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UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA 
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO 
 
 
 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas Sustentáveis de Energia em 
SSA: concepção de RNA, Aplicação AG e análise experimental 
 
Fábio Veríssimo Gonçalves 
 
Orientadora: Doutora Helena Margarida Machado da Silva Ramos Ferreira 
Co-Orientadora: Doutora Luisa Fernanda Ribeiro Reis 
 
Tese aprovada em provas públicas para obtenção do Grau de Doutor em 
Engenharia Civil 
 
Qualificação atribuída pelo Júri: Aprovado com Muito Bom 
 
Júri 
 
Presidente: Presidente do Conselho Científico do IST 
Vogais: 
Doutora Luisa Fernanda Ribeiro Reis 
Doutor Antonio Alberto do Nascimento Pinheiro 
Doutora Helena Margarida Machado da Silva Ramos Ferreira 
Doutora Petra Amparo López Jiménez 
Doutor Antonio Jorge Silva Guerreiro Monteiro 
Doutora Dídia Isabel Cameira Covas 
Doutor José Alfeu de Sá Marques 
 
 
 
Fevereiro de 2012 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA 
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO 
 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas Sustentáveis de Energia em 
SSA: concepção de RNA, Aplicação AG e análise experimental 
 
Fábio Veríssimo Gonçalves 
 
Orientadora: Doutora Helena Margarida Machado da Silva Ramos Ferreira 
Co-Orientadora: Doutora Luisa Fernanda Ribeiro Reis 
 Tese aprovada em provas públicas para obtenção do Grau de Doutor em 
Engenharia Civil 
 
Qualificação atribuída pelo Júri: Aprovado com Muito Bom 
 
Júri 
 
Presidente: Presidente do Conselho Científico do IST 
Vogais: 
Doutora Luisa Fernanda Ribeiro Reis – Professora Titular da Escola de 
Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo, USP – Brasil 
Doutor Antonio Alberto do Nascimento Pinheiro – Professor Catedrático do 
Instituto Superior Técnico, da Universidade Técnica de Lisboa, IST – Portugal 
Doutora Helena Margarida Machado da Silva Ramos Ferreira – Professora 
Associada (com Agregação) do Instituto Superior Técnico, da Universidade 
Técnica de Lisboa, IST – Portugal 
Doutora Petra Amparo López Jiménez – Professora Associada da Universidade 
Politécnica de Valência, UPV – Espanha 
Doutor Antonio Jorge Silva Guerreiro Monteiro – Professor Associado do 
Instituto Superior Técnico, da Universidade Técnica de Lisboa, IST – Portugal 
Doutora Dídia Isabel Cameira Covas – Professora Associada (com Agregação) do 
Instituto Superior Técnico, da Universidade Técnica de Lisboa, IST – Portugal 
Doutor José Alfeu de Sá Marques – Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências e 
Tecnologia, da Universidade de Coimbra, UC – Portugal 
 
INSTITUIÇÕES FINANCIADORAS 
 
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior 
Brasil 
Fevereiro de 2012 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
iv 
 
 
Dedicatória 
 
v 
 
 
 
Dedico primeiramente esse meu trabalho a Deus e Nossa 
Senhora de Fátima que estiveram sempre em meus 
pensamentos e nunca me deixaram em necessidades nos 
momentos mais difíceis desse trabalho. 
Dedico também a minha esposa Kárita Cristina Francisco 
Veríssimo Gonçalves por estar ao meu lado em todas as horas e 
entender os momentos de minha ausência para dedicar ao 
trabalho. 
O meu avô Antônio Pereira Veríssimo (in memoriam) que 
sempre acreditou no meu sucesso e nunca duvidou que um dia 
estaria a completar uma fase tão importante de minha carreira 
profissional. 
A minha família, em nome de meu pai Fernando Santos 
Gonçalves, minha mãe Licínia Tomé Veríssimo Gonçalves e 
irmã Luciana Veríssimo Gonçalves, que mesmo a mais de 9.000 
km de distância se fizeram presente em minha jornada através 
do uso das novas tecnologias e confiaram em meu sucesso. 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
vi 
 
 
Epígrafe 
 
vii 
 
 
As armas e os barões assinalados 
Que, da ocidental praia lusitana, 
Por mares nunca de antes navegados 
Passaram ainda além da Taprobana, 
Em perigos e guerras esforçados, 
Mais do que prometia a força humana, 
E entre gente remota edificaram 
Novo reino, que tanto sublimaram 
Os Lusíadas, Canto I 
… 
Os anos que aqui vivi, que aqui lutei, que 
aqui sofri, serviram para amar ainda mais 
aquilo que escolhi como profissão e para 
respeitar com mais afinco, aqueles que aqui 
estão para ensinar…Obrigado IST! Novo 
reino encontrei. 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
viii 
 
Resumo 
 
ix 
 
RESUMO 
Neste trabalho de investigação desenvolveu-se um modelo de previsão, recorrendo a redes 
neuronais artificiais, para a selecção em termos económicos do melhor sistema híbrido energético 
em sistemas de abastecimento de água. Também foi utilizado um modelo de optimização, que tem 
por base algoritmos genéticos, para optimizar a operação de sistemas elevatórios em termos de 
redução de consumo de energia. Foram realizados ensaios experimentais, em laboratório, com dois 
protótipos de microturbinas: uma bomba a funcionar como turbina e uma turbina axial com cinco 
pás. O objectivo destes ensaios foi a obtenção de curvas características destas microturbinas a serem 
utilizadas nos casos de estudo. Foram analisados três casos de estudo, utilizando os modelos de 
redes neuronais artificiais e de algoritmos genéticos. Ainda se desenvolveu uma análise económica 
para determinar, em cada caso de estudo, qual o modelo de microturbina mais eficiente do ponto de 
vista económico. Por fim, apresentam-se as principais conclusões do trabalho e recomendações para 
estudos futuros. 
Palavras-chave: algoritmos genéticos; energia renovável; microturbinas; microgeração; optimização; 
redes neuronais artificiais; sistemas de abastecimento de água; sistemas híbridos de energia. 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
x 
 
