Sistemas Sustentáveis de Energia Elétrica

Objetivos

Ao completar a disciplina, os alunos deverão ser capazes de caracterizar os aspectos funcionais das principais tecnologias de conversão de energia com recursos renováveis como a solar, eólica e hídrica, assim como de dimensionar sistemas que combinem várias fontes de energia renovável, com ou sem armazenamento, para atender a requisitos específicos de entidades fornecedoras de energia, seja em instalações ligadas à rede elétrica ou em sistemas autónomos. Adicionalmente, deverão compreender os principais parâmetros físicos das tecnologias de armazenamento de energia e aplicar o conhecimento sobre componentes e parâmetros de avaliação para prever o desempenho de sistemas de energia elétrica sustentáveis sob certas condições como autossuficiência, eficiência energética, complexidade, custos de implementação e impacto na integração com a rede elétrica.

Programa

Produção de energia a partir de Fontes de Energia Renovável (FER) como solares fotovoltaicos, eólicos e centrais mini-hídricas: diagramas de blocos-princípio de funcionamento, conversão de energia (Efeito fotoelétrico, Células solares e Painéis fotovoltaicos) e tecnologias de conversão eletromecânica de energia (Geradores Síncronos e de Indução: (DFIG) e gaiola de esquilo), impacto no sistema elétrico (Ligado à Rede/Isolado), circuitos elétricos equivalentes (Trânsito de Energia), eficiência energética. Conversores de potência: principais soluções/características funcionais. Armazenamento de energia: bateria, especificações e tipos, carga/descarga, reguladores de carga; Células de Combustível (PEM), princípio de funcionamento. Aplicar os aspetos de projeto de um sistema sustentável no dimensionamento dos seus componentes. Projeto/análise e aplicações: sistemas fotovoltaicos integrados em telhados/edifícios, eletrificação doméstica/rural, sistemas híbridos solar- diesel/solar-eólico.

Pré Requisitos

Sugere-se que o aluno tenha frequentado com sucesso a unidade curricular de Fundamentos de Energia Elétrica, ou equivalente.

Competências Transversais

A gestão do projeto requererá que os estudantes demonstrem capacidade de trabalho em equipe, comunicação eficaz, gestão de tempo e compreensão dos impactos mais abrangentes do projeto. Adicionalmente, serão essenciais habilidades de resolução de problemas e liderança colaborativa para o progresso dos trabalhos laboratoriais, o que inclui aprender a elaborar relatórios técnicos eficientes.

Componente Laboratorial

A componente laboratorial é constituída por quatro trabalhos laboratoriais obrigatórios e por um projecto que engloba os aspetos essenciais do programa. Cada atividade laboratorial é acompanhada de um guia específico. Quanto ao projeto, serão sugeridos alguns temas, enquanto outros poderão ser propostos pelos alunos, mediante aprovação do instrutor. Os alunos deverão entregar o relatório laboratorial de grupo na semana seguinte à sua realização. Adicionalmente deverão entregar o relatório do projeto e poster, acompanhados de uma apresentação oral (10 minutos para apresentação e 5 minutos para discussão) durante a última semana de aulas. É sabido que as boas experiências laboratoriais aumentam o interesse dos alunos por uma área técnica, ligando a teoria à prática facilitando uma aprendizagem ativa. O projeto visa envolver desde cedo os estudantes de todos os níveis na conceção e dimensionamento dos principais componentes e na sua integração de vários sistemas energéticos sustentáveis. Os quatro trabalhos laboratoriais previstos incluem: 1) Influência da temperatura e da irradiância no comportamento do painel fotovoltaico. Os principais objetivos incluem: a) Obtenção experimental das curvas corrente-tensão elétrica (I-V) e potência elétrica-tensão (P-V) de um painel fotovoltaico; b) Caracterização de um painel fotovoltaico pelo seu circuito elétrico equivalente; c) Compreender o comportamento dos painéis fotovoltaicos como fontes de corrente; d) Verificação dos efeitos na produção de energia do painel fotovoltaico quando montado em superfícies inclinadas/inclinadas. 2) Análise de um Coletor Concentrador Híbrido Fotovoltaico e Térmico Ligado à Rede Elétrica e do Seu Sistema MPPT. Os principais objetivos são: a) Caracterização de um coletor térmico fotovoltaico concentrado (C-PVT); b) Analisar o impacto da iluminação não uniforme na produção de energia no funcionamento do painel C-PVT, tendo em conta os vários níveis de sombreamento; c) Compreender as ligações entre o coletor C-PVT e o inversor ligado à rede; d) Examinar o funcionamento do sistema de seguimento do ponto de potência máxima (MPPT). 3) Gerador de Indução Trifásico: Operações Autónomas e Ligadas à Rede. Os objetivos deste laboratório são: a) Explicar os princípios de um gerador de indução trifásico tanto em cenários off-grid como on-grid; b) Realizar ensaios experimentais para caracterizar o comportamento da máquina de indução como gerador quando ligada à rede eléctrica, com tensão e frequência fixas; c) Caracterizar o seu funcionamento em modo autónomo, sem ligação à rede; d) Demonstrar as aplicações práticas dos geradores de indução em ambiente doméstico. 4) Armazenamento de energia: baterias de lítio, chumbo- ácido e células de combustível. Os principais objetivos deste laboratório incluem: a) Compreender o comportamento dos vários tipos de baterias; b) Executar a modelação de um conjunto de baterias; c) Determinar as diferenças entre baterias de chumbo-ácido e de lítio; d) Compreender os requisitos e a eficiência das células de combustível.

Componente de Programação

No âmbito da componente de Programação e Computação desta unidade curricular, aconselha-se que os alunos adquiram conhecimentos de programação, principalmente para utilização como ferramenta de modelização e cálculo numérico em simulações elétricas de sistemas fotovoltaicos, geradores de indução em sistemas eólicos e sistemas minihídricos do tipo Pump-As-Turbine (modelos de parâmetros concentrados). Estas competências são aplicadas e avaliadas através da avaliação contínua em laboratório e no projeto.

Princípios Éticos

Todos os membros de um grupo são responsáveis pelo trabalho de grupo. Em qualquer avaliação, todo aluno deve divulgar honestamente qualquer ajuda recebida e fontes usadas. Numa avaliação oral, todo aluno deverá ser capaz de apresentar e responder a perguntas sobre toda a avaliação.