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2004/2005

1. 6 Wind Speed m s E 3 Right click to copy save or modify Figura AIII 30 Produ o E lica New Windo System Types Hi winaicbies att Ee inaattery Eco BA Dis Battery Superimposed Number of Batteries Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 New Window System Types E winwovies Batt Wind Battery coies BM nies Battery Superimposed Wind Production Khayr Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Trabalho Final de Curso 144 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Sensitivity variables Wind Speed m s x axis vw Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 7 2 Ej Variables to plot Superimposed Ee E New Window Optimal System Type System Types E windicdies Batt ind Battery HB cvies BA nics Battery Superimposed G Diesel Production kvVh yr Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Diesel Price L 04 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed mis Figura AIII 31 Produ o do Gerador a Diesel Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 2 Ea Variables to plot Superimposed New Window Optimal System Type System Types Hi winaicdies Batt Ea WindiBattery HB dies BE oies Battery Superimpos
2. RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 7 TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA DEZEMBRO ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 7 ATRIO DISTRIBUIGAO CONG AUDITORIO ILUMINA O PUBLICA Trabalho Final de Curso 104 Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Universidade Faculdade de FEUP P kW 00 Diagrama de Cargas Janeiro 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 4 2 8 4 6 6 17 18190 MU Hora P kW 00 Diagrama de Cargas Fevereiro 250 200 150 100 0 1 2 3 4 6 6 7 8 9 0 1 2 B 4 1 6 7 1 19 2 2 2 23 24 Hora P kW 300 Diagrama de Cargas Mar o 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 78940 1 2 B 4 1 16 7 18 19 20 24 2 2B 24 Hora Trabalho Final de Curso 105 Unversandeto roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de P kW 300 Diagrama de Cargas Abril 250 200 150 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 B 4 6 6 7 18 19 2 24 2 28 24 Hora P kW 00 Diagrama de Cargas Maio 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 18 UETA MU Ho
3. Fuel curve Fuel ry Diesel New Delete Es Intercept coeff L hr k W rated 008 31 FuelCuve Calculator Efficiency Curve Slope L hr kW output 0 25 Advanced Heat recovery ratio EH I Cofire with biogas po o Ta ut 6 E 30 100 Help Cancel OK Figura 6 20 Dados Relativos ao Combust vel e Efici ncia Trabalho Final de Curso 75 7 universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Foi escolhido como combust vel o Diesel e inseridos os dados atinentes ao c lculo da curva de efici ncia do gerador Clicando o bot o Diesel aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao preco do Diesel Diesel Inputs File Edit Help Enter the fuel price The fuel properties can only be changed when creating a new fuel click New in the Generator Inputs or Boiler Inputs window Hold the pointer over an element name or click Help for more information Price L Limit usage to L yr 5000 Fuel properties Lower heating value 43 2 MJ kg Density 820 kg m3 Carbon content 88 Sulfur content 0 33 Help Cancel Figura 6 21 Dados Relativos ao Pre o do Diesel Tal como referido para a c lula de combust vel tamb m aqui poss vel alterar o modo de funcionamento do gerador Como ali sucede o HOMER permite caso seja necess rio impor um modo de funcionamento Ou
4. Cost 000 ae o w 2 Lifetime yrs 20 43 DSR Quantity Capital Replacement Hub height m 50 Help Cancel Figura 6 13 Dados Relativos ao Aerogerador AE 500 kW Trabalho Final de Curso 71 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Wind Turbine Inputs File Edit Help Choose a wind turbine type and enter at least one quantity and capital cost value in the Costs table Include the cost of the tower controller wiring installation and labor As it searches for the optimal system HOMER considers each quantity in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Turbine type Z Detail New Delete Turbine properties Abbreviation E 48 used for column headings _Power Curve Manufacturer Website www wobben com br Current AC E a o O 5 10 15 20 25 30 Wind Speed m s Costs Sizes to consider Quantity Capital Replacement O amp M yr Quantity 1 640000 480000 12800 Cost Curve w t o o 0005 1015202530 Lifetime yrs 20 4 Quantity Capital Replacement Hub height m 761 Help Cancel Figura 6 14 Dados Relativos ao Aerogerador E48 800 kW Wind Turbine Inputs File Edit Help Choose a wind turbine type and enter at least o
5. ano tempo de vida til anos e efici ncia 6 5 5 Tanque de Armazenamento do Hidrog nio Clicando o bot o tsentk aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao tanque de armazenamento do hidrog nio Hydrogen Tank Inputs File Edit Help te The hydrogen tank stores hydrogen either for use in a generator or for serving a hydrogen load Enter at least one tank a size and capital cost value in the Costs table HOMER will consider each tank size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Costs Sizes to consider Cost Curve Size kg Capital Replacement O amp M yr Size kg 800 700 4 0 000 1 000 Properties do 02 Be Be os 10 ae BE ize kg Lifetime years 20 Li Capital Replacement Initial tank level Relative to tank size 10188 Absolute amount kg Iv Require year end tank level to equal or exceed initial tank level Help Cancel Figura 6 23 Dados Relativos ao Tanque de Armazenamento de Hidrog nio Trabalho Final de Curso 77 FEUP HL universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Foram inseridos custos de capital kg custos de substitui o kg custos de opera o e manuten o ano e tempo de vida til anos 6 5 6 Conversor Inversor z Clicando o bot o wete aparece a janela de entrada dos dados
6. atrav s do electr lito no centro da c lula No c todo o oxig nio Trabalho Final de Curso 9 FEUP TEE Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia alimentado e reage com os prot es transportados atrav s do electr lito e com os electr es provenientes do circuito el ctrico reac o c todo O produto final da reac o que ocorre no c todo vapor de gua Noutro tipo distinto de c lulas de combust vel o oxig nio reduzido pelos electr es do circuito el ctrico no c todo e de seguida o seu i o transfere se atrav s do electr lito para o anodo onde se combina com os i es hidrog nio A selec o do electr lito de extrema import ncia visto que deve permitir unicamente a transfer ncia de ides do anodo para o c todo ou vice versa Se os electr es ou outras subst ncias se transferirem atrav s do electr lito do anodo para o c todo ou vice versa a performance global da c lula de combust vel fica seriamente afectada Por sua vez de maneira a obter se o funcionamento mais eficiente poss vel de uma c lula de combust vel os el ctrodos devem ter elevadas reas de contacto e o electr lito deve ter uma espessura reduzida Um electr lito comum nas c lulas de combust vel um cido com ides H m veis Na pr tica cada uma das c lulas de combust vel pode produzir uma diferen a de potencial
7. A torre suporta o r tor carnagem estrutura principal e sistema de posicionamento Tr s tipos de estruturas s o comumente usadas Treli ada Tubular Estaiada As estruturas do tipo tubular s o geralmente fabricadas em a o laminado ou concreto As estruturas do tipo treli adas s o fabricadas em a o estrutural Geralmente possuem tr s ou quatro pernas Uma escada do tipo quebra peito permite o acesso ao topo da estrutura As estruturas estaiadas possuem uma coluna central tubular ou treli ada em a o suportada por cabos tamb m de a o Funda es Todos os tipos de torre requerem uma funda o fabricada em concreto As torres estaiadas necessitam tamb m de funda es para os pontos de estaimento A necessidade de um levantamento de informa es geot cnicas a respeito do solo extremamente importante e indispens vel para o projecto da funda o Sensores controle e sistemas de comunica o Os sensores controle sistema de aquisi o de dados e o sistema de comunica o s o elementos extremamente importantes no projecto Os sensores medem os par metros de opera o e as condi es da turbina Controles individuais localizados na base da turbina consistem em microprocessadores que monitorizam a opera o da turbina e que resultam Trabalho Final de Curso 47 Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida aculdade de Engenharia em
8. E winarcdies matt Hi winaicdiesFc etectrolyzeriBatt Superimposed Vind Production kyvhiyr aie Fixed Diesel Price 1 21 p05 3 o o os 02 2 090 919 4 651 075 00 eS P 7 8 9 Right click to copy save or modify Wind Speed mis Figura AIII 7 Produ o E lica Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 121 E ER y FEU P Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Universidade do Porto AS Faculdade de Engenharia a s Sensitivity variables Wind Speed mzs x axis v Diesel Price 1 1 2 v FC Capital Multiplier y axis Variables to plot Superimposed ictic Ed New Window tos Optimal System Type System Types WindiGDies Batt Ga winaicdies Fcttectrolyzer Batt Superimposed Fuel Cell Production kvyhiyr 08 Fixed Diesel Price 1 2 go a E a g o o o4 02 4 203 15 056 0 0 5 6 7 8 9 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 8 Produ o da C lula de Combust vel Diesel 1 2 L Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _v Diesel Price L 1 2 Z FC Capital Multiplier y axis v Variables to plot Superimposed iy New Window are Optimal System Type System Types i WindiGDies Batt HE windicdiesF cetectrolyzer Batt Superimposed G Diesel Production kyyhiyr oa Fixed Diesel Price
9. Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida AIII 1 Sistema H brido Diesel E lica C lula de Combust vel HOMER Input Summary File 18 _GD1500kW_FC600kW_Sensibilidades 2 hmr name File 2 19 version Author Jo o Leit o Aerogerador 1 5 MW Gerador Diesel 1500 kW C lula de Combust vel 600 kW Com sensibilidade alterada Max Ch 0 Notes Com LF Com sensibilidades V m d Vento 5 6 7 8 9 Custo Diesel 0 6 0 8 1 1 2 1 4 Factores multiplicativos na FC Elect Tanque 1 0 75 0 5 0 25 0 AC Load Primary Load 1 Data source Synthetic Daily noise 10 Hourly noise 10 Scaled annual average 4 504 kWh d Scaled peak load 390 kW Load factor 0 481 Load Profile Synthesized Data Demand kw usas o O 6 o o Trabalho Final de Curso 112 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida e Entao AC Wind Turbine GE 1 5 MW Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 1 200 000 900 000 24 000 Quantities to consider 0 1 Lifetime 20 yr Hub height 80 m Power Curv 4 600 ower Curve Power kW 8 8 fm fm o o 5 10 15 Wind Speed mis Wind Resource Data source Synthetic Month Wind Speed m s Jan 9 69 Feb 7 97 Mar 8 35 Apr 8 10 May 7 06 Jun 6 93 Jul 6 27 Aug 6 83 Sep 6 51 Oct 8 85 Nov 9 76 Dec 9 69 Trabalho Final de Curso 113 Projecto de
10. o de 360 As p s s o acopladas directamente ao r tor coluna ou atrav s de tirantes O tubo de bin rio por sua vez encontra se acoplado caixa de engrenagens e ao gerador Cabos de a o e mancais Os cabos de a o s o utilizados para suportar o tubo de bin rio e mant lo na posi o vertical Os cabos s o ligados na parte superior do tubo de bin rio a um mancal e estendem se at ao solo onde s o fixos atrav s de conex es em a o a uma funda o em concreto Na parte inferior o r tor coluna suportado por um outro mancal Trem de Accionamento A pot ncia do eixo e o bin rio s o transferidos pelo tubo de bin rio da caixa de engrenagem ao eixo de alta velocidade e gerador formando o trem de accionamento O trem de accionamento inclui tamb m um sistema de frenagem Este elemento similar ao usado para os sistemas horizontais Estrutura de suporta o e funda o Com excep o do tubo de bin rio todos os outros elementos do trem de accionamento situam se no solo Estes elementos s o montados numa nica estrutura de suporta o principal Uma das vantagens dos sistemas de configura o vertical que a maioria das actividades de manuten o s o realizadas no solo Trabalho Final de Curso 49 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 4 Sistemas H bridos para Produ o de Energia El ctrica consumid
11. 0 in 5 10 15 20 26 Wind Speed m s Wind Resource Data source Synthetic Month Wind Speed m s Jan 9 69 Feb 7 97 Mar 8 35 Apr 8 10 May 7 06 Jun 6 93 Jul 6 27 Aug 6 83 Sep 6 51 Oct 8 85 Nov 9 76 Dec 9 69 Wind Resource Synthesized Data o o o Wind Speed m s D N 9 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Now Dec Trabalho Final de Curso 135 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Weibull k 2 30 Autocorrelation factor 0 850 Diurnal pattern strength 0 250 Hour of peak wind speed 15 Scaled annual average 8 2 3 4 5 6 7 9m s Anemometer height 30 m Altitude 700 m Wind shear profile Logarithmic Surface roughness length 0 1 m AC Generator G Diesel Size kW Capital Replacement O amp M hr 400 000 18 000 16 900 1 130 600 000 21 000 19 900 1 260 800 000 23 000 22 000 1 470 1 500 000 30 000 29 000 1 900 Sizes to consider 0 400 kW Lifetime 100 000 hrs Min load ratio 0 Heat recovery ratio 0 Fuel used Diesel Fuel curve intercept 0 08 L hr kW Fuel curve slope 0 25 L hr kW Efficiency Curve Trabalho Final de Curso 136 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Fuel Diesel Price 0 8 0 4 0 6 1 0 1 2 1 4 L Lower heating value 43 2 MJ kg Density 820 kg m3 Carbon content 88 0 Sulfur content 0 33
12. 1 2 yos 2 E E a o os 02 496 379 72187 oo qp nisi E 6 7 8 3 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 9 Produ o do Gerador a Diesel Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 122 Universidade do Porto Faculdade de Engenharia 5 FE Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Sern raaes Wind Speed mzs x axis Diesel Price L 1 2 v FC Capital Multiplier y axis Variables to plot New Window Superimposed ia AB ales System Types D i wineicvies Batt EB winaicdies Fctectrotyzer Batt Superimposed Fuel Cell Hours hrs yr Fixed Diesel Price 1 2 o FC Capital Multiplier o gt 00 A A 5 6 7 8 9 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 10 Tempo de Funcionamento da C lula de Combust vel Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 123 m EUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida niver Faculdade de Engenhai AIII 2 Sistema H brido Diesel E lica 2 1 Aerogerador de 250 kW e Gerador a Diesel de 400 kW HOMER Input Summary File name 1 GD400 Sensibilidades 3 hmr File version 2 19 Author Jo o Leit o AC Load Primary Load 1 Data source Synthetic Daily noise 10 Hourly noise 10 Scaled annual average 4 504 kWh d Scaled peak load 390 kW Load factor 0 481 Load Profile Syn
13. Figura 8 7 Gr fico dos melhores sistemas 0 Energia Reprimida Trabalho Final de Curso 91 5 FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Observando o gr fico da figura 8 7 podemos verificar que a situa o an loga anteriormente descrita Sec o 8 2 1 2 de Energia Reprimida Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage EE Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Energy New Window Optimal System Type System Types 0281 0 204 Hi inaoviesttatt a winaattery ES BB oies Battery 0 570 0 417 Superimposed Levelized COE Shih Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Diesel Price L 0 308 04 2 3 Right click to copy save or modify S wind Speed ma Figura 8 8 Gr fico dos melhores sistemas 2 Energia Reprimida A partir da an lise ao gr fico da figura 8 8 verificamos o seguinte Velocidade m dia do vento reduzida Os sistemas Diesel com baterias e Diesel sem baterias s o os mais adequados No entanto face instabilidade do pre o do Diesel aconselhado o sistema Diesel com baterias 4 A medida que aumentam a velocidade do vento superior a 7 m s e o custo do Diesel aumenta tamb m a possibilidade de escolha do sistema e lico com baterias O gr fico apresenta os valores para o custo de gera o da electricidade Trabalho Fi
14. L System type Total net present cost Westies 3600 HER Wind GDies Batt 3 8s2697 NS GDies 93307 o GDies Battery 34055506 EE Figura 8 6 Gr fico dos melhores sistemas Trabalho Final de Curso 90 5 FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia A partir da an lise ao gr fico da figura 8 6 verificamos o seguinte Velocidade m dia do vento reduzida Os sistemas Diesel com baterias e Diesel sem baterias s o os mais adequados No entanto face instabilidade do pre o do Diesel aconselhado o sistema Diesel com baterias Para uma velocidade m dia do vento superior a 4 m s o sistema e lico Diesel com baterias o melhor O gr fico apresenta os valores para o custo de gera o da electricidade 8 2 2 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW Para este sistema foram introduzidas oscila es no valor do Diesel litro velocidade m dia do vento e ainda as percentagens de 0 2 e 5 de energia reprimida 0 de Energia Reprimida Wind Speed m s axis Diesel Price L y axis gt Max Annual Capacity Shortage f0 Variables to plot New Window E System Types E E MinarsDies Batt cos Ba GDies Battery Superimposed Levelized COE K Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 Diesel Price L o E 0 308 06 0115 o 0 098 04 fe 2 Right click to copy save or 5 6 Wind Speed m s 3 modify
15. Universidade do Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 2 de Energia Reprimida Sensitivity variables o Wind Speed m s xaxis gt Diesel Price L y axis gt Max Annual Capacity Shortage X Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Energy w New Window 14 Optimal System Type System Types i i winaicdiestaatt Superimposed Levelized COE KVVh Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Diesel Price L 06 gt 04 2 3 Right click to copy save or modify 5 6 Wind Speed m s Figura AIII 41 Custo de Gera o da Electricidade Como podemos verificar pela an lise ao gr fico da figura AIII 41 para valores de velocidade do vento inferiores a 4 m s o Homer n o encontra solu o Para valores de velocidade do vento superiores 4 m s o sistema e lico Diesel com baterias o mais adequado Trabalho Final de Curso 151 Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 3 5 de Energia Reprimida Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage ER Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Energy X New Window Optimal System Type System Types 0 268 12 E minciies att Ee winawattery EE GDiesBattery Superimpo
16. o especificado futuro Ippommatsu 1996 2 000 N o especificado futuro GRI 1999 700 N o especificado 3 3 000 Fuel Cell FC C lula de Combust vel CC Note se que estes custos referem se regra geral a projec es de curto ou m dio prazos na poca da publica o da refer ncia Relat rio T cnico DPP PER 1165 01 de Dez 2001 Actualmente o custo estimado de aquisi o Trabalho Final de Curso 21 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia de uma c lula de combust vel de US 3000 4500 kW para uma c lula de cido fosf rico de 200 kW fornecida pela UTC 2 7 Vantagens e Desvantagens das C lulas de Combust vel As vantagens das c lulas de combust vel s o Uma c lula de combust vel pode converter mais do que 90 da energia contida num combust vel em energia el ctrica e calor n o h depend ncia do ciclo de Carnot No ano de 1996 as c lulas de combust vel com cido fosf rico CCAF apresentavam uma efici ncia de convers o el ctrica de 42 com uma elevada produ o de calor 4 Centrais de produ o de energia atrav s de c lulas de combust vel podem ser implementadas junto dos pontos de fornecimento permitindo a redu o dos custos de transporte e de perdas energ ticas nas redes de distribui o 4 A aptid o para cogerar calor ou seja para al m de produzir electricidade produz igual
17. oO fp a Efficiency a N O 0 20 30 100 40 60 Output 3 Fuel Diesel Price 0 8 0 6 1 0 1 2 1 4 L Lower heating value 43 2 MJ kg Density 820 kg m3 Carbon content 88 0 Sulfur content 0 330 Trabalho Final de Curso 115 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Battery Trojan L16P Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 130 130 6 00 Quantities to consider 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 Voltage 6V Nominal capacity 360 Ah Lifetime throughput 1 075 kWh Converter Size kW Capital Replacement O amp M yr 1 000 300 300 6 Sizes to consider O 300 400 500 600 700 kW Lifetime 15 yr Inverter efficiency 90 Inverter can parallel with AC generator Yes Rectifier relative capacity 90 Rectifier efficiency 85 AC Electrolyzer Size kW Capital Replacement O amp M yr 1 000 1 300 1 100 26 Sizes to consider 0 100 300 400 kW Lifetime 15 yr Efficiency 85 Min load ratio 0 Hydrogen Tank Size kg Capital Replacement O amp M yr 1 000 800 700 4 Sizes to consider 0 400 600 800 kg Trabalho Final de Curso 116 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Lifetime 20 yr Initial tank level 10 Constrain year end tank level Yes Economics Annual real interest rate 6 Project life
