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Ant´ onio Lu´ ıs Gomes Valente Salviano Filipe S. Pinto Soares Jos´ e Manuel Ribeiro Baptista Projecto em Engenharia Electrot´ ecnica e de Computadores Artigos da Unidade Curricular de Projecto 2009 Universidade de Tr´ as-os-Montes e Alto Douro Escola de Ciˆ encia e Tecnologia :: Engenharia Electrot´ ecnica e de Computadores

Projetos de convenções interessantes

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Projeto microcontroladores

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  • Antonio Lus Gomes Valente

    Salviano Filipe S. Pinto Soares

    Jose Manuel Ribeiro Baptista

    Projecto emEngenharia Electrotecnica e deComputadores

    Artigos da Unidade Curricular de Projecto

    2009

    Universidade de Tras-os-Montes e Alto Douro

    Escola de Ciencia e Tecnologia :: Engenharia Electrotecnica e de Computadores

  • Projecto emEngenharia Electrotecnica e de ComputadoresArtigos da Unidade Curricular de Projecto

    Copyright c 2009 - Universidade de Tras-os-Montes e Alto DouroISBN:12345789

  • Notas dos Autores

    Este e o primeiro numero do livro Projecto de Engenharia Electrotecnica e de Com-putadores e, espero eu, o primeiro de muitos. Este livro tera um novo volume todos os anoscom os artigos da unidade curricular de Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Compu-tadores, e sera complementado com um segundo livro, com publicacao prevista para Dezembrocom uma compilacao dos artigos publicados no ambito dos trabalhos de mestrado e doutora-mento.

    Neste primeiro numero, e como vendo sendo habito nos projectos de Engenharia Elec-trotecnica e de Computadores na Universidade de Tras-os-Montes e Alto Douro, os artigosabrangem areas tao diversas que vao desde a energia a`s comunicacoes passando pelo controlo,robotica, computacao evolutiva, instrumentacao, processamento digital de sinal e de imagem,visao por computador, inteligencia artificial, automacao industrial, redes, base de dados e tec-nologias da informacao e comunicacao. Nao foi elaborada nenhuma seleccao, estando presentestodos os trabalhos que foram sujeitos a avaliacao. Fica claro desta abordagem, que pretendeunao excluir nenhum trabalho, que nesta compilacao existirao trabalhos de excelente qualidadee trabalhos de menor rigor e dedicacao por parte que quem os elaborou os alunos. Os tra-balhos foram realizados individualmente, contaram com a revisao dos orientadores e foramposteriormente revistos e avaliados por um juri. No entanto, e apesar de todos as revisoesfeitas, os artigos sao da responsabilidade dos seus autores que sao os alunos cujo nome apa-rece na publicacao. No final desta revista aparece uma tabela com todos os orientadores comocontributo e agradecimento pelo trabalho desenvolvido na orientacao.

    Para alem da componente de I&D sempre presentes nesta forma de aprendizagem, contamosser este o ponto de partida para novas estrategias de colaboracao entre as empresas nos pontosde interface identificados do curso nomeadamente na unidade curricular de Seminario emCiencias da Electrotecnia e Computacao atraves da participacao em palestras, na unidadecurricular de Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores e na Dissertacao deMestrado em Engenharia Electrotecnica e de Computadores na figura de Estagios Curricularese a integracao profissional dos Mestres em Engenharia Electrotecnica e de Computadoresatraves do enquadramento de Estagios Profissionais.

  • Desta forma a direccao da Licenciatura em Engenharia Electrotecnica e de Computadoresgostaria de agradecer a colaboracao das empresas que participaram na apresentacao publicados trabalhos de Projecto, nomeadamente, a` PT Inovacao, a` Inova-Ria, a` General Electric Consumer & Industrial e a` AdQuam.

    Esperamos, deste modo, ter contribudo para que esta primeira publicacao seja do agradode todos.

    Com os melhores cumprimentos,

    Antonio Valente Salviano Soares Jose Manuel Baptista

  • Indice Geral

    Notas dos Autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1 Navegacao de um robot para Conducao Autonoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2 Avaliacao tecnica e economica de sistemas de microproducao deelectricidade baseados em ER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    3 Producao descentralizada de electricidade Um caso de estudo . . . . . . . . . 23

    4 Conducao autonoma de veculo Conducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    5 Conducao autonoma de veculo Deteccao de obstaculos . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    6 Identificacao automatica de produtos numa despensa inteligente . . . . . . . . . 47

    7 Estudo e caracterizacao de sistemas estereo de visao por computador . . . . 55

    8 TIC-AEF As Tecnologias da Informacao e Comunicacao no Apoio aoEnsino da Fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    9 Sistema de aquisicao e transmissao de dados ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    10 Optimizacao das Ligacoes de Aerogeradores em Parques Eolicos . . . . . . . . . 81

    11 Sntese de Circuitos Digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    12 Data-logger com armazenamento em cartoes SD/MMC em FAT32(Parte 1 Logger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    13 Desenvolvimento de alvos de deteccao de tiro automatico para opentatlo moderno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    14 Ambientes Tecnologicamente Assistidos Aplicacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    15 Desenvolvimento de firmware para um sensor de humidade para o solo . . 119

    16 Desenvolvimento de uma aplicacao para aquisicao de dados de umsensor de humidade para o solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

  • 17 Site Web para gestao de exames Interface com o utilizador e Interfacede Administracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

    18 Site Web para gestao de exames Gestao de Base de Dados e Relatorios 135

    19 Site Web para gestao de exames Testes, Seguranca, Autenticacao ePrivacidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

    20 Paineis de Informacao Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

    21 HELPMI integracao de servicos de voz entre Messengers e MundosVirtuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

    22 Sistema de Gestao de Adegas e Cooperativas Agrcolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

    23 Sistemas de Vigilancia Inteligente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

    24 Desenvolvimento de um sistema de instrumentacao para monitorizacaode uma sonda de ultra-sons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

    25 Simulacao Computacional Grafica de Sistemas Automatizados . . . . . . . . . . . 179

    26 AquaDisplay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

    27 Estudo e desenvolvimento de um sensor para o crescimento da uva . . . . . . 193

    28 Kit de Demonstracao de Modulacoes Analogicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

    29 Gestao de Filas de Espera para Adegas e Cooperativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

    30 Interligacao entre FORTRAN e Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

    31 Gestao de Software para salas de Informatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

    32 Ambientes Tecnologicamente Assistidos Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

    33 Ferramenta de simulacao para caracterizacao da potencia instalada emmini-hidricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

    34 Servidor baseado em Linux, uma ferramenta de apoio a`s aulas praticas:Sistema e Servicos Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

    35 Servidor baseado em Linux, uma ferramenta de apoio a`s aulas praticas:Servicos Avancados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

    36 MicroMouse Speedy Gonzalez (SP-01) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

    Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

  • REVISTA DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 7

    Navegacao de um robot para Conducao AutonomaP0901

    Jonas dos Santos Teixeira, [email protected]

    Abstract This work aims to build a robot able to travela circuit similar to a road conventional, in a completely au-tonomous, with order to participate in the class of autonomousdriving in national festival of robotics, 2010.

    Resumo Este trabalho tem como objectivo a construcaode um robot capaz de percorrer um circuito similar a umaestrada convencional, de forma completamente autonoma,com o intuito de participar na classe de conducao autonomano festival nacional de robotica de 2010.Keywords Conducao, Autonoma, RobotPalavras chave Driving, Autonomous, Robot

    I. INTRODUCAO

    Nas ultimas decadas temos assistido a um grande desen-volvimento de veculos capazes de se movimentarem deuma forma completamente autonoma. Todos estes avancosapresentados neste sector, poderao no futuro, traduzir-seem melhorias na seguranca dos veculos de transporte, op-timizando a interaccao destes com o meio onde operam.Para este avanco tem contribudo, para alem dos principaisconstrutores de automoveis, inumeros eventos de robotica,onde sao realizadas provas de conducao autonoma. Umexemplo disso mesmo e o festival nacional de robotica,que se realiza em Portugal, onde tem lugar a prova deconducao autonoma (CA ) [1]. E com vista a participacaonesta competicao, que estamos a desenvolver um robotmovel e completamente autonomo. Na prova de conducaoautonoma o robot devera percorrer um percurso ao longode uma pista fechada, que apresenta semelhancas com aconducao de um veculo automovel numa estrada conven-cional. A pista e composta por duas faixas, delimitadas porduas linhas brancas e separadas por uma linha tracejada. Ocircuito tem a forma aproximada de um 8. Existe um cruza-mento no centro, sobre o qual se erguem paineis sinaleticose onde se encontra marcada uma passadeira, numa das cur-vas do circuito encontra-se tambem montado um tunel. Aseguinte figura (fig.1), indica-nos o formato do circuito. Acompeticao decorre em tres mangas, sendo o principal ob-jectivo percorrer por duas vezes a totalidade da pista nomais curto espaco de tempo possvel e sem penalizacoes.O grau de dificuldade vai crescendo em cada nova manga.Mais informacoes, assim como todas as regras da prova po-dem ser consultadas robotica 20XX [2] .

    II. OBJECTIVOS

    O objectivo principal do trabalho realizado e construirum veiculo robusto dotado de sistemas que permitam re-alizar a conducao do mesmo de uma forma completamente

    Fig. 1FIGURA - 1 COLUNA

    autonoma, de forma a superar todas as dificuldades encon-tradas na prova de conducao autonoma.

    III. DISPOSITIVOS UTILIZADOS NO ROBOT

    O robot esta montado sobre uma plataforma de um ve-iculo de radiomodelismo. A para controlar a direccao doveiculo e utilizado o servomotor Hitec HS-705MG [3], estee controlado pelo microcontrolador MSP430FG4618 [4]daTexas Instruments. E utilizado para mover o veculo o mo-tor MAXON EC, controlado pelo controlador EPOS 24/5P [5]. O controlo dos perifericos e efectuado atraves docomputador portatil Samsung R45 que ira sobre o veiculo.As ligacoes entre o computador e os perifericos e efectuadaatraves dos cabos Prolific USB to Serial Comm Port . Seraoainda montadas no veiculo tres WebCams.