 
Abstract 
 
xi 
 
ABSTRACT 
In this research work, a prediction model was developed using artificial neural networks for selecting 
the best hybrid energy system, through an economic point of view in water supply systems. It was 
used an application of an optimization model based on genetic algorithms for the operation of 
pumping systems to reduce energy consumption. Experimental analyses were conducted in the 
laboratory with two microturbines prototypes: a pump as turbine and an axial turbine with five 
blades. The purpose of these tests was to obtain the characteristic curves of microturbines to be 
used in case studies. Three case studies were analysed using artificial neural networks and genetic 
algorithms models. Also, and an economic analysis was developed to determine, in each case study, 
which microturbine model was more efficient economically. Finally, the main conclusions and 
recommendations for future studies are presented. 
 
Keywords: artificial neural networks; genetic algorithms; hybrid power systems; microturbine; micro 
generation; optimization; renewable energy; water supply systems. 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xii 
 
Agradecimentos 
 
xiii 
 
AGRADECIMENTOS 
Para que este projecto tivesse um início bom, necessitava de um capitão à altura em seu leme, e 
dessa forma agradeço do fundo do meu coração esse capitão tão notável que foi minha orientadora, 
Professora Helena Ramos, que durante todo o processo desse doutoramento esteve ao meu lado 
para me ensinar, animar e incentivar, a buscar e primar pela excelência, e dessa forma me 
transformar num profissional mais apto. 
À minha co-orientadora, Professora Luisa Fernanda Ribeiro Reis, todo o agradecimento por me dar 
apoio durante meu doutoramento e que mesmo tendo participado em poucos momentos, esses me 
foram muito importantes. 
Agradeçoaos professores do Centro de Estudos de Hidrossistemas (CEHIDRO) do Instituto Superior 
Técnico (IST), em especial à Professora Dídia Covas, por me darem todo o apoio e amizade 
necessários para o término deste trabalho. 
Agradeço a financiadora da minha bolsa de doutoramento a Coordenação de Aperfeiçoamento de 
Pessoal de Nível Superior (CAPES), do Brasil, que garantiu a minha subsistência em Portugal para a 
realização do meu sonho que é este doutoramento. 
À Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), de Portugal, por garantir que várias pesquisas 
pudessem ser feitas durante este projecto e que a presença em diversas conferências internacionais 
nunca ficasse sem auxílio. 
Ao amigo Luis Henrique Magalhães Costa, Professor da Universidade Federal da Bahia, que muito me 
ajudou no processo de aprendizagem das redes neuronais. 
Agradeço à família de minha esposa, Jaime Natal, Neide Polizeli, Sara Francisco, Arlindo Parigi e Júlia 
Francisco Parigi, por terem-me animado e me dado forças para enfrentar esta jornada tão árdua. 
Agradeço às pessoas da Senhora Dulce Fernandes e Gabriela Cunha pelo auxílio prestado sempre que 
necessitava de alguma informação ou documentação do departamento, trabalho este feito sempre 
com um sorriso no rosto. 
Aos técnicos do laboratório de hidráulica e ambiente, Sr. Victor Sena (in memoriam) e o Sr. João 
Pedro Caetano por me auxiliarem sempre que necessário em todos os momentos que se fizeram 
necessários nos ensaios de laboratório. 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xiv 
 
Ao Departamento de Engenharia Civil, Arquitetura e Georecurssos (DECivil), do Instituto Superior 
Técnico, por disponibilizarem equipamentos e instalações. 
Ao grande amigo que criei aqui no IST, o Engenheiro Nelson Carriço, que com sua amizade ajudou 
imenso na minha jornada para o término desta tarefa e que em todos os momentos tinha uma 
palavra amiga para proferir. 
Aos meus amigos do Brasil que durante o doutoramento fizeram com que eu me sentisse um pouco 
mais em casa e aliviasse a dor da distância do meu país. Aos amigos Cristiano e Daniela, Janaína e 
Carlos, Alexandre, Cilmar, Monalisa, Vascão, Gabriel e Bruna, Luciano e Michele, Ricardo, Fernando, 
Frederico e Maria Luiza, Frederico e Lílian e Cira. Obrigado amigos. 
Às duas senhoras responsáveis pela manutenção da residência universitária Baldaques, do IST, que 
sempre tinham um sorriso no rosto e me alegrou durante o período de estadia. Obrigado queridas 
Cecília e Anabela. 
E finalmente a todos os colegas e novos amigos que fiz durante esta jornada, aqui no IST, pelos 
momentos de descontracção e amizade dedicada. Aos amigos Ana Ricardo, Joana Simão, Pedro 
Morgado, Guilherme Caxaria, Nuno Miguel, António Sérgio e Artur Silva. 
 
Índice Geral 
 
xv 
 
ÍNDICE GERAL 
Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 
Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi i i 
Índice Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv 
Índice Detalhado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi i 
Índice de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi i i 
Índice de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi i i 
Simbologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxvi i 
Acrónimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xl i 
1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 
2. Síntese de Conhecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
3. Ensaios Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 
4. Modelação matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 
5. Casos de Estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 
6. Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 
Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1 
 
 
 
 
 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xvi 
 
 
Índice Detalhado 
 
xvii 
 
ÍNDICE DETALHADO 
Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 
Agradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi i i 
Índice Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv 
Índice Detalhado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi i 
Índice de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi i i 
Índice de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi i i 
Simbologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxvi i 
Acrónimos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xl i 
1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 
1.1. Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 
1.2. Objectivos e Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 
1.3. Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
2. Síntese de Conhecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
2.1 - Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
2.2. Sistemas de Abastecimento de Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 
2.2.1. Breve evolução histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 
2.2.2. Componentes de um sistema de abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 
2.2.3. O consumo de energia em sistemas de abastecimento de água . . . . 15 
2.3. Energias Renováveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
2.4. Redes Neuronais Artif ic iais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 
2.4.1. Conceito de redes neuronais art i f ic iais bás icos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 
2.4.2. Perspectiva histór ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 
2.4.3. Apl icação em sistemas de abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 
2.4.4. Apl icação em modelos de optimização de sistemas híbridos . . . . . . . . 28 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xviii 
 