18. peso e funcionavam temperatura de 250 C Bectrdito Figura 2 5 CCA O problema das velocidades de reac o baixas baixas temperaturas superado pela utiliza o de el ctrodos porosos com platina impregnada e com a utiliza o de press es elevadas Neste tipo de c lulas de combust vel a redu o do oxig nio no c todo mais r pida em electr litos alcalinos comparativamente com os cidos Devido a essa redu o existe a possibilidade da utiliza o de metais n o nobres neste tipo de c lulas As principais desvantagens desta tecnologia s o o facto dos electr litos alcalinos p ex NaOH e KOH dissolverem o CO e a circula o do electr lito na c lula tornando o funcionamento desta mais complexo No entanto o electr lito apresenta custos reduzidos Trabalho Final de Curso 14 j Universidade doroto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Reac es CCA Anodo H g 20H ag gt 2H 0 1 2e7 C todo Z0 8 H O 2e 20H aq 2 2 3 C lulas de Combust vel cido Fosf ricas CCAF As c lulas de combust vel cido fosf ricas foram as primeiras a ser produzidas comercialmente e apresentam uma ampla aplica o a n vel mundial Muitas unidades de 200 kW produzidas pela empresa International Fuel Cells Corporation est o instaladas nos Estado Unidos e na Europa Electri cidade Bectrdito Figura 2 6 CCAF Neste tipo de
19. quer o seu relevo quer os acentuados declives caracter sticos da topografia serrana quer ainda o vigoroso encaixe e adapta o da rede hidrogr fica O acidente mais importante a Falha da Lous delimita a rea montanhosa a Norte e apresenta uma direc o NE SW respons vel pela forma como a Norte a Serra da Lous se ergue abruptamente com fortes declives desde os 200 m at acima dos 1000 m de altitude Paralelamente desenvolvem se a Sul outros acidentes os mais importantes dos quais se encontram materializados pelas falhas de Cebola e de Bogas que delimitam respectivamente a Norte e a Sul o Fosso do Z zere Outro aspecto marcante das serras de xisto a eros o respons vel pelos cumes aplanados pelos entalhes recentes vigorosos dos rios de montanha onde vertentes convexas mergulham em estreitos leitos torrenciais desgastando profundamente os xistos A Norte da Serra da Lous encontram se as terras baixas da Bacia da Lous onde se situa a Vila do mesmo nome constitu da por solos e terra os aluviais Quatern rios Para al m da bacia h colinas sedimentares de baixa altitude 200 300 m que confinam a Norte com o Rio Ceira eventual respons vel pela acumula o de muitos dos dep sitos que as formam E Concep o Jos Catala war iouzan wet pt I SUL FAUNA E FLORA DA RIBEIRA DE S JD O E Estrada Nacional Ribeiras Percurso Pedestre Laada Cien Miradouro da Estrada do C
20. 11 Wind Resource Inputs File Edit Help c HOMER uses wind resource inputs to calculate the wind turbine power each hour of the year Enter the average wind speed for each month For calculations HOMER uses scaled data baseline data scaled up or down to the scaled annual average value The advanced parameters allow you to control how HOMER generates the 8760 hourly values from the 12 monthly values in the table Hold the pointer over an element or click Help for more information Data source Enter monthly averages Import hourly data file Baseline data Wind Speed Month m s Wind Resource January February s March 8 350 April 8 100 May 7 060 June 6 930 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec July 6 270 August 6 939 Other parameters Advanced parameters September 6 510 Altitude m above sea level 700 Weibullk 23 October 8 850 Anemometer height m 10 Autocorrelation factor 0 85 November 9 760 December 9 690 Variation With Height Diurnal pattern strength 0 25 Annual average 8 003 Hour of peak windspeed 15 Scaled data for simulation Scaled annual average m s 8 43 Plot Export Help Cancel 4 E uD a a a o E Figura 6 8 Dados Relativos Velocidade do Vento Histograma Trabalho Final de Curso 68 FEUP amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Wind Speed Variati
21. 300 300 00 200 00 150 00 600 400 00 300 00 200 00 800 400 00 300 00 1 000 500 00 400 00 1 500 500 00 3 2 000 1 000 00 o zl Show Winning Sizes gt gt Help Cancel loja omn e wN e Figura 7 3 Tabela dos poss veis valores dos componentes Todas as configura es poss veis com os componentes da tabela da figura 7 3 s o testadas e quando tecnicamente vi veis s o avaliados os seus custos de modo a obter a configura o ptima do sistema h brido Calculate Simulations O of 564480 Progress Sensitivities O of 1 Status Sensitivity Results Optimization Results Double click on a system below for optimization results Export GE1 5 GDies FC Batt Conv Elec H2 Tank Disp Initial Total COE Ren Diesel FC Coca EN kw kw kw kw kg Strgy Capital NPC kWh _ Frac IL hrs Figura 7 4 Tabela de Lan amento dos Resultados da Optimiza o Calculate Clicando o bot o damos in cio s simula es Trabalho Final de Curso 82 Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 7 2 Resultados da Optimiza o 7 2 1 Sistema H brido Diesel E lica 7 2 1 1 Aerogerador de 250 kW e Gerador a Diesel de 400 kW Constitu do por aerogeradores com uma pot ncia nominal de 250 KW um gerador a Diesel com a pot ncia de 400 kW e um banco de baterias Para o consumo de 4 5 MW por dia admitindo 0 de energia rep
22. 4026280 0192 1 00 32 365 28 0 Ah POB 1 600 4000 500 100 400 CC 352000 4621820 0220 1 00 a Converter Ik o 1 1500 CC 1 230 000 6 941 878 030 09 507689 3715 IR 1 150 100 CC 1380000 7142471 0 340 09 507689 3715 Ih oae 1 1500 600 300 600 CC 3300 00 7532049 0358 097 337146 2396 1319 amp 8B 1500 2000 300 CC 3000 12 221 462 0582 000 1 005 132 4129 FuelCell amp s 1500 2000 300 100 CC 510 000 12422054 0591 000 1 005132 4129 bpon 1500 600 2000 300 100 CC 1 710 000 13376707 0637 000 100512 4123 O 150 CC 30000 15213239 0724 000 1462191 8760 R AC Oth oc fay 1500 100 CC 160000 15413833 0733 O00 1462191 8 760 SECS 7 e feed ad 1500 600 100 CC 1 360 000 16 368 486 0773 000 1462191 8760 0 E wind resource r Economics Gb Diese RP Generator control EE Emissions B Constants Figura 7 7 Custo das Poss veis Configura es A figura 7 7 indica que a melhor configura o o sistema e lico Diesel com baterias A pior configura o o sistema Diesel com c lula de combust vel Observa se que o custo de gera o da electricidade estimado para a melhor alternativa de 137 MWh e o para a pior 779 MWh Foram testadas in meras combina es de sistemas h bridos com diversos componentes de diferentes caracter sticas Apresentamos apenas tr s dessas combina es suficientes para retirarmos todas as necess rias conclus es Trabalho Final de Curso 85 tL universidade do Porto Project
23. 54 a FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Geologia Toda a Serra da Lous constitu da por xistos desde os argilosos passando pelos xistos mosqueados at aos grauvaques com in meras variedades interm dias Aparecem tamb m nesta Serra pequenos afloramentos gran ticos respons veis pelo metamorfismo de contacto imputado aos xistos e conferindo lhes a variedade atr s citada nomeadamente na extremidade Oeste da Cordilheira Vila Nova no fundo do Vale a Ribeira de P ra Coentral e no vale marginal do Rio Alva Av H que destacar tamb m as cristas quartz ticas que s o importantes na fisionomia da montanha que pela sua dureza se destacam na paisagem atrav s das formas vigorosas que lhe imprimem SERRA DA LOUS ESCARPA CENTRAL RIBEIRA DE S JO O Lous PERCURSO AZUL DESCENDO A SERRA EXTENS O 6 7 KM VARIA O ALTITUDINAL 490 M IN CIO 730 M FIM H DURA O 5 6 HORAS JCataia Maio 2004 ESTRADA PANOR MICA DA SERRA EN 236 Commons Figura 5 3 Mapa Local Geomorfologia A import ncia da tect nica na forma o do relevo da Serra da Lous enorme E ela que comanda o soerguimento das serras de xisto explicando Trabalho Final de Curso 55 DE Uversuew roo Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia
24. 89 2 884 879 q 4 8 3 6 4 7 1 9 5 6 2 1 6 4 1 y 1828 177 134 150 200 220 246 254 251 218 161 154 176 169 212 259 265 256 223 213 NOVEMBRO 4 4 96 3 91 2 858 850 845 3 7 1 8 7 2 5 B 3 6 A 5 3 7 0 3 6 177 4 DEZEMBRO 167 127 902 864 824 ate 811 146 196 212 237 243 239 205 148 133 16 158 200 246 251 242 208 200 467 2 GS NG RR ES POL O NL UR E 00 a O E E O siso iSi lfl gll ls es nl al esl elel elele eNA P kW DIN IN ej ol aAjolS nN lo nN o o S 0 R lol Es OS SM E RO SS E So e So SO ES BS J eje elelee leli lai sl al al al al NIN AN NS Ol BL NT NI Consumo Anual 1 653 169 55 kWh ano Consumo M dio Anual Di rio 4 529 23 kWh dia Consumo M dio Anual 188 72 kW Ponta 301 68 kW Trabalho Final de Curso 109 te FEUP iS fio tL Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Cee Faculdade de Engenharia P kW Diagrama de Cargas Anual 3500 3000 2500 son 1500 1000 500 0123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora Trabalho Final de Curso 110 ade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida ANEXO III Resultados Trabalho Final de Curso 111
25. Diesel Price L E E 047 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed mis Figura AIII 27 Custo de Gera o da Electricidade Sensitivity variables a wind Speed m s x axis gt Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 2 z Variables to plot Superimposed E New Window Optimal System Type System Types A Hi winaevies Batt E indAEattery Es BE cies battery Superimposed 12 No of AE 500s Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Diesel Price 4 o o E 06 04 2 2 3 6 Right click to copy save or modify 5 Wind Speed mis Figura AIII 28 N mero de Aerogeradores Trabalho Final de Curso 143 E FEUP 4 Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Sensitivity variables Wind Speed m s x axis_ v Diesel Price L y axis _y Max Annual Capacity Shortage 2 R Variables to plot Superimposed AMNA EE 7 Optimal System Type Diesel Price L 04 i a 6 2 3 5 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 29 N mero de Baterias Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _y Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 2 Zi Variables to plot Superimposed i Nasi Optimal System Type Diesel Price L 04 5
26. LF 1 309 000 2 487 641 0118 0 99 25 013 426 G Diesel Converter 5 400 cc 1143000 3616731 0172 095 195554 3998 400 cc 18 000 7 224322 034 000 691 310 6760 Eres E SE 400 10 20 LF 25300 7235905 0344 000 691 307 8760 wind resource r Economics ES Diesel G Generator control Emisions E Constraints Custo da Electricidade Figura AIII 11 Custo das Poss veis Configura es An lise de Sensibilidades e Resultados Sensitivity Inputs This table displays the values of each sensitivity variable variable for which you have specified multiple values Click Help for more information Wind Diesel L 0 800 0 400 0 600 1 000 1 200 1 400 vi 2 3 4 5 6 7 8 lo jo Help Cancel 0K N Figura AIII 12 Tabela de Oscila o de Valores de Algumas das Vari veis Trabalho Final de Curso 129 EUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Depois de feita nova simula o obtemos os seguintes gr ficos Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis v Variables to plot New Window Optimal System Type System Types Ro EMinaicoies mat Hi inaspies ES BM crise Superimposed Superimposed Levelized COE KV h 0 106 0104 Diesel Price L 0 101 0 250 0 205 0160 0110 Right Zien to op py save or modify W
27. Overall Export GET SMW pees Tele RETE E E EE E Tala Capital NPC kwh Frac hrs 1 1500 2000 400 1 810 000 2 871 034 0137 1 00 32365 218 Primary Load 1 H 1 150 2000 400 100 EE 1 740 000 3 071 627 0 146 1 00 32 365 218 4 5 Mwh d sz 1 e000 400 CC 2100000 3649670 0174 1 00 Prada esate a ag 1 eooo 400 100 CC 223000 3 950 262 0183 1 00 Hf PS 1 1500 eoo 2000 400 100 LF 2940000 4 026280 0192 1 00 3235 218 0 a 1 600 4000 500 100 400 CC 3520000 4 621 828 0220 1 00 a 1 1500 CC 1 230 000 6 941 878 0 330 09 507 689 3 715 amp 1 1500 100 CC 1 360 000 7 142 471 0340 055 507 689 3 715 oF 1 1500 600 300 600 CC 3 300 000 7532049 0 358 0 97 337146 2396 1 319 4 SE 1500 2000 300 CC 380000 12221462 0582 000 1 005 192 4129 Fuel Cell amp E 1500 2000 300 100 CC 510000 12422054 059 000 1 005 132 4129 bron 1500 600 2000 300 100 CC 1710000 13 376 707 0637 000 1 005132 41293 O 1500 cc 30 000 15213239 0724 000 1 462191 8 760 Resource AC Other DE amp 1500 100 cc 160 000 15413833 0733 000 1 462 191 8 760 oF 1500 600 100 CC 1 380 000 16 368486 0779 000 1462191 8760 0 EA Wind resource amp Economics Diese QI Generator contiol Emissions E Constraints Figura AIII 1 Custo das Poss veis Configura es An lise de Sensibilidades e Resultados Sensitivity Inputs This table displays the values of each sensitivity variable variable for which you have specified multiple values Cli
28. Price L y axis v Variables to plot Superimposed EANES aee New Window Optimal System Type System Types Di winaiopies watt Hi incvies o BA nies Battery 145 Superimposed 1 24 H G Diesel Hours hrs yr Diesel Price L be 2 w 06 04 d 10 2 Right click to copy save or modify 6 Wind Speed m s Figura AIII 18 Tempo de Funcionamento do Gerador a Diesel Trabalho Final de Curso 133 gu EUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida niver Faculdade de Engenhat 2 2 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW HOMER Input Summary File name Teste AER50O0 GD400 0 2 5 Com Sensibilidade hmr File version 2 19 Author Jo o Leit o Notes Aerogerador de 500 kW GD 400kW AC Load Primary Load 1 Data source Synthetic Daily noise 10 Hourly noise 10 Scaled annual average 4 504 kWh d Scaled peak load 390 kW Load factor 0 481 Load Profile Synthesized Data No a o Demand kw AC Wind Turbine AE 500 Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 400 000 350 000 10 000 Quantities to consider 0 1 2 3 4 5 Lifetime 20 yr Hub height 50 m Trabalho Final de Curso 134 amp universdade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida aculdade ngenharia 600 Power Curve 500 400 300 200 100
29. a rea total de 10 m Audit rio com a rea de 180 m 4 Palco com a rea de 60 m 5 4 Estudo dos Consumos Energ ticos Este estudo consta do anexo II junto a este trabalho salientando aqui e desde j alguns dos aspectos mais importantes Trabalho Final de Curso 61 TP universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia O local destina se a turismo de habita o o que implica um consumo mais elevado que o normal O aquecimento feito a g s Pela natureza do empreendimento existem hor rios a cumprir resultantes da realiza o de diversas actividades como congressos actividades l dicas hor rios das refei es etc 4 A sua utiliza o n o vai ser sazonal mas continua Todos estes aspectos al m de outros foram tomados em considera o para a obten o dos diagramas de carga de cada m s O consumo anual previsto de 1653 GWh por ano O consumo m dio anual di rio previsto de 4 5 MWh por dia com um valor m ximo de 302 kW ponta anual anexo II e Sec o 6 3 Trabalho Final de Curso 62 4 Universidade do Porto Faculdade de Engenharia FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 6 Utiliza o do HOMER para a Configura o do Sistema H brido 6 1 P gina Inicial do Programa HOMER Pro Aberto o programa clicamos no s
30. alimenta o directa de metanol CCDM Como combust vel o metanol tem diversas vantagens em rela o ao hidrog nio para al m de ser l quido temperatura ambiente pode ser facilmente transportado e armazenado Os principais problemas das CCDM s o o sobrepotencial electroqu mico no anodo o que torna a c lula menos eficiente e o facto do metanol difundir atrav s da membrana de permuta prot nica MPP do nodo para o c todo No entanto actualmente os investigadores desta tecnologia est o a alcan ar progressos importantes que resolvem parcialmente estes problemas tornando este tipo de c lulas de combust vel potencialmente til para ser utilizado em equipamentos el ctricos port teis e igualmente em meios de transporte Reac es CCMPP Anodo H g 2H aq 2e7 Catodo 5 0a g 4 2H aq 2e gt H O Reac es CCDM Anodo CH OH aq H O I gt CO g 6e 6H aq Catodo 6H ag 6e 50 8 3H 0 1 Trabalho Final de Curso 13 j Universidade dororo Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 2 2 2 C lulas de Combust vel Alcalinas CCA Nas c lulas de combust vel alcalinas o electr lito utilizado uma solu o concentrada de KOH 85 peso para temperaturas elevadas 250 C e menos concentrada 35 50 peso para temperaturas inferiores lt 120 C As pilhas CCA utilizadas no programa Apollo da NASA continham uma solu o de KOH com 85
31. c lulas de combust vel o electr lito utilizado o cido fosf rico a 100 funcionando a temperaturas entre 160 a 220 C Para temperaturas baixas o cido fosf rico um mau condutor i nico e o envenenamento da platina pelo CO no nodo torna se mais severo Trabalho Final de Curso 15 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia A estabilidade relativa do cido fosf rico elevada em compara o com outros cidos comuns e consequentemente a c lula de combust vel CCAF pode produzir energia el ctrica a temperaturas elevadas 220 C Para al m disso a utiliza o de um cido concentrado 100 minimiza a press o de vapor de gua facilitando a gest o da gua na c lula O suporte utilizado universalmente para o cido o carboneto de silicone e o electrocatalizador utilizado no anodo e c todo a platina O problema do armazenamento do hidrog nio pode ser resolvido pela transforma o do metano em hidrog nio e di xido de carbono No entanto o equipamento necess rio para esta opera o acrescenta c lula custos consider veis maior complexidade e tamanho superior Contudo estes sistemas apresentam as vantagens associadas simplicidade de funcionamento da tecnologia das c lulas de combust vel disponibilizando um sistema de produ o de energia el ctrica seguro e que envolve baixos custos de ma
32. da velocidade do vento e esta rela o expressa pela equa o abaixo apresentada E E H H 3n onde 3n varia entre 0 30 e 1 20 3 1 5 C lculo da Energia Produzida O par metro de maior interesse no projecto de um sistema e lico a quantidade de energia til produzida pelo conjunto de aerogeradores que o comp em A energia produzida fun o das caracter sticas do aerogerador e da distribui o da velocidade do vento Sendo nos dada a frequ ncia de distribui o da velocidade do vento e a curva de pot ncia da turbina a energia m dia bruta esperada a ser produzida pela turbina ser calculada por E energia m dia bruta fornecida pela turbina P pot ncia fornecida na velocidade U f U frequ ncia de ocorr ncia da velocidade U Ui velocidade do vento na altura do eixo Trabalho Final de Curso 32 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Curvas de Pot ncia As curvas de pot ncia de uma turbina s o dadas em fun o da velocidade do vento Estas s o fornecidas pelo fabricante do equipamento e baseiam se no seu desempenho te rico ou seja calculado segundo par metros do projecto Considera es sobre o Vento Algumas curvas de pot ncia s o dadas considerando a velocidade do vento a 10 m de altura e uma certa rugosidade Se essas considera es n o for
33. de combust vel s o constitu das por dois el ctrodos Um positivo e outro negativo designados por c todo e anodo respectivamente Igualmente todas as c lulas t m um electr lito cuja fun o transportar os Trabalho Final de Curso 8 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia i es produzidos no anodo ou no c todo para o el ctrodo contr rio e um catalisador que acelera as reac es electroquimicas nos el ctrodos electr es Hidrog nio gt Lo Oxig nio o 7 Hidrog nio Electr lito C todo Figura 2 2 A t tulo de exemplo utilizando o hidrog nio como combust vel e o oxig nio como oxidante as reac es no anodo e catodo na c lula de combust vel s o respectivamente as seguintes Anodo H g gt 2H aq 2e7 Catodo 50 g 2H aq 2e gt H O g O hidrog nio alimentado ao anodo da c lula de combustivel figura 2 2 onde oxidado no catalisador de platina camada difusa catalitica dando se a produ o de dois electr es e de dois prot es hidrog nio H reac o anodo De seguida os electr es produzidos pela reac o de oxida o do hidrog nio s o transportados atrav s de um circuito el ctrico e utilizados para produzirem trabalho corrente cont nua Por sua vez os prot es produzidos na reac o an dica s o transportados do nodo para o c todo
34. de um bom potencial de vento existem outros factores que afectam o desenvolvimento de um projecto e lico Estes s o avaliados dentro do contexto do estudo de viabilidade A viabilidade de um projecto examinada em tr s reas Viabilidade econ mica Viabilidade t cnica Impacto ambiental Trabalho Final de Curso 38 TE Universtseto roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 3 4 1 Viabilidade Econ mica A viabilidade econ mica de um projecto e lico depende do custo e valor do projecto comparado a outras op es de gera o dispon veis Existem v rias t cnicas de se avaliar a sua viabilidade econ mica A escolha da t cnica ir depender do contratante do projecto Os avan os tecnol gicos e o crescimento do mercado t m contribu do para uma redu o do custo da energia gerada via sistemas e licos Os custos s o sens veis ao tempo ao tipo de terreno ao tamanho da turbina e ao tamanho da planta Os projectos e licos possuem custos de investimento relativamente elevados se comparados com outros tipos de projecto de gera o de grande porte Mas em compensa o possuem um custo de combust vel zero e manuten o e opera o baixos A grande vantagem dos projectos e licos a aus ncia do risco relacionado com o aumento do pre o dos combust veis Os principais custos envolvidos no projecto s o Custo de Investimento T