    IV. SOFTWARE UTILIZADO

    Na a realizacao deste projecto foi utilizado:

    Microsoft Visual C++ [6] IAR Embedded Workbench [7] EPOS UserInterface [8]

    V. DESENVOLVIMENTO

    Com o objectivo de facilitar a construcao do veculo,decidi dividir a sua estruturacao em varios nveis, fa-cilitando assim o desenvolvimento do projecto. Comopodemos observar a figura, fig.2, verifica-se que o es-quema e composto por quatro nveis diferentes, todos in-terligados entre si. O nvel 0 refere-se a plataforma doveculo utilizada. Esta plataforma deriva de um carro deradiomodelismo, fornecendo assim uma estrutura suficien-temente robusta para o desenvolvimento do projecto. Neste

    c UTAD - ECT - Departamento de Engenharias

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 8 JONAS TEIXEIRA [23487]

    nvel analisamos com especial interesse as rodas traseiras,responsaveis pela locomocao do veiculo bem como o sis-tema de direccao. O seguinte nvel, o nvel 1, refere-seaos perifericos do veiculo, isto e o motor responsavel pelomovimento do veiculo, o motor MAXON EC, que esta lig-ado com as rodas traseiras atraves de um sistema de ro-das dentadas, o servo motor responsavel pelo movimentoda direccao, que esta ligado com a direccao atraves deduas pincas metalicas e ainda tres Webcams responsaveispor fornecer a camada superior imagens do percurso. Onvel 2 refere-se a parte do hardware utilizado no veiculo.Neste nvel estao inseridos o controlador EPOS 24/5 P,responsavel por controlar o motor MAXON EC e ainda omicro controlador MSP430FG4618, responsavel por con-trolar o servo motor, esta comunicacao e feita atraves deum sinal PWM (modelacao por largura de pulso). O ul-timo nvel, o nvel 3, refere-se a uma aplicacao instalada nocomputador portatil, que formara parte do sistema de con-trolo. Esta aplicacao apresenta uma interface grafica onde epossvel ajustar o funcionamento do veiculo. Esta aplicacaoutiliza as portas serie do computador para comunicar viaRS232 com o controlador EPOS 24/5 P e o micro contro-lador MSP430FG4618. A aplicacao recebe ainda imagensprovenientes da Webcams via USB.

    Fig. 2FIGURA - ESTRUTURACAO DO VEICULO

    A. Nvel responsavel pelo controlo de direccao do veiculo

    Os servomotores sao motores especiais, um pouco difer-entes dos motores electricos convencionais e tem comoprincipal caracterstica o controlo preciso da posicao do ro-tor. O seu raio de movimentacao esta compreendido nor-malmente entre os 0 e os 180 graus, podendo este variarde servo para servo e ser limitado de forma externa. Alemdo controlo preciso da sua posicao, o servomotor tem comocaracterstica um elevado torque, resultado do acoplamentode um sistema de engrenagens que forma uma caixa dereducao com uma relacao bastante longa. O sistema in-terno de realimentacao em malha fechada do servomotor,faz com que o servo rode para uma determinada posicao emresposta a um determinado trem de impulsos. Este sistemae constitudo por um potenciometro ligado a` engrenagem

    do servo, que funciona como sensor de posicao, e por umcircuito electronico de controlo. O circuito electronico vaicomparar o valor no potenciometro com a amplitude dosimpulsos que recebe pela linha de controlo, activando as-sim o motor para corrigir qualquer diferenca que exista en-tre ambos. Ao se tentar rodar a engrenagem do servo, ocircuito de controlo identificara uma diferenca entre o valorno potenciometro e a amplitude dos impulsos e activara omotor para a tentar corrigir. A alimentacao do servomotor efeita tipicamente a uma tensao que pode variar ente os 4,5 e6,5 Volt, . A corrente necessaria para o correcto funciona-mento do servomotor varia consoante o servomotor escol-hido, sendo que servos com maior potencia necessitam demais corrente. O servomotor possui tres fios para conexao,sendo que o preto e vermelho vao ligar a alimentacao e oamarelo, vai ser conectado ao sinal responsavel pelo con-trolo da posicao. A posicao do servo e controlada porum trem de impulsos, com uma amplitude que varia tipi-camente entre 1ms e 2ms), e uma frequencia de cerca de50Hz. A figura, fig.3, ilustra a influencia que a duracao dosinal tem no movimento do servo.

    Fig. 3FIGURA - SINAL PWM

    Quando o servo recebe impulsos de 1.5ms, a sua en-grenagem de sada vai rodar ate ficar estavel no centro dointervalo de rotacao nos 90 graus. Se receber impulsosde 1ms, servo vai rodar no sentido horario ate atingir o lim-ite do intervalo de rotacao correspondente a 0 graus. Sereceber impulsos de 2ms, o servo vai rodar no sentido anti-horario ate atingir o outro limite do intervalo de rotacaocorrespondente a 180 graus. Impulsos ente 1ms e 1.5msfarao com que o servo rode no sentido horario para posicoesintermedias entre 0 e 90 graus , enquanto que impul-sos que variam entre 1.5ms e 2ms farao com que o servorode no sentido anti-horario para posicoes intermedias en-tre 90 e 180 graus. O sinal que contem o trem de impulsopode ser obtido atraves da programacao de um microcon-trolador, para este gerar uma sada PWM (modelacao por

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • REVISTA DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 9

    largura de pulso) numa das suas portas configuradas comosadas. O microcontrolador utilizado para criar o sinalPWM necessario para o controlo do servomotor pertencea` famlia MSP430 produzidos pela Texas Instruments [9].Estes microcontroladores sao constitudos por um CPU de16 bits e estao concebidos essencialmente para aplicacoesde baixo custo e baixo consumo de energia. A Texas In-struments oferece-nos quatro famlias basicas deste tipode microcontroladores, a famlia 1xx, voltados essencial-mente para aplicacoes gerais (1 a 60kb de memoria flashe 128 a 10240 bytes de memoria RAM, a famlia 2xx, umaevolucao da famlia 1xx (1 a 8kb de memoria flash e 256bytes de memoria RAM), a famlia 3xx, famlia mais antiga ebaseada em dispositivos One Time Programmable e por fima famlia 4xx [10], voltados para instrumentacao portatil edotados de controlador de LCD interno (1 a 60kb de FLASHe 128 a 10240 bytes de RAM). No desenvolvimento do nossotrabalho foi utilizado o microcontrolador MSP430FG4618,representado na seguinte figura, fig.4, que pertencente afamlia 4xx.

    Fig. 4FIGURA - MSP430FG4618

    Os dispositivos pertencentes a esta famlia possuem umavariedade de configuracoes com inumeros perifericos, en-tre eles oscilador interno, timer capaz de gerar uma sadaPWM, watchdog, USART, SPI, I2C, ADC de 10/12/16bits, DAC de 10 e 12 bits , memoria de acesso rapido (DMA),ligacao RS232, controlador de LCD etc.. A programacaodo MSP430FG4618 e feita atraves do software IAR Em-bedded Workbench que permite a elaboracao de projec-tos em linguagem C utilizada para programar o micro-controlador. Para programar o MSP430FG4618 a ligacaocom o computador e efectuada atraves do dispositivo MSP-FET430UIF [11] que liga ao computador atraves da porta

    USB e ao MSP430FG4618 atraves do porto JTAG. O comofoi referenciado anteriormente a direccao do veiculo vai sermovimentada atraves de um servo motor ligado a esta deforma mecanica, por sua vez o servo motor vai ser contro-lado por um sinal PWM gerado a partir do microcontro-lador MSP430Fg4616. O sinal PWM foi obtido atravesdo sinal de relogio do microcontrolador, para isso foinecessario configurar o Timer B [12] do MSP430FG4618com o fim e gerar uma sada em nvel logico alto. Atravesda configuracao dos registos do Timer B, mais precisa-mente o TBCCR0, foi possvel definir o perodo do sinalPWM e igualando o registo TBCCR6 a uma variavel, dotipo inteiro, e possvel controlar o duty cycle do sinalPWM, o que no fundo vai permitir controlar a posicao doservo motor. Assim sendo quando esta variavel toma ovalor de 104, o microcontrolador vai gerar um sinal PWMcujo duty cycle e de 1 ms, o que vai corresponder aposicao de 0 graus no servo motor. Por sua vez, se avariavel tomar o valor de 157, o microcontrolador vai gerarum sinal PWM cujo duty cycle e de 1,5 ms, que vaicolocar o servomotor na posicao de 90 graus. Por ultimo,quando esta variavel toma o valor de 210, o microcontro-lador vai gerar um sinal PWM cujo duty cycle e de2 ms, o que vai corresponder a posicao de 180 grausno servo motor. Assim sendo com a variacao do valorda variavel entre 104 e 210 podemos variar a posicao doservomotor entre 0 e 180 graus. E ainda de salientarque a variacao funciona de forma linear nas posicoes in-termedias. Assim sendo, para controlar a direccao, necessi-tamos apenas que seja enviada uma variavel, com o valor doangulo pretendido para a direccao, para o MSP430FG4618,para tal e utilizado o dispositivo de comunicacao RS232,presente no MSP34FG4618. Para podermos utilizar esteperiferico primeiro temos de configurar a UART [12] (Uni-versal Asynchronous Receiver Transmitter). A UART eum dispositivo utilizado em sistemas de comunicacao paraaplicacoes especficas, com sincronizacao feita por soft-ware. Para a configuracao da UART e necessario config-urar o registo UCA0BR0, de modo a que o Baud rateseja de 9600. E ainda necessario habilitar as interrupcoesdeste dispositivo configurando o registo UCA0CTL1, destemodo quando for transmitida qualquer informacao para oregisto de entrada da UART, o UCA0RXBUF, o microcon-trolador ira entrar numa rotina de atendimento que permi-tira receber a variavel transmitida para o microcontroladoratraves do periferico RS232. Na rotina de atendimento a`sinterrupcoes provocadas na UART e chamada uma funcaoque vai configurar a duty cycle do sinal PWM en-viado ao servomotor de acordo com a variavel recebidaatraves do registo UCA0RXBUF. A seguinte figura, fig.5ilustra de uma forma simples o funcionamento explicadoanteriormente. Podemos concluir assim que o controlo dedireccao composto pelo servomotor e o microcontroladorMSP430FG4618 precisa apenas que lhe seja enviada umavariavel correspondente aos graus que pretendemos girara direccao para esta aturar.

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    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 10 JONAS TEIXEIRA [23487]

    Fig. 5FIGURA - LIGACAO ENTRE COMPUTADOR E MSP

    B. Nvel responsavel pelo movimento do veiculo

    Como ja foi referido anteriormente o movimento doveculo e proporcionado por um motor EC, da fabricanteMAXON, conectado por um sistema de engrenagens as ro-das traseiras. Este motor, por sua vez e controlado pelocontrolador da Maxon EPOS 24/5 P. Maxons EPOS P 24/5Position Controller e um controlador que permite contro-lar a velocidade, a posicao e a corrente fornecidas ao mo-tor. Depois de ser programado, o controlador EPOS 24/5 Ppode ser utilizado para funcionamento autonomo, ou podeser controlado de uma forma activa, podendo assim variaro a corrente, a velocidade e a posicao de acordo com asnecessidades do utilizador. A tensao de alimentacao doEPOS P 24/5 Position Controller e de 11/24 Volt DC,o controlador e capaz de fornecer uma corrente contnuade 5 Ampere ao motor e uma corrente de pico de 10Ampere. A comunicacao entre o controlador EPOS 24/5P e outros dispositivos pode ser efectuada via RS232 ou viaCANopen. A programacao e realizada via IEC 61131-3,com varios editores (ST, IL, FBD, CPF). Existe ainda umainterface que permite ligacoes entre o controlador EPOS24/5 P e o Windows DLL. No desenvolvimento do projectofoi optou-se por efectuar o controlo do motor atraves deuma aplicacao construda utilizando o Visual C++ [13], aqual sera referida em pormenor, mais a frente. O primeiroponto de trabalhos no que diz respeito a traccao do ve-iculo, consistiu na concepcao dos cabos que ligam o EPOSP 24/5 Position Controller e o motor MAXON EC [14]eainda um cabo RS232 que interliga o EPOS P 24/5 PositionController e o computador. A seguinte figura, fig.6 ilustrade uma forma esquematizada como se estabelecem essasligacoes.