2.5. Algor itmos Genéticos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
2.5.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
2.5.2. Perspectiva histór ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
2.5.3. Apl icação em Sistemas de Abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 
2.5.4. AG apl icados às energias renováveis e à optimização de soluções 
híbridas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 
2.6. Turbomáquinas Hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 
2.6.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 
2.6.2. Bombas hidrául icas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 
2.6.3. Turbinas hidrául icas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 
2.6.3.1. Conceitos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 
2.6.3.2. Bombas a funcionar como turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 
2.6.3.3. Microturbinas hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 
2.7. Anál ise económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 
2.7.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 
2.7.2. Cash Flow ou Fluxo de Caixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 
2.7.3. Valor actualizado l íquido (VAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 
2.7.4. Benefíc io/Custo (B/C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 
2.7.5. Taxa interna de rentabil idade (TIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 
2.7.6. Período de retorno do Investimento (T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 
2.8. Planeamento de ensaios experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 
2.8.1. Etapas de planeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 
2.8.2. Planeamento factor ial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 
3. Ensaios Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 
3.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 
3.2. Bomba a funcionar como turbina (BFT) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 
Índice Detalhado 
 
xix 
 
3.2.1. Descrição da Instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 
3.2.2. Ensaios real izados e resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 
3.3. Microturbina hél ice com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 
3.3.1. Descrição da Instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 
3.3.2. Ensaios real izados prel iminarmente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 
3.3.3. Ensaios real izados e resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 
3.3.3.1. Breve descr ição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 
3.3.3.2. Gerador de 500W .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 
3.3.3.3. Gerador de 250W .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 
3.3.4. Anál ise dos ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 
3.4. Anál ise da aplicação do planeamento factorial aos ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . 88 
3.5. Síntese dos ensaios real izados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 
4. Modelação matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 
4.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 
4.2. Redes Neuronais Artif ic iais (RNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 
4.2.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 
4.2.2. Fundamentos de RNA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 
4.2.3. Criação de uma RNA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 
4.2.3.1. Definição do t ipo de rede e padrões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 
4.2.3.2. Definição dos parâmetros de aprendizagem .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 
4.2.3.3. Treino e Validação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 
4.2.4. Exemplo de solução de uma RNA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 
4.2.5. Desenvolvimento da base de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 
4.2.6. Desenvolvimento da Rede Neuronal Art if ic ia l (RNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 
4.3. Algor itmos Genéticos – AG .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 
4.3.1. Conceitos de AG .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xx 
 
4.3.2. Elementos ou Operadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 
4.3.3. Parâmetros Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 
4.3.3.1. Vantagens e L imitações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 
4.3.3.2. Possíveis Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 
4.3.4. Tipos ou c lass if icações de AG .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 
4.3.4.1. AG Simples (AG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 
4.3.4.2. AG Parale lo ou Distr ibuído (AGP ou AGD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 
4.3.4.3. AG Híbr ido (AGH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 
4.3.4.4. AG Adaptativo (AGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 
4.3.4.5. AG Desordenado ou “Fast Messy GA” (AGD ou FmGA) . . . . . . . . . . . . . . . . 150 
4.3.4.6. AG de amostragem independente (AGAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 
4.3.5. Implementação de um AG .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 
4.3.6. Implementação de AG na operacionalização de s istemas de 
bombagem .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 
4.4. Modelo de aval iação económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 
4.4.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 
4.4.2. Fundamentos apl icados no modelo de aval iação económica . . . . . . . 166 
4.4.2.1. Caracter ização do status quo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 
4.4.2.2. Caracter ização das propostas de instalação de microturbina . . . . . . 166 
4.4.2.3. Valor actualizado l íquido (VAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 
4.4.2.4. Taxa interna de rentabil idade (TIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 
4.4.2.5. Tempo de retorno do investimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 
4.4.2.6. Sustentabil idade económica da alternativa status quo . . . . . . . . . . . . . . 168 
5. Casos de Estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 
5.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 
5.2. Caso “Any Town” modif icado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 
Índice Detalhado 
 
xxi 
 
5.2.1. Descrição do Sistema .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 
5.2.2. Anál ise dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 
5.2.3. Conclusão do caso de estudo “Any Town” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 
5.3. Caso de Espite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 
5.3.1. Descrição do s istema .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 
5.3.2. Anál ise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 
5.3.3. Conclusão do caso de estudo de espite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 
5.4. Caso de Fátima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 
5.4.1. Descrição do s istema .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 
5.4.2. Anál ise dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 
5.4.3. Conclusão do caso de estudo de Fát ima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 
6. Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 
6.1. Síntese e pr inc ipais contribuições inovadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 
6.2. Principais conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 
6.3. Sugestões para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 
Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1 
Anexo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3 
Código Fonte do modelo RNA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3 
Anexo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11 
Eficiências e potências determinadas em ensaios de laboratório do protótipo 
de microturbina hidráulica Axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11 
Anexo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-23 
Método BUTU para previsão da performance de uma BFT através dos dados de 
performance de uma bomba (Teuteberg, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-23 
Anexo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-25 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxii 
 
Curvas característ icas de BFTs da fabricante KSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-25 
Anexo 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-29 
Anál ise Económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-29 
Anexo 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-35 
Dados de entrada dos casos de estudo (F icheiro INP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-35 
Anexo 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-57 
Lista de Publ icações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-57 
 