35. electr lito da CCOS mant m se permanentemente no estado s lido Tipicamente o anodo Co ZrO gt ou Ni ZrO2e o c todo Sr LaMnOs Reac es CCOS Anodo H g 0 gt H O I 2e C todo 50 g 2e 507 2 3 Compara o entre Tipos de C lulas de Combust vel Na membrana KOH amp H20 HPO LiKaCO 3 Eletr lito a ae a o shee estabilizado polim rica Acido fosf rico carbonato de l tio zirc nia Constru o pl stico metal pl stico metal a o tit nio cer mico Reforma interna n o n o n o sim sim Oxidante ar O puro ar ar ar Tomperi 85 C 120 C 190 C 650 C 1000 C interna 42 45 Efici ncia gt 30 gt 32 40 at 60 at 60 associadoa TG associado a TG Aplica o tipica autom vel ve culos gera o distribu da distribuida paca ao Sp aeronave espaciais distribu da larga escala larga escala Fuel Cell FC C lula de Combust vel CC Trabalho Final de Curso 19 j Universidade doroto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 2 4 Rela o entre Efici ncia e Pot ncia Instalada para Diversos Tipos de C lulas de Combust vel Bum Eft 10 gt 200 kW usam ciclo bottoming q ciclo combinado ou com troca de calor combust vel metano e pressuriza o 5 existe potencial p turbinas e caldeiras com materiais cer micos JJ BJ 5 4 PEMFC 3 SOFC 1 3 2 10 30 200 2 5 Fabricantes de C lulas de Combust vel 100
36. g 2e7 C todo 50 CO g 2e gt CO Trabalho Final de Curso 17 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 2 5 C lulas de Combust vel de xido S lido CCOS As c lulas de combust vel de xido s lido funcionam na gama de temperaturas entre os 600 e 1000 C possibilitando assim velocidades de reac o elevadas sem a utiliza o de catalizadores nobres O electr lito utilizado neste tipo de c lula um metal xido s lido e n o poroso usualmente Y gt 03 estabilizado em ZrO2 Na gama de temperaturas elevadas de funcionamento os i es de oxig nio s o transportados do anodo para o c todo Electricidade Bectr lito Figura 2 8 CCOS O metano pode ser utilizado directamente n o sendo necess ria a utiliza o de uma unidade de reforma o externa No entanto os materiais cer micos que constituem estas c lulas acarretam dificuldades adicionais na sua utiliza o envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necess rios muitos equipamentos extra para que a c lula produza energia el ctrica Este sistema extra engloba o de pr aquecimento do combust vel e do ar e o sistema de arrefecimento Apesar de funcionar a temperaturas superiores a Trabalho Final de Curso 18 j wavered rro Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engen 1000 C o
37. inferior ou igual a um Volt Isto significa que para se obterem n veis teis de pot ncia el ctrica t m de se associar diversas c lulas de combust vel em s rie pilha Deste modo um sistema de c lulas de combust vel apresenta a vantagem de ser modular e por isso tem a possibilidade de ser constru do para uma ampla gama de pot ncias el ctricas podendo ir dos mWatts at aos Mwatts Alimenta o de Hidrog nio Pratos E RR Prato Negativo Positivo 7 a a z r m E a a e ra m al rm Alimenta o de oxig nio ou ar Figura 2 3 Trabalho Final de Curso 10 EFE amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia As c lulas de combust vel s o interligadas entre si por pratos bipolares figura 2 3 Estes pratos devem ser bons condutores de electricidade e ter canais ao longo da sua superf cie de maneira a possibilitar o escoamento do combust vel no nodo e do ar ou oxig nio no c todo Ao mesmo tempo devem permitir um bom contacto el ctrico com os el ctrodos serem o menos espessos poss vel e de fabrico barato Um requisito adicional o de evitar as fugas de reagentes O desenho e o fabrico das conex es entre c lulas de combust vel de extrema import ncia para o sistema e contribui em grande parte para o custo da pilha 2 2 Tipos de C lulas de Combu
38. interrup es se os par metros de opera o forem ultrapassados O sistema central de controle conhecido como Controle Supervis rio e Aquisi o de Dados pode geralmente partir ou interromper a opera o de uma ou mais turbinas 3 5 1 2 Turbinas de Eixo Vertical O eixo principal de uma turbina vertical perpendicular superf cie da terra As p s que podem ser curvas ou rectas giram em torno do eixo vertical A configura o mais comum para este tipo de turbina o projecto de Darrieus Os principais elementos desse tipo de projecto s o P s do rotor e tubo de bin rio Cabos de suporta o e mancais Caixa de engrenagem Eixo de alta velocidade Gerador Estrutura de suporta o e funda o Elementos similares aos da turbina horizontal incluem a caixa de redu o o eixo de alta rota o e o gerador Lower Hub Lower Bearing Support Stand cem Power Train Cable Foundation Foundation Figura 3 6 Turbina do tipo vertical Trabalho Final de Curso 48 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia R tor coluna ou eixo de rota o O r tor de uma turbina vertical consiste geralmente de duas p s embora o projecto de tr s p s esteja actualmente a ser testado Embora mais caros os projectos de tr s p s oferecem a vantagem de reduzir a amplitude do bin rio de pulsa
39. m Wind Speed FC Capital Multiplier System type Wind GDies FC Electrolyzer Batt Wind GDies Batt Wind GDies Electrolyzer B att Wind GDies FC Electrolyzer Wind GDies Wind GDies Electrolyzer GDies Battery GDies Electrolyzer B att GDies FC Electrolyzer Batt GDies Total net pres 3 526 070 3 531 784 3 565 858 8 990 272 11 763 025 11 797 098 16 543 623 16 577 697 16 582 469 22 689 922 New Window System Types B Windicdies Batt Ba indicdiesF citlectrolyzer Batt Superimposed Levelized COE KAh Fixed Diesel Price 1 2 L 6 98 m s 0 00500 ent cost qr Close Figura AIII 3 Custo de Gera o da Electricidade Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 119 fe FEUP TUF amp universidade do orto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida REIS Faculdade de Engenharia ee z Sensitivity variables Wind Speed mzs x axis v Diesel Price L 1 2 v FC Capital Multiplier y axis v Variables to plot Superimposed hd New Window Ane Optimal System Type System Types i Hi winaicvies att E winaicdiesFc tectrolyzer Batt Superimposed Number of Batteries 08 Fixed Diesel Price 1 21 2 2 E E a o o 047 021 8 000 3 000 o4 o ot 7 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 4 N mero de Baterias Diesel 1 2 L Sensiti
40. mbolo D abrindo assim uma nova folha de trabalho O HOMER mostra nos a seguinte imagem HOMER 1 P gina Inicial do Homer ek Tif Fie view Inputs Outputs window Help ax DHE Equipment to consider Ree Simulations 0 of 1 Progress Lua Sensis D1 Status Sensitivity Results Optimizati EATE ensitivity Results Optimization Results button to add loads and Goat is ae eee Double click on system below for optimization results Export Initial Total CDE Ren Capital NPC _ kWhl Frac Resources Other Economics dE Emissions E Constants Document Author Jo o Leit o Notes Be Figura 6 1 P gina inicial do programa Trabalho Final de Curso 63 FEUP 7 uvest Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 6 2 Escolha dos Componentes do Sistema HOMER 1 P gina Inicial do Homer ME Fie ven routs Outputs wow Ho Dum BB Eqiprent ocos E Emissions As a E a mma fe Clicando o bot o J abrimos a livraria a fim de dispormos dos equipamentos necess rios composi o do Sistema H brido Add Remove Equipment To Consider Select check boxes to add elements to the schematic Clear check boxes to remove them The schematic represents systems that HOMER will simulate Hold the pointer over an element or click Help for more information Loads ___
41. na Terra As c lulas de combust vel representam uma alternativa eficiente para a convers o de energia no futuro Num pequeno per odo de tempo um grande n mero de organiza es e empresas assumiram o desafio de iniciarem a Trabalho Final de Curso 4 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia comercializa o de c lulas de combust vel Muitos aspectos importantes ligados tecnologia das c lulas de combust vel foram discutidos embora muitas outras reas como por exemplo modeliza o cat lise fabrico industrial e controlo representem desafios adicionais espera de serem compreendidos e solucionados Muitas comunidades isoladas possuem um ou mais potenciais energ ticos o que abre perspectivas para o aproveitamento destes recursos atrav s de sistemas de gera o distribu da e entre eles os sistemas h bridos de pequena escala onde podem ser combinados geradores e licos sistemas fotovoltaicos geradores a Diesel c lulas de combust vel sistemas com base em biomassa ou biog s entre outros A op o pelo sistema de gera o distribu da mais adequada aproveitando os recursos naturais dispon veis nas comunidades depende tamb m entre outros factores do consumo de energia el ctrica dos pre os dos equipamentos do sistema e das suas condi es operacionais quando em funcionamento Para identifica o do sis
42. o as mais aquecidas e nestas regi es o ar quente tende a subir sendo substitu do pelas massas frias das Trabalho Final de Curso 26 ay J FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia regi es polares originando assim o movimento do ar vento em escala planet ria Sobreposto a este sistema global encontram se ventos locais cuja origem tem mecanismos pr prios micro climas Um dos mais importantes encontrado nas regi es costeiras onde sopram as brisas mar timas ou lacustres Durante o dia o ar localizado sobre o interior mais aquecido do que aquele localizado sobre grandes massas de gua Este factor pode ser a consequ ncia da absor o de uma maior quantidade de energia necess ria ao aquecimento e evapora o da gua Sobre o interior a evapora o sensivelmente menor e por conseguinte h mais energia dispon vel para o aquecimento do ar Neste per odo as brisas sopram em direc o ao interior enquanto que no per odo nocturno inverte se a direc o devido ao facto de o calor espec fico da terra ser menor que o da gua fazendo com que o ar arrefe a mais lentamente sobre as massas de gua A energia e lica embora inesgot vel n o captavel de uma forma continua e uniforme Os ventos variam com as esta es do ano e comum haver dias de calmaria Mesmo num dia com vento este varia de intensidade no decorrer do mesmo A des
43. off Optimized GF orced off ae Gi Forced on All week Step 2 Select a time period Rios Allweek Weekdays Weekends Ro LB Weekends Step 3 Click on the chart to indicate when the selected operating mode applies 16 00 z a S 12 00 E E 20 00 Cento Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Help Cancel OK Figura 6 18 Dados Relativos FC Modo de Funcionamento O HOMER permite tamb m caso seja necess rio impor um modo de funcionamento Ou seja poss vel for ar a c lula de combust vel a operar ou n o em determinadas horas do dia Por omiss o o programa escolhe o per odo de tempo mais adequado a esse funcionamento 6 5 3 Gerador s a Diesel Clicando o bot o esti aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao gerador Por omiss o o programa considera que o combust vel a ser utilizado o Diesel figuras 6 19 a 6 21 Trabalho Final de Curso 74 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs table Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load s it se
44. que anota os dados em folhas ou fitas de papel anemogramas em fitas magn ticas ou em equipamentos electr nicos EEPROM para posterior processamento em computadores 3 3 Estudo do Consumo Energ tico Na elabora o de um sistema e lico h a necessidade de um estudo do consumo de energia da comunidade a que destina o projecto acrescido das Trabalho Final de Curso 37 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia cargas provocadas pelas perdas envolvidas na transforma o e na transmiss o Para esse efeito necess rio contar com os consumos hor rios para o dia do projecto Define se dia de projecto o dia em que as cargas ligadas est o todas em funcionamento simult neo produzindo assim o maior consumo de energia importante ressaltar que neste dia precisaremos da capacidade plena dos equipamentos de gera o de energia assim como dos equipamentos de apoio e dos sistemas de armazenamento Procedendo desta forma o sistema ser capaz de suprir as necessidades de consumo e apresentar a possibilidade de satisfazer poss veis aumentos futuros de consumo No estudo do consumo energ tico devem ser avaliados para o dia de projecto os seguintes itens Distribui o por hora do consumo kW Consumo de energia kW Energia anual requerida kWh 3 4 Estudo de Viabilidade Al m da necessidade
45. seja poss vel tamb m for ar o gerador a operar ou n o em determinadas horas do dia Por omiss o o programa escolhe o per odo de tempo mais adequado a esse funcionamento 6 5 4 Electrolizador l i lal l Clicando o bot o Fez aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao electrolizador Trabalho Final de Curso 76 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Electrolyzer Inputs File Edit Help lAn electrolyzer generates hydrogen from electricity Enter at least one size and capital cost value in the Costs table Include all costs associated with the electrolyzer such as installation hardware and labor As it searches for the optimal system HOMER will consider each electrolyzer size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Costs Sizes to consider Size kw Capital Replacement O amp M y Size kw Cost Curve 1100 26 0 000 1 000 te Properties o 00 02 04 06 08 10 Lifetime years 15 Type AC Size kW Capital Repl t Efficiency s5 DEE io eaea Minimum load ratio pio Help Cancel Figura 6 22 Dados Relativos ao Electrolizador Foram inseridos custos de capital kW custos de substitui o kW custos de opera o e manuten o
46. www edp pt home asp http www troquedeenergia com http www res ltd com http www energiasrenovaveis com http www inersol com http www hydro com en http www cepel br http www gepower com http www erl pt http celulasdecombustivel planetaclix pt index html http louzan planetaclix pt serra htm Trabalho Final de Curso 96 PES STEP E F E U P Py EU Ud ar EEN 4 Universidade do Porto q st Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida ANEXOS Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Trabalho Final de Curso 97 a 6 EN fue a amp Universidade do Porto q gt Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Trabalho Fim de Curso ANEXO I Velocidade M dia do Vento Trabalho Final de Curso 98 4 Universidade do Porto gt Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Com base num estudo gen rico sobre a varia o da velocidade do vento foi constru do um histograma da varia o m dia mensal do vento com base no facto de se saber que no local a velocidade m dia anual do vento ronda os 7a8 m s m s Varia o TER Velocidade M dia do Vento Silveira m dia 12 00 10 00 8 00 6 00 4 00 2 00
47. 0 Battery Trojan L16P Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 130 130 6 00 Quantities to O 400 800 1 200 2 000 2 500 3 000 4 000 6 000 consider 8 000 10 000 Voltage 6V Nominal capacity 360 Ah Lifetime throughput Ro INN Converter Size kW Capital Replacement O amp M yr 1 000 300 300 6 MESIR O 100 200 300 400 500 600 700 Sizes to consider kW Lifetime 15 yr Inverter efficiency 90 Inverter can parallel with AC y es generator Rectifier relative capacity 90 Rectifier efficiency 85 Trabalho Final de Curso 137 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Economics Annual real interest rate 6 Project lifetime 25 yr Capacity shortage penalty 0 kWh System fixed capital cost 0 System fixed O amp M cost 0 yr Generator control Check load following Yes Check cycle charging Yes Setpoint state of charge 80 Allow systems with multiple generators Yes Allow multiple generators to operate simultaneously Yes Allow systems with generator capacity less than peak load Yes Emissions Carbon dioxide penalty O t Carbon monoxide penalty O t Unburned hydrocarbons penalty 0 t Particulate matter penalty O t Sulfur dioxide penalty O t Nitrogen oxides penalty O t Constraints Maximum annual capacity shortage 0 2 5 Minimum renewable fraction 0 Operating reserve as pe
48. 0 00 Jul 03 Ago 03 SetO3 Out 03 Nov 03 Dez03 Jan04 Fev04 Mar 04 Abr 04 Mai 04 Jun 04 M s Trabalho Final de Curso 99 ade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida ANEXO II Consumos Energ ticos Trabalho Final de Curso 100 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Diagrama de Cargas Janeiro JANEIRO 10 1 16 17 ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 3 TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA FEVEREIRO ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 7 ATRIO DISTRIBUIGAO CONG AUDITORIO ILUMINA O PUBLICA ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 7 ATRIO DISTRIBUIGAO CONG AUDITORIO ILUMINA O PUBLICA Trabalho Final de Curso 101 FEUP Universidade do Porto Proje
49. 135 113 182 146 188 232 237 229 193 187 157 0 FEVEREIRO 167 127 902 864 824 816 81 1 146 186 212 237 243 za 208 148 133 184 igs 200 246 251 242 208 200 167 2 MAR O ta 134 963 912 858 850 845 150 188 220 246 25h 251 218 181 154 178 tes 178 226 285 256 223 213 177 4 187 i 102 96 1 89 2 884 879 154 170 227 2 286 2e 231 us ta 188 181 190 ze 279 260 238 726 187 6 Wr 149 108 100 26 91 8 913 124 174 as 265 aro 276 24l be 195 200 198 202 252 250 248 252 240 197 8 a 158 a 105 96 0 952 94 7 128 178 aus as 2an 280 25a 201 216 212 205 28 286 273 262 287 253 208 0 218 163 120 110 1 6 6 218 1 132 182 250 284 298 301 271 215 236 224 216 225 279 287 275 282 266 BOA E A 7 8 7 3 7 3 1 7 6 8 1 4 4 8 208 156 114 105 128 178 243 275 287 289 258 201 216 212 205 213 266 273 262 267 253 AGOSTO 0 3 5 8 98 0 Se kii 7 A 2 4 2 1 8 1 0 2 2 0 6 5 208 0 197 149 108 100 158 174 235 265 276 276 244 188 195 200 193 202 252 293 282 252 240 SETEMBRO 8 0 5 9 a S18 MS 9 4 4 7 5 8 9 5 5 4 3 0 7 5 8 8 2 197 8 187 141 102 154 170 227 256 265 264 231 175 174 188 181 190 239 279 269 238 226 OUTUBRO 6 7 4 96 1
50. 5 7 Banco de Baterias ai Clicando o bot o at aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao banco de baterias Battery Inputs File Edit Help Choose a battery type and enter at least one quantity and capital cost value in the Costs table Include all costs associated with the battery bank such as mounting hardware installation and labor As it searches for the optimal system HOMER considers each quantity in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Battery type e ain Details New Delete Battery properties Manufacturer Trojan Battery Company Nominal voltage Ev Website www trojan battery com Nominal capacity 360 Ah 2 16 kwh Lifetime throughput 1 075 kwh Costs Sizes to consider Quantity Capital Replacement O amp M pr Quantity 1 130 130 6 00 Cost Curve ty 3 ts 0 Advanced do 02 a Pa 08 10 E 3 F uantity Minimum battery life yr 4 Capital lt Replacement Help Cancel Figura 6 25 Dados Relativos ao Banco de Baterias Foram inseridos custos de capital unidade custos de substitui o unidade custos de opera o e manuten o ano Todos estes custos foram calculados com base em pesquisas feitas em v rios relat rios t cnicos Trabalho Final de Curso 19 FEUP ULF universidade do porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o
51. 8 3 1 2 Distribui o das Velocidades do Vento 29 3 1 3 Factor de Capacidade 30 Trabalho Final de Curso 1 Wi FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 3 1 4 Influ ncia da Altura e da Rugosidade do Solo 31 3 1 5 C lculo da Energia Produzida 32 3 2 Estudo do Comportamento do Vento 35 3 2 1 Medi es do Vento 37 3 3 Estudo do Consumo Energ tico 37 3 4 Estudo de Viabilidade 38 3 4 1 Viabilidade Econ mica 39 3 4 2 Viabilidade T cnica 40 3 4 3 Impacto Ambiental 40 3 5 Selec o dos Equipamentos 41 3 5 1 Tipos de Turbinas 41 3 5 1 1 Turbinas de Eixo Horizontal 42 3 5 1 2 Turbinas de Eixo Vertical 48 4 Sistemas H bridos para Produ o de Energia El ctrica 50 4 1 Alguns Tipos de Sistemas H bridos com Armazenamento 51 5 Estudo do Projecto de Electrifica o Rural de Silveira 53 5 1 O Local 53 5 2 Recursos Energ ticos do Local 58 5 3 Descri o dos Aglomerados Habitacionais e Tur sticos 58 5 4 Estudo dos Consumos Energ ticos 61 6 Utiliza o do HOMER para a Configura o do Sistema H brido 63 6 1 P gina Inicial do Programa HOMER Pro 63 6 2 Escolha dos Componentes do Sistema 64 6 3 Dados Relativos ao Perfil do Consumo 66 6 4 Dados Relativos aos Recursos Dispon veis Vento 68 6 5 Dados Relativos aos Componentes do Sistema 70 6 5 1 Aerogerador s 70 6 5 2 C lula de Combus