    Fig. 6FIGURA -M INIMA CABLAGEM PARA MOTOR MAXON CE

    Depois de efectuadas todas as ligacoes entre o computa-dor, o controlador EPOS 24/5 P e o motor MAXON EC foiutilizado o software EPOS UserInterface [15] paraproceder a auto-configuracao dos ganhos de corrente, ve-locidade e posicao do motor. Este procedimento pode sersubstitudo por uma afinacao manual e mais personalizadados ganhos. Depois de ser efectuado esta configuracao,os dispositivos estao prontos para ser utilizados. No de-senvolvimento do nosso projecto optou-se por programare controlar o EPOS 24/5 P a partir do computador, uti-lizando uma aplicacao desenvolvida no Visual C++.Esta aplicacao utiliza a interface Windows DLL desen-volvida pela MAXON MOTORS para tornar possvel acomunicacao entre os diferentes dispositivos. Para iniciar-mos o controlador EPOS 24/5 P e utilizada a funcao VCS-OpenDeviceDlg(DWORD, pErrorCode), contida na bib-lioteca Definitions.h, esta funcao vai abrir uma janelade dialogo onde serao preenchidos todos os dados refer-entes a comunicacao serie utilizada entre os dois disposi-tivos, o computador e o EPOS 24/5 P. Estes dados referem-se ao nome do dispositivo, que neste caso e o EPOS, aonome do protocolo utilizado entre o computador e o EPOS24/5 P, que e MAXON-RS232, a interface utilizada, no nos-sos caso e RS232, a porta serie utilizada, o Baud Rateda porta, que neste caso especifico e 38400 e o tempo deespera de ligacao que por defeito e 500 ms. O modo deoperacao do motor e defendido atraves da funcao VCS-SetOperationMode(HANDLE KeyHandle, WORD NodeId,int8 Mode, DWORD, pErrorCode) , o modo de funciona-mento escolhido foi de velocidade. Este modo permite-noscontrolar o motor colocando-o a funcionar num modo develocidade continua, a aceleracao para que o motor atinjaessa velocidade tambem e escolhida pelo utilizador. Outrasfuncoes de configuracao, e passagem de parametros para omotor sao utilizadas, tentando optimizar o funcionamentodo motor. Podemos concluir assim que o motor responsavel

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • REVISTA DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 11

    pelo movimento do veiculo e controlado por uma aplicacaoinstalada no computador, que utiliza algumas funcoes parapassar os parametros necessarios ao controlador EPOS 24/5P para que este controle o movimento do motor de formadesejada.

    C. Processamento de Imagem

    Apesar de nesta parte do projecto ainda nao nos centrar-mos muito no que diz respeito ao processamento de im-agem, foi possvel tomar algumas decisoes nesse campo.Serao utilizadas tres Web Cams para obter as imagens,uma sera responsavel por identificar os semaforos presentesna pista, as outras duas serao responsaveis por obter ima-gens do tracado a percorrer. Sao necessarias duas camaraspara esse fim porque se pretende proceder a reconstrucaoda imagem para ser possvel analisar distancias atravesdo processamento das mesmas. O resultado do processa-mento das imagens obtidas sera traduzido em ordens deavanco, aceleracao, travagem, e desaceleracao utilizadaspela aplicacao instalada no computador para controlar omovimento do veiculo, resultara ainda a informacao paracontrolo da direccao. Esta parte do projecto sera abor-dada futuramente, no ambito de outras unidades curricu-lares, nomeadamente PDI.

    D. Aplicacao de controlo

    Uma aplicacao presente no computador sera a re-sponsavel pelo controlo de todas as outras aplicacoes in-termedias. Esta aplicacao esta ligada com o microcontro-lador MSP430FG4618 atraves da porta serie do computa-dor. Esta previsto que depois do processamento da imagem,esta aplicacao envie para o MSP430FG4618 a inclinacaopretendida Esta aplicacao esta ainda ligada com o contro-lador EPOS 24/5 P, atraves de outra porta serie do com-putador, utilizando a interface RS232. Esta ira comunicarao controlador a velocidade, posicao e ainda aceleracao pre-tendida para o motor. A configuracao da porta serie uti-lizada para este fim sera configurada atraves de uma janelade dialogo logo que se inicie a aplicacao. No futuro estaaplicacao sera tambem a responsavel pela aquisicao dasimagens a partir das WebCams. Por fim, o algoritmo decontrolo de todo o sistema tera o funcionamento similar auma maquina de estados, depois de serem inicializados to-das as comunicacoes com os perifericos, serao carregadasnum vector todas as tarefas que serao executadas ciclica-mente, assim quando a aplicacao for executada, este vectorsera percorrido e as suas tarefas executadas quando habili-tadas para tal.

    VI. CONCLUSOES

    Na primeira parte do trabalho foi possvel proceder a mon-tagem das partes mecanicas do veculo, fixacao dos mo-tores, e adaptacao das engrenagens, foram ainda realizadastodas as ligacoes necessarias entre todos os dispositivos doprojecto. Assim no final ja foi possvel testar a direccao eo controlo do movimento do veculo. A estruturacao escol-hida para o veculo permitiu-nos trabalhar de forma inde-pendente nos diferentes nveis em que este esta organizado.Na seguinte figura, fig.7 , e apresentado o veiculo.

    Fig. 7FIGURA -ROBOT

    Assim sendo o funcionamento do veculo resume-se aoseguinte. A direccao e accionada por um servomotor que econtrolado pelo microcontrolador MSP430FG4618, atravesda variacao do duty cycle do sinal PWM. O microcon-trolador recebe informacao do computador para procederao controlo deste sinal. O movimento do veiculo e propor-cionado pelo motor EC MAXON, que esta ligado a`s rodastraseiras atraves de um sistema de engrenagens. Este mo-tor e controlado pelo EPOS 24/5 P que recebe informacaoproveniente do computador que ira permitir controlar a ve-locidade, aceleracao e travagem do motor. As decisoes anecessarias para o controlo da direccao e movimentacao doveculo serao retiradas a partir do processamento das ima-gens provenientes das Webcams, feito no computador. Nofinal deste projecto o robot nao esta totalmente concludo,ficando a faltar o desenvolvimento de software para o pro-cessamento de imagem, e uma optimizacao no funciona-mento global do robot.

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    c UTAD - ECT - Departamento de Engenharias

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  • 12 JONAS TEIXEIRA [23487]

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  • REVISTA DA LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 13

    Avaliacao Tecnica e Economica de Sistemas de Microproducao de ElectricidadeBaseados em Fontes de Energias Renovaveis

    P0902

    Dilman Jesus Almeida, [email protected]

    Abstract Climate change and the expected scarcity of themost sought energy sources for consumption worldwide, as arethose of fossil origin, have forced a global understanding inorder to strive against pollution from this types of energy anddependence on them.The Kyoto Protocol is the best example of this understanding,

    which in spite of not having been signed by the worlds mostindustrialized countries, is an important element for reducingemissions of greenhouse gases with the use of renewable en-ergy sources.In Portugal, several government initiatives have fostered a

    decentralized electricity production, with particular emphasison the use of renewable energy.

    Resumo As alteracoes climaticas e a escassez prevista dasfontes de energia mais procuradas para o consumo a nvelmundial, como sao as de origem fossil, tem obrigado a umentendimento global com vista a combater a poluicao prove-niente destes tipos de energias e a dependencia das mesmas.O Protocolo de Quioto e o melhor exemplo deste entendi-

    mento, que, apesar de nao ter sido assinado por todos os pasesmais industrializados do mundo, constitui um elemento im-portantssimo para a reducao das emissoes de gases com efeitode estufa, com a consequente utilizacao de fontes de energiasrenovaveis.Em Portugal, diversas iniciativas governamentais tem impul-

    sionado a producao descentralizada de electricidade, dandoespecial importancia a` utilizacao de energias renovaveis.O objectivo deste trabalho, e mostrar a importancia da

    analise economica dos projectos, na area da microgeracao deelectricidade, enquadrados no regime remuneratorio bonifi-cado do Decreto-Lei n.o 363/2007.Palavras chave Microgeracao, Microprodutor, Energia

    I. INTRODUCAO

    A procura global por energia, tem vindo a aumentar acen-tuadamente nas ultimas decadas, acompanhando o desen-volvimento industrial e o aumento populacional. Preve-seque a procura de energia deva crescer pelo menos 50% ate2030, a` medida que grandes pases, como a China e a Indiacontinuem a desenvolver-se. O grafico da figura 1 mostra aprevisao dessa realidade [1], [2].As fontes de energia mais utilizadas actualmente, res-

    ponsaveis pela quase totalidade da energia consumida nomundo, sao, o Petroleo, o Carvao e o Gas natural. Estes ti-pos de energias, sao conhecidas como combustveis fosseis,por terem surgido a partir de plantas e animais mortos exis-tentes ha muitos seculos atras, ricos em carbono. Estas

    Fig. 1CONSUMO GLOBAL DE ENERGIA [1], [2]

    fontes tem reservas estimadas para poucas decadas, o quee, de facto, preocupante. Por outro lado, tem-se assistido,nas ultimas decadas, a um aumento das preocupacoes sobreo impacto ambiental que esses combustveis provocam nonosso meio. Esta demonstrado que as alteracoes climaticasdo globo terrestre, verificadas nos ultimos anos, tem a suaorigem nas emissoes de gases de efeito de estufa, criadospela queima, principalmente, desses combustveis fosseis.Com vista a reduzir a dependencia energetica dos com-

    bustveis fosseis e ao mesmo tempo impor metas para areducao dos gases de efeito de estufa, tem surgido diver-sas iniciativas mundiais, sendo uma das quais e a mais im-portante, o Protocolo de Quioto, discutido e negociado em1997, no Japao. A assinatura e o consequente compromissoassumido pelos diversos pases assinantes, incluindo Por-tugal, visam diminuir o nvel de emissoes poluentes res-ponsaveis pelo aquecimento global. No caso dos estadosmembros da Europa, essa reducao tera de ser cerca de 8%entre 2008 e 2012 [3].Uma das formas encontradas para conseguir cumprir com

    os compromissos de Quioto e recorrer a`s energias re-novaveis e nao poluentes para producao de electricidade.De facto, a directiva 2001/77/CE de 27 de Setembro de2001, do Parlamento Europeu e do Conselho, constituiuum inequvoco reconhecimento por parte da Uniao Euro-peia, no que se refere a` actual prioridade para a producaode energia electrica, a partir de fontes renovaveis, no espacoEuropeu.Olhando para o panorama nacional, verifica-se a

    existencia, com o objectivo de responder aos desafios doc UTAD - ECT - Departamento de Engenharias