 
Índice de Figuras 
 
xxiii 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 2.1 – Tipos de tubagens antigas, a) tubagem em rocha, b) tubagem em 
grés, c) tubagem em chumbo e d) tubagem em madeira. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 
Figura 2 .2 – Aqueduto de Segovia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 
Figura 2 .3. Esquema s implif icado de um sistema de abastecimento de água. . . . . . 15 
Figura 2 .4 – Exemplo simplif icado de uma rede híbrida energét ica integrada em 
sistemas de abastecimento (Gonçalves e Ramos, 2009b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
Figura 2 .5 – Diagrama representativo de um sistema nervoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 
Figura 2 .6 – Neurónio biológico e detalhe de uma sinapse (modif icado). . . . . . . . . . . . 24 
Figura 2 .7 – Tipos de rotores de bombas: (a) fechado, (b) aberto, (c) axial 
(Quintela, 2002). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 
Figura 2.8 – Curvas caracter íst icas da bomba KSB-Etanorm 32-250.1 
(Baumgarten e Guder, 2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 
Figura 2.9 – Série de quedas úteis e caudais para a opção de várias turbinas 
(adaptado de Wil l iams (2003)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 
Figura 2.10 – Esquema sobre as várias fases/quadrantes possíveis de 
funcionamento de uma máquina hidráulica (Ramos, 2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 
Figura 2.11 – Comparação de produção de energia de di ferentes tecnologias 
(Davis, 2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 
Figura 2 .12 – Efeito pr incipal médio do resultado dos factores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 
Figura 2 .13 – Gráf ico Pareto das interações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 
Figura 2 .14 – Gráf ico de interacção entre variáveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 
Figura 3 .1. – Instalação da bomba a funcionar como turbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 
Figura 3.2 – Visualização de alguns equipamentos uti l i zados: a) transdutor de 
pressão e b) s istema de aquisição de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxiv 
 
Figura 3.3 – Visualização da BFT uti l izada: a) BFT instalada; b) pormenor do 
motor que irá funcionar como gerador eléctrico; c) t ransformador 
eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 
Figura 3 .4 – Curvas característ icas da BFT ensaiada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 
Figura 3 .5 – Curva analít ica de potência em função do caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 
Figura 3 .6 – Condições teóricas deoperação para a BFT testada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 
Figura 3.7 – Rendimento em função do caudal de operação, para uma 
velocidade de rotação 1020 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 
Figura 3 .8 – Potência gerada em função do caudal turbinado, para uma 
velocidade de rotação de 1020 rpm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 
Figura 3 .9 – Instalação da microturbina hélice com cinco pás em modo axial . . . . . 75 
Figura 3 .10 – Perfi l de velocidade em diversas posições da microturbina hél ice 
com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 
Figura 3 .11 – Separação da camada l imite e perfis de velocidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 
Figura 3.12 – Equipamentos uti l i zados nas medições em laboratório da 
microturbina hél ice com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 
Figura 3 .13 – Instalação da microturbina hélice com cinco pás em modo axial . . . 79 
Figura 3 .14 – Detalhe da microturbina hél ice com cinco pás em modo axia l . . . . . . . 80 
Figura 3.15 – Potência eléctrica obtida na microturbina hélice com cinco pás 
em modo axial trabalhando com resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 
Figura 3 .16 – Relação potência e léctr ica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 
Figura 3 .17 – Efic iência alcançada na microturbina hélice com cinco pás em 
modo axial trabalhando com a resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 
Figura 3 .18 – Potência eléctrica para diferentes valores de resistência. . . . . . . . . . . . . 82 
Figura 3 .19 – Potência hidráulica para diferentes valores de res istência . . . . . . . . . . . 82 
Índice de Figuras 
 
xxv 
 
Figura 3 .20 – Curva caracter íst ica da microturbina hélice com cinco pás em 
modo axial ensaiada: a) curva obt ida em ensaios de laboratór io, b) curva 
obtida de modelações CFD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 
Figura 3.21 – Turbina e gerador de 250W uti l izado nos ensaios da microturbina 
hélice com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 
Figura 3.22 – Potência eléctr ica em função da velocidade de rotação obtida na 
microturbina hél ice com cinco pás em modo axial com a res istência de 
4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 
Figura 3.23 – Relação potência eléctrica e hidrául ica em função do caudal 
turbinado na microturbina hél ice com cinco pás em modo axia l com a 
resistência de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 
Figura 3.24 – Rendimento da microturbina hélice com cinco pás em modo axial 
em função do caudal ensaiando com resistência de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 
Figura 3.25 – Potência eléctr ica em função do caudal da microturbina hélice 
com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 
Figura 3.26 – Potência hidrául ica em função do caudal da microturbina hél ice 
com cinco pás em modo axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 
Figura 3 .27 – Comparação entre os geradores de 500W e de 250W (Potência 
gerada). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 
Figura 3 .28 – Interacção entre a pressão e o caudal no sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 
Figura 3 .29 – Superf ície da Potência Eléctr ica vs. Pressão e Caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 
Figura 3 .30 – Efeito médio da Potência Eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 
Figura 3 .31 – Probabil idade dos dados de saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 
Figura 3 .32 – Curvas caracter íst icas das microturbinas ensaiadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 
Figura 3 .33 – Curvas de eficiência das microturbinas ensaiadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 
Figura 3 .34 – Zona de aplicação de diversas turbinas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 
Figura 4.1 – Diagrama de um neurónio não l inear onde o l imiar ou “bias” pode 
ser aplicado externamente ou como mais um sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . 98 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxvi 
 