52. 90 80 70 60 30 40 30 20 10 200 000 kw UTC 5 200 Ballard Generation Systems 1 250 Fuel Cell Energy 250 2 000 Hydrogenics Corporation 5 40 Lynntech Industries Ltd 1 300 H Power 1 10 Dais Analytic Corporation 3 11 Principais fabricantes de c lulas de combust vel no ano de 2001 Trabalho Final de Curso 20 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 6 Dados sobre Custos Espec ficos de Investimento e de Gera o de C lulas de Combust vel PEMFC 10 kW 1997 Barbir e Gomez 1997 3 000 futuro Barbir e Gomez 1997 1 150 7 kW 2001 Plug Power 1999 1 215 2003 Plug Power 1999 575 N o especificado 3 1 400 AFC N o especificado 3 2 700 PAFC 25 kW futuro Mugerwa 1993 2 250 250 kW futuro Mugerwa 1993 Simader 1994 2 440 Hirschenhofer 1994 n o fornecido Carlsson 1997 3 500 100 MW EPRI 1988 3 000 N o especificado 3 1 000 200 kW venda UTC 3 000 MCFC 25 kW futuro Mugerwa 1993 1 355 250 kW futuro Mugerwa 1993 1 740 3 25 MW futuro Mugerwa 1993 1 330 100 MW futuro Mugerwa 1993 600 100 MW c reforma externa futuro Bohme 1994 2 900 100 MW c reforma interna futuro Bohme 1994 2 000 100 MW c combustivel reciclado futuro Bohme 1994 1 700 2 MW pr comercial EPRI 1995 1 700 2 MW comercial EPRI 1995 1 200 N o especificado 3 2 600 SOFC N o especificado futuro Murugesamoorthi 1993 1 000 N
53. Capital Multiplier y axis v Variables to plot Superimposed EEE New Window 1 0 Optimal System Type System Types l i winicdies mat Ba windicdiesF citlectrolyzer Batt Superimposed Levelized COE KAh 084 Fixed Diesel Price 1 2 8 0 67 a E E Oo 0 041 0 24 5 7 Right click to copy gave or modify Wind Speed m s e ed Wind Speed 6 98 m s FC Capital Multiplier 0 00500 Wind Speed 514 m s FC Capital Multiplier 0 01500 aham Total net present cost Wind GDies FC Electrolyzer Batt 3 526 070 Ea System type Total net present cost Wind GDies Batt 3 531 784 Wind GDies FC Electrolyzer Batt 6 691 189 HH Wind GDies Electrolyzer B att 3 565 858 E Wind GDies Batt 6 695 878 ZA Wind GDies FC Electrolyzer 8 990 272 ES Wind GDies Electrolyzer B att 6 731 625 Zz Wind GDies 11 763 025 EE Wind GDies FC Electrolyzer 15 477 845 DO Wind GDies Electolyzer 11 737 058 NS GDies Battery 16 543 622 GERA GDies Battery 16 543 623 A GDies Electrolyzer Batt 16 579 369 HO GDies Electrolyzer Batt 16 577 697 D GDies FC Electrolyzer Batt 16 593 609 NENE GDies FC Electrolyzer Batt 16 582 469 NENE Wind GDies 16 997 782 D GDies 22 689 922 EE Wind GDies Electrolyzer 17 033 528 Sy GDies 22 693 922 OS Figura 8 4 Gr fico dos melhores sistemas Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 88 FEUP HL universidade do Porto Projecto de Electrifica o
54. Density Carbon content Sulfur content Figura 8 2 Varia o do Custo do Diesel Litro Tendo sido considerado o valor de 2000 kW para a c lula de combust vel vamos aplicar um factor multiplicativo que ir variar entre os O e 100 Variables to plot Generator Inputs Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance 08M value in the Costs table Note that the capital co ollars per operating hour Enter a nonzero heat reise eae EE al load As it searches for the optimal system HO Hold the pointer over a Variable Fuel Cell Capital Cost Multiplier Units Cost Fuel Schedule Link with lt none gt Values Costs Size kw Capital 1 000 2000 5 Properties 2 3 4 5 6 7 8 9 200 400 600 Description Fuel Cell um e am Capital Replacement Abbreviation FC Diesel Price L 5 Help Cancel Lifetime operating hour Minimum load ratio Help Cancel Figura 8 3 Varia o do Custo da C lula de Combust vel Estes valores tamb m foram aplicados ao electrolizador e ao tanque de armazenamento de hidrog nio Trabalho Final de Curso 87 A Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia FEUP Depois de feita nova simula o obtemos o seguinte gr fico Wind Speed m s x axis Diesel Price L 1 2 v FC
55. Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida amp Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Wind Resource Synthesized Data o Wind Speed m s D wo N 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Now Dec Weibull k 2 30 Autocorrelation factor 0 850 Diurnal pattern strength 0 250 Hour of peak wind speed 15 Scaled annual average 8 5 6 7 9m s Anemometer height 80 m Altitude 700 m Wind shear profile Logarithmic Surface roughness length 0 1 m AC Generator G Diesel Size kW Capital Replacement O amp M hr 400 000 18 000 16 900 1 130 600 000 21 000 19 900 1 260 800 000 23 000 22 000 1 470 1 500 000 30 000 29 000 1 900 Sizes to consider O 1 500 kW Lifetime 100 000 hrs Min load ratio 0 Heat recovery ratio 0 Fuel used Diesel Fuel curve intercept 0 08 L hr kW Fuel curve slope 0 25 L hr kW Trabalho Final de Curso 114 HF Universidade do Pro Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida S Faculdade de Engeni Efficiency Curve 25 320 c 0 20 80 100 40 60 Output 5 AC Generator Fuel Cell Size kW Capital Replacement O amp M hr 1 000 2 000 1 800 0 006 Sizes to consider 0 600 kW Lifetime 43 800 hrs Min load ratio 0 Heat recovery ratio 0 Fuel used Stored hydrogen Fuel curve intercept O L hr kW Fuel curve slope 0 6 L hr kW Efficiency Curve
56. RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA AGOSTO ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 2 TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA SETEMBRO ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG A TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA Trabalho Final de Curso 103 FEUP Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida OUTUBRO ALOJAMENTO Diagrama de Cargas Outubro ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 7 TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA NOVEMBRO ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O
57. Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 7 Modelo de Optimiza o HOMER Depois da introdu o de todos os dados atr s mencionados obtemos a configura o seguinte HOMER 5 Caract dos comp do Sistema e restri es Tif File view Inputs Outputs window Help 8 D da Be Equipment to consider Add Remove Simulations O of 512 Progress Tuna Sensitivities 0 of 1 Status Hydrogen tank Hydrogen load Sensitivity Results Optimization Results Tabular O Graphic Double click on a system below for optimization results Export Electrolyzer Ren Initial L Frac COE Capital kWh Primary Load 1 4 5 Mwh d 390 kw peak Battery Seep Other E E Wind resource r Economics i Disse Generator control Emissions e Constraints Document Author Notes Se Figura 7 1 Composi o do Sistema H brido Na figura seguinte 7 2 est representada em pormenor a composi o do sistema h brido Trabalho Final de Curso 80 E FEUP LIS Universidade ao roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Jif File view Inputs Outputs Window Help DAMER Equipment to consider Add Remove Hydrogen tank Hydrogen load Electrolyzer Fuhrlander 250 Primary Load 1 4 5 MWh d 390 kW peak G Diesel Batter
58. Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Podemos verificar que configura o mais adequada o sistema e lico Diesel com baterias O custo de gera o da electricidade estimado ocorre entre 127 e os 335 MW O sistema e lico Diesel com baterias e c lula de combust vel na pr tica n o tem aplica o uma vez que s para um factor multiplicativo aplicado aos componentes relacionados com a c lula de combust vel de 0 5 que seria vi vel 8 2 Sistema H brido Diesel E lica Para este sistema foram introduzidas oscila es no valor do Diesel litro velocidade m dia do vento e ainda as percentagens de 0 2 e 5 de energia reprimida Constraints Sensitivity Values Constraints are conditions that systems must meet to be feasible Infeasible syst Variable Maximum Annual Capacity Shortage the sensitivity and optimization results Operating reserve provides 4 margin to 4 Units Z deviation from the hourly average of the load or renewable power output HOM margin for each hour based on the operating reserve inputs Link with lt none gt Hold the pointer over an element name or click Help for more information Values 1 Maximum annual capacity shortage Oo 3 Minimum renewable fraction one Operating reserve amp s percent of load Note I OO OD O EIN o Ho Hourly load 10 3 a Annual peak load On Bey a o T
59. SAS E A Baseline data Month January Now Hour of peak windspeed Scaled data for simulation Scaled annual average m s 8 5 Plot Export Help Cancel Figura 8 1 Varia o da Velocidade M dia do Vento Trabalho Final de Curso 86 amp FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Tendo sido considerado o valor de 0 8 L para o custo do Diesel vamos faz lo variar entre os 0 6 e os 1 4 L Sensitivity Results Upumzanon Hesuts Sensitivity variables Wind Speed m s 8 Diesel Price L 0 8 FC Capital Multiplier 1 Eq Double click on a system below for simulation results MERRE GE1 5 GDies FC Bat Conv Elec H2 Tank Disp Initial Total kW kW ew kwi kg Stay Capital NPC Ao Z 1500 2000 400 LF 1610 00 287 0 k 8B 1500 2000 400 100 LF 1740 00 3071 56 Ik Za 6000 400 CC 2100000 3 6496 k EIA cooo 490 c 2 po 2502 jesel Inputs 2 far Di p tk e Fie edt Help A Enter the fuel price The fuel properties can only be changed when creating 4 these a new fuel click New in the Generator Inputs or Boiler Inputs window b R Hold the pointer over an element name or click Help for more information 4 o e Price L E 6 7 2 5 IT Limit usage to Lyr E oF Fuel properties 4 Lower heating value 43 2 MJ kg
60. Trabalho Final de Curso Engenharia Electrot cnica e de Computadores Ramo de Energia EM F EU Universidade do Porto Cs Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Aluno Jo o Carlos Leonor Correia Leit o Orientador Professor Cl udio Domingos Martins Monteiro Julho de 2005 Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia ndice 1 Introdu o 4 1 1 Objectivo 6 2 C lulas de Combust vel 8 2 1 Princ pio de Funcionamento 8 2 2 Tipos de C lulas de Combust vel 11 2 2 1 C lulas de Combust vel com Membrana de Permuta Prot nica CCMPP 12 2 2 2 C lulas de Combust vel Alcalinas CCA 14 2 2 3 C lulas de Combust vel Acido Fosf ricas CCAF 15 2 2 4 C lulas de Combust vel de Carbonato Fundido CCCF 16 2 2 5 C lulas de Combust vel de xido S lido CCOS 18 2 3 Compara o entre Tipos de C lulas de Combust vel 19 2 4 Rela o entre Efici ncia e Pot ncia Instalada para Diversos Tipos de C lulas de Combust vel 20 2 5 Fabricantes de C lulas de Combust vel 20 2 6 Dados sobre Custos Espec ficos de Investimento e de Gera o de C lulas de Combust vel 21 2 7 Vantagens e Desvantagens das C lulas de Combust vel 22 2 8 Aplica es 24 3 Energia E lica 26 3 1 Conceitos B sicos 28 3 1 1 Pot ncia Fornecida pelo Vento 2
61. ____ Components g I Primary Load 1 wr pv T Primary Load 2 AT Wind Turbine 1 g T Deferable Load AT Wind Turbine 2 amp Thermal Load 7 I Hydro Pd I Hydrogen load C3 M Generator 1 Generator 2 Grid Generator 3 Do not model grid I Battery 4 System is connected to grid f I Converter 4 C Compare stand alone system to grid extension E I Electrolyzer J Hydrogen Tank I Reformer Help Cancel Figura 6 2 Livraria Add Remove Equipment To Consider Select check boxes to add elements to the schematic Clear check boxes to remove them The schematic represents systems that HOMER will simulate Hold the pointer over an element or click Help for more information Loads Components g Primary Load 1 Fr rey g I Primary Load 2 A BWC ExcelR g T Deferrable Load AT wind Turbine 2 I Thermal Load TXI Hydro IV Hydrogen load C3 Generator 1 C3 Generator 2 Grid Generator 3 Do not model grid E M Battery 4 System is connected to grid 4 Compare stand alone system to grid extension M Converter E IV Electrolyzer V Hydrogen Tank I Reformer Help Cancel Figura 6 3 Conjunto dos equipamento escolhidos Trabalho Final de Curso 64 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Depois de seleccionados os elementos constituintes tais como Carga Aerogerador Gerado
62. a Produzida por um Aerogerador Simples A frequ ncia de distribui o de pot ncia obtida pela multiplica o do n mero de horas de uma dada velocidade do vento pela pot ncia obtida da curva de pot ncia x velocidade do vento do aerogerador escolhido A soma dos resultados sobre o intervalo das velocidades dadas fornece a energia total produzida pela turbina para uma dada distribui o de temperatura Embora esta metodologia forne a uma estimativa razo vel para a energia total produzida por uma turbina a energia real ser menor do que a especificada devido a factores que n o foram contabilizados nos c lculos Os factores a considerar s o turbul ncias tempo de manuten o perdas na linha correc o na densidade do ar entre outros An lise da Direc o do Vento Os dados da direc o do vento s o usados para determinar a melhor adapta o das turbinas localidade escolhida independentemente de elas estarem localizados em fila ou em linha Ventos multidireccionais requerem um espa o grande entre as turbinas para que sejam reduzidas as perdas As Trabalho Final de Curso 34 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia informa es sobre a direc o do vento e sua magnitude geralmente s o apresentadas em gr ficos do tipo rosa dos ventos Figura 3 1 JE 80 D iF 100 110 120 130 S F
63. aceira do mecanismo de orienta o direccional 16 cobertura da cabina 17 torre Figura 3 3 Rotor usado numa turbina horizontal Trabalho Final de Curso 43 tL universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Eixo principal O eixo transfere o bin rio atrav s do r tor para a caixa multiplicadora que est acoplada a um gerador Em alguns projectos onde n o necess rio o uso de uma caixa de transmiss o o eixo acoplado directamente ao gerador el ctrico Quando usado em conjunto com uma caixa de transmiss o o eixo principal designado por eixo de baixa velocidade O eixo possui tamb m um sistema de frenagem para uma paragem controlada do sistema Este sistema tem por objectivo minimizar o bin rio existente no sistema de transmiss o Caixa de engrenagens A caixa de engrenagens transfere a pot ncia e o bin rio de baixa rota o produzido pelo r tor em pot ncia a bin rio de alta rota o requerido pelo gerador que comp e o sistema Os dois tipos de caixa mais usados s o Caixa de eixo paralelo helicoidal Caixa planet ria Ocasionalmente utiliza se uma combina o das duas Rotor Brake Generator Shaft TA Epicylic Gearbox A ai 7 amar SR ON o ASS H r Ns Generator Pr dd 4 NORA All Tutne L NM ra lg lt Fe W dis Bearing ome 3 a i _ Flex Mount LZ A JP dd We Remova
64. alternativa de 120 MWh 7 2 2 Sistema H brido Diesel E lica C lula de Combust vel Constitu do por aerogeradores com uma pot ncia nominal de 1500 KW um gerador a Diesel com a pot ncia de 1500 kW c lula de combust vel de 600 kW e um banco de baterias Trabalho Final de Curso 84 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 5 Para o consumo de 4 5 MW por dia admitindo 0 de energia reprimida e custo do combust vel 0 8 litro DEBE Equipment to consider EANES Simulations 002304 Progress Letcucte conetivtios 00f100 Stats Hydioyen tar Trocar kiad Sensitivity Results Optimization Results Sensitivity variables Be Wind Speed m s 8 z Diesel Price L 08 FC Capital Multipier T GE TEMW aes Double click on a system below for simulation results Categorized C Overal Espot est FC Batt Cony Elec H2 Tank Diep Initial Total COE Ren Diesel GDies FC kw kw kw kw kg Stroy Capital NPC 8 kwh Frac u hes hes k OE 150 2000 400 LF 1 610 000 2 871 034 0137 1 00 32365 218 Primary Load 1 R DE 1 1500 2000 400 100 LF 1 740 000 3 071 627 0146 1 00 3235 218 45MWh d a k EB 1 6000 400 CC 2 100 000 3549670 0174 1 00 SE a k B 1 6000 400 100 CC 2 230 000 3 850 262 0183 1 00 jet fa hoo 1150 60 200 400 100 LF 2940000
65. arches for the optimal system HOMER will consider each generator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions Costs Sizes to consider Size kw Capital Replacement O amp M hr lt Size kw i i 18000 16900 1 130 0 000 600 000 21000 19900 1 260 400 000 800 000 23000 22000 1 470 600 000 w ts 1 800 000 Properties aa Description E Diesel Type AC Size kW iene Dies C DC Capital Replacement Lifetime operating hours 100000 En Minimum load ratio 0 49 o 200 600 800 Help Cancel Figura 6 19 Dados Relativos aos Geradores a Diesel Foram inseridos custos de capital custos de substitui o custos de opera o e manuten o hora e tempo de vida til horas Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs table Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load As it searches for the optimal system HOMER will consider each generator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions
66. astelo 45 Percurso peta Ribeira Sra da Piedade Figura 5 4 Mapa Local Trabalho Final de Curso 56 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida entao Clima Temperatura m dia anual 14 C 4 Temperatura m dia das m ximas mensais 18 4 C Temperatura m dia das m nimas mensais 8 7 C Temperatura m xima absoluta 39 6 C N mero de dias com temperatura maxima superior a 25 C 70 4 Temperatura m nima absoluta 4 5 C N mero de dias com temperatura m nima inferior a 0 C 8 5 Precipita o m dia anual 960 mm N mero de dias com precipita o inferior a 0 1 mm 123 Humidade do ar H Relativa as 9h 78 Nebulosidade 4 N mero de dias com nebulosidade superior a 8 10 104 8 N mero de dias com nebulosidade inferior a 2 10 119 1 Vento Maior frequ ncia Este Maior velocidade m dia Este Menor frequ ncia Norte e Noroeste Menor velocidade m dia Norte FE Eee N mero de dias com velocidade superior a 36 Km h 10 m s 5 4 N mero de dias com velocidade superior a 55 Km h 15 28 m s 1 N mero de dias com nevoeiro 29 2 F N mero de dias com orvalho 5 7 N mero de dias granizo ou saraiva 0 7 Trabalho Final de Curso 57 VD Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 5 2 Recursos Energ ticos do Local No caso em estudo o rec
67. bte Coupling cm Quill Shatt EN a YJ J k Mis Rotor Support a Food Shafi Teeter Bearing Coupling Imerface Figura 3 4 Detalhe de uma caixa de engrenagem Trabalho Final de Curso 44 Universidade doroto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Eixo de alta rota o O eixo de alta rota o liga a sa da da caixa de engrenagem ao eixo de accionamento do gerador O eixo de alta rota o e ou o eixo de baixa rota o apresenta um sistema de freio O eixo de alta velocidade tamb m inclui um elemento flex vel ou acoplamento para acomodar pequenos desalinhamentos entre a caixa e o gerador Gerador Os dois tipos b sicos de geradores el ctricos s o os sincronos largamente utilizados como gerador e como motor onde se requer velocidade constante Os ass ncronos s o os mais utilizados em turbinas e licas aos quais pertencem as m quinas de indu o do tipo gaiola de esquilo Ambos os tipos de geradores trabalham na faixa de 1800 rpm para 4 p los 60 Hz ou 1200 rpm para seis p los 60 Hz Generator Shaft Flex Coupling Generator Base Frame Figura 3 5 Detalhe interno de uma turbina e lica com o gerador Trabalho Final de Curso 45 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Estrutura principal Os equipamentos que comp em uma turbina eixo gerador ca
68. cala m s O factor de forma indica a uniformidade da velocidade ou seja os valores mais altos de c fazem com que a curva se concentre mais em determinada faixa de velocidade do vento J o factor de escala A est relacionado com a velocidade m dia do vento e medida que cresce mais se aproxima da rea de melhor aproveitamento do potencial e lico das actuais turbinas Devemos ter em aten o tanto nos histogramas de velocidade do vento como na curva de frequ ncia de velocidade de Weibull que a velocidade m dia do vento no per odo considerado n o coincide com a velocidade de maior ocorr ncia que corresponde ao pico da curva 3 1 3 Factor de Capacidade O factor de capacidade um dos par metros que mostra a evolu o de m quinas para a gera o de electricidade e definido como a rela o entre a produ o bruta de energia el ctrica e a pot ncia nominal num per odo de tempo O per odo pode ser anual mensal ou outro previamente estabelecido Por outras palavras a rela o entre a pot ncia el ctrica m dia no per odo considerado e a pot ncia nominal do aerogerador dado sob a forma de percentagem Factor de Capacidade j P Pot ncia el ctrica kW P Pot ncia nominal kW Trabalho Final de Curso 30 Sary Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida ee 3 1 4 Influ ncia da Altura e da Rugosidade do Solo A veloc