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 14 DILMAN ALMEIDA [AE-874]

    Protocolo de Quioto, de diversas iniciativas para impul-sionar a utilizacao de energias renovaveis na producaoelectrica. Surge assim o mais recente decreto-lei referente aesta materia: o Decreto-Lei n.o 363/2007, de 2 de Novem-bro, que regula a actividade da microgeracao de electrici-dade com base nas energias renovaveis.Neste sentido, e dado que para ser microprodutor e ne-

    cessario investimento, torna-se necessario avaliar economi-camente o empreendimento. Se a energia obtida se revelarmais cara do que a das fontes convencionais, e natural quea aderencia a este tipo de iniciativas fique aquem do espe-rado, pondo em risco o cumprimento das metas nacionaisassumidas em conjunto com os outros pases.A correcta avaliacao tecnica e economica dos investimen-

    tos em microgeracao e condicao necessaria para que estasnovas tecnologias sejam verdadeiramente implantadas deforma solida e rentavel tambem para quem investe nestesempreendimentos.Este trabalho, analisa varias alternativas tecnicas sobre a

    microgeracao e a sua respectiva avaliacao economica, parase poder entender as diferencas entre as mesmas. Pretende-se tambem, que, no conjunto se verifique a verdadeira im-portancia da correcta avaliacao economica, nos diferentesprojectos aqui analisados.O trabalho utiliza ferramentas especficas para a simulacao

    e analise economica de diferentes cenarios escolhidos, des-critos no decorrer do mesmo, sendo que, todos eles estaode acordo com o Decreto-Lei n.o 363/2007, de 2 de No-vembro, no que diz respeito ao regime remuneratorio boni-ficado. Pretende-se alcancar resultados positivos, como osanunciados pela maior parte das empresas nacionais, quetrabalham na comercializacao deste tipo de tecnologia, re-lacionada com a microgeracao.O presente trabalho constitui uma excelente ferramenta de

    apoio a` decisao de quem pretenda ser microprodutor, aoabrigo do Decreto-Lei n.o 363/2007.Nas seccoes seguintes, serao abordados os temas referen-

    tes a` microgeracao de electricidade a nvel nacional, dandouma visao geral dos aspectos mais importantes do Decreto-Lei n.o 363/2007, juntamente com uma ideia do possvelcomportameno evolutivo do tarifario de venda de electrici-dade; os conceitos dos principais indicadores economicosna avaliacao de investimentos; a ferramenta utilizada nasimulacao tecnica; os cenarios tecnicos e economicos e porultimo uma visao sobre os resultados obtidos e as respecti-vas conclusoes.

    II. MICROGERACAO - PANORAMA NACIONAL

    Em Portugal, a microgeracao tem-se desenvolvido lenta-mente. No entanto, atraves de medidas adoptadas pelo go-verno, este panorama tende a melhorar significativamente.A microgeracao como actividade de producao de energiaelectrica em baixa tensao, com possibilidade de entrega a`rede electrica publica, foi regulada pelo Decreto-Lei n.o

    68/2002, de 25 de Marco. Este decreto-lei previa que aenergia electrica produzida fosse, predominantemente, des-tinada ao auto-consumo, e o excedente, passvel de ser en-tregue a terceiros, ou a` rede publica [4].Desde entao, e com o objectivo de cumprir com a Direc-

    tiva CE/77/2001 do Parlamento Europeu e do Conselho de27 de Setembro de 2001, tem surgido diversas iniciativasgovernamentais com vista a desenvolver e impulsionar estaarea de producao de electricidade. Esta directiva destina-sea promover o aumento da contribuicao das fontes de ener-gia renovaveis para a producao de electricidade no mercadointerno da electricidade e criar uma base para um futuroquadro comunitario neste sector. No caso concreto Por-tugues, estao previstas metas, sendo uma delas atingir em2010, 39% do consumo bruto de electricidade, produzida apartir de fontes de energia renovaveis [5].Actualmente, o Decreto-Lei n.o 363/2007, de 2 de Novem-

    bro, em vigor, estabelece o regime jurdico para a producaode energia electrica, mediante pequenas instalacoes, e re-fere que o produtor de pequena escala tem o direito de for-necer energia a` rede, desde que a sua instalacao de producaode electricidade monofasica em baixa tensao, tenha umapotencia de ligacao ate 5,75 KW [6]. Relacionado com estedecreto, surgiu a iniciativa renovaveis na hora, sendo umadas medidas previstas no plano para a poltica de energia ealteracoes climaticas. O objectivo e promover a instalacaode 50 mil sistemas fotovoltaicos ou mini eolicos ate 2010,com especial incentivo a` instalacao de colectores solarespara aquecimento de agua em habitacoes.

    A. Rendimento da Microgeracao

    Existem dois regimes remuneratorios: Regime Bonificadoe Regime Geral [6], [7]:

    1. Regime Remuneratorio Bonificado - No regime boni-ficado, a potencia de ligacao esta limitada a 50% dapotencia ja contratada no contrato de compra de elec-tricidade e a um maximo de 3,68 kW. Este regime temuma serie de condicionantes, para alem do que ja foireferido em relacao a` potencia instalada, que influen-ciam o acesso ao mesmo, assim como, tambem a tarifade venda de electricidade:

    (a) A potencia total registada a nvel nacional esta su-jeita a um limite maximo, que no ano de 2009 e de12 MW. Este limite e sucessivamente incrementadoem 20% ao ano.

    (b) O preco de venda da electricidade, depende da fontede energia utilizada para produzir e do tarifario dereferencia, que e para o ano de 2009 de 0,6180e/kWh.

    (c) Conforme a fonte de energia utilizada, aplica-seuma percentagem a` tarifa de referencia, sendo parao Solar de 100%, Eolica 70%, Hdrica 30% e Co-geracao e Biomassa 30%. Resulta entao, nos va-lores seguintes: 0,6180 e/kWh para energia solar,0,4326e/kWh para energia eolica, e 0,1854e/kWhpara energia hdrica e biomassa.

    (d) A electricidade vendida esta tambem limitada a 2,4MWh/ano no caso da fonte de energia solar e de4MWh/ano nas restantes fontes de energia referidasanteriormente, por cada quilowatt instalado.

    (e) No caso da unidade de producao utilizar umacombinacao de tecnologias, a tarifa aplicada e a me-dia ponderada das percentagens individuais corres-pondentes a`s diferentes tecnologias utilizadas.

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  • REVISTA DA LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 15

    (f) Os precos sofrem uma reducao sucessiva de 5% porcada 10MW de potencia de ligacao registada, nuncapodendo ser inferior a` tarifa do regime geral.

    (g) No ano em que a instalacao de miroproducao e li-gada a` rede, e nos 5 anos seguintes, e garantido aomicro produtor o preco de venda em vigor na datade ligacao.

    (h) Nos 10 anos seguintes, e garantido ao micro pro-dutor o preco de venda em vigor a 1 de Janeiro, decada ano, para as novas instalacoes a ligar a` rede.

    (i) Apos este perodo de 10 anos, e aplicada a tarifa doregime geral em vigor.

    (j) Necessaria instalacao de colectores solares termicospara aquecimento de agua na instalacao de con-sumo, como uma area mnima de 2m2 da area decolector.

    2. Regime Remuneratorio Geral - No regime geral, apotencia de ligacao esta limitada a 50% da potenciaja contratada no contrato de compra de electricidadee a um maximo de 5,75 kW e o preco de vendade electricidade e igual ao de compra (actualmente0,1143e/kWh + IVA 5%)

    Considerando o regime bonificado, o grafico da figura2 mostra a evolucao da tarifa de referencia para venda,tendo por base, o pressuposto de que a potencia de ligacaomaxima e atingida anualmente. Tambem e representada nografico a evolucao da tarifa de compra tendo por base umaevolucao de +4% ao ano, correspondente a` inflacao esti-mada.

    Fig. 2EVOLUCAO DA TARIFA DE VENDA / COMPRA (REGIME BONIFICADO)

    MINIMO

    No entanto, deve-se realcar que, muito provavelmente apotencia maxima nao ira ultrapassar os limites fixados paracada ano. Uma estimativa mais real sera de que a potenciainstalada ira aumentar 10MW por cada ano. Neste caso,a evolucao do tarifario de referencia para venda sera con-forme o representado no grafico da figura 3.

    B. Vantagens da Microgeracao

    1. Vantagens ambientais e para o sistema electrico:

    Fig. 3EVOLUCAO DA TARIFA DE VENDA-COMPRA (REGIME BONIFICADO)

    MAIS REAL

    (a) Reducao da dependencia energetica nacional.(b) Reducao das perdas e investimentos nas redes.(c) Aproveitamento mais eficiente dos recursos

    energeticos.(d) Reducao das emissoes de gases com efeito de es-

    tufa.2. Vantagens socioeconomicas:

    (a) Desenvolvimento de uma industria de servicos deenergia.

    (b) Area com elevado potencial de inovacao e deexportacao.

    (c) Melhoria na balanca comercial nacional.3. Vantagem para os cidadaos:

    (a) Reducao da factura energetica dos cidadaos.(b) Contribuicao individual dos cidadaos para os objec-

    tivos da poltica energetica e ambiental.

    III. INDICADORES DE AVALIACAO ECONOMICA DEINVESTIMENTOS

    A decisao de investir em projectos, deve ser o resultado deuma analise fundamentada em dados historicos e previsio-nais que permitem avaliar caractersticas, nao so do retornodo investimento, como tambem do sucesso economico doinvestimento. Dito de outra forma, e necessario conhecera viabilidade economica do projecto, para poder tomar adecisao, a mais correcta possvel, de avancar ou nao, comdeterminado investimento. Investir num projecto, sem fa-zer uma analise do investimento, aumenta inevitavelmenteo risco economico associado ao projecto.Existem varios factores que influenciam a viabilidade

    economica dos projectos de microgeracao: o investimentoinicial; a quantidade de energia vendida a` rede; o regime devenda de energia a` rede e os benefcios fiscais.Para ajudar a tomada de decisoes, existem varios indica-

    dores economicos, habitualmente usados para medir o in-teresse economico dos projectos. No caso de projectos demicrogeracao electrica, os indicadores comummente usa-dos sao: VAL-Valor actual lquido; TIR-Taxa interna de

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  • 16 DILMAN ALMEIDA [AE-874]

    rentabilidade e o PRI-Perodo de recuperacao do investi-mento (Payback Period).

