FE - DEM | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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Browsing FE - DEM | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento by advisor "Alcaso, Adérito Neto"
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- Análise e Controlo do Funcionamento de uma Célula de Hidrogénio de Membrana ProtónicaPublication . Andrade, Pedro Miguel Barata; Cardoso, António João Marques; Alcaso, Adérito NetoO aumento de gases de efeito de estufa (GEEs), como o dióxido de carbono, causa do aquecimento global, é consequência da contínua queima de combustíveis fósseis [1]. A libertação destes gases altera o equilíbrio entre a absorção e emissão de calor pelo planeta. Por forma a reduzir este fenómeno, a União Europeia pretende até 2050 obter a descarbonização total de toda a sociedade [2]. Assim, é necessário procurar diferentes formas, renováveis e sustentáveis, de produção de energia elétrica. O hidrogénio apresenta-se como uma alternativa viável aos combustíveis fósseis, uma vez que poder ser combinado com o oxigénio, como numa combustão tradicional, ou para a produção direta de energia elétrica por meio das células de combustível, sem libertação de dióxido de carbono. As células de combustível, ou Fuel Cells, são dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química presente nos combustíveis em energia elétrica e calor. Estes dispositivos possuem uma variedade de aplicações, nomeadamente na indústria espacial e automóvel, ou em redes DC. Neste trabalho, pretende-se instalar uma Fuel Cell de 3 kW num barramento DC de 48 V, por meio de um conversor DC-DC. Para tal, elabora-se primeiro um modelo computacional da célula, recorrendo a ensaios realizados ao dispositivo físico para a obtenção da curva de polarização e seus parâmetros característicos. Posteriormente, são apresentados os diferentes conversores DC-DC possíveis de utilizar na instalação, tendose escolhido o conversor Cuk. Analisam-se diferentes estratégias de controlo e dimensiona-se uma arquitetura em cascata de dois PIDs para o controlo do conversor. Por fim, são apresentados os resultados experimentais e computacionais que permitem validar a instalação da Fuel Cell no barramento DC.
- Estudo Numérico e Experimental de um Coletor Solar Termo-FotovoltaicoPublication . Ramos, Carlos Alberto Figueiredo; Cardoso, António João Marques; Alcaso, Adérito NetoAs fontes de energia primárias renováveis tendem cada vez mais a serem utilizadas na obtenção de energia para consumo, em detrimento das fontes de origem não renovável. Esta situação deve-se sobretudo à escassez e poluição provocada pelas fontes não renováveis comparativamente com as renováveis, que se consideram inesgotáveis e não poluentes. A energia proveniente do sol, a energia solar, é uma das fontes de energia consideradas renováveis, donde se podem obter, através de dispositivos de conversão, as energias elétrica e térmica. Nesta tese é avaliado, numérica e experimentalmente, o comportamento de um coletor solar híbrido, denominado termo-fotovoltaico (PVT) e que produz simultaneamente calor e eletricidade. A estrutura do coletor estudado é composta por uma cobertura de vidro, células solares, tubos, placa absorvedora e isolamento térmico. O potencial deste tipo de coletores é reconhecido desde a década de 70 do século passado e o interesse na sua investigação tem vindo a aumentar desde a década de 90 do mesmo século. Na análise da evolução deste equipamento solar, estudaram-se as diferentes configurações e fluidos de transferência térmica. O presente estudo assenta, inicialmente, na avaliação experimental do comportamento global do coletor híbrido solar PVT e na sua simulação, na perspetiva da otimização do seu desempenho. Foi usado neste estudo um coletor disponível comercialmente, suportado pela instalação de sistemas elétricos e térmicos, o qual foi devidamente instrumentado de forma a poder obter-se dados climáticos (irradiância solar incidente, temperatura ambiente e velocidade do vento), o caudal mássico do fluido térmico, temperaturas em vários pontos de interesse no equipamento, a tensão e a corrente elétricas. O grau de detalhe do estudo desenvolvido, como por exemplo a aquisição de dados ao segundo, é um fator diferenciador em comparação com outros estudos. Foi desenvolvido um modelo matemático do coletor, baseado nos balanços dos fluxos de energia térmica (modelo térmico) dos seus diferentes componentes e do circuito equivalente da célula solar (modelo elétrico). Este modelo permite, não apenas o cálculo da produção de eletricidade e calor, como também o conhecimento do comportamento geral do coletor, sob diferentes condições ambientais e operacionais. O modelo foi validado com dados experimentais, podendo considerar-se que é uma ferramenta confiável para o estudo do comportamento de PVTs em estruturas semelhantes ao deste trabalho. Neste trabalho é avaliado o efeito de vários fatores no rendimento do coletor, nomeadamente o caudal mássico, a radiação solar, a temperatura do fluido térmico, a temperatura das células solares e a temperatura ambiente. Verificou-se que o rendimento aumenta, até um certo valor, com o caudal mássico e com a radiação solar incidente e é prejudicado pelo aumento da temperatura do fluido e da temperatura das células solares. Os resultados observados neste trabalho podem revelar-se vantajosos para a indústria, pois poderão ter interesse para os construtores deste tipo de equipamento solar, ao fornecer informação que permite a otimização do coletor híbrido. Para além disso, o facto de haver benefícios ambientais, decorrentes do seu uso, representa informação relevante para as entidades certificadoras e futuros utilizadores.