69. ck Help for more information Wind Diesel FCCap FCRepl Elec Cap Elec Repl HT Cap HTRepl 4 mis L Mult Mult Mult Mult Mult Mult 0 800 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 0 600 0 75 0 75 0 75 0 75 0 75 0 75 1 000 0 50 0 50 0 50 0 50 0 50 0 50 1 200 0 25 0 25 0 25 0 25 0 25 0 25 1 400 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 zl Help Cancel een Figura AIII 2 Tabela de Oscila o de Valores de Algumas das Vari veis Trabalho Final de Curso 118 i ANM N ES Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida FEUP Faculdade de Engenharia Depois de feita nova simula o obtemos os seguintes gr ficos Wind Speed mzs x axis v Variables to plot 0 87 FC Capital Multiplier E Ed E a al 5 Right click to copy save or modify Wind Speed 5 14 m s FC Capital Multiplier 0 01500 System type Total net present cost Wind GDies FC Electrolyzer Batt 6 691 189 Zz Wind GDies Batt 6 695 878 Zaz Wind GDies Electrolyzer B att 6 731 625 ZZA Wind GDies FC Electrolyzer 15 477 845 EE GDies Battery 16 543 622 ZZ GDies Electrolyzer Batt 16 579 369 O GDies FC Electrolyzer Batt 16 593 689 NENE Wind GDies 16 997 782 Wind GDies Electrolyzer 17 033 528 EEE GDies 25 2 PRN Diesel Price L 1 2 y FC Capital Multiplier y axis v Superimposed MERTERT Optimal System Type Wind Speed
70. combust veis f sseis e a aus ncia de regulamenta o no sector de distribui o de energia perdas el ctricas acidentes com radia es electromagn ticas localiza o e custos de centrais el ctricas s o preocupa es que a n vel global est o a alarmar cada vez mais a humanidade Estas quest es representam uma for a motriz forte para a investiga o e desenvolvimento de novas fontes de energia amigas do ambiente altamente eficientes e com ciclos de vida renov veis O hidrog nio um dos combust veis alternativos mais prometedores para o futuro porque tem a capacidade de armazenar energia de alta qualidade e porque faz isto em conformidade com um desenvolvimento sustent vel O hidrog nio tem sido visto como sendo o melhor dos sistemas de energia futuro baseados em energia solar ou em outros recursos energ ticos renov veis O conceito de utilizar hidrog nio como um vector energ tico no armazenamento e transporte de energia i a chamada economia de hidrog nio tem sido estudada por muitos cientistas de todo o mundo e g Ohta 1979 Nitsch e Voigt 1988 Ogden e Williams 1989 Winter e Nitsch 1989 Scott e H fele 1990 O hidrog nio pode ser produzido quimicamente atrav s de hidrocarbonos e g combust veis renov veis tais como metano etanol ou metanol Uma op o mais atractiva a de produzir hidrog nio atrav s da gua via electr lise em meio aquoso devido abund ncia de gua
71. continuidade de capta o de energia e lica n o todavia um empecilho sua utiliza o De facto os aeromotores que accionam bombas ou dispositivos para irriga o e moagem n o necessitam em regra de uma perfeita regularidade de hor rio e n vel energ tico No caso dos motores e licos que accionam geradores de energia el ctrica recorre se normalmente a uma das seguintes solu es 4 Armazena se a energia el ctrica atrav s de baterias e outros mecanismos 4 Suplementa se a energia da rede el ctrica local quando o motor e lico n o funciona Suplementa se a energia da rede el ctrica local quando o motor e lico funciona Torna se necess rio lan ar m o a recursos que mantenham a rota o do alternador constante para n o afectar a frequ ncia da rede a qual se encontra conectado Este problema j est tecnicamente solucionado Trabalho Final de Curso 27 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Gera se energia el ctrica para um sistema consumidor independente da rede p blica ligando se a carga de forma compat vel com a energia que o aeromotor fornece o que hoje pode ser feito inclusivamente de forma autom tica Em termos econ micos devido ao grande avan o tecnol gico e utiliza o difundida a energia e lica presentemente vi vel Diversos factores contribu ram para o uso da ene
72. cto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Diagrama de Cargas Abril 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 ALOJAMENTO 51 4 ALOJAMENTO SERVI O z z 9 4 PARQUE AUTOM VEL 0 0 CAPELA f i E 40 RECEP O l y 62 SERVI O i 41 7 RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG 2 TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA ALOJAMENTO ALOJAMENTO SERVI O PARQUE AUTOM VEL CAPELA RECEP O SERVI O RESTAURA O RESTAURA O SERVI O PISCINA CONG A TRIO DISTRIBUI O CONG AUDIT RIO ILUMINA O P BLICA Trabalho Final de Curso 102 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Diagrama de Cargas Julho 9 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 ALOJAMENTO K 71 4 71 4 ALOJAMENTO SERVI O X x 87 PARQUE AUTOM VEL K K 0 0 CAPELA f k A 40 RECEP O i 8 1 SERVI O
73. dade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida EN R aculdade de Engenharia aspectos ambientais sendo estes cada vez mais importantes Para tal efeito procedemos a uma s rie de simula es recorrendo ao programa HOMER Pro Hybrid Optimization Model for Electric Renewable desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory NREL Trabalho Final de Curso 7 universidade doroto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida aculdade de Engenharia 2 C lulas de Combust vel Uma c lula de combust vel uma c lula electroqu mica que converte continuamente a energia qu mica de um combust vel e de um oxidante em energia el ctrica atrav s dum processo que envolve essencialmente um sistema el ctrodo electr lito Circuito El ctrico e Canal de Alimenta o 2 Canal de Alimenta o c todo Colector de anodo e Colector Camada de Difusiva Corrente anodo catodo Camada Camada i Camada Difusiva Catalitica Pt Catalitica Pt c nodo dos H c nodo Membrana de Permuta Prot nica Figura 2 1 Uma c lula de combust vel pode converter mais do que 90 da energia contida num combust vel em energia el ctrica e calor O calor produzido por esta reac o qu mica pode ser usado para cogera o 2 1 Princ pio de Funcionamento Todas as c lulas
74. de 200 m Sala de estar sala de ch e sala de jogos com a rea total de 100 m Restaura o Servi o e amp ER EE Piscina trio e servi o com a rea total de 30 m Sanit rios Servi o vesti rios e sala de estar com a rea total de 50 m Armaz m com a rea de 40 m C mara frigor fica com a rea de 30 m Cozinha com a rea de 100 m Garrafeira a rea de 30 m Recolha e separa o de lixo com a rea de 30 m Atrio Ar livre com a rea de 40 m Area de lazer com 300 m Tanque de gua com a rea de 250 m Trabalho Final de Curso 60 E 4 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 2 Sanit rios com vesti rios e chuveiros com a rea total de 40 m 4 Casa de m quinas com a rea de 100 m 4 Arrumos com a rea de 20 m Congressos trio Distribui o Atrio com a rea de 90 m Bengaleiro com a rea de 10 m Bar com a rea de 90 m Bar Servi o e armaz m com a rea total de 30 m 2 Sanit rios com a rea total de 40 m Arrumos com a total de 10 m Infra Estruturas com a rea de 60 m EEE FF FE Parque autom vel com a rea de 30 m Congressos Audit rio 4 Atrio Servi o com a rea de 15 m 4 Camarim com sanit rio e sala de estar com a rea total de 30 m Sala de projec o e controle com a rea de 20 m 2 Salas de tradu o simult nea com
75. de Curso 140 FEUP Faculdade de Engenharia Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis v Variables to plot Max Annual Capacity Shortage 3 O Zi E Optimal System Type o Diesel Price L 04 2 3 Right clickto copy save or modify Figura AIII 23 N mero de Baterias Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage O x Variables to plot 5 6 Wind Speed m s Optimal System Type w4 Diesel Price L 0458 2 3 Right click to copy save or modify Figura AIII 24 Produ o E lica A 5 6 Wind Speed m s New Window System Types WindiGDies Batt GDies B cvies Battery Superimposed Number of Batteries Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 New Window System Types WindiGDies Batt co B cies Battery Superimposed Wind Production kvvh yr Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 Trabalho Final de Curso 141 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Sensitivity variables Wind Speed m s x axis gt Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 0 in Variables
76. dos por Betz para o c lculo da pot ncia m xima Pmax S o a massa espec fica r massa da unidade de volume de ar e a velocidade do vento V m s 16 P 3 max zzy 27 2 A grandeza 16 27 0 5926 foi designada por Betz o coeficiente de pot ncia e representada por Cp 2P a P pV A pot ncia maxima aproveitavel pelo aerogerador corresponde teoricamente a 59 26 da pot ncia total cedida pelo vento isto a Cp 0 5926 Na realidade a pot ncia total fornecida pelo vento ainda menor devido as perdas aerodin micas e mec nicas nos aerogeradores 3 1 2 Distribui o das Velocidades do Vento A distribui o de frequ ncia da velocidade do vento mostra por quanto tempo ocorreram velocidades do vento dentro de cada uma das classes de velocidade em intervalos normalmente de 1 m s Por outras palavras a frequ ncia obt m se dividindo o n mero de observa es em cada classe de velocidade pelo n mero total de observa es realizadas dentro do per odo considerado Se a distribui o de frequ ncia for desconhecida pode ser calculada pela fun o de distribui o de Weibull f v cuja f rmula geral dada por Trabalho Final de Curso 29 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia onde f v a distribui o de probabilidade v a velocidade do vento m s c o factor de forma adimensional e A o factor de es
77. e alimentos urge resolver a situa o Assim existem casos em que recomend vel dispor de algum sistema de produ o auxiliar que permita fazer frente com seguran a nos per odos anteriormente citados A inclus o de baterias ou outros sistemas de armazenamento de energia muitas vezes resolve tal problema 4 1 Alguns Tipos de Sistemas H bridos com Armazenamento Alguns dos sistemas h bridos utilizados para comunidades isoladas s o Sistemas E licos Sistemas Fotovoltaicos com Baterias Sistemas E licos Sistemas Diesel com Baterias Sistemas E licos C lulas de Combust vel com sem Baterias Sistemas E licos Sistemas com base em Biomassa com Baterias Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Diesel com Baterias Sistemas Fotovoltaicos C lulas de Combust vel com sem Baterias eee kh FF Sistemas Fotovoltaicos Sistemas com base em Biomassa com Baterias Sistemas E licos Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Diesel com Baterias Sistemas E licos Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Diesel C lulas de Combustivel com sem Baterias Sistemas E licos Mini Hidricas com Baterias 4 Sistemas E licos Mini H dricas Sistemas Fotovoltaicos com Baterias Um sistema h brido consiste na combina o de geradores e licos sistemas fotovoltaicos geradores a Diesel sistemas com base em biomassa ou biog s entre outros com um sistema de armazenamento de energia el ctrica mediante os potenciais
78. ed G Diesel Hours hrsiyr Fixed Max Annual Capacity Shortage 2 Diesel Price L 04 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 32 Tempo de Funcionamento do Gerador a Diesel Trabalho Final de Curso 145 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 5 de Energia Reprimida Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _ Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage M Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Eneray Ed New Window Optimal stem Typ System Types ind Battery Gi winaicdies Batt co BA dies Battery Superimposed Levelized COE SAM Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Diesel Price L x o o 04 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 33 Custo de Gera o da Electricidade Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _v Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 5 ad Variables to plot Superimposed New Window Optimal System Type System Types ind Battery Vind GDies Batt cos B vies Battery Superimposed 124 No of AE 500s Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Diesel Price L _ 2 w 0 56 04 2 3 5 5 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 34 N mero de Aerogeradores Trabalho Fi
79. ele se expanda e se eleve criando um gradiente de press o onde o ar frio mais denso proveniente do mar ocupa o seu lugar D se assim a circula o do ar chamada de brisa mar tima noite por m esta circula o invertida uma vez que a terra arrefece mais rapidamente que o mar Por m nem sempre esta situa o se verifica pois muitas vezes a influ ncia de ventos dominantes faz com que predomine a direc o destes ltimos O efeito da topografia orografia e obst culos na superf cie terrestre influ ncia fortemente o fluxo do vento Da observarmos hoje pa ses como a Dinamarca que instalam turbinas e licas no mar off shore onde n o est o sujeitas as influ ncias desses acidentes o que faz com que o potencial e lico seja mais intenso permitindo a utiliza o de turbinas de maior altura uma vez que a velocidade do vento aumenta com a altura Como anteriormente se referiu o vento uma fonte de energia sujeita a varia es sazonais Apesar das incertezas a magnitude do potencial m dio do recurso dispon vel num dado local pode ser prevista uma vez que o clima segue padr es aproximados dependendo da poca do ano hora do dia e local definido importante observar que a utiliza o da velocidade m dia anual no c lculo de pot ncia pode levar nos a obter resultados muito diferentes da realidade Da a import ncia de se considerar a influ ncia da sazonalidade e ainda mais de procurar te
80. em v lidas para o local alguns ajustes na curva de pot ncia ter o de ser considerados Considera es sobre a Densidade do Ar As curvas de pot ncia geralmente s o expressas considerando a densidade do ar ao n vel do mar 1 224 kg m3 Alguns ajustes ser o necess rios caso o local considerado n o esteja ao n vel do mar E recomend vel que os mesmos sejam realizados pelo fabricante do equipamento Condi o das P s As curvas de pot ncia s o calculadas considerando que a superf cie das p s completamente lisa e n o existe nenhum tipo de incrusta o Esta condi o raramente obtida em opera o As curvas de pot ncia obtidas com o sistema a funcionar ir o ser consideravelmente diferentes das te ricas caso as p s estejam sujas ou limpas Trabalho Final de Curso 33 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Processo de Medi o Durante o processo de medi o para levantamento das curvas de pot ncia do aerogerador existem diversas possibilidades de introdu o de erro H a necessidade portanto de uma descri o completa do processo e em particular das precau es que devem ser tomadas para que o anem metro de refer ncia esteja relacionado com a pot ncia real medida pela turbina O processo de medi o deve ser conforme aos padr es AWEA American Wind Energy Association Estimativa da Energi
81. energ ticos do local onde este vai ser inserido Trabalho Final de Curso 51 3 FEUP amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia a A op o pelo sistema de gera o distribu da mais adequado aproveitando se os recursos naturais dispon veis nas comunidades depende tamb m entre outros factores do consumo de energia el ctrica dos pre os dos equipamentos do sistema e das suas condi es operacionais quando em funcionamento Estes sistemas v o produzir energia el ctrica atrav s de fontes de energia renov vel vento sol gua etc de modo a satisfazer as necessidades de consumo da comunidade a que o sistema se destina Por vezes estes sistemas n o conseguem satisfazer as necessidades referidas pela aus ncia tempor ria de qualquer dos elementos referidos aplic veis no sistema Vento sol agua etc Da a import ncia da exist ncia de um sistema de armazenamento constitu do por exemplo por um banco de baterias Toda a energia produzida em excesso vai sendo acumulada nas baterias para que possa ser utilizada nos per odos em que o sistema n o seja capaz de produzir a energia necess ria As c lulas de combust vel podem muitas vezes substituir a necessidade de utilizar baterias Toda a energia produzida em excesso pelo sistema vai atrav s de um electrolizador produzir hidrog nio Este ser armazenado e semp
82. erator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions Fuel curve Fuel stored hydrogen gt New Del Intercept coeff kg hr kW rated DES Gages Slope kg hr kw output 06 4 Calculator Advanced Heat recovery ratio One Efficiency I Cofire with biogas Cancel Figura 6 17 Dados Relativos a FC Combust vel e Efici ncia Trabalho Final de Curso 73 FEUP J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Foi escolhido como combust vel o hidrog nio e inseridos os dados atinentes ao c lculo da curva de efici ncia da c lula de combustivel Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs table Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load As it searches for the optimal system HOMER will consider each generator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions Step 1 Select an operating mode 00 00 Generator Sehen E Optimized Forcedon Forced
83. i As percent of renewable output four outg Solar power output E ii and Help Cancel Wind power output 50 4 Help Cancel DK Figura 8 5 Varia o da Energia Reprimida Trabalho Final de Curso 89 EUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 8 2 1 Aerogerador de 250 kW e Gerador a Diesel de 400 kW Depois de feita nova simula o obtemos o seguinte gr fico Sensitivity variables Wind Speed m s x axis v Diesel Price L y axis _ Variables to plot New Window i Optimal System Type System Types 0 566 0 402 0274 0199 154 ea GE windiodies batt Hinacpies Ecs BA dies Battery ost of Energy Superimposed 4 Levelized COE h 0 104 Diesel Price L 0 205 0 160 2 6 Right click to oppy save or modify Wind Speed m s G Compifted in 1 34 00 Interpolated Values interpolated Values 268 m s 0 485 L Wind Speed Diesel Price Wind Speed Diesel Price 236 m s 1 095 L System type Total net present cost GDies 4 440 583 System type Total net present cost GDies Battery 4 598 263 aaa GDies Battery 3 796 674 aaa Wind GDies 4 550 211 O GDies ESEA o oooO O O Wind GDies Bat 4 807 704 FO Wind GDies Batt 9 955568 FERE Wind GDies 10 022 007 O Interpolated Values Wind Speed 428 m s Diesel Price 0 425
84. ia Hourly Daily Monthly DMap Profle PDF cor DC Silveira Profile Silveira KW 6 12 W A Hour Houtly Daily Monthly DMap Profle POF coF DC Primary Load 1 PDF 0 100 200 Right click to copy save or modify Value kW Figura 6 7 Histograma da Pot ncia Consumida Como podemos verificar pela observa o da figura 6 5 o consumo m dio anual di rio vai ser de 4 5 MWh por dia com um valor m ximo de 390 kW ponta anual Foi introduzido no programa o diagrama de cargas mensal com ponta m dia de 302 kW No entanto no HOMER aparece uma ponta de 390 kW devido modeliza o de um ru do branco neste caso de Daily 10 e Hourly 10 Trabalho Final de Curso 67 5 FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 6 4 Dados Relativos aos Recursos Dispon veis Vento Clicando o bot o Wind resource aparece a janela de entrada de dados sobre o recurso dispon vel Vento onde foi introduzido o histograma de velocidade m dia mensal do vento Foram introduzidos tamb m os dados referidos na Sec o 5 2 tais como o factor Weibull K factor de autocorrela o hora de pico a altitude do local onde se vai instalar o s aerogerador s a altura do anem metro etc figuras 6 8 a 6
85. idade do vento muda com a altitude em rela o ao solo e com a rugosidade do terreno Regra geral a velocidade do vento aumenta medida que nos afastamos do solo Obst culos naturais e artificiais alteram o fluxo do vento A equa o exponencial abaixo relaciona a sua velocidade com a altura em rela o ao solo onde vo a velocidade do vento altura Ho V a velocidade do vento altura H e n um coeficiente que varia de 0 10 a 0 40 e representa o grau de rugosidade do terreno comum utilizar se esta express o de forma gen rica com expoente n 1 7 A varia o da velocidade em fun o da altura pode ser apresentada na forma de lei logar tmica onde Zo um par metro de rugosidade do solo dado em metros Esta express o ajusta se bem para alturas na faixa de 30 a 50 m Valores de Zo e n em fun o do tipo de terreno Tipo de terreno Plano mar areia neve Moderadamente rugoso ervas curtas campos de trigo ou cereais Rugoso bosques bairros Muito rugoso cidades edif cios 0 10 0 13 0 13 0 20 Trabalho Final de Curso 31 Faculdade de Engenharia amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Na avalia o da energia potencial de um sistema e lico importante converter os dados de vento dispon veis para a altura do eixo da turbina De acordo com a f rmula de Betz a energia e lica proporcional ao cubo
86. ifetime 100 000 hrs Min load ratio 0 Heat recovery ratio 0 Fuel used Diesel Fuel curve intercept 0 08 L hr kW Fuel curve slope 0 25 L hr kW Efficiency Curve 25 520 315 E 10 5 0 0 20 40 60 80 100 Output Fuel Diesel Price 0 8 0 4 0 6 1 0 1 2 1 4 L Lower heating value 43 2 MJ kg Trabalho Final de Curso 126 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Density 820 kg m3 Carbon content 88 0 Sulfur content 0 330 Battery Trojan L16P Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 130 130 6 00 Quantities to O 600 1 000 1 400 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 consider 4 500 5 000 5 500 6 000 Voltage 6V Nominal capacity 360 Ah Lifetime throughput pola KNN Converter Size kW Capital Replacement O amp M yr 1 000 300 300 6 Sasa consider 0 100 200 300 400 500 600 700 800 kW Lifetime 15 yr Inverter efficiency 90 Inverter can parallel with AC generator we Rectifier relative capacity 90 Rectifier efficiency 85 Economics Annual real interest rate 6 Project lifetime 25 yr Capacity shortage penalty 0 kWh System fixed capital cost 0 Trabalho Final de Curso 127 icon A EUP E E Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida aculdade de Engenhat System fixed O amp M cost 0 yr Generator contr