    A. VAL (Valor Actual Liquido)

    O Valor Actual Liquido (VAL), tem como objectivo, ava-liar a viabilidade de um projecto de investimento, atravesdo valor actual de todos os seus fluxos de caixa, sendo porisso, um indicador muito utilizado em estudos de analise deviabilidade. Por valor actual, entende-se o valor hoje, deum determinado montante a obter no futuro.Como qualquer investimento, gera fluxos de caixa no fu-

    turo. E necessario actualizar o valor de cada um desses flu-xos de caixa, para poder compara-los com o valor do inves-timento. Nao e indiferente pagar ou receber dinheiro hoje,ou pagar ou receber a mesma quantia, decorridos algunsanos. O uso de uma taxa de actualizacao, permite resol-ver a dificuldade da avaliacao economica de projectos, queresulta do facto das entradas e sadas de dinheiro se escalo-narem no tempo. Esta taxa, e nao mais do que uma taxa dejuros sem desconto, acrescida de um premio de risco esta-belecido para o tipo de projecto em causa.O VAL e a diferenca entre os valores actualizados

    das entradas e sadas de dinheiro (utilizando a taxa deactualizacao), durante um perodo de vida util do projecto,correspondendo ao somatorio das receitas menos os custosde manutencao (fluxos de caixa), custos do investimento eeventualmente valores residuais do projecto.No calculo do VAL transportam-se todos os fluxos de caixa

    anuais para uma data presente, utilizando para tal, a taxa deactualizacao.A formula para calcular o VAL esta representada na

    equacao (1):

    V AL =na=0

    FCa(1 + t)a

    I (1)

    Onde: FCa - Fluxo de Caixa-ano; n - Vida util do pro-jecto; I - Investimento total actualizado para o ano 0 e t -Taxa de actualizacao.Na hora de decidir sobre um determinado projecto de

    investimento, o mais correcto sera aceitar as seguintescondicoes:

    1. Se o VAL for positivo (VAL>0) - O projecto sera eco-nomicamente viavel, porque permitira recuperar o in-vestimento, gerar a remuneracao exigida pelo investi-dor, e ainda excedentes financeiros.

    2. Se o VAL for nulo (VAL=0) - E o caso limite em queo investidor ainda recebe a remuneracao exigida.

    3. Se o VAL for negativo (VAL

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    electricidade, e uma realidade. Basta verificar que a tarifade venda de electricidade pode diminuir drasticamente aofim de 5 anos, unico perodo em que e garantido uma ta-rifa fixa ao microprodutor. Para alem do mais, tambem naopreve qualquer taxa de actualizacao.

    IV. FERRAMENTAS DE SIMULACAO E DADOSESTATISTICOS

    Qualquer estudo de analise de producao de energiaelectrica, ao nvel da microproducao, tem como base ferra-mentas de software de simulacoes disponveis no mercado.Seria economicamente inviavel, fazer medicoes exaustivas,caso a caso, para cada projecto de microproducao. O objec-tivo principal destas ferramentas e calcular, com base emdados estatsticos de radiacao solar e velocidade dos ventos,a producao de energia electrica de qualquer projecto, sejaele fotovoltaico, eolico, ou a combinacao dos dois. Servemtambem para fazer outras simulacoes, nao abordadas nestetrabalho, recorrendo a outro tipo de fontes renovaveis ounao, contemplando sistemas de pequena, media e grandeescala, ao nvel da producao descentralizada de electrici-dade. Algumas destas ferramentas tambem sao usadas paracalculos economicos e financeiros dos diferentes projectos.

    A. HOMERr - Hybrid Optimization Model for ElectricRenewables

    O HOMERr e um software de simulacao disponibilizadogratuitamente pelo NREL - National Renewable Energy La-boratory [10] e foi o escolhido, de entre outras ferramentasdo genero, pela sua versatilidade e facilidade na concepcaoe simulacao dos diferentes tipos de projectos.O software HOMERr foi desenvolvido para simplificar as

    tarefas de analise de projectos de producao descentralizadade energia electrica, dando especial enfase a` utilizacao deenergia renovaveis. Tem a capacidade de criar modelos desistemas conectados a` rede electrica ou isolados, podendoser construdos por qualquer combinacao dos mesmos: fo-tovoltaicos, eolicos, hdricos, pilhas de combustvel, gera-dores, etc.Este software serve para simular e avaliar a producao

    electrica, os custos, a rentabilidade e as emissoes de CO2,sendo no caso concreto deste trabalho, utilizado unicamentepara a simulacao da producao de electricidade.

    B. Dados Estatsticos - Radiacao Solar e Velocidade doVento

    Como foi referido, qualquer sistema de simulacao deproducao de energia electrica, a partir de fontes renovaveis,como sao os sistemas fotovoltaicos e os eolicos, necessitade dados estatsticos sobre a radiacao solar e a velocidadedo vento, nos locais onde se pretende fazer a simulacao.Existem varias fontes de informacao estatstica, sendo quealguns exemplos sao: JRC- EUROPEAN COMMISSION- Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)[11], para dados de radiacao solar, Wind Atlases of theWorld [12] e Base de Dados do Potencial Energetico doVento em Portugal - EOLOS (INETI) [13], para dados es-tatsticos de velocidade do vento.

    Existe uma outra base de dados estatsticos, patrocinadapela NASA, Atmospheric Science Data Center - SurfaceMeteorology and Solar Energy [14] que contem tanto da-dos de radiacao solar como da velocidade do vento. No casodeste estudo, decidiu-se utilizar esta base de dados pela sualigacao com o HOMER R e tambem pela sua credibilidade.Os dados estatsticos sao de facil leitura, bastando para isso,identificar o local com a latitude e a longitude do mesmo.Convem referir que esta base de dados e actualmente usadanao so pelo HOMER R, como tambem por outras ferramen-tas de simulacao tais como a RETScreen [15].

    V. CENARIOS DE ESTUDO A CONSIDERAR

    Com o objectivo de analisar as potencialidades damicroproducao para venda de electricidade a` rede,pretende-se fazer uma comparacao entre varios tipos decenarios, representando, cada um deles, uma configuracaoespecfica para producao de energia electrica.Este estudo tera, como base, o Decreto-lei 363/2007, de 2

    de Novembro [6], no que diz respeito ao regime remune-ratorio bonificado.Para efectuar a analise pretendida considerar-se-a quatro

    configuracoes de microproducao que permitam avaliar emtermos economicos as diferencas entre as mesmas. Para to-das as configuracoes considera-se a ligacao a` rede electricacom a consequente venda de electricidade.O local escolhido para as diferentes configuracoes e a ci-

    dade de Fafe e estas consideram uma instalacao numa vi-venda tipo unifamiliar com uma potencia contratada de 6.9kW. Em todos os casos de fotovoltaicos, os paineis estaraovirados a sul.Tratando-se de uma simulacao para um meio ur-

    bano considera-se a rugosidade respectiva, incluida nosparametros do HOMERr.Configuracoes a simular e avaliar:

    1. Sistema de microproducao fotovolataico, com umapotencia instalada de 3.5 kW, composto por 20 paineisBP 7175S de 175 W cada um, instalados numa estru-tura fixa.

    2. Sistema de microproducao fotovolataico, com umapotencia instalada de 3.5 kW, composto por 20 paineisBP 7175S de 175 W cada um, instalados numa estru-tura com sistema de seguidor solar de dois eixos.

    3. Sistema de microproducao eolico, com uma potenciainstalada de 1 kW composto por uma microturbinaWishper 200 de 1 kW.

    4. Sistema de microproducao hbrido, com uma potenciainstalada de 2.75 kW, composto por 10 paineis BP7175S de 175 W cada um, instalados numa estruturafixa e uma microturbina Wishper 200 de 1 kW.

    Em todos estes cenarios sera considerada a utilizacao deinversores DC/AC, cuja finalidade, para alem de transfor-mar corrente continua, proveniente do fotovoltaico ou doeolico, em corrente alterna, tambem servira para limitar apotencia de ligacao a` rede. Como foi referido, para se teracesso ao regime remuneratorio bonificado, a potencia deligacao a` rede, nas condicoes previstas neste estudo, nuncapodera exceder os 50 % de 6.9 kW, ou seja 3.45 kW. A

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    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 18 DILMAN ALMEIDA [AE-874]

    potencia do inversor, a contar para a ligacao a` rede electricae caracterizada pela potencia nominal do mesmo, conformedespacho do Director Geral de Energia e Geologia [7].Convem referir, que esta-se a trabalhar com estatticas e

    por conseguinte, os dados obtidos poderao nao ser 100 %correctos. Foram, tambem, obtidos orcamentos tpicos deinstalacao dos diversos sistemas. Os mesmos nao sao vin-culativos a nenhuma empresa em particular; sao meramenteorcamentos estimativos de instalacoes que servirao para aanalise economica deste trabalho.

    VI. APRESENTACAO E ANALISE DE RESULTADOS DOSCENARIOS DE ESTUDO CONSIDERADOS

    Qualquer projecto de investimento requer a sua avaliacaotecnica e economica, para se ter alguma certeza da viabili-dade economica do investimento.Considerando os cenarios apresentados, serao demonstra-

    dos os resultados de producao de electricidade, a partir dassimulacoes feitas no HOMERr, assim como tambem ana-lisados os dados relativos a` avaliacao economica de cadaum deles.A realizacao dos calculos de avaliacao economica sera

    feita recorrendo ao EXCELr, onde, para este estudo, foifeita uma folha de calculo, incluindo todos os dados ne-cessarios para obter os diferentes indicadores economicos.E considerado, para efeitos de calculo, um tempo previstode 15 anos, ja que e o tempo total contratual previsto devenda de electricidade. A taxa de actualizacao consideradapara o calculo e de 4%, sendo esta a taxa media que actual-mente e aplicada pelos bancos nos depositos, acrescida deum premio de risco.No que diz respeito a` avaliacao economica propriamente

    dita, e como o sucesso, ou nao, do investimento esta li-gado directamente a` tarifa de venda de electricidade; cadacenario anteriormente descrito, sera avaliado de duas for-mas diferentes, considerando duas evolucoes tarifarias.Convem referir, que as evolucoes descritas neste trabalhosao meramente estimativas. Na realidade so se conhececom exactidao a tarifa de referencia para o ano em quee feito este estudo, que e de 0,6175 e; para o ano de2010 e seguintes, a tarifa depende, como ja foi referido, dapotencia de ligacao instalada a nvel nacional durante cadaano.Assim sendo, e para que possa ser feita uma comparacao,

    consideram-se duas evolucoes tarifarias descritas a seguir:

    1. Caso mnimo - Considerando uma evolucao de tarifade referencia, no caso da potencia de ligacao maximaser atingida todos os anos. A tabela I exemplifica aevolucao da tarifa de venda, comparando-a com a ta-rifa de referencia e a tarifa de compra; esta ultima como pressuposto de aumento de 4% ao ano. A figura 4representa graficamente a mesma evolucao.

    2. Caso mais real - Considerando uma evolucao de ta-rifa de referencia, no caso da potencia de ligacao seraumentada 10 MB em cada ano. A tabela II exempli-fica a evolucao da tarifa de venda, comparando-a coma tarifa de referencia e a tarifa de compra; esta ultimacom o pressuposto de aumento de 4% ao ano. A figura5 representa graficamente a mesma evolucao.