- Tecnologias de Volantes de Inércia, Enquanto Sistemas de Armazenamento de Energia, Aplicados a Fontes Renováveis de EnergiaPublication . Proença, Rodrigo Monteiro Lambelho; Cardoso, António João Marques; Alcaso, Adérito NetoO paradigma de geração de energia elétrica tem vindo a evoluir para fontes sustentáveis e renováveis, mas esta mudança traz alguns desafios em termos de gestão e fiabilidade. Um dos problemas que atrasam o desenvolvimento destas tecnologias é a flutuação da disponibilidade dos recursos naturais utilizados (capítulo 1). Esta dissertação visa mostrar uma solução de armazenamento de energia alternativa, e/ou complementar a baterias eletroquímicas (capítulo 2), através de um volante de inércia (Flywheel Energy Storage System – FESS), focando-se na parametrização e no controlo do sistema. Os sistemas industriais já disponíveis no mercado têm elevada potência, e nos mais modernos o volante é levitado magneticamente, o que lhe confere um rendimento superior. Devido a constrangimentos na disponibilidade deste equipamento, não foi possível testar um volante de inércia de escala industrial, mas os resultados apresentados nesta dissertação podem ser extrapolados para sistemas maiores. Os FESS conferem uma estabilização a curto prazo da disponibilidade de eletricidade ao sistema de geração de energia, e dependendo da capacidade podem até fornecer energia enquanto há quebras mais longas na geração (como por exemplo, quando associado painéis fotovoltaicos, durante algum tempo depois do pôr do sol). A parte mais importante de um FESS, e ao mesmo tempo o elo mais fraco em relação aos parâmetros importantes como potência, rendimento e custo, é o acionamento do sistema (capítulo 3). Neste trabalho são apresentadas as máquinas elétricas possíveis de aplicar num sistema destes, das quais se escolheram duas para aprofundar e testar – a máquina DC (Direct Current) com escovas e a máquina PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine), sem escovas, de onda trapezoidal (também chamada máquina BLDC – Brushless Direct Current). Cada uma destas soluções de acionamento elétrico tem associado um tipo de conversor eletrónico adequado, que é a base para o controlo da máquina. Para as duas escolhas também foi estudado o seu conversor e o controlo necessários. Estas duas tecnologias foram testadas e parametrizadas de maneira a criar um modelo matemático que foi usado para prever o comportamento do volante de inércia em simulações no programa MATLAB-SIMULINK. Foram depois realizados ensaios experimentais para comprovar a viabilidade do controlo proposto nesta dissertação. Para aproximar ao máximo as simulações da realidade foi necessário encontrar parâmetros mecânicos e elétricos das máquinas usadas (incluindo volante), conversor, tipo de controlo, sistema de geração e consumo. Todos os testes práticos de parametrização e ensaios experimentais finais foram realizados no Centro de Investigação em Sistemas Electromecatrónicos | Guarda International Research Station on Renewable Energies (CISE | GIRS-RES) cujas instalações estão localizadas no Instituto Politécnico da Guarda (capítulo 4).