87. igura 3 1 Gr fico rosa dos ventos C lculo da Turbul ncia Outro aspecto importante que deve ser tido em considera o a turbul ncia do vento Esta caracterizada por perturba es r pidas ou irregularidades na velocidade e ou direc o do vento O indicador mais utilizado de turbul ncia o desvio padr o da velocidade do vento Este valor dividido pela velocidade concorrente para se obter a intensidade da turbul ncia TI Valores de TI menores que 0 10 indicam baixa turbul ncia valores entre 0 10 e 0 25 turbul ncia moderada e valores acima de 0 25 alta turbul ncia 3 2 Estudo do Comportamento do Vento Os ventos s o gerados pelos movimentos de massas de ar provenientes do aquecimento n o uniforme da atmosfera o que cria diferentes temperaturas Trabalho Final de Curso 35 ay FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia press es e densidades do ar que associadas s for as centrifugas e de Coriolis provenientes do movimento de rota o da Terra d o origem s correntes de ar Este fluxo de ar ocorre normalmente das zonas de alta press o para as zonas de baixa press o Pelo efeito de convec o o vento modifica se diariamente O calor espec fico da terra inferior ao da gua fazendo com que a temperatura do ar se eleve sobre o interior com maior rapidez do que sobre o litoral A baixa densidade do ar quente faz com que
88. ind speed mis G Complfted in 1 34 00 Interpolated Values interpolated Values Wind Speed 268 m s Diesel Price 0 485 L Wind Speed 236 m s System type Total net present cost Piero Fes eee GDies 4 440 563 HS System type Total net present cost GDies Battery 4593 23 aaa GDies Battery 9 736 874 aaa Wind GDies 4668 21 O GDies 9531 37 D Wind GDies Batt 4 907 704 NR Wind GDies Batt 9 955 988 FE Virais 27 E Interpolated Values Wind Speed 428 m s Diesel Price 0 425 L System type Total net present cost Westie sas 325 o Wind GDies Batt 3 8s2697 P GDies 3307 GDies Battery 4 095 956 GER Figura AIII 13 Custo de Gera o da Electricidade Trabalho Final de Curso 130 FEUP Faculdade de Engenharia Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Vanables to plot Superimposed Q Optimal System Type Diesel Price L 048 2 Right click to copy save or modify Sensitivity variables Wind Speed m s x axis vw Diesel Price L y axis v Variables to plot Superimposed i Diesel Price L 0 428 6 8 10 Wind Speed m s Figura AIII 14 N mero de Aerogeradores Optimal Sem Type 8 10 2 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 15 N mero de Baterias New Window System Types WindiGDies Batt WyindiGDie
89. inerentes ao conversor inversor Converter Inputs File Edit Help 4 converter is required for systems in which DC components serve an AC load or vice versa converter can be an inverter DC to AC rectifier AC to DC or both Enter at least one size and capital cost value in the Costs table Include all costs associated with the converter such as hardware and labor s it searches for the optimal system HOMER considers each converter capacity in the Sizes to Consider table Note that all references to converter size or capacity refer to inverter capacity Hold the pointer over an element or click Help for more information Sizes to consider Capital Replacement O amp M yr Size kw 300 300 6 0 000 1 000 Inverter inputs do 0 2 Cale 08 1 0 Lifetime years i Capital Replacement Efficiency IV Inverter can operate simultaneously with an AC generator Rectifier inputs Capacity relative to inverter Efficiency Help Cancel L o Figura 6 24 Dados Relativos ao Conversor Inversor Foram inseridos custos de capital kW custos de substitui o kW custos de opera o e manuten o ano tempo de vida til anos capacidade de invers o e efici ncia do rectificador e inversor Trabalho Final de Curso 78 FEUP DI universidade do porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 6
90. ion rias e de distribui o ve culos el ctricos motorizados e equipamentos el ctricos port teis Wee T Figura 2 9 Equipamento el ctrico port til Figura 2 10 Ve culos el ctricos motorizado Trabalho Final de Curso 24 9 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Figura 2 11 C lulas de combust vel para centrais el ctricas estacionarias Figura 2 12 C lulas de combust vel para centrais el ctricas de distribui o Trabalho Final de Curso 25 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 3 Energia E lica A hist ria mostra que o vento constitui uma das primeiras formas de energia aproveitada pelo homem No passado em diferentes situa es a energia dos ventos ou energia e lica j foi rotineiramente utilizada Hoje o seu aproveitamento feito com toda a sofistica o que a moderna tecnologia permite A energia dos ventos pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do sol e que atinge o nosso planeta De facto os ventos s o causados pelo aquecimento n o uniforme da atmosfera A n o uniformidade no aquecimento devida orienta o dos raios solares e aos movimentos da Terra As regi es tropicais que recebem os raios solares quase que perpendicularmente s
91. ixa de engrenagem s o montados em cima de uma estrutura em a o soldada Esta estrutura geralmente aparafusada no mancal de posicionamento Sistema integrado de transmiss o Em projectos recentes a estrutura principal caixa de engrenagem e o suporte para o eixo de baixa velocidade formam um nico conjunto Neste tipo de sistema os geradores s o directamente ligados estrutura Dependendo do tamanho e detalhes do projecto um sistema integrado poder diminuir os custos do projecto reduzir o n mero de componentes e aumentar a confiabilidade Mancal de posicionamento e sistema de posicionamento O mancal de posicionamento permite que o conjunto r tor turbina gire em torno do eixo vertical de suporta o de forma a manter uma orienta o ptima do r tor em rela o ao vento Num sistema de posicionamento din mico o accionador tipicamente um motor el ctrico ou hidr ulico operando atrav s de uma caixa de redu o O sensor para determinar a direc o do vento algumas vezes chamado de anem metro pode ser montado na carnagem da estrutura ou na torre de suporta o Para turbinas instaladas na base da torre o r tor e a carnagem giram livremente de acordo com a direc o do vento E o chamado tipo de sistema de posicionamento passivo Trabalho Final de Curso 46 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Torre
92. l com Produ o Renov vel H brida 9 Conclus es Neste trabalho foi estudado um sistema de produ o isolado h brido para a alimenta o de uma aldeia tur stica isolada na serra da Lous Neste mbito foram estudados os consumos a localiza o da produ o avalia o do recurso energ tico end geno e aspectos de distribui o rural dentro da aldeia A maior parte do trabalho incidiu sobre o estudo do sistema h brido de produ o Para tal usou se o software HOMER que permite uma an lise detalhada de custos produ o energ tica dimensionamento dos componentes do sistema an lise de emiss es e an lise de sensibilidade das v rias vari veis de recurso energ tico e de dimensionamento dos componentes do sistema No estudo efectuado na Sec o 6 3 o consumo anual previsto no estudo realizado foi de 1653 2 GWh por ano o HOMER deu nos um valor de 1644 GWh por ano para esse consumo O consumo m dio foi de 4 5 MWh por ano quer no programa quer no estudo realizado Os resultados obtidos ao longo deste estudo demonstraram que a melhor configura o para o sistema h brido constitu da por 4 aerogeradores de 250 kW um gerador a Diesel de 400 kW e um banco de baterias Obtivemos um custo de gera o da electricidade de 118 MWh Conclu mos assim que o sistema h brido descrito no par grafo anterior E lico Diesel com baterias a solu o mais econ mica e vi vel a ser a
93. le Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load As it searches for the optimal system HOMER will consider each generator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions Costs Sizes to consider Size kw Capital Replacement O amp M hr Size kW Cost Curve 2000 1800 0 006 Properties o 00 02 04 06 08 10 Description Fuel Cell Type AC Size kW Capital Replacement e Abbreviation FC DE Lifetime operating hours 43800 4 Minimum load ratio 2 OF Ry Help Cancel Figura 6 16 Dados Relativos FC Custos Foram inseridos custos de capital kW custos de substitui o kW custos de opera o e manuten o hora e tempo de vida til horas Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs table Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load As it searches for the optimal system HOMER will consider each gen
94. mente vapor de gua quente 4 Devido ao facto de n o possu rem partes m veis as c lulas de combust vel apresentam maiores n veis de confian a comparativamente com os motores de combust o interna e turbinas de combust o Estas n o sofrem paragens bruscas devido ao atrito ou falhas das partes m veis durante a opera o A substitui o das centrais termoel ctricas convencionais que produzem electricidade a partir de combust veis f sseis por c lulas de combust vel melhorar a qualidade do ar e reduzir o consumo de gua e a descarga de gua residual 4 As emiss es de uma central el ctrica de c lulas de combust vel s o dez vezes menores do que as normativas ambientais mais restritas Para al m disso as c lulas de combust vel produzem um n vel muito inferior de di xido de carbono Trabalho Final de Curso 22 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia A natureza do funcionamento permite a elimina o de muitas fontes de ru dos associadas aos sistemas convencionais de produ o de energia por interm dio do vapor A flexibilidade no planeamento incluindo a modula o resulta em benef cios financeiros e estrat gicos quer para as unidades de c lulas de combust vel quer para os consumidores 4 As c lulas de combust vel podem ser desenvolvidas para funcionarem a partir de g s natural gasolina ou outro
95. nal de Curso 146 FEUP Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Sensitivity variables Wind Speed m s xaxis vw Diesel Price L y axis _y Max Annual Capacity Shortage 5 X Variables to plot Superimposed Optimal System Type 4000 D 145 129 o Diesel Price L 08 04 2 3 Right click to copy save or modify 5 6 Wind Speed m s Figura AIII 35 N mero de Baterias Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _ Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 5 X New Window System Types D WwindEattery Bi winaicvies Batt GDies BA veses Superimposed Number of Batteries Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Variables to plot Superimposed Optimal System Type 3294 752 i Ez Ez 521 002 1 694 811 12 gt 0 1 694 811 3 294 752 10 gt gt a 1 355 845 2 635 797 z oe 8 E a a 087 gt 1 016 883 2 635 797 06 o gt gt 0 0 677 923 4 317 899 2 110 238 1 317 899 2 110 238 2 945 340 1 863 668 EN A Ea A 04 2 3 Right click to copy save or modify 5 6 Wind Speed m s Figura AIII 36 Produ o E lica New Windot System Types winawettery Hi Winaicbies Batt ES BA nies Battery Superimposed Wind Production KAhAyr Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 2 220 213 Trabalho Final de Cu
96. nal de Curso 92 FEUP 9 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 5 de Energia Reprimida apr ype pop spo pe q Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage GMIM Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Energy X New Window Optimal System Type System Types ES a inawattery EB winaicdies watt co BA cvieswattery Superimposed Levelized COE KvVh Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Diesel Price L 06 0114 0 098 0 083 04 A A A 2 3 Right click to copy save or modify Wind Speed E Figura 8 9 Gr fico dos melhores sistemas 5 Energia Reprimida A partir da an lise ao gr fico da figura 8 9 verificamos o seguinte Velocidade m dia do vento reduzida Os sistemas Diesel com baterias e Diesel sem baterias s o os mais adequados No entanto face instabilidade do pre o do Diesel aconselhado o sistema Diesel com baterias A medida que aumentam a velocidade do vento superior a6 m s e o custo do Diesel mas em menor escala em rela o ao gr fico anterior aumenta tamb m a possibilidade de escolha do sistema e lico com baterias O gr fico apresenta os valores para o custo de gera o da electricidade Trabalho Final de Curso 93 VD Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rura
97. ne quantity and capital cost value in the Costs table Include the cost of the tower controller wiring installation and labor s it searches for the optimal system HOMER considers each quantity in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Turbine type ASEA Details New Delete Turbine properties Abbreviation GE1 5 used for column headings Power Curve Manufacturer Website www gewindenergy com Current AC 20 5 10 15 Wind Speed m s Costs Sizes to consider Quantity Capital Replacement O amp M yr Quantity 1 1200000 900000 24000 Cost Curve ts 3 t 0 0 0 5 1015 2025 3 0 Lifetime yrs 20 4 Quantity Capital Replacement Hub height m 80 Help Cancel Figura 6 15 Dados Relativos ao Aerogerador GE 1 5 MW Trabalho Final de Curso 72 FEUP 7 uveria Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 6 5 2 C lula de Combust vel FC Clicando o bot o fesstr2 aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao gerador Alterando o combust vel de Diesel para hidrog nio o gerador passa a funcionar como uma c lula de combust vel figuras 6 16 a 6 18 Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs tab
98. nformation Turbine type EERE Details New Delete Turbine properties Abbreviation FL250 used for column headings Power Curve Manufacturer Website www lorax energy com Current AC 5 40 165 20 2 Wind Speed mis Costs Sizes to consider Quantity Capital Replacement O amp M z Quantity 1 225000 187500 4500 0 5200 8150 Cost Curve 100 a 50 a o 00 02 04 06 08 10 Lifetime yrs 20 63 Quantity Capital Replacement Hub height m 5 Help Cancel Figura 6 12 Dados Relativos ao Aerogerador FL 250 kW Wind Turbine Inputs File Edit Help Choose a wind turbine type and enter at least one quantity and capital cost value in the Costs table Include the cost of the tower controller wiring installation and labor As it searches for the optimal system HOMER considers each quantity in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Turbine type peso O Details New Delete Turbine properties Abbreviation SE500 used for column headings Romer Curse Manufacturer Website Current AC 8 Power kW N o 5 40 15 20 Wind Speed m s Costs Sizes to consider Quantity Capital Replacement O amp M 791 Quantity 1 400000 350000 10000 Cost Curve RG qu h o O o
99. nuten o Alguns destes sistemas funcionaram continuamente durante diversos anos sem qualquer necessidade de manuten o ou interven o humana Reac es CCAF Anodo H g gt 2H aq 2e C todo 0 g 2H ag 20 gt Holl 2 2 4 C lulas de Combust vel de Carbonato Fundido CCCF A c lula do combust vel do carbonato fundido utiliza como electr lito uma combina o de carbonatos alcalinos Na K Li que s o estabilizados num suporte de LiAIO Trabalho Final de Curso 16 9 Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Electricidade de Carbono Bectrdito Figura 2 7 CCCF Este tipo de c lulas de combustivel funciona na gama de temperaturas entre 600 e 700 C para as quais os carbonatos alcalinos formam um sal altamente condutor de ides iao carbonato Para temperaturas elevadas pode utilizar se o n quel como catalizador no nodo e o xido de n quel no c todo n o sendo necess ria a utiliza o de metais nobres Devido s temperaturas elevadas de opera o neste tipo de sistema pode utilizar se directamente g s natural n o havendo a necessidade da utiliza o de reformadores externos No entanto esta simplicidade contraposta pela natureza do electr lito uma mistura quente e corrosiva de l tio pot ssio e carbonatos de s dio Reac es CCCF Anodo H g Co gt H O g CO
100. o de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 8 An lise de Sensibilidades e Resultados A an lise econ mica realiza se a partir dos gr ficos do sistema ptimo obtido Estes gr ficos indicam qual o sistema mais barato de entre todos os poss veis Temos de ter em aten o que ao longo do tempo os valores inseridos custos de capital custos de substitui o custos de opera o e manuten o custo do Diesel sofrem v rias altera es devido a factores exteriores ao sistema dimensionado O HOMER permite especificar valores discretos para cada uma das vari veis Desta forma podemos restringir o espa o de pesquisa de solu es fazendo uma an lise de sensibilidade restrita aos aspectos que nos interessam 8 1 Sistema H brido Diesel E lica C lula de Combust vel Tendo sido considerada uma velocidade m dia do vento de 8 m s vamos faz la variar entre os 5 e os 9 m s Wind Speed m s 8 x Diesel Price L 0 8 FC Capital Muttiptier 1 E Double click on a system below far simulation results ae Die Bat Wind Resource Inputs GO LE c HOMER uses wind resource inputs to calculate the wind turbine power each hour of the year Enter the average wind speed for each month For calculations HOMER uses scaled data baseline data scaled up or down to the OMER generates the 8760 S values fq EEESEFFESIE EAR AS ASAS AS A
101. o e sol custo de capital entre outros O programa possui quatro categorias de entrada de dados Perfil do consumo da comunidade carga este tipo de dado fornece ao programa qual a carga el ctrica que deve ser atendida Recursos renov veis dispon veis dados relativos insola o indice de claridade e velocidade do vento dispon veis na regi o Componentes do sistema dados relacionados com tipos de equipamentos a serem utilizados suas principais caracter sticas t cnicas e custos Optimiza o identifica o das combina es poss veis dos equipamentos que v o ser utilizados no espa o de busca no processo de optimiza o do programa e determina o das condi es operacionais do s gerador s para atendimento da carga estrat gia de despacho O programa disponibilizado por um per odo de 6 meses Ap s este per odo necess rio solicitar uma nova senha para extens o da licen a 1 1 Objectivo Pretende se atrav s do presente trabalho determinar a aplicabilidade de um Sistema H brido Diesel F lico com c lulas de combust vel ao desenvolvimento de um projecto de electrifica o rural para a reabilita o de duas aldeias isoladas na serra da Lous usando um sistema aut nomo de produ o com energias renov veis Teve se em conta n o s os aspectos econ micos e energ ticos do uso das mencionadas c lulas mas tamb m os Trabalho Final de Curso 6 a p Universi
102. odo de Funcionamento do Gerador a Diesel Depois de feita nova simula o obtemos os seguintes gr ficos Trabalho Final de Curso 149 Universidade do Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 1 0 de Energia Reprimida Sensitivity variables o Wind Speed m s x axis vw Diesel Price L y axis vw Max Annual Capacity Shortage 2 O r Variables to plot Superimposed Levelized Cost of Energy Ed New Window Optimal System Type System Types 0 403 0 270 Hw inawattery Hi winaevies Batt Superimposed Levelized COE Sh Fixed we 2 Max Annual Capacity Shortage 0 10 3 e 2 Py E a a 08 08 4 04 4p 3 4 5 6 if 8 E Right click to copy save or modify Wind Speed mis Figura AIII 40 Custo de Gera o da Electricidade Como podemos verificar pela analise ao grafico da figura AIII 40 para valores de velocidade do vento inferiores a 4 m s o Homer n o encontra solu o Para valores de velocidade do vento compreendidos entre 4 e 8 m s o sistema e lico Diesel com baterias o mais adequado Para valores de velocidade do vento superiores a 8 m s e pre o do Diesel superior a 0 6 L o sistema e lico com baterias o mais adequado Porem se o pre o do Diesel for inferior a 0 6 L o sistema mais adequado passa a ser o e lico Diesel com baterias Trabalho Final de Curso 150