Figura 4 .2 – Função de l imiar (a) e l imiar s imétrica (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 
Figura 4 .3 – Função l inear (a) e l inear posit iva (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 
Figura 4 .4 – Função l inear por partes (a) e l inear por partes s imétrica (b). . . . . . . . . 99 
Figura 4.5 – Função tangente hiperból ica (ou sigmóide) (a) e s igmóide 
logarítmica (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 
Figura 4 .6 – Diagrama básico de uma rede neuronal com uma camada oculta. . 101 
Figura 4 .7 – RNA recorrente sem auto a l imentação (Haykin, 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 
Figura 4 .8 – Exemplo de uma estrutura de um perceptron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 
Figura 4 .9 – Aprendizagem por correcção de erro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 
Figura 4 .10 – Diagrama da função de tre ino do t ipo retro propagação. . . . . . . . . . . . . 104 
Figura 4 .11 – Procedimento de modelação hidráulica e organização dos dados. 111 
Figura 4 .12 – Tari fár io de inverno da EDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 
Figura 4 .13 – Exemplo não l inear de um neurónio (adaptado de Haykin, 1998) . 117 
Figura 4 .14 – Processo l inear simpli f icado de criação de uma RNA .. . . . . . . . . . . . . . . . . 123 
Figura 4 .15 – Gráf ico de desempenho da val idação cruzada (REN). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 
Figura 4 .16 – Gráf ico de desempenho da val idação cruzada (REN/Hidro). . . . . . . . . 125 
Figura 4 .17 – Gráf ico de desempenho da val idação cruzada (REN/Eol) . . . . . . . . . . . . . 126 
Figura 4 .18 – Gráf ico de desempenho da val idação cruzada (REN/Hidro/Eol) . . . 126 
Figura 4 .19 – Menu de entrada de dados do treino da RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 
Figura 4 .20 – Validação da RNA com opção de abastecimento energético pela 
REN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 
Figura 4 .21 – Val idação da RNA com opção REN + Hidro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 
Figura 4 .22 – Val idação da RNA com opção REN + Eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 
Figura 4 .23 – Val idação da RNA com opção de REN + Hidro + Eól ica. . . . . . . . . . . . . . . . 132 
Figura 4 .24 – Avaliação da melhor solução híbrida energética no conjunto de 
val idação da RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 
Índice de Figuras 
 
xxvii 
 
Figura 4 .25 – Fluxograma de desenvolvimento da RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 
Figura 4 .26 – Fluxograma de um algoritmo genético genérico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 
Figura 4 .27 – Fluxograma de um FmGA básico (George et al . , 2009). . . . . . . . . . . . . . . . 151 
Figura 4.28 – Tar ifário de inverno uti l izado na modelação do AG no sistema de 
abastecimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 
Figura 4 .29 – Fluxograma de optimização de um sistema de bombagem em SAA.159 
Figura 5 .1 – Modelo esquemático do sistema “Any Town” modificado. . . . . . . . . . . . . 172 
Figura 5 .2 – Curva das bombas do s istema “Any Town” (Walsk i et al . , 1987). . . . 172 
Figura 5 .3 – Superfície topográf ica do caso de estudo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 
Figura 5 .4 – Tar ifár io de Verão apl icado pela EDP em 2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 
Figura 5 .5 – Operação da estação elevatória e tarifário de verão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 
Figura 5 .6 – Optimização da operação da estação elevatória e tarifário de 
verão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 
Figura 5.7 – Anál ise te tempo de retorno de investimento da implantação de 
uma microturbina de eixo axial com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 
Figura 5.8 – Anál ise te tempo de retorno de investimento da implantação de 
uma BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 
Figura 5 .9 – Comparação de valores encontrados nos modelos de RNA e SCE. . . 179 
Figura 5 .10 – Diagrama Unif i lar do s istema de abastecimento Espite. . . . . . . . . . . . . . . 181 
Figura 5.11 – Perfi l de elevação do sistema de Espite e andamento aproximado 
da l inha de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 
Figura 5 .12 – Superf ície topográf ica do sistema de Espite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 
Figura 5.13 – Curva de tarifário eléctrico no período de inverno e nível do 
reservatório de Couções durante a simulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 
Figura 5 .14 – Retorno do investimento para a implantação de uma BFT. . . . . . . . . . . 185 
Figura 5.15 – Retorno do investimento para a implantação de uma 
microturbina hél ice com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxviii 
 
Figura 5.16 – Dados da solução or iginal: tempo de operação da bomba R01, 
tarifário eléctrico e nível do reservatório Couções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 
Figura 5 .17 – Tempo de operação da bomba R01 sem microturbina. . . . . . . . . . . . . . . . . 188 
Figura 5 .18 – Tempo de operação da bomba R01 com inserção de microturbina.189 
Figura 5 .19 – Tempo de operação da bomba Carvalhal1 sem microturbina. . . . . . . 189 
Figura 5 .20 - Tempo de operação da bomba Carvalhal1 com microturbina. . . . . . . 189 
Figura 5.21 – Tempo de operação com optimização AG da bomba R01 sem 
microturbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 
Figura 5.22 - Tempo de operação com optimização AG da bomba R01 com 
microturbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 
Figura 5.23 – Tempo de operação com optimização AG da bomba Carvalhal1 
sem microturbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 
Figura 5 .24 - Tempo de operação com optimização AG da bomba Carvalhal1 
com microturbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 
Figura 5 .25 – Comparação de valores encontrados nos modelos de RNA e SCE. 193 
Figura 5 .26 – Sistema adutor de Ourém. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 
Figura 5 .27 – Perfi l topográfico do caso de estudo de Fát ima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 
Figura 5 .28 – Reservatório Cascalheira – EE1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 
Figura 5 .29 – Estação Elevatória de Relveir inha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 
Figura 5 .30 – Reservatório de São Gens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 
Figura 5 .31 – Factor de ponta ao longo do dia (Alqueidão, Fátima e Atouguia) . 199 
Figura 5 .32 – Tari fár io de Verão da EDP para o ano de 2010. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 
Figura 5.33 – Anál ise do retorno do investimento da instalação da microturbina 
hélice com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 
Figura 5 .34 – Análise do retorno do investimento da instalação da BFT. . . . . . . . . . . 202 
Figura 5.35 – Operação da estação elevatória de Cascalheira e tarifár io de 
verão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 
Índice de Figuras 
 