    Fig. 4EVOLUCAO DA TARIFA DE VENDA / COMPRA (REGIME BONIFICADO)

    CASO MINIMO

    Fig. 5EVOLUCAO DA TARIFA DE VENDA / COMPRA (REGIME BONIFICADO)

    CASO MAIS REAL

    A. Resultados tecnico-economicos obtidos

    Os resultados obtidos, apos as simulacoes feitas noHOMERr, e os calculos dos indicadores economicos,estao representados na tabela III para o caso minimo e natabela IV para o caso mais real.

    B. Evolucao da recuperacao do investimento (Compara-tivo)

    Para se ter uma ideia mais clara da evolucao darecuperacao do investimento e mostrado nos graficos dasfiguras 6 e 7 o resultado para cada um dos cenarios. Nao eo valor do PRI nem do PRIB , mas e um grafico que indicacom maior exactidao o tempo que demora o investimento aser recuperado em cada caso.

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    TABELA IEVOLUCAO TARIFARIA - (CASO MINIMO)

    Ano Tarifa referenia Tarifa de venda Tarifa de venda Tarifa de venda Tarifade venda (e) FV (e) Eolico (e) Hbrido (e) de compra (e)

    Ano 0 - 2009 0,6175 0,6175 0,4323 0,5271 0,1211Ano 1 - 2010 0,5866 0,6175 0,4323 0,5271 0,1259Ano 2 - 2011 0,5573 0,6175 0,4323 0,5271 0,1310Ano 3 - 2012 0,5030 0,6175 0,4323 0,5271 0,1362Ano 4 - 2013 0,4539 0,6175 0,4323 0,5271 0,1417Ano 5 - 2014 0,4097 0,6175 0,4323 0,5271 0,1473Ano 6 - 2015 0,3512 0,3512 0,2458 0,2998 0,1532Ano 7 - 2016 0,2861 0,2861 0,2003 0,2442 0,1594Ano 8 - 2017 0,2217 0,2217 0,1657 0,1893 0,1657Ano 9 - 2018 0,1724 0,1724 0,1724 0,1724 0,1724Ano 10 - 2019 0,1793 0,1793 0,1793 0,1793 0,1793Ano 11 - 2020 0,1864 0,1864 0,1864 0,1864 0,1864Ano 12 - 2021 0,1939 0,1939 0,1939 0,1939 0,1939Ano 13 - 2022 0,2016 0,2016 0,2016 0,2016 0,2016Ano 14 - 2023 0,2097 0,2097 0,2097 0,2097 0,2097Ano 15 - 2024 0,2181 0,2181 0,2181 0,2181 0,2181

    TABELA IIEVOLUCAO TARIFARIA - (CASO MAIS REAL)

    Ano Tarifa referenia Tarifa de venda Tarifa de venda Tarifa de venda Tarifade venda (e) FV (e) Eolico (e) Hbrido (e) de compra (e)

    Ano 0 - 2009 0,6175 0,6175 0,4323 0,5271 0,1211Ano 1 - 2010 0,5866 0,6175 0,4323 0,5271 0,1259Ano 2 - 2011 0,5573 0,6175 0,4323 0,5271 0,1310Ano 3 - 2012 0,5294 0,6175 0,4323 0,5271 0,1362Ano 4 - 2013 0,5030 0,6175 0,4323 0,5271 0,1417Ano 5 - 2014 0,4778 0,6175 0,4323 0,5271 0,1473Ano 6 - 2015 0,4539 0,5439 0,3177 0,3875 0,1532Ano 7 - 2016 0,4312 0,4312 0,3019 0,3681 0,1594Ano 8 - 2017 0,4097 0,4097 0,2868 0,3497 0,1657Ano 9 - 2018 0,3892 0,3892 0,2724 0,3322 0,1724Ano 10 - 2019 0,3697 0,3697 0,2588 0,3156 0,1793Ano 11 - 2020 0,3512 0,3512 0,2459 0,2998 0,1864Ano 12 - 2021 0,3337 0,3337 0,2336 0,2848 0,1939Ano 13 - 2022 0,3170 0,3170 0,2219 0,2706 0,2016Ano 14 - 2023 0,3011 0,3011 0,2108 0,2571 0,2097Ano 15 - 2024 0,2861 0,2861 0,2181 0,2442 0,2181

    TABELA IIIRESULTADOS TECNICO-ECONOMICOS - (CASO MINIMO)

    Sistema Custo c/IVA (e) Energia Vendida (kWh/ano) VAL TIR PRIBFV Fixo 3.5 kW 21207,00 5351 3564,88 7,03 6,47FV Seg. Solar 3.5 kW 27623,00 7103 5714,96 7,76 6,25Eolico 1 kW 7536,00 1126 -3851,85 -5,98 16,32Hbrido 2.75 kW 17492,00 3801 -2132,01 1,78 8,84

    VII. CONCLUSOES

    Procurou-se mostrar neste trabalho, a importancia dosprincipais indicadores economicos, na avaliacao de projec-tos de investimento, na area da microgeracao de electrici-dade.

    Foram simulados varios cenarios, de forma a dar umavisao das diferentes possibilidades tecnicas e da influenciaque a tarifa de venda de electricidade e a taxa deactualizacao tem na avaliacao economica de qualquer umdos casos idealizados.

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  • 20 DILMAN ALMEIDA [AE-874]

    TABELA IVRESULTADOS TECNICO-ECONOMICOS - (CASO MAIS REAL)

    Sistema Custo c/IVA (e) Energia Vendida (kWh/ano) VAL TIR PRIBFV Fixo 3.5 kW 21207,00 5351 8524,73 10,02 6,47FV Seg. Solar 3.5 kW 27623,00 7103 12292,74 10,71 6,25Eolico 1 kW 7536,00 1126 -3394,20 -4,24 16,32Hbrido 2.75 kW 17492,00 3801 422,16 4,38 8,84

    Fig. 6EVOLUCAO DA RECUPERACAO DO INVESTIMENTO - CASO MINIMO

    (COMPARATIVO)

    Fig. 7EVOLUCAO DA RECUPERACAO DO INVESTIMENTO - CASO MAIS

    REAL (COMPARATIVO)

    Com base nos cenarios estudados, apresentam-se, a seguir,as conclusoes do trabalho realizado, dividindo-as em quatroseccoes: tecnica, economica, incentivos a` microgeracao etrabalhos futuros.

    1. Tecnica:Em relacao a` tecnologia utilizada, pode-se concluirque os sistemas fotovoltaicos revelam-se mais interes-santes do que os sistemas eolicos. Apesar da potenciainstalada nos cenarios que incluem microturbinas serinferior aos cenarios fotovoltaicos, o que implica porsi so uma producao de electricidade menor; ha que terem conta a interferencia da rugosidade no meio urbanoonde o projecto se insere. Esta influencia directamentea velocidade do vento, pondo em causa o rendimento

    do sistema eolico.De facto, no meio urbano e mais previsvel o sistemafotovoltaico do que o sistema eolico. A radiacao solaresta bem presente, desde que haja uma boa orientacaodo sistema, enquanto o vento, no mesmo local, po-dera ser influenciado por diferentes factores. Mesmodepois da instalacao, podem haver alteracoes urba-nas que ponham em risco a produtividade do sistemaeolico, nomeadamente, com a construcao de novosedifcios.Concretamente, sobre os sistemas fotovoltaicos existeum dado importante a realcar, mas que nao e surpresanenhuma: os sistemas com seguidor solar tem umaproducao de electricidade maior do que os que nao uti-lizam nenhum mecanismo seguidor.

    2. Economica:Em primeiro lugar, pode-se concluir que qualquer pro-jecto de investimento sem uma correcta avaliacao,corre serios riscos de nao ser bem sucedido economi-camente.Relativamente aos indicadores economicos propria-mente ditos, os sistemas fotovoltaicos, ate pelas con-clusoes tecnicas anteriores, sao tambem os sistemasque melhor resultado economico e mais garantias doinvestimento oferecem.A evolucao da tarifa de venda e a escolha adequadada taxa de actualizacao tem uma influencia determi-nante nos resultados economicos obtidos, ficando bempatente nos diferentes cenarios apresentados.Concretamente sobre o Perodo do Retorno do Inves-timento (PRI), ficou evidenciado que para este tipo deinvestimentos, em que o fluxo de caixa anual obtidodiminui a partir do sexto ano, progressivamente, nao eum indicador correcto. No calculo do PRI e utilizadaa media anual do fluxo de caixa actualizado tendo emconta o total dos anos para a analise do projecto. Nocaso do presente trabalho, teve-se em conta 15 anos,mas se fosse utilizado um perodo maior, o PRI teriaainda um valor mais elevado.A maior parte das empresas comercializadoras de sis-temas de microgeracao utilizam o PRIB , que apesar deser um calculo algo grosseiro, como foi referido, acabapor dar um resultado mais perto da realidade.Utilizando os graficos da evolucao da recuperacaodo investimento consegue-se saber com exactidao otempo de retorno do investimento.Finalmente, verifica-se que, o sistema fotovoltaicocom seguidor solar, apesar de ter um investimentomaior, consegue ter resultados economicos mais inte-ressantes do que o fotovoltaico fixo, isto devido ao au-

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    mento de produtividade, em consequencia do uso doseguidor solar.

    3. Incentivo a` Microgeracao:O Decreto-Lei n.o 363/2007, de 2 de Novembro,revela-se uma iniciativa fundamental para o incentivoa` microgeracao de energia electrica, devido ao regimede tarifa de venda, que actualmente e muito superior a`de compra. Consequentemente, compensa mais, ven-der a electricidade produzida, do que consumi-la.Existe, no entanto, um pormenor importante: os inves-timentos nesta area da microgeracao sao interessantesno momento actual; daqui a alguns anos, com espe-rada reducao da tarifa de venda, poderao deixar de sereconomicamente viaveis.O que se pretende com esta iniciativa governamental, ecumprir com as metas previstas pelas directivas euro-peias, recorrendo ao investimento privado dos micro-produtores interessados.

    4. Trabalho futuro:Como trabalho futuro seria interessante desenvolverum software aplicacional, com ambiente grafico, parao calculo dos indicadores economicos.Como dados gerais de entrada para calculo introduz-se:

    (a) Producao de electricidade (kWh/ano)(b) Valor do investimento (e)(c) Taxa de actualizacao (%)(d) Tarifa de referencia - Venda(e) Potencia instalada(f) Tipo de tecnologia usada(g) Ano da instalacao

    O programa calcula e mostra os indicadoreseconomicos:

    (a) VAL(b) TIR(c) PRI(d) PRIB

    BIBLIOGRAFIA[1] Energy Information Administration, International Energy Outlook

    - 2008, http://www.eia.doe.gov, Jun 2009.[2] BP Global, Statistical Review of World Energy 2008,

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    Producao descentralizada de electricidade - Um caso de estudoP0904

    Rui Teixeira Magalhaes - [email protected]

    Abstract This article presents in summary form the mainoptions for decentralized electricity production, more specifi-cally from a small-scale water use. The main purpose of thisdocument is made a part of the main issues that the imple-mentation of a hydroelectric exploitation. After a preliminarystudy of economic and technical issues related, was offered acase study aiming at analyzing and assessing the feasibility ofestablishing a central mini-hydropower in a given tributary,with the aim to sell electricity to the network, for this, was nec-essary to estimate the energy it is possible to produce to carryout further economic analysis of investment . For a better un-derstanding of pay and legislation concerning the productionof electricity from renewable sources is a brief approach toDec. Lei No 225/2007.