103. ol Check load following Yes Check cycle charging Yes Setpoint state of charge 80 Allow systems with multiple generators Yes Allow multiple generators to operate simultaneously Yes Allow systems with generator capacity less than peak load Yes Emissions Carbon dioxide penalty O t Carbon monoxide penalty O t Unburned hydrocarbons penalty 0 t Particulate matter penalty O t Sulfur dioxide penalty O t Nitrogen oxides penalty O t Constraints Maximum annual capacity shortage 0 Minimum renewable fraction 0 Operating reserve as percentage of hourly load 10 Operating reserve as percentage of peak load 0 Operating reserve as percentage of solar power output 25 Operating reserve as percentage of wind power output 50 Trabalho Final de Curso 128 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Resultados da Simula o HOM GD400 Til File view Inputs Outputs window Help E Dham Equipment to consider E T Add Remove Colculate Simulations O of 13860 Progress Sensitivities O of 1 Status Sensitivity Results Optimization Results Fubil nder 250 Primary Load 1 4 5 MWh d Double click on a system below for simulation results Categorized C Overall Export 390 kW peak 5 Di Tital COE Battery ae A E epi y Stray Capital kWh barn 4 400 2200 350
104. on With Height c Choose the logarithmic profile or the power law profile and enter the associated parameter HOMER uses this information to calculate the wind speed at the hub height of the wind turbine Hold the pointer over an element name or click Help for more information Wind speed profile Logarithmic C Power law Wind Speed Profile Surface roughness length m 01 Ls Typical surface roughness lengths Very smooth ice or mud 0 00001 m Calm open sea 0 0002 m Blown sea 0 0005 m Snow surface 0 003 m Lawn grass 0 008 m Rough pasture 0 010 m Fallow field 0 03 m Crops 0 05 m Few trees 0 10m Many trees few buildings 0 25 m Forest and woodlands 0 5m a 6 8 Suburbs 1 5m Wind speed mis City center tall buildings 3 0m Help ance Height above ground m Figura 6 9 Dados Relativos Varia o do Vento com a Altitude Clicando o bot o m da janela de entrada de dados sobre o recurso dispon vel Vento temos acesso a v rias informa es mais detalhadas sobre aspectos relativos velocidade do vento Hourly Daily Monthly DMap Profile POF coF pc Wind Speed PDF E 5 5 3 E 0 0 5 10 15 Value m s Right click to copy save or mredipind speed data lt Best fit Weibull k 2 30 c 9 04 m s Figura 6 10 Frequ ncia Relativa de Ocorr ncia da Velocidade M dia do Vento Trabalho Final de Curso 69 F Univernaadeto roto Projecto de Electrifica o R
105. or aerogeradores com uma pot ncia nominal de 500 KW um gerador a Diesel com a pot ncia de 400 kW e um banco de baterias Para o consumo de 4 5 MW por dia admitindo 0 de energia reprimida e custo do combust vel 0 8 litro P File View Inputs Outputs Window Help Ow ei f B Equipment to consider a Add Remove Calculate Simulations 0 of 1120 Progress Sensitivities O of 1 Status AE 500 Primary Load 1 4 5 MWh d 390 kW peak Sensitivity Resuits Optimization Results Double click on a system below for simulation results f Categorized O Overall Export i i Initial Total Diesel Battery kw Capital NPC o G Diesel Converter os 2 400 2000 300 LF 1 168 000 2520378 0120 0 98 39 942 722 fac 2 400 cc 818 000 3672801 0 175 092 237 896 4 746 f al 3 6000 400 CC 2 100 000 3 746 929 0 178 1 00 ae Other E 400 cc 18 000 7 224 322 0 344 000 691 310 98760 Resources e Wind amp Ecoiemos aaa 400 200 100 CC 74 000 7 249 363 0345 000 678218 8141 ind resource Diese QI Generator contol F Emissions BDI Constraints Document Figura 7 6 Custo das Poss veis Configura es A figura 7 6 indica que a melhor configura o o sistema e lico Diesel com baterias e em seguida o sistema e lico Diesel sem baterias A pior configura o o sistema Diesel com baterias Observa se que o custo de gera o da electricidade estimado para a melhor
106. ores Aerogeradores Num sistema h brido para produ o de energia el ctrica elementos de produ o de energia e do seu armazenamento encontram se combinados de tal forma que podem suprir a procura de energia em zonas que se encontram afastadas da rede Pain is solares fotovoltaicos aerogeradores c lulas de combust vel sistemas com base em biomassa ou biog s geradores a Diesel pequenas quedas de gua e outras fontes de energia el ctrica podem ser utilizadas para suprir a procura existente aproveitando os recursos naturais da zona onde tem lugar a instala o Antes de instalar um sistema h brido el ctrico essencial conhecer a necessidade energ tica e os recursos energ ticos dispon veis na zona Frequentemente o dimensionamento das instala es fotovoltaica e e lica por si s s n o conseguem com seguran a garantir a satisfa o das necessidades de consumo el ctrico durante todo o ano a n o ser que se disponha de outra fonte de produ o el ctrica que complementar a produzida pela instala o Trabalho Final de Curso 50 EFE amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Quando ocorrem picos de consumo muito acima do habitual ou simplesmente exista um per odo normalmente prolongado de tempo nubloso e sem ar para mover os aerogeradores e existem necessidades b sicas como um frigorifico cheio d
107. osicionamento e sistema de posicionamento Torre Sensores controle e sistemas de comunica o Coning Angle r Navelle Structure Enclosing the Power Train Rotor Hub Clearance Figura 3 2 Turbina do tipo horizontal Trabalho Final de Curso 42 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia R tor O r tor de uma turbina composto por um certo n mero de p s acopladas a um eixo central Geralmente essas p s s o fabricadas em fibra de vidro refor ada ou madeira laminada revestida com resina O eixo central usualmente fabricado em a o onde as p s s o acopladas com parafusos A fibra de carbono tem sido utilizada em algumas aplica es embora o alto custo esteja inibindo o seu extensivo uso Os rotores horizontais s o geralmente caracterizados em fun o da direc o da incid ncia do vento tamanho n mero de p s passo e tipo Outros par metros usados para descrever o r tor s o 4 Angulo do cone Velocidade da extremidade da p Rpm Legenda 1 p s do rotor 2 cubo do rotor 3 cabina 4 chumaceira do rotor 5 veio do r tor 6 caixa de velocidades 7 trav o de disco 8 veio do gerador 9 gerador 10 radiador de arrefecimento 11 anem metro e sensor de direc o 12 sistema de controlo 13 sistema hidr ulico 14 mecanismo de orienta o direccional 15 chum
108. p for more information Wind Diesel Max Cap L Shortage 0 800 0 0 0 400 2 0 0 600 5 0 1 000 1 200 1 400 i 4 2 3 4 5 6 7 8 El Help Cancel Lo Figura AIII 20 Tabela de Oscila o de Valores de Algumas das Vari veis Trabalho Final de Curso 139 i FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Depois de feita nova simula o obtemos os seguintes gr ficos Wind Speed m s xaxis Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage O ind Variables to plot New Window Optimal System Type System Types Wyind GDies Batt cos EH vies Battery Superimposed Levelized COE KAh Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 Diesel Price L om 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 21 Custo de Gera o da Electricidade Sensitivity variables Wind Speed m s x axis w Diesel Price L y axis Max Annual Capacity Shortage 0 hd Variables to plot New Window Optimal System Type System Types Wind GDies Batt ces H vies Battery Superimposed Superimposed No of AE 500s Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 Diesel Price L 04 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 22 N mero de Aerogeradores Trabalho Final
109. plicada ao caso em estudo Trabalho Final de Curso 94 CA FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia O sistema h brido com c lulas de combust vel n o vi vel Devido ao elevado pre o das c lulas de combust vel electrolizador e tanque de armazenamento os sistemas em quest o v o ser preteridos por outros mais baratos Com o previs vel aumento do pre o dos combust veis e sua extin o a m dio prazo n o excluindo o desrespeito pelo ambiente as c lulas de combust vel ter o cada vez mais uma maior aplica o Trabalho Final de Curso 95 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 10 Bibliografia National Renewable Energy Laboratory HOMER Getting Started Guide NREL Maio 2003 Affonso L Junior Guilherme Soares e Leonardo Vieira Relat rio T cnico DPP PER 771 02 CEPEL Novembro 2002 Afonso Vianna Leonardo Vieira e Marcos Nascimento Relat rio T cnico ADG A PER 785 00 CEPEL Novembro 2000 C lia Godinho e J lia Boucinha An lise do Comportamento dos Clientes Dom sticos EDP Dezembro 2000 Affonso L Junior Guilherme Soares Leonardo Vieira e Marcos Nascimento Relat rio T cnico DPP PER 1165 01 CEPEL Dezembro 2001 Energy Technology Indicators ESTIR Dezembro 2002 Refer ncias Electr nicas http www nrel gov http
110. r Diesel Gerador C lula de Combust vel Electrolizador Tanque de Armazenamento de Hidrog nio Conversor Inversor ee Er Banco de Baterias Obtemos a configura o seguinte HOMER 2 Componentes do Sistema T File view Inputs Outputs Window Help Dak amp Be Equipment to consider Add Remove SH Hydrogen tank Hydrogen load l Electrolyzer Generator 1 BWC Excel R Primary Load 1 O kiwhid OkW peak Converter Generator 2 Battery AC Resources Other A Wind resource amp Economics Diesel Generator control Emissions e Constraints Warnings Al Wind data scaled average is zero Figura 6 4 Conjunto dos elementos escolhidos Trabalho Final de Curso 65 FEUP Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida 6 3 Dados Relativos ao Perfil do Consumo Primary Load 1 OkWh d OkW peak Clicando o bot o aparece a janela de entrada de dados sobre o perfil da carga onde foram introduzidos os diagramas de carga mensais Primary Load Inputs File Edit Help Choose a load type AC or DC enter 24 hourly values in the load table and enter a scaled annual average value Each of the 24 values in the load table is the average electric demand for a single hour of the day The values in the table also appear on the graph HOMER replicates this profile throughout the year unless you define differen
111. r dispon veis s ries temporais o mais poss vel detalhadas e precisas Trabalho Final de Curso 36 Vi Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 3 2 1 Medi es do Vento O vento apresenta flutua es na sua velocidade em todas as direc es Os seguintes sensores s o mais comumente utilizados para fazer medi es da componente horizontal do vento 4 Anem metro de conchas ou de copos 4 Anem metro de h lice ou aeronave Anem metro de wild Os anem metros s o instalados em torres a uma altura geralmente de 10 metros ou mais Quanto mais pr xima for a altura do eixo do aerogerador que se pretende instalar melhor a informa o A antiga Rede Meteorol gica Brasileira INMET utiliza anem metros tipo wild com alturas variando entre 7 e 10 metros onde eram realizadas apenas tr s leituras por dia 9 00 15 00 e 21 00h dependentes de interpreta es subjectivas e anota es do observador Tamb m os anem metros do tipo aeronave utilizados em aeroportos dependiam de observa es do operador n o tinham alturas padronizadas e eram feitas 12 a 24 leituras por dia J os anem grafos s o instrumentos que se prestam para realizarem medi es e armazenamentos cont nuos dos dados de vento Geralmente para se medir e registrar a velocidade e direc o do vento utiliza se um anem metro um leme e um registador
112. ra P kW Diagrama de Cargas Junho 300 012 3 4 5 6 7 8 9 W 1 12 13 14 15 16 17 18 1 20 21 22 2 24 Hora Trabalho Final de Curso 106 nversandeao roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de P kW 350 Diagrama de Cargas Julho 300 250 200 150 100 50 0 a 23 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 2 23 24 Hora P kW W Diagrama de Cargas Agosto 250 200 150 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 B 4 6 6 7 8 9 0 Mt MA Hora P kW m Diagrama de Cargas Setembro Trabalho Final de Curso 107 FEU Universidade do Porto Faculdade de Engenharia Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida P kW 300 Diagrama de Cargas Outubro 250 200 150 100 5 0 Qf De ge dd db 0 4 2 B 4 6 6 7 8 19 2 24 2 23 4 Hora P kW 40 Diagrama de Cargas Novembro 0 1 2 3 4 5 6 0 4 12 143 14 15 16 17 18 19 0 tk 23 24 Hora P kW 300 Diagrama de Cargas Dezembro 0 1 2 3 4 5 6 0 4 2 8 4 1 16 17 18 19 2 4 22 23 24 Hora Trabalho Final de Curso 108 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Diagrama de Cargas Anual TOTAL TT TT TT TT TT Tr Tr TT JANEIRO 157 na 842 815 790 782 777 142 192 204 232 221 182
113. rcentage of hourly load 10 Operating reserve as percentage of peak load 0 Operating reserve as percentage of solar power output 25 Operating reserve as percentage of wind power output 50 Trabalho Final de Curso 138 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Resultados da Simula o Til Fie view Inputs Outputs window Help SEE D oe el e Equipment to consider Foi 5 eae i Sensitivity Results Optimization Results AE S00 Primary Load 1 45 Mwhid Double click on a system below for simulation results f Categorized C Overall Export 390 kW peak GDies Batt Conv Disp Initial Total COE Ren Diesel GDies kw kw Stray Capital NPC kwh Frac 8 this 2 LF 400 2000 300 5 1168000 2520 378 0120 098 39 942 722 G Diesel 2 40 cc 818 000 3672801 0175 092 23789 4 746 A sz 3 6000 400 CC 2100000 3 746 929 0178 1 00 RR Other b o 400 cc 18 000 7 224 322 0344 000 69310 8760 A born 400 200 100 CC 74 000 7 249 363 0345 000 678218 814 n Wind resource amp Economics Diesel GI Generator control EC Emissions B Constains Document Figura AIII 19 Custo das Poss veis Configura es An lise de Sensibilidades e Resultados Sensitivity Inputs pi This table displays the values of each sensitivity variable variable for which you have specified multiple values Click Hel
114. re que necess rio alimentar a c lula de combust vel que por sua vez produzir a energia necess ria ao consumo sobretudo nos per odos acima referidos Trabalho Final de Curso 52 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 5 Estudo do Projecto de Electrifica o Rural de Silveira 5 1 O Local As aldeias Silveira de Cima e Silveira de Baixo ficam situadas na Serra da Lous Distrito de Coimbra Figura 5 1 Mapas Vista da situa o e aspecto actuais das aldeias Silveira de Cima e Silveira de Baixo Trabalho Final de Curso 53 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Localiza o e delimita o A Serra da Lous constitui a extremidade sudoeste da Cordilheira Central o bloco montanhoso mais importante de Portugal e caracterizada pela sua acentuada altitude 1205 m fortemente sulcada por uma rede ramificada de vales paisagem t pica de grande parte do relevo das Beiras e declives abruptos no seu rebordo noroeste Fazendo parte das serras de xisto da Cordilheira Central o ponto m ximo da sua altitude denomina se Alto do Trevim Conceho da Figueir don Vinhos SERRA DA LOUS Concelho da Lous Mapa Local direccionado para Sul tasar Figura 5 2 Mapa Local Trabalho Final de Curso
115. reza Q a E F Bectrdito Figura 2 4 CCMPP O nico l quido na c lula a gua e devido a esse facto os problemas de corros o s o m nimos A presen a da gua l quida na c lula de extrema import ncia porque a membrana de permuta prot nica deve ser mantida hidratada durante o funcionamento da c lula de combust vel Devido s limita es apresentadas em rela o temperatura impostas pelo pol mero da membrana e pela necessidade da sua hidrata o esta c lula de combust vel funciona para temperaturas usualmente inferiores a 100 C Sendo assim as velocidades de reac o reduzidas s o compensadas pela Trabalho Final de Curso 12 Sary Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida utiliza o de catalizadores e el ctrodos sofisticados O catalizador utilizado a platina Desenvolvimentos recentes permitiram a utiliza o de pequenas quantidades de catalizador sendo o custo da platina uma pequena parte do pre o total da CCMPP Para al m do hidrog nio como combust vel as c lulas de combust vel CCMPP podem funcionar com combust veis alternativos c lulas de combust vel indirectas desde que estes sejam previamente convertidos em hidrog nio Os combust veis utilizados nas CCMPP indirectas podem ser metanol etanol metano propano entre outros Uma variante importante da CCMPP a c lula de combust vel com
116. rgia e lica na produ o de electricidade as crises do petr leo dos anos 70 com restri es de suprimento impostos pelos pa ses exportadores de petr leo OPEP fizeram com que os pre os dos combust veis oscilassem abruptamente assim como a queda do custo de produ o dos turbinas e licas o aumento das tarifas de energia el ctrica convencional as isen es oferecidas por pa ses sobretudo do primeiro mundo tais como EEUU Dinamarca Alemanha Holanda Espanha e Inglaterra as considera es de fundo ecol gico e as mudan as estruturais no quadro institucional desses pa ses A elabora o de um projecto e lico envolve as seguintes etapas Estudo sobre o comportamento do vento na regi o onde se pretende instalar o projecto 4 Estudo de viabilidade t cnica Estudo de viabilidade econ mica Selec o dos equipamentos 4 Transmiss o da energia produzida aos centros de consumo 3 1 Conceitos B sicos 3 1 1 Pot ncia Fornecida pelo Vento O c lculo da pot ncia fornecida pelo vento e da pot ncia til do aerogerador pode ser feito por processos de menor ou maior complexidade A f rmula de Trabalho Final de Curso 28 Sary Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Betz permite o c lculo da pot ncia m xima te rica do vento recuper vel atrav s da superf cie circular S coberta pelas p s no seu movimento de rota o Os par metros usa
117. rimida e custo do combust vel 0 8 litro HOMER 3 D400 W Fie view Inputs Outputs Window Help D 0 bd He Equipment to consider Simulations O of 13860 Sensitivities O of 1 Progress Status Calculate Sensitivity Resulte Optimi Prima Load 1 4 5 MWhid 390 kW peak Resuls Fuhrl nder 250 Double click on a system below for simulation ia g a Disp Initial Total Ea E feu Stray Capital NPC evr Es EE 2200 350 LF 1 309 000 2 487 641 0118 0 99 a 013 E Categorized C Overall _ Export 4 M apea conya oe 5 400 cc 1143000 3616731 0172 09 195554 3 998 400 cc 18000 7224322 0344 000 691 310 8760 Ree oie San 0 10 2 1F 25300 7296905 0344 000 691 307 8760 E wind resource Economics Diesel G Generator control Emissions P E Consiains Custo da Electricidade Figura 7 5 Custo das Poss veis Configura es A figura 7 5 indica que a melhor configura o o sistema e lico Diesel com baterias e em seguida o sistema e lico Diesel sem baterias A pior configura o o sistema Diesel com baterias Observa se que o custo de gera o da electricidade estimado para a melhor alternativa de 118 MWh Trabalho Final de Curso 83 TE mwens Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida ENR Faculdade de Engenharia 7 2 1 2 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW Constitu do p
118. rso 147 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _ Diesel Price L y axis v Max Annual Capacity Shortage 7 5 x Variables to plot E Superimposed AA M Optimal System Type System Types 14 Ea E Eq 1 387 460 739 197 184 179 E winawettery Hi winaicdies Bett co BBB cdies Battery Superimposed 12 gt gt G Diesel Production kvvhiyr 534 260 190 196 Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 10 amp 275 958 a 2 v 2 a 1 08 3 gt amp 1 053 868 275 958 08 9 gt 643 96 1 192 798 744 079 320 272 04 ES EN 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Sneed mis Figura AIII 37 Produ o do Gerador a Diesel Sensitivity variables Wind Speed m s x axis vw Diesel Price L y axis _ Max Annual Capacity Shortage 5 X Variables to plot Superimposed HERMES alas X New Window as Optimal System Type System Types E 54 1 354 i E ind Battery E Minasries Batt ES BA cies Battery Superimposed G Diesel Hours hrsiyr Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Diesel Price 1 p 2 E 06 04 2 3 Right click to copy save or modify 5 6 Wind Speed m s Figura AIII 38 Tempo de Funcionamento do Gerador a Diesel Trabalho Final de Curso 148 Projecto de Electrifica o R
119. s co BA vies Battery Superimposed No of Fuhriander 250s New Window System Types GE winaicdies Batt GE Winaicdies Hl cdies BB oies Battery Superimposed Number of Batteries Trabalho Final de Curso 131 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis Variables to plot Superimposed New Window Optimal System Type System Types WindiGDies Batt WindiGDies E coies BB cies Battery Superimposed Wind Production kvvhiyr 10 2 2 8 a 6 os 048 2 6 8 10 Right click to copy save or modify Wind Speed m s zh Figura AIII 16 Produ o E lica Sensitivity variables Wind Speed m s axis Diesel Price L y axis Variables to plot Superimposed E New Window Optimal System Type System Types Wyind GDies Batt Wind GDies Ecos Ba GDiesiBattery Superimposed G Diesel Production kvhiyr Diesel Price L 9 E 0 458 E 6 Wind Speed m s 2 Right click to copy save or modify Figura AIII 17 Produ o do Gerador a Diesel Trabalho Final de Curso 132 FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Sensitivity variables Wind Speed m s x axis v Diesel