xxix 
 
Figura 5.36 – Operação da estação elevatória Cascalheira optimizada sem 
inserção da turbina e tarifário verão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 
Figura 5.37 – Operação da estação elevatória Cascalheira optimizada com 
inserção da microturbina e tarifário verão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 
Figura 5 .38 – Comparação de valores encontrados nos modelos de RNA e SCE. 206 
Figura A.1 – Potência eléctrica obt ida na microturbina axia l trabalhando em 
vazio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11 
Figura A.2 – Potência eléctrica obt ida na microturbina axia l trabalhando com 
resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11 
Figura A.3 – Potência eléctrica obt ida na microturbina axia l trabalhando com 
resistência de 4Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 
Figura A.4 – Potência eléctrica obt ida na microturbina axia l trabalhando com 
resistência de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 
Figura A.5 – Potência eléctrica obt ida na microturbina axia l trabalhando com 
resistência de 6Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 
Figura A.6 – Relação potência eléctrica e hidrául ica trabalhando em vazio. . . . . A-13 
Figura A.7 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-13 
Figura A.8 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-13 
Figura A.9 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-14 
Figura A.10 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 6Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-14 
Figura A.11 – Ef ic iência alcançada na microturbina trabalhando em vazio. . . . . . A-14 
Figura A.12 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-15 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxx 
 
Figura A.13 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-15 
Figura A.14 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-15 
Figura A.15 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 6Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-16 
Figura A.16 – Potência eléctrica obtida na microturbina durante ensaios. . . . . . . A-16 
Figura A.17 – Potência hidráulica obtida na microturbina durante ensaios. . . . . A-17 
Figura A.18 – Potência eléctr ica obtida na microturbina ax ial trabalhando em 
vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-17 
Figura A.19 – Potência eléctr ica obtida na microturbina ax ial trabalhando com 
resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-17 
Figura A.20 – Potência eléctr ica obtida na microturbina ax ial trabalhando com 
resistência de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-18 
Figura A.21 – Potência eléctr ica obtida na microturbina ax ial trabalhando com 
resistência de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-18 
Figura A.22 – Relação potência e léctr ica e hidráulica trabalhando em vazio. . . A-18 
Figura A.23 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-19 
Figura A.24 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-19 
Figura A.25 – Relação potência eléctrica e hidráulica trabalhando com 
resistência de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-19 
Figura A.26 – Ef ic iência alcançada na microturbina trabalhando em vazio. . . . . . A-20 
Figura A.27 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 3Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-20 
Figura A.28 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 4Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-20 
Índice de Figuras 
 
xxxi 
 
Figura A.29 – Efic iência alcançada na microturbina trabalhando com resistência 
de 4,5Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-21 
Figura A.30 – Potência eléctrica obtida na microturbina durante ensaios. . . . . . . A-21 
Figura A.31 – Potência hidráulica obtida na microturbina durante ensaios. . . . . A-21 
Figura A.36 – Curva característ ica da bomba Omega 350-510A em modo turbina 
(BFT). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-25 
Figura A.37 – Curvas caracter íst icas da BFT KSB Etanorm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-26 
Figura A.38 – Curvas caracter íst icas da BFT KSB Etanorm 65-125 presente no 
laboratór io de hidrául ica e ambiente do IST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-27 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxxii 
 
 
 
Índice de Tabelas 
 
xxxiii 
 
ÍNDICE DE TABELAS 
 
Tabela 2 .1 – Exper imento factorial com dois factores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 
Tabela 2 .2 – Análise da variância dos resultados esperados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 
Tabela 2 .3 – Erro quadráticomédio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 
Tabela 3 .1 – Característ icas da BFT no seu ponto óptimo de operação.. . . . . . . . . . . . . . 74 
Tabela 3 .2 – Resultados de laboratório e análise no modelo Minitab. . . . . . . . . . . . . . . . . 88 
Tabela 4 .1 – Valores de nível e percentagem de área inundada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 
Tabela 4 .2 – Dados de entrada do estudo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 
Tabela 4 .3 – Resultado calculado após 70 ciclos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 
Tabela 4 .4 – Parte dos dados de entrada do modelo RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 
Tabela 4 .5 – Conjunto de dados usados no modelo HOMER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 
Tabela 4 .6 – Exemplo dos dados necessários para o tre ino da RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 
Tabela 4.7 – Exemplo dos dados de entrada para o treino da RNA provenientes 
do modelo HOMER (dados de saída). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 
Tabela 4 .8 – Número de neurónios na camada oculta para as diferentes regras 120 
Tabela 4 .9 – Número de neurónios para a configuração do SAA abastecido 
apenas pela REN .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 
Tabela 4 .10 – Número de neurónios para a configuração do SAA abastecido 
pela REN e turbina hidrául ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 
Tabela 4 .11 – Número de neurónios para a configuração do SAA abastecido 
pela REN e turbina eól ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 
Tabela 4 .12 – Número de neurónios para a configuração do SAA abastecido 
pela REN, turbina hidráulica e turbina eól ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 
Tabela 4 .13 – Correlação e erros encontrados na val idação da RNA. . . . . . . . . . . . . . . . . 130 
Tabela 4 .14 - Alguns números distribuídos uniformemente aleatoriamente . . . . . 153 
Tabela 4 .15 - Sequência de números aleatór ios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxxiv 
 
