wind power within the expected supply reliability and energy cost levels actually practiced, and suggest future studies, evaluating different wind regimes, or applying the pumped storage technology to other renewable energy sources, such as ocean waves for example.

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 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.