120. s combust veis f ceis de obter e transportar dispon veis a baixo custo Um reformador qu mico que produz hidrog nio enriquecido possibilita a utiliza o de v rios combust veis gasosos ou l quidos com baixo teor de enxofre Na qualidade de tecnologia alvo de interesse recente as c lulas de combust vel apresentam um elevado potencial de desenvolvimento Em contraste as tecnologias competidoras das c lulas de combust vel incluindo turbinas de g s e motores de combust o interna j atingiram um estado avan ado de desenvolvimento As desvantagens das mesmas s o A necessidade da utiliza o de metais nobres como por exemplo a platina que um dos metais mais caros e raros no nosso planeta O elevado custo actual em compara o com as fontes de energia convencionais 4 A elevada pureza que a corrente de alimenta o hidrog nio deve ter para n o contaminar o catalisador Os problemas e os custos associados ao transporte e distribui o de novos combust veis como por exemplo o hidrog nio Os interesses econ micos associados s ind strias de combust veis f sseis e aos pa ses industrializados Trabalho Final de Curso 23 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 8 Aplica es As aplica es mais importantes para as c lulas de combust vel s o as centrais de produ o de electricidade estac
121. sed Levelized COE MAh Fixed Max Annual Capacity Shortage 5 Diesel Price L 04 2 3 Right click to copy save or modify 5 6 Wind Speed m s Figura AIII 42 Custo de Gera o da Electricidade Como podemos verificar pela an lise ao gr fico da figura AIII 42 para valores de velocidade do vento inferiores a 4 m s e baixo custo do Diesel o sistema Diesel com baterias o mais adequado Para valores de velocidade do vento compreendidos entre 4 e 8 m s o sistema e lico Diesel com baterias o mais adequado excepto quando a velocidade do vento ronda os 6 m s e o pre o do Diesel superior a 1 2 L o sistema mais adequado passa a ser o e lico com baterias A medida que aumentam a velocidade do vento superior a 8 m s e o custo do Diesel aumenta tamb m a possibilidade de escolha do sistema e lico com baterias Trabalho Final de Curso 152
122. sidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida O conhecimento de cada um destes factores muito importante para a aprova o do projecto pelos rg os governamentais competentes e tamb m para a busca de medidas mitigadoras quando for o caso 3 5 Selec o dos Equipamentos Os equipamentos b sicos que comp em um projecto e lico s o Turbinas 4 Sistema supervis rio e de aquisi o de dados Transformadores 4 Cabos e linhas de pot ncia Uma subesta o Facilidades de comunica o O n mero e tamanho das turbinas e licas ir o depender do tamanho do projecto e caracter sticas da localidade Os dispositivos utilizados para interligar as turbinas rede s o os mesmos usados em projectos convencionais 3 5 1 Tipos de turbinas H dois tipos b sicos de turbinas identificados pela orienta o do seu eixo de rota o Turbinas de eixo horizontal Turbinas de eixo vertical As turbinas de eixo horizontal s o as mais difundidas Trabalho Final de Curso 41 Universidade doroto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida aculdade de Engenharia 3 5 1 1 Turbinas de Eixo Horizontal Os principais elementos que comp em o sistema com turbinas horizontais s o Rotor Eixo principal Caixa multiplicadora Eixo de alta velocidade Gerador Sistema integrado de transmiss o Mancal de p
123. st vel Muitos dos requisitos apresentados pelos sistemas el ctricos convencionais implicam desafios t cnicos espec ficos para as c lulas de combust vel Por exemplo de maneira a terem uma maior flexibilidade em rela o ao combust vel e melhor utiliza o do calor produzido as c lulas de combust vel dever o funcionar a temperaturas elevadas Para responderem aos diversos desafios t cnicos v rios investigadores desenvolveram diferentes tipos de c lulas de combust vel Diferentes Tipos de C lulas de Combust vel c lulas de combust vel com membrana de permuta prot nica CCMPP c lulas de combust vel alcalinas CCA c lulas de combust vel cido fosf ricas CCAF c lulas de combust vel de carbonato fundido CCCF fe Fr c lulas de combust vel de xido s lido CCOS Trabalho Final de Curso 11 J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 2 1 C lulas de Combust vel com Membrana de Permuta Prot nica CCMPP A c lula de combust vel com membrana de permuta prot nica apresenta a vantagem da simplicidade do seu funcionamento O electr lito nestas c lulas de combust vel uma membrana de permuta i nica pol mero cido sulf nico fluorizado ou outro pol mero similar boa condutora de prot es do anodo para o c todo Por sua vez o combust vel utilizado o hidrog nio com elevado grau de pu
124. t vel FC 73 6 5 3 Gerador s a Diesel 74 Trabalho Final de Curso 2 E FEUP LF universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Ed Faculdade de Engenharia 6 5 4 Electrolizador 76 6 5 5 Tanque de Armazenamento do Hidrog nio 77 6 5 6 Conversor Inversor 78 6 5 7 Banco de Baterias 79 7 Modelo de Optimiza o HOMER 80 7 1 Defini o do Espa o de Busca para Optimiza o 81 7 2 Resultados da Optimiza o 83 7 2 1 Sistema H brido E lico 83 7 2 1 1 Aerogerador de 250 kW e Gerador a Diesel de 400 kW 83 7 2 1 2 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW 84 7 2 2 Sistema H brido Diesel E lica C lula de Combust vel 84 8 An lise de Sensibilidades e Resultados 86 8 1 Sistema H brido Diesel E lica C lula de Combust vel 86 8 2 Sistema H brido Diesel E lica 89 8 2 1 A Aerogerador de 250 kW e Gerador a Diesel de 400 KW 90 8 2 2 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW 91 9 Conclus es 94 10 Bibliografia 96 Anexos 97 AI Velocidade M dia do Vento 98 A II Consumos Energ ticos 100 A III Resultados 111 Trabalho Final de Curso 3 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 1 Introdu o O aumento da polui o legisla o cada vez mais exigente as limita es nas reservas de
125. t load profiles for different months or day types For calculations HOMER uses scaled data baseline data scaled up or down to the scaled annual average value Hold the pointer over an element or click Help for more information Load type ACO DC Data source Enter daily load profile s Import hourly data file Baseline data Hour 00 00 01 00 0200 03 00 04 00 05 00 08 00 07 00 08 00 09 00 10 00 11 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 07 00 08 00 05 00 10 00 11 00 12 00 Load kw 157 000 119 700 84 200 81 500 79 000 78 200 77 700 142 700 192 800 204 700 227 800 232 900 Month January v Daytype Weekday v Load Profile Add noise Daily 1 Hourly 1 250 200 450 v 5 100 a a 50 a o 6 12 Hour Scaled data for simulation Efficiency Inputs Scaled annual average kw h d 4504 Scaled peak 390 kw Annual average 4 504 kwh d annual peak 390 kW Load factor 0 481 Plot Export Help Cancel Figura 6 5 Dados do Perfil do Consumo Clicando o bot o E da janela de entrada de dados sobre o perfil da carga temos acesso a v rias informa es mais detalhadas sobre aspectos relativos aos consumos Trabalho Final de Curso 66 FEUP J Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenhar
126. tal de 47 6 m 4 3 Unidades de habita o servi o com a rea total de 73 8 m 4 2 Unidades de servi o com a rea total de 40 m 3 Parques para autom veis com rea de 150 m cada Entre as duas Aldeias Capela amp 1 Capela com a rea de 50 m 4 Equipamento polivalente com a rea de 30 m 4 2 Sanit rios com a rea total de 20 m 4 Parque autom vel com a rea de 250 m Recep o Atrio com a rea de 60 m Recep o com a rea de 10 m Dep sito de bagagens com a rea de 30 m 4 4 Bengaleiro com a rea de 10 m 4 2 Sanit rios com a rea total de 30 m Parque autom vel com a rea de 50 m Servi o 4 Atrio com a rea de 20 m 4 Recep o com a rea de 5 m 4 Vesti rio com a rea de 40 m Trabalho Final de Curso 59 UTM Unverstedeto ro Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia ReREREE 2 Escrit rios com a rea total de 40 m Bar Servi o com a rea de 20 m 2 Sanit rios com a rea total de 20 m Escrit rio com sanit rio com a rea total de 25 m Sala de Reuni es com a rea de 25 m Lavandaria com a rea de 80 m Infra Estruturas com a rea de 40 m Restaura o Atrio com a rea de 40 m Recep o e Bengaleiro com a rea total de 20 m 2 Sanit rios com a rea total de 40 m7 Sala de almo os jantares com a rea
127. tema mais adequado e de melhor rela o custo benef cio necess rio simular a opera o das poss veis configura es para as condi es de carga das comunidades O programa HOMER Pro Hybrid Optimization Model for Electric Renewable desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory NREL permite avaliar rapidamente todo o campo de op es de configura o de sistemas h bridos para atender um determinado perfil de carga o qual deve ser inserido como dado de entrada Outros dados de entrada incluem por exemplo o n vel m dio de insola o pre os de equipamentos e O amp M e tipos de baterias As configura es resultantes s o apresentadas em ordem crescente de custo final da energia gerada em kWh O HOMER Pro foi desenvolvido com a finalidade de estimar o desempenho de sistemas h bridos e possui a capacidade de avaliar um grande n mero de alternativas de configura o na sua busca pela op o ptima Ele identifica Trabalho Final de Curso 5 amp Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia o sistema de menor custo capaz de suprir o consumo el ctrico de determinada comunidade a partir de uma gama de op es potencialmente vi veis capaz tamb m de efectuar an lises de sensibilidade para avaliar o impacto sobre o sistema das varia es de diversos par metros de entrada tais como carga recursos vent
128. thesized Data tN a oO Demand kw a oa 8 So 6 6 o AC Wind Turbine Fuhrl nder 250 Quantity Capital Replacement O amp M yr 1 225 000 187 500 4 500 Trabalho Final de Curso 124 Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Quantities to consider 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lifetime 20 yr Hub height 50 m 300 Power Curve 250 200 5150 e 100 50 5 er d A in 5 10 15 20 26 Wind Speed m s Wind Resource Data source Synthetic Month Wind Speed m s Jan 9 69 Feb 7 97 Mar 8 35 Apr 8 10 May 7 06 Jun 6 93 Jul 6 27 Aug 6 83 Sep 6 51 Oct 8 85 Nov 9 76 Dec 9 69 Wind Resource Synthesized Data o Wind Speed m s ES N 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Now Dec Trabalho Final de Curso 125 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida e Entao Weibull k 2 30 Autocorrelation factor 0 850 Diurnal pattern strength 0 250 Hour of peak wind speed 15 Scaled annual average 8 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m s Anemometer height 30 m Altitude 700 m Wind shear profile Logarithmic Surface roughness length 0 1 m AC Generator G Diesel Size kW Capital Replacement O amp M hr 400 000 18 000 16 900 1 130 600 000 21 000 19 900 1 260 800 000 23 000 22 000 1 470 Sizes to consider 0 400 kW L
129. time 25 yr Capacity shortage penalty 0 kWh System fixed capital cost 0 System fixed O amp M cost 0 yr Generator control Check load following Yes Check cycle charging Yes Setpoint state of charge 80 Allow systems with multiple generators Yes Allow multiple generators to operate simultaneously Yes Allow systems with generator capacity less than peak load Yes Emissions Carbon dioxide penalty O t Carbon monoxide penalty O t Unburned hydrocarbons penalty 0 t Particulate matter penalty O t Sulfur dioxide penalty O t Nitrogen oxides penalty O t Constraints Maximum annual capacity shortage 0 Minimum renewable fraction 0 Operating reserve as percentage of hourly load 10 Operating reserve as percentage of peak load 0 Operating reserve as percentage of solar power output 25 Operating reserve as percentage of wind power output 50 Trabalho Final de Curso 117 FEUP Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Resultados da Simula o DEBE Equipment to consider Simulations O of 2304 Proges CS Eua Sersiivties Oof 100 Status Hydrogen tank Hydrogen load Sensitivity Results Optimization Results Electrolyzer Sensitivity variables Wind Speed m s 8 Diesel Price L 0 8 z FC Capital Multiplier 1 E Double click on a system below for simulation results Categorized C
130. to plot New Window Optimal System Type System Types WindGDies Batt Ecs B veses Superimposed E Superimposed G Diesel Production kvvhiyr Fixed Max Annual Capacity Shortage 0 Diesel Price L 0 428 Re Sh 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 25 Produ o do Gerador a Diesel Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L yaxis Max Annual Capacity Shortage O zi Variables to plot Superimposed i New Window Optimal System Type System Types Evinacoies et ES B Dies Battery Superimposed G Diesel Hours hrs yr Fixed Max Annual Capacity Shortage O Diesel Price L o EJ 04 2 3 5 6 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 26 Tempo de Funcionamento do Gerador a Diesel Trabalho Final de Curso 142 EUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia 2 de Energia Reprimida Sensitivity variables Wind Speed m s x axis Diesel Price L y axis gt Max Annual Capacity Shortage EE Variables to plat Superimposed Levelized Cost of Energy v New Windor jal System Type System Types 30 Hl in a GDies Batt Mina Battery co B cies Battery Superimposed Levelized COE SAM Fixed Max Annual Capacity Shortage 2
131. ural com Produ o Renov vel H brida 2 3 Aerogerador de 500 kW e Gerador a Diesel de 400 kW Desligado durante a noite O HOMER permite tamb m caso seja necess rio impor um modo de funcionamento Ou seja poss vel for ar o gerador a Diesel a operar ou n o em determinadas horas do dia Por omiss o o programa escolhe o per odo de tempo mais adequado a esse funcionamento Neste caso o gerador a Diesel for ado a estar desligado durante a noite ou seja das 21 s 8 horas figura AIII 39 Generator Inputs File Edit Help Choose a fuel and enter at least one size capital cost and operation and maintenance O amp M value in the Costs table Note that the capital cost includes installation costs and that the O amp M cost is expressed in dollars per operating hour Enter a nonzero heat recovery ratio if heat will be recovered from this generator to serve thermal load As it searches for the optimal system HOMER will consider each generator size in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more information Cost Fuel Schedule Emissions Step 1 Select an operating mode Soe ED Optimized Forcedon Forcedoff Optimized Gi Forced off Y Forced on a a BBB Sl week Step 2 Select a time period HE Weekdays Allweek Weekdays Weekends E Weekends Step 3 Click on the chart to indicate when the selected operating mode applies Help Cancel OK Figura AIII 39 M
132. ural com Produ o Renov vel H brida Suse Faculdade de Engenharia Hourly Daily Monthly DMap Profle PDF cor DC Wind Speed Profile Wind Speed m s 0 0 0 r 0 r 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 Hour Figura 6 11 Dados Relativos a Velocidade do Vento 6 5 Dados Relativos aos Componentes do Sistema 6 5 1 Aerogerador s A Clicando o bot o Es aparece a livraria com aerogeradores de v rios tipos Escolhemos quatro tipos diferentes dos mesmos para posteriormente recorrendo ao programa HOMER optarmos pelo mais adequado ao fim em vista Foram inseridos tamb m para cada tipo de aerogerador os custos de capital unidade custos de substitui o unidade custos de opera o e manuten o Ano unidade tempo de vida til anos e a altura acima do solo a que se encontra o r tor Hub Height figuras 6 12 a 6 15 Trabalho Final de Curso 70 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Wind Turbine Inputs File Edit Help Choose a wind turbine type and enter at least one quantity and capital cost value in the Costs table Include the cost of the tower controller wiring installation and labor As it searches for the optimal system HOMER considers each quantity in the Sizes to Consider table Hold the pointer over an element or click Help for more i
133. urbina Torre Equipamentos complementares Obra civil Montagem e instala o Equipamentos para controle e instrumenta o Subesta o Transmiss o e facilidades de liga o Despesas legais e administrativas Taxas obriga es transporte Ferramentas e equipamentos Stock inicial de sobresselentes eee RF RFF FFF KE Engenharia e ger ncia F Estudo do meio ambiente Trabalho Final de Curso 39 Vi J Universidade do roto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Opera o e Manuten o M o de obra Componentes Programas de treino e seguran a Aluguer ou compra de guindastes 3 4 2 Viabilidade T cnica O ponto mais relevante no estudo de viabilidade t cnica a caracteriza o dos recursos e licos a partir da recolha de dados descrita na Sec o 3 2 Outros Factores que devem ser considerados s o Alternativas de arranjo para o projecto Estimativa de desempenho Impactos sobre a rede 3 4 3 Impacto Ambiental Alguns Factores devem ser avaliados para se saber o n vel de interfer ncia que o projecto vai ter sobre o meio ambiente da localidade entre os quais os seguintes Impacto sobre a flora e fauna 4 Impacto visual interfer ncia na paisagem e de ru do Perigo para a avia o Impacto sobre a tubagem enterrada Impacto sobre o transporte rodovi rio Trabalho Final de Curso 40 CA Univer
134. urso renov vel dispon vel considerado a energia e lica A curva do vento ao longo do ano obtida atrav s do programa HOMER Pro a partir do fornecimento dos seguintes dados Velocidade m dia mensal do vento Factor de Weibull mensal Factor de autocorrela o Hora de pico Altura do anem metro Altitude do local FREE E EE Extens o longitudinal da superf cie rugosa Com base num estudo gen rico sobre a varia o da velocidade do vento foi constru do um histograma da varia o m dia mensal do vento com base no facto de se saber que no local a velocidade m dia anual do vento ronda os 7 a 8 m s Este estudo encontra se em anexo I podendo ser visto tamb m na Sec o 6 4 5 3 Descri o dos Aglomerados Habitacionais e Tur sticos As duas aldeias Silveira de Cima e Silveira de Baixo destinadas a turismo de habita o separadas entre si em cerca de 2000 metros ir o ser constitu das por Silveira de Cima 15 Unidades de habita o com a rea total de 376 6 m 4 1 Unidade de servi o com a rea de 20 m 4 1 Parque autom vel com a rea de 150 m Trabalho Final de Curso 58 iversidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Silveira de Baixo 4 amp 11 Unidades de habita o com a rea total de 279 9 m 4 28 Unidades de habita o com a rea total de 904 8 m 2 Unidades de habita o administra o com a rea to
135. vity variables Wind Speed mzs x axis Diesel Price L 1 2 x FC Capital Multiplier y axis Variables to plot Superimposed PETER EEE New Window 10 Optimal System Type System Types i Hi winaicvies matt Hg inaicdiesFclectrolyzer Batt Superimposed Hydrogen Tank Size kg 081 Fixed Diesel Price 81 21 0057 S E E a ca o Los 02 800 600 0 0 na ncia a oh A 6 8 3 Right click to copy save or modify Wind Speed m s Figura AIII 5 Capacidade do Tanque de H Diesel 1 2 L Trabalho Final de Curso 120 a l FEU P Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Universidade do Porto ES Faculdade de Engenharia z Aaii NEN A Sensitivity variables Wind Speed m s x axis _ Diesel Price L 1 2 v FC Capital Multiplier y axis _ v Variables to plot Superimposed fi i nd New Window Optimal System Type System Types Hi winaicdies Batt Bi winaicdiesF clectrolyzer Batt Superimposed Fuel Cost Biyr Fixed 08 Diesel Price 1 2 FC Capital Multiplier o D Es 02 5 T Right click to copy sawe or modify Wind Speed m s Figura AIII 6 Custo do Combust vel Diesel 1 2 L Sensitivity variables Wind Speed m s x axis w Diesel Price L 1 2 FC Capital Multiplier y axis _v Variables to plot Superimposed fwind Production New Window Aig Optimal System Type System Types
136. y Converter Fuel Cell AC DC Resources Other A Wind resource amp Economics Diesel g Generator control T Emissions e Constraints Figura 7 2 Pormenor da Composi o do Sistema H brido 7 1 Defini o do Espa o de Busca para Optimiza o Clicando o bot o E aparece a janela de entrada dos dados inerentes ao espa o de busca nesta tabela que se inserem os poss veis valores dos componentes do sistema h brido tais como a pot ncia da s c lula s de combust vel do s gerador s a Diesel do conversor inversor e do electrolizador e ainda o n mero de aerogeradores e baterias e as v rias capacidades do tanque de armazenamento de hidrog nio Trabalho Final de Curso 81 FEUP Universidade do Porto Projecto de Electrifica o Rural com Produ o Renov vel H brida Faculdade de Engenharia Search Space This table displays the values of each optimization variable HOMER builds the search space or set of all possible system configurations from this table and then simulates the configurations and sorts them by net present cost You can add and remove values in this table or in the Sizes to Consider table in the appropriate input window Hold the pointer over an element name or click Help for more information GDies FC Batteries Converter Electrolyzer H2 Tank kw Kw Quantity w RW ko 0 00 0 00 0 0 00 0 00 0 00 400 00 400 00 100 100 00 50 00 50 00 200 200 00 100 00 100 00

2004/2005

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