Tabela 4 .16 – Distribuição aleatór ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 
Tabela 4 .17 – Segunda geração da população . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 
Tabela 5 .1 – Produção da microturbina de eixo axial com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . 175 
Tabela 5 .2 – Produção da BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 
Tabela 5 .3 – Valor actual izado l íquido do investimento e Taxa Interna de 
Rentabil idade do investimento ( instalação de microturbina de eixo 
axial) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 
Tabela 5 .4 – Valor actual izado l íquido do investimento e Taxa Interna de 
Rentabil idade do investimento ( instalação de uma BFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 
Tabela 5 .5 – Custos de operação do s istema “Any Town” anal isando a 
implantação de uma microturbina ax ial com 5 pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 
Tabela 5 .6 – Produção da microturbina de eixo axial com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . 183 
Tabela 5 .7 – Produção da BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 
Tabela 5.8 – Valores actual izados l íquidos (VAL) e taxa interna de rentabil idade 
(TIR) para um horizonte de projecto de 25 anos da BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 
Tabela 5.9 – Valores actual izados l íquidos (VAL) e taxa interna de rentabil idade 
(TIR) para um horizonte de projecto de 25 anos da microturbina hélice 
com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 
Tabela 5 .10 – Consumo (kWh) das bombas nas configurações anal isadas. . . . . . . . . 187 
Tabela 5 .11 – Gastos diár ios da operação do sistema de bombagem para as 
diferentes soluções optimizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 
Tabela 5 .12 – Produção da microturbina hélice com cinco pás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 
Tabela 5 .13 – Produção da BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 
Tabela 5 .14 – Valor actualizado l íquido do investimento e Taxa Interna de 
Rentabil idade do investimento na microturbina ax ial com 5 pás. . . . . . . . . . . . 202 
Tabela 5 .15 – Valor actualizado l íquido do investimento e Taxa Interna de 
Rentabil idade do investimento na BFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 
Índice de Tabelas 
 
xxxv 
 
Tabela 5 .16 – Gastos diár ios da operação do sistema de bombagem para as 
diferentes soluções optimizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 
Tabela A.1 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma microturbina hélice com cinco pás (Caso de Estudo “Any Town”) . . . A-29 
Tabela A.2 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma BFT (Caso de Estudo “Any Town”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-30 
Tabela A.3 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma microturbina hélice com cinco pás (Caso de Estudo Espite) . . . . . . . . . . . A-31 
Tabela A.4 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma BFT (Caso de Estudo Espite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-32 
Tabela A.5 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma microturbina hélice com cinco pás (Caso de Estudo Fátima) . . . . . . . . . . A-33 
Tabela A.6 – Anál ise de tempo de retorno do investimento da instalação de 
uma BFT (Caso de Estudo Fátima).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-34 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxxvi 
 
 
 
Simbologia 
 
xxxvii 
 
SIMBOLOGIA 
 
Símbolo Grandeza Unidades 
γ Peso específico da água N/m3 
ω Velocidade de rotação rad.s-1 
 ν Campo local induzido de uma RNA (-) 
β² Parâmetro que especifica o máximo sinal inverso ao ruído por subfunção a ser detectado em um AG (-) 
B/C Benefício/custo (-) 
Ban Benefício anual €/ano 
bk “bias” (-) 
C Custo de investimento € 
Can,tot Custo total anual €/ano 
CCAL Custo totalactualizado líquido € 
CE Coeficiente da eficiência (-) 
CF Cash flow ou fluxo de caixa € 
CF0 Fluxo de caixa do momento actual € 
CF1 Fluxo de caixa no ano 1 € 
CFn Fluxo de caixa no ano n € 
D Diâmetro m 
d Diâmetro da tubagem mm 
EMA Erro médio absoluto (-) 
EMQ Erro médio quadrático (-) 
EP Erro padrão de predição (-) 
EPMA Erro relativo percentual médio absoluto (-) 
F0 Função objectivo de um Algoritmo Genético (AG) (-) 
FA Função aptidão de um AG (-) 
FRC() Factor de recuperação de capital (-) 
GSR Radiação global solar M.J.m-2.dia-1 ºC 
H Altura de elevação m c.a. 
Hbep 
Altura de elevação no ponto de máxima eficiência da 
bomba m 
Hpr 
Altura de elevação da bomba no ponto de 
funcionamento nominal m 
Ht Queda útil de uma turbina m 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xxxviii 
 
I Taxa de Juros % 
j Entrada da sinapse neuronal (-) 
k Neurónio (-) 
k Geração de um AG (-) 
KT Coeficiente empírico (-) 
L Comprimento da tubagem m 
l’ Indivíduo de uma população em um AG (-) 
N Número de exemplos usados no treino de uma RNA (-) 
n Número de indivíduos de um AG (-) 
N Tamanho da população de um AG (-) 
N Número de casos utilizados no treino de uma RNA (-) 
N Número de valores do conjunto de verificação (-) 
Nhid Número de neurónios na camada oc (-) 
Nhid Número de neurónios na camada oculta de uma RNA (-) 
Ninp
 
Número de neurónios na camada de entrada (-) 
Ninp 
Número de neurónios na camada de entrada de uma 
RNA (-) 
Nout Número de neurónios na camada de saída (-) 
Nout 
Número de neurónios na camada de saída de uma 
RNA (-) 
Np Velocidade específica da bomba rpm 
NPV Net presente value ou Valor actualizado líquido € 
Nrp 
Velocidade específica da bomba no ponto de 
funcionamento rpm. 
Nrt 
Velocidade específica da turbina no ponto de 
funcionamento rpm. 
O Custo de operação € 
P Custo de manutenção previsto € 
pc 
Probabilidade de ocorrência de cruzamento em um 
AG % 
pm Probabilidade de ocorrência de mutação em um AG % 
Poth Potência útil hidráulica W 
Potm Potência útil mecânica W 
Q Caudal L/s ou m3/s 
Q Caudal L/s ou m3/s 
Qbep Caudal no ponto de máxima eficiência da bomba L/s ou m3/s 
Qt Caudal de uma turbina L/s ou m3/s 
Simbologia 
 
xxxix 
 
R Receita € 
R2 Coeficiente de regressão múltipla (-) 
R2 Coeficiente da determinação (-) 
Ra Radiação extra terrestre M.J.m-2.dia-1 
Rproj Vida útil de um projecto ano 
T Período de retorno (-) 
TD Temperatura máxima diária °C 
TIR Taxa interna de retorno % 
TR Binário resistente N.m 
Tr Binário útil N.m 
uk 
Saída do combinador linear devido aos sinais de 
entrada (-) 
VAL Valor actualizado líquido € 
wk1, wk2,…,wkm Pesos sinápticos do neurónio (-) 
wkj Peso sináptico aplicado a um neurónio (-) 
x1, x2,..., xm Sinais de entrada de um neurónio (-) 
xj Sinapses, elos de ligação ou conexão neuronal (-) 
yk Sinal de saída do neurónio (-) 
Zo Valor ocorrido (-) 
oZ Valor médio dos valores ocorridos (-) 
Zp
 