    Resumo Este artigo apresenta de uma forma resumida asprincipais opcoes de producao descentralizada de electrici-dade, mais concretamente de um aproveitamento hdrico depequena dimensao. O principal objectivo deste documentoe efectuar uma abordagem dos principais aspectos que inte-gram a implementacao de um aproveitamento hidroelectrico.Apos um estudo previo de questoes tecnicas e economicas re-lacionadas, foi proposto um caso de estudo cujo objectivo se-ria analisar e avaliar a viabilidade da implementacao de umacentral mini-hdrica num determinado afluente, com o objec-tivo de vender energia electrica a rede, para isto, foi necessariofazer uma estimativa da energia produzvel para posterior-mente proceder a analise economica do investimento. Parauma maior compreensao da remuneracao e legislacao refe-rente a producao de energia electrica a partir de fontes re-novaveis e feita uma breve abordagem ao Dec. Lei no225/2007.

    Keywords Production, Electricity, Renewable

    Palavras chave Producao, Electricidade, Renovaveis

    I. PRODUCAO DESCENTRALIZADA DE ELECTRICIDADE

    Cada vez mais a uniao europeia esta a ficar dependentedos seus fornecedores de energia, e estima-se um cresci-mento que ira dos actuais 50% para 70% nos proximos 2030 anos. Abrangendo um vasto leque de tecnologias, in-cluindo muitas renovaveis, produzir-se-ao pequenos valo-res de potencia em locais perto de centros de consumo. Aproducao local minimiza perdas de transporte, bem comoos custos associados de transmissao e distribuicao, onde oscustos referidos representam uma grande parte do custo to-tal de electricidade. Com o aumento da procura de energiaelectrica e de melhor qualidade, a producao descentralizadapodera proporcionar varias alternativas fiaveis e economi-camente viaveis para residencias e empresas. Pode pro-

    porcionar tambem aos clientes continuidade e fiabilidadedo fornecimento, quando ocorre a falta de electricidade emcasa ou na vizinhanca, devido a` possibilidade de restabele-cimento em um curto espaco de tempo. [14]

    A. Situacao energetica nacional

    Em comparacao com a uniao europeia, a situacaoenergetica em Portugal, e ainda mais preocupante, dadoque por volta dos ultimos 10 anos o pas aumentou o con-sumo de energia em 35%, a` taxa de 55.3% ao ano e temsido um dos pases mais dependentes de energia da uniaoeuropeia, importando cerca de 90% das respectivas ne-cessidades energeticas e duplicou o consumo de electrici-dade, a` taxa de 6,3% ao ano [1]. Devido a importanciada promocao da electricidade a partir de fontes de energiarenovavel, o Parlamento Europeu e o Conselho da UniaoEuropeia aceitaram a directiva 2001/77/CE que estabeleceo aumento para 12% da quota do consumo interno bruto deenergia com origem em fontes renovaveis, no conjunto dospases da Comunidade Europeia, bem como o aumento para22,1% da quota de electricidade produzida a partir de fontesde energia renovaveis, ate 2010. Relativamente a Portugal,a meta e de 39% da energia consumida, sendo posterior-mente estabelecido que em 2010 esta meta de 39% definidana directiva sera superada para 45%.

    Fig. 1METAS A ATINGIR EM 2010 [5]

    B. Dec-Lei no255/2007

    Em 2007 a remunerarao da producao em regime especialsofre uma nova alteracao com o Decreto-Lei n.o 225/2007[6] (alteracao ao Anexo II do Decreto-Lei n.o 189/88, de 27de Maio) e respectiva rectificacao Rectificada no71/2007[8]. A Resolucao do Conselho de Ministros 169/2005, de24 de Outubro vem estabelecer varias medidas para a ener-gia na area das energias renovaveis, a avaliacao dos criterios

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  • 24 RUI MAGALHAES [23168]

    de remuneracao da electricidade produzida tendo em contaas especificidades tecnologicas e criterios ambientais, avalorizacao da biomassa florestal e a agilizacao dos meca-nismos de licenciamento. Por outro lado o Programa Naci-onal para as Alteracoes Climaticas (PNAC 2006), reforca aaposta na promocao da producao de electricidade a partir defontes de energia renovavel devido ao facto de contribuempara a reducao de emissoes de gases com efeito de estufa(GEE) associados ao sistema electroprodutor.

    C. Receitas

    Para calcular a receita bruta proveniente da venda de ener-gia electrica e necessario calcular o preco que a REN pagaaos produtores renovaveis por cada kWh injectado por elesna rede. A forma de estabelecimento dessa remuneracaoe fixada pelo Governo (Dec. Lei no225/2007). Esta tarifae baseada num somatorio de parcelas que contemplam oscustos evitados pelo Sistema Electrico de AbastecimentoPublico (SEP) com a entrada em funcionamento dos PRE-R(Producao em Regime Especial de Renovaveis) e benefciosambientais proporcionados pelo uso de energias limpas.

    Remuneracao de energia com origem em fontes re-novaveis: O Dec-Lei no 225/2007 estabelece aformula de calculo da remuneracao mensal da energiaentregue a` rede publica pelos PRE-R.

    V RDm = [KMHOm (PF (V RD))m (1)

    +PA(V RD)m Z] IPC(m-1)IPCref 11LEV

    Onde:

    1. VRDm -Remuneracao mensal aplicavel a centrais nomes m.

    2. KMHOm -Coeficiente facultativo que modula os va-lores de VDRm em funcao do posto horario em que aenergia tenha sido fornecida.

    3. PF(VRD)m -Parcela fixa de remuneracao aplicavel acentrais renovaveis no mes m.

    4. PV(VRD)m -Parcela ambiental de remuneracaoaplicavel a centrais renovaveis no mes m.

    5. Z -Coeficiente adimensional que traduz as carac-tersticas especificas do recurso, e da tecnologia uti-lizada na instalacao.

    6. IPCm-1 - Indice de precos no consumidor semhabitacao no continente referente ao mes m-1.

    7. IPCREF - Indice de precos no consumidor semhabitacao no continente referente ao mes anterior aoinicio do fornecimento de electricidade a` rede pelacentral renovavel.

    8. LEV -Representa as perdas nas redes de transporte edistribuicao evitadas pela central de energia renovavel.

    O calculo das diferentes parcelas que constituem a equacao(1) pode ser feito recorrendo ao Dec. Lei no225/2007, ondeesta toda a informacao devidamente explicada para os dife-rentes aproveitamentos energeticos.

    D. Mini-hdricas

    A designacao central mini-hdrica e utilizada para clas-sificar os aproveitamentos hidroelectricos de potencia infe-rior a 10 MW. Este limite geralmente e usado para poder di-ferenciar as pequenas e grandes centrais hidroelectricas. Aspequenas centrais, devido ao seu diminuto impacto ambien-tal, sao consideradas centrais renovaveis,por outro lado,asgrandes centrais hidroelectricas, embora usem um recursorenovavel, produzem efeitos de grande impacto no ambi-ente, pelo que a sua classificacao como centrais renovaveisnao e muito aceite.Os aproveitamentos hidroelectricos representam a maiorparte das producao de electricidade a partir de fontes re-novaveis, (cerca de 84%), e de 13% da producao total deelectricidade na Uniao Europeia.Os regimes de funcionamento associados as Centrais Mini-Hdricas sao essencialmente fio de agua, com capacidadede regularizacao reduzida, usando o fluxo natural do rio.As centrais Mini-Hdricas podem ser classificadas segundoa potencia instalada ou relativamente a altura de queda.Para as Centrais Mini-Hdricas utiliza-se a seguinteclassificacao recomendada pela UNIPEDE:

    TABELA IDESIGNACAO DAS CENTRAIS RELATIVAMENTE A POTENCIA

    Designacao P(MW)Micro central hidro electrica

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    Fig. 2REPRESENTACAO DE UMA CENTRAL MINI-HIDRICA E OS SEUS

    COMPONENTES.

    Fig. 3CENTRAL CON CANAL DE ADUCAO E CONDUTA

    FORCADA(ESQUERDA), CENTRAL SO COM CONDUTA FORCADA(DIREITA).[4]

    Fig. 4CENTRAL ENCASTRADA NA BARRAGEM (ESQUERDA), CENTRAL SO

    COM CANAL DE ADUCAO E CAMARA DE CARGA (DIREITA)[4].

    E. Impactos vs. solucoes ambientais

    1. Impactos ambientais:As alteracoes climaticas devido as excessivas emissoesde CO2 sao o principal desafio ambiental enfren-tado pela comunidade internacional, e as recentescatastrofes naturais assim como o aumento dos precosda energia tem ajudado a colocar uma maior atencao aeste assunto em todo o planeta.As energias renovaveis poderao ajudar a resolucao dosproblemas das alteracoes climaticas. Um GWh deelectricidade produzida por uma central mini-hdrica,significa uma reducao de emissoes de 480 toneladas

    de dioxido carbono para a atmosfera [3].Como fonte de energia renovavel, as pequenas cen-trais mini-hdricas podem contribuir para a mitigacaodas alteracoes climaticas, de diversas maneiras: E uma fonte de energia inesgotavel:

    Ao contrario dos combustveis fosseis em que aoferta e limitada. Sendo a energia hidroelectrica aprincipal fonte de energia renovavel da Europa e domundo.

    Nao produz emissoes de gases contributivos para oefeito de estufa.A energia hidroelectrica nao implica qualquer com-bustao, e portanto, nao liberta qualquer oxido paraa atmosfera, em particular, o dioxido de carbono -principal gas responsavel pelo aquecimento global.

    Na Tabela III (ver proxima pagina) e possvel visuali-zar, as emissoes a partir de uma pequena central hi-droelectrica de 1000 KW funcionando 4500 horas /ano, com as de outros tipos de centrais de producaoenergia electrica.Infelizmente, como em qualquer tecnologia, existe apossibilidade de alguns impactos negativos locais. Aidentificacao destes impactos e o desenvolvimento demedidas necessarias para a atenuacao dos mesmos saoum ponto extremamente importante na abordagem aum projecto deste tipo.

    2. Solucoes ambientais:Estas solucoes servem para permitir prever o possvelimpacto, se o houver, sobre a flora e a fauna locais epara definir as medidas que podem ser tomadas paraatenuar esse impacto, tais como: Caudal ecologico:

    Todos os aproveitamentos hidroelectricos de pe-quena escala, que originam um desvio no curso daagua, sao obrigados a assegurar um caudal mnimo,dependendo do caudal original do rio a jusante dainstalacao para garantia de projeccao do ecossis-tema existente.