Valor previsto (-) 
pZ Valor médio dos valores previstos (-) 
α Probabilidade de seleccionar o erro entre dois Blocos Centrais (BC’s) num AG % 
εtrain Erro permitido no processo de treino de uma RNA (-) 
εtrain Erro permitido no treino (-) 
η Eficiência ou rendimento % 
ηmax Eficiência máxima % 
φ Função de activação de uma Rede Neuronal Artificial (RNA) (-) 
φ( ) Função activação (-) 
∆H Perda de carga contínua m 
 
 
 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xl 
 
 
 
Acrónimos 
 
xli 
 
ACRÓNIMOS 
AG – Algoritmo Genético 
AGA – Algoritmo Genético Adaptativo 
AGAI – Algoritmo Genético de Amostragem Independente 
AGD – Algoritmo Genético Distribuído 
AGD ou FmGA – Algoritmo Genético Desordenado ou Fast Messy GA 
AGH – Algoritmo Genético Híbrido 
AGP – Algoritmo Genético Paralelo 
AG – Algoritmo Genético Simples 
Aln(OH)mCl3n-m – Policloreto de alumínio 
BC – Bloco de construção de um AG 
CAL – Custo Actualizado Líquido 
CFD – Computational Fluid Dynamics 
CO2 – Dióxido de carbono 
EDP – Energias de Portugal 
EP – Elemento de processamento 
EQM – Erro quadrático médio 
FBC – Filtragem do bloco de construção 
GMDH – Group Method of Data Handling 
GSR – Radiação Global Solar 
IPC – Inicialização Probabilística Completa 
IST – Instituto Superior Técnico 
KP – Knapsack Problem ou problema da mochila 
MC – Modelo Competitivo 
MLPs – Multi-layer perceptrons 
MOGA – Multi-Objective Genetic Algorithm 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
xlii 
 
MOGA-RNA – Multi-Objective Genetic Algorithm with Artificial Neural Network 
NSGA – Non-dominated Sorting Genetic Algorithm 
NSGA-II – Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II 
NSRBN – Non-linear Sigmoidal Regression Blocks Networks 
PAT ou BFT – Bomba a funcionar como turbina (Pump As Turbine) 
PCC – Planeamentos Compostos Centrais 
PCCO – Planeamentos Compostos Centrais Ortogonais 
PEP – Previsão de Estrutura de Proteína 
POWADIMA – Potable Water Distribution Managment 
PSE – Procedimento de separação e evolução 
REN – Rede Eléctrica Nacional 
RMSE – Root Mean Square Error 
RNA – Rede Neuronal Artificial 
SAA – Sistema de abastecimento de água 
SCE – Simulador da Configuração Económica 
SHE – Simulador Hidráulico e de Energia 
SPEA – Strength Pareto Evolutionary Algorithm 
TSP ou PCV – Traveling Salesman Problem ou problema do caixeiro-viajante 
VRP – Válvula redutora de pressão 
 
 
 
Capítulo 1 - Introdução 
 
1 
 
 1. INTRODUÇÃO 
Neste capítulo são apresentados o enquadramento da investigação desenvolvida, o objectivo 
principal e objectivos específicos da tese, a metodologia de trabalho adoptada e a estrutura do 
presente documento. 
1.1. ENQUADRAMENTO 
O crescimento populacional e industrial nas últimas décadas conduziram a um aumento significativo 
no consumo de energia, criando uma dependência cada vez maior do uso de combustíveis fósseis 
para a geração de energia em regiões onde o potencial hídrico é limitado. 
Os sistemas de abastecimento de água (SAA) são grandes consumidores de energia, decorrentes da 
exploração dos sistemas de bombagem e tratamento em sistemas de abastecimento de água 
superdimensionados, trazendo aos gestores dos sistemas um problema de optimização, muitas 
vezes, complexo (Tsutiya, 2001; Ramos e Ramos, 2009). 
Hoje em dia, o aumento dos consumos de energia vem se tornando um problema ao 
desenvolvimento económico e um risco eminente para o meio ambiente, uma vez que grande parte 
dessa energia é proveniente de recursos não renováveis. A preocupação com o desenvolvimento do 
sector da água e o controlo ambiental tem conduzido a soluções de produção de energia, para fazer 
face ao consumo cada vez maior dos sistemas elevatórios, mediante a utilização de fontes de energia 
renováveis (Ramos et al., 2009b). 
 
Previsão e Optimização de Soluções Híbridas de Energia em Sistemas de Abastecimento de Água utilizando a 
microgeração 
 
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As fontes de energia renováveis são a escolha adequada, tanto para o desenvolvimento económico, 
como para o meio ambiente. Deste modo, os sistemas de geração de energia eléctrica proveniente 
de fontes renováveis através de soluções combinadas ou híbridas apresentam-se como uma resposta 
atractiva para fazer face aos constrangimentos ambientais do aumento do consumo de água e de 
energia (Vieira e Ramos, 2008a; Gonçalves et al., 2011). 
O uso de fontes de energia renovável é uma grande aposta para a produção de energia e redução de 
custos associados aos sistemas elevatórios (Prasad e Natarajan, 2006; Vieira e Ramos, 2008a; Ramos 
e Ramos, 2009). Uma alternativa para à solução da utilização de fontes de origem fóssil ou uma única 
fonte de energia seria a utilização de fontes de energia renováveis