    Canais de migracao para os peixes:Para a proteccao de zonas de pescas, sendo um focode grande interesse ambiental. O desenho de um ca-nal de migracao de peixes e um exerccio muito es-pecfico, exigindo a consideracao de um vasto con-junto de parametros e restricoes.

    Rudo e vibracoes:Para as novas instalacoes, se for integrada estapreocupacao no projecto de todo o sistema, in-cluindo a central hidroelectrica e acessorios, podemobter-se excelentes nveis de reducao do rudo.

    c UTAD - ECT - Departamento de Engenharias

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 26 RUI MAGALHAES [23168]

    Petroleo Carvao Gas natural HdricaDioxido de carbono (ton) 3000 3750 2250 0Oxido de azoto (ton) 3.7 0.6 2.2 0Dioxido de enxofre (ton) 4.5 4.5 0.02 0

    TABELA IIIEMISSOES DE UMA CENTRAL MINI-HIDRICA.[10]

    F. Opcoes tecnologicas

    Os equipamentos de uma central mini-hdrica que mais di-zem respeito a Engenharia Electrotecnica sao o gerador eas turbinas, as turbinas podem ser divididas em turbinas deimpulso (ou de accao) ou de reaccao, dependendo do seuprincpio de operacao, no que diz respeito a geradores asprincipais opcoes tecnologias sao as conhecidas maquinassncronas ou assncronas.

    Turbinas:Os tres principais tipos de turbinas de impulso sao:Pelton, Turgo e Banki-Mitchell (ou de fluxo cruzado),sendo os principais tipos de turbinas de reaccao as tur-binas Helice e a sua variante designada por Kaplan,assim como tambem as turbinas Francis.

    Fig. 5GRUPO GERADOR ASSOCIADO A UMA TURBINA FRANCIS(ESQUERDA)

    E UMA TURBINA FRANCIS DE GRANDE DIMENSAO (DIREITA).[10]

    Geradores:O gerador sncrono e escolhido normalmente quandoas condicoes de exploracao obrigam a que o geradorseja a nvel tecnologico mais versatil, autonomo e comuma maior capacidade de producao de energia.O gerador assncrono e normalmente a principal esco-lha em diversas situacoes devido as suas caractersticasde fiabilidade, robustez e economia.

    G. Avaliacao da producao energetica

    A implementacao de uma central mini-hdrica para aproducao de energia electrica requer, por parte dos investi-gadores a realizacao de uma minuciosa e detalhada analiseeconomica, onde o principal objectivo sera aumentar os be-nefcios ao maximo e consequentemente diminuir os custosdo empreendimento, outro objectivo relevante e a necessi-dade de garantir a satisfacao dos consumos impostos pelarede.

    Modelo simplificadoPara analises previas simplificadas, tendo em vista aestimacao da potencia e do numero de grupos a insta-lar na fase de anteprojecto, e usual recorrer a criteriosmais simples, e, em geral, sao estas metodologias, usa-das nas fases iniciais do projecto, que se abordam nasequencia.

    1. Potencia nominal:Para instalacoes de mini-hidricas ligadas a` redeelectrica, a primeira abordagem sera a instalacaode um unico grupo turbina/gerador. Recorrendo acurva de duracao de caudais, onde estao reflectidosos caudais medios referentes a varios anos de estu-dos, a turbina e dimensionada para um caudal no-minal turbinado igual ao que e excedido em cercade 15% (55 dias) a 40% (146 dias) dos dias em anomedio.Uma vez definido o caudal nominal a ser usado,e tendo conhecimento previo da altura de queda edo rendimento, entao a potencia electrica nominal ainstalar, Pn (W), e estimada pela equacao 2.

    Pn = Qn Hb c (2)

    Na equacao 2, = 9.810 N/m3 e o peso volumicoda agua, Qn (m3/s) e o caudal nominal, Hb (m) ea altura de queda bruta - desnvel entre montante ejusante - e c e o rendimento global de todo o apro-veitamento hidroelectrico.Uma expressao pratica, de calculo muito simplifi-cado, a usar para estimar a potencia nominal (emkW) instalada numa central mini-hdrica e:

    Pn = 7Qn Hb (3)

    A gama de potencias nominais dos equipamentosexistente no mercado e reduzida, pelo que a opcaose fara pelo grupo turbina/gerador, de entre os queo mercado oferece, cuja potencia nominal mais seaproxima do valor calculado.

    2. Estimativa da energia produzidaO rendimento da turbina depende do caudal, peloque nas turbinas e fixada uma faixa admissvel deoperacao em torno ao caudal nominal, sem variacaoapreciavel do rendimento. Fora desta faixa, a tur-bina e desligada, por insuficiencia de rendimento,por este motivo a turbina e escolhida para um deter-minado caudal nominal, que apenas se verificara emcerca de 20% a 30% dos dias, em ano medio, logoa turbina deve ser rigorosamente escolhida para ummaior aproveitamento da energia.

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • REVISTA DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES, VOL. 1, N 1, JULHO 2009 27

    Considerando que o rendimento global e a altura dequeda sao constantes, a energia produzvel e pro-porcional a` area de exploracao marcada na curva deduracao de caudais, podendo ser estimada atravesde:

    Ea = 7Hb [(t1 t0)2Qn+ t2t1

    Q(t)dt] (4)

    3. Dois grupos Turbina/Gerador:O caudal nominal e a potencia nominal podem sersatisfeitos recorrendo a mais do que um grupo tur-bina/gerador. Cada grupo a mais permitira apro-veitar mais caudal afluente e aumentar a area deexploracao da central na curva de duracao de cau-dais, como sera visto no caso de estudo mais afrente.O caso mais simples consiste em ter dois gruposiguais, com reparticao de caudais entre turbinas se-gundo uma regra pre-fixada. O caudal maximo tur-binavel, QMT, e:

    QMT =2i=1

    2Qni (5)

    Em que Qn e o caudal nominal de cada turbina.Nestas condicoes, a area de exploracao e acrescidade uma area adicional e mais energia pode ser pro-duzida. A energia electrica adicional produzvel emano medio e:

    Ea2 = 7Hb t3t2

    Q(t)dt (6)

    H. Analise economica de investimentos

    Na tematica de seleccao de projectos de investimentoabordam-se modelos de analise de viabilidade economica,de modo a que um agente de decisao possa ter em conta sedeve ou nao investir em determinado projecto ou se no casode existir mais do que uma opcao, saber qual sera a melhoropcao e tomar a decisao mais vantajosa.Como modelos de analise realcam-se o valor actual lquido(VAL), taxa interna de rentabilidade (TIR), Payback(Perodo de recuperacao do investimento).

    VAL:De uma forma muito sucinta, este modelo transportatodos os cash-flows anuais para uma data presente.Para o calculo do VAL entram todos os investimentos,todas as rendas componentes de exploracao (seja pa-gas ou recebidas) e ainda, se for o caso, a componentede desinvestimento (os valores residuais).O VAL pode ser calculado mediante a seguinte funcao:

    V AL =nj=1

    Rlj(1 + i)j

    It (7)

    Onde:Rlj -Receita lquida do ano j.n -Vida util do projecto.It -Investimento total actualizado para o ano 0.

    i -Taxa de actualizacao.Rlj = Rj-Cej com Rlj sendo a receita bruta no ano je Cej representa os custos de exploracao no ano j.No caso de se pretender interferir o valor residual dainstalacao no final da sua vida util, a expressao do VALsera:

    V AL =nj=1

    Rlj(1 + i)j

    It + VR(1 + i)n (8)

    Se o valor for positivo (VAL> 0), o projecto seraeconomicamente viavel, porque permite cobrir o in-vestimento. O caso em que VAL e nulo (VAL= 0),e o caso limite de investimento neutro, e um inves-timento em que o investidor ainda podera receber aremuneracao exigida, por ultimo, quando VAL e nega-tivo (VAL k AceitarTIR < k RegeitarTIR = k Indiferenca

    TABELA IVREGRAS DE DECISAO DE ACORDO COM O TIR.

    Perodo de recuperacao do investimento:Neste modelo o que se procura calcular e quantos anosdemora o projecto a pagar-se e a comecar a dar lucropara alem da remuneracao do custo de oportunidade.Isto acontece quando:

    Pj=1

    Rlj(1 + i)j

    It (10)

    Onde, P e o perodo de recuperacao do capital inves-tido.

    O calculo dos indicadores atras referidos pode ser efectu-ado de uma forma simplificada, forma que foi usada paraa realizacao da analise economica do caso de estudo pro-posto:

    V AL = RLka It (11)c UTAD - ECT - Departamento de Engenharias

    Projecto em Engenharia Electrotecnica e de Computadores 2009

  • 28 RUI MAGALHAES [23168]

    RL

    (1

    TIR 1TIR(1 + TIR)n

    ) It = 0 (12)

    P =ln

    (1

    ( 1i ItRL )i

    )ln(1 + i)

    (13)

    Onde RL e a receita considerada constante durante otempo de vida util do projecto, It e o investimento totalactualizado ao ano 0 e Ka e o factor de anuidade que tra-duz a soma da serie que define a actualizacao, podendo sercalculado pela formula seguinte:

    ka =nj=1

    1(1 + i)j

    =1i 1i(i+ 1)n

    (14)

    II. CASO DE ESTUDO

    Neste captulo sera feito o estudo da viabilidade de um pro-jecto de investimento referente a instalacao de uma centralmini-hdrica para producao de energia electrica, para istoforam usados os modelos de analise (VAL,PAYBACK ouretorno do capital investido, TIR) anteriormente referidos.A mini-hdrica sera construda num local onde a altura brutade queda hb=50 m, o caudal de cheiaQc =3Qn, e a curva deduracao de caudais (Figura 6) pode ser aproximada pela ex-pressao analtica seguinte, considerando t (dias) e Q (m3/s).

    Q(t) = 5.48 ln(t) + 29.917 (15)

    Fig. 6CURVA DE DURACAO DE CAUDAIS.

    A. Calculo de energia produzvel

    1. Para um unico grupo turbina/gerador:Em primeiro lugar e necessario saber a potencia nominal dogrupo turbina/gerador a instalar, para isto tem de ser calcu-lado o caudal nominal Qn do rio onde se pretende instalara central mini-hdrica.Neste caso, devido ao caudal medio anual ser um valormuito pequeno foi considerado que o caudal nominal Qne igual ao caudal excedido em 20% do caudal de todo o

    ano, logo temos:20% de 365 dias = 73 diasQ(t)= -5.48 ln(t)+29.917 Qn=6.4 m3/sObtido o Qn, e dada a altura bruta de queda hb = 50 m,pode ser determinada a potencia nominal do grupo tur-bina/gerador a instalar, atraves da Equacao (3):P = 76.450 = 2240KWPor consulta do catalogo das turbinas disponveis no mer-cado constata-se que nao existe uma turbina para a potenciacalculada,