Predictive Optimal Matrix Converter Control for a Dynamic Voltage Restorer with Flywheel Energy Storage

This paper presents a predictive optimal matrix converter controller for a flywheel energy storage system used as Dynamic Voltage Restorer (DVR). The flywheel energy storage device is based on a steel seamless tube mounted as a vertical axis flywheel to store kinetic energy. The motor/generator is a Permanent Magnet Synchronous Machine driven by the AC-AC Matrix Converter. The matrix control method uses a discrete-time model of the converter system to predict the expected values of the input and output currents for all the 27 possible vectors generated by the matrix converter. An optimal controller minimizes control errors using a weighted cost functional. The flywheel and control process was tested as a DVR to mitigate voltage sags and swells. Simulation results show that the DVR is able to compensate the critical load voltage without delays, voltage undershoots or overshoots, overcoming the input/output coupling of matrix converters.

Effect of the number of shells on the pressure and energy of two-dimensional free bubble clusters

We have performed Surface Evolver simulations of two-dimensional hexagonal bubble clusters consisting of a central bubble of area lambda surrounded by s shells or layers of bubbles of unit area. Clusters of up to twenty layers have been simulated, with lambda varying between 0.01 and 100. In monodisperse clusters (i.e., for lambda = 1) [M.A. Fortes, F Morgan, M. Fatima Vaz, Philos. Mag. Lett. 87 (2007) 561] both the average pressure of the entire Cluster and the pressure in the central bubble are decreasing functions of s and approach 0.9306 for very large s, which is the pressure in a bubble of an infinite monodisperse honeycomb foam. Here we address the effect of changing the central bubble area lambda. For small lambda the pressure in the central bubble and the average pressure were both found to decrease with s, as in monodisperse clusters. However, for large,, the pressure in the central bubble and the average pressure increase with s. The average pressure of large clusters was found to be independent of lambda and to approach 0.9306 asymptotically. We have also determined the cluster surface energies given by the equation of equilibrium for the total energy in terms of the area and the pressure in each bubble. When the pressures in the bubbles are not available, an approximate equation derived by Vaz et al. [M. Fatima Vaz, M.A. Fortes, F. Graner, Philos. Mag. Lett. 82 (2002) 575] was shown to provide good estimations for the cluster energy provided the bubble area distribution is narrow. This approach does not take cluster topology into account. Using this approximate equation, we find a good correlation between Surface Evolver Simulations and the estimated Values of energies and pressures. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

A CMOS micro power switched-capacitor DC-DC step-up converter for indoor light energy harvesting applications

This paper presents a micro power light energy harvesting system for indoor environments. Light energy is collected by amorphous silicon photovoltaic (a-Si:H PV) cells, processed by a switched capacitor (SC) voltage doubler circuit with maximum power point tracking (MPPT), and finally stored in a large capacitor. The MPPT fractional open circuit voltage (V-OC) technique is implemented by an asynchronous state machine (ASM) that creates and dynamically adjusts the clock frequency of the step-up SC circuit, matching the input impedance of the SC circuit to the maximum power point condition of the PV cells. The ASM has a separate local power supply to make it robust against load variations. In order to reduce the area occupied by the SC circuit, while maintaining an acceptable efficiency value, the SC circuit uses MOSFET capacitors with a charge sharing scheme for the bottom plate parasitic capacitors. The circuit occupies an area of 0.31 mm(2) in a 130 nm CMOS technology. The system was designed in order to work under realistic indoor light intensities. Experimental results show that the proposed system, using PV cells with an area of 14 cm(2), is capable of starting-up from a 0 V condition, with an irradiance of only 0.32 W/m(2). After starting-up, the system requires an irradiance of only 0.18 W/m(2) (18 mu W/cm(2)) to remain operating. The ASM circuit can operate correctly using a local power supply voltage of 453 mV, dissipating only 0.085 mu W. These values are, to the best of the authors' knowledge, the lowest reported in the literature. The maximum efficiency of the SC converter is 70.3 % for an input power of 48 mu W, which is comparable with reported values from circuits operating at similar power levels.

Design and evaluation of multi-band RF energy harvesting circuits and antennas for WSNs

Radio frequency (RF) energy harvesting is an emerging technology that will enable to drive the next generation of wireless sensor networks (WSNs) without the need of using batteries. In this paper, we present RF energy harvesting circuits specifically developed for GSM bands (900/1800) and a wearable dual-band antenna suitable for possible implementation within clothes for body worn applications. Besides, we address the development and experimental characterization of three different prototypes of a five-stage Dickson voltage multiplier (with match impedance circuit) responsible for harvesting the RF energy. Different printed circuit board (PCB) fabrication techniques to produce the prototypes result in different values of conversion efficiency. Therefore, we conclude that if the PCB fabrication is achieved by means of a rigorous control in the photo-positive method and chemical bath procedure applied to the PCB it allows for attaining better values for the conversion efficiency. All three prototypes (1, 2 and 3) can power supply the IRIS sensor node for RF received powers of -4 dBm, -6 dBm and -5 dBm, and conversion efficiencies of 20, 32 and 26%, respectively. © 2014 IEEE.

Comparison of body fat content and distribution of familial amyloidotic polyneuropathy patients versus healthy subjects

The deposition of amyloid fibers at the peripheral nervous system can induce motor neuropathy in Familial Amiloidotic Polyneuropethy (FAP) patients. This produces progressive reductions in functional capacity. The only treatment for FAP is a liver transplant, followed by aggressive medication that can affect patients' metabolism. To our knowledge, there are no data on body fat distribution or comparison between healthy and FAP subjects, which may be important for clinical assessment and management of this disease. PURPOSE: To analyze body fat content and distribution between FAP patients and healthy subjects. METHODS: Body fat content and distribution were measured through Double Energy X-ray Densitometry (DXA) in two groups. Group 1 consisted of 43 Familial Amyloidotic Polyneuropathy patients (19 males, 32 + 8 Yrs, and 24 females, 37 + 5 yrs), who had liver transplant less than 2 months before. Group 2 consisted of 18 healthy subjects of similar age (8 males, 36 + 7 yrs, and 10 females, 39 + 5 yrs). RESULTS: Healthy subjects showed higher values than FAP patients for: BMI (24,2+2,3kg/m2 vs 22,3+3,8 kg/m2 respectively, p<0,05), % trunk BF (26,21+8,34kg vs 20,78+9,05kg respectively, p<0,05), % visceral BF (24,43+7,97% vs 19,21+9,30% respectively, p<0,05), % abdominal BF (26,63+8,51% vs 20,63+10,35% respectively, p<0,05) abdominal subcutaneous BF (0,533+0,421kg vs 0,353+0,257kg respectively, p=0,05), abdominal BF/BF ratio (0,09+0,02 vs 0,08+0,02 respectively, p<0,05) and abdominal BF/trunk BF ratio (0,19+0,03 vs 0,17+0,03 respectively, p<0,05). CONCLUSIONS: These results showed that FAP patients soon after liver transplantation exhibited a healthier body fat profile compared to controls. However, fat content and distribution varied widely in FAP subjects, suggesting an individualized approach for assessment and intervention rather than general guidelines. Future research is needed to investigate the long term consequences on body fat following liver transplant in this population.

Scaling of the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal on a sawtoothed substrate

We characterize the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal in the presence of a sawtooth substrate. Our findings are based on numerical minimization of the Landau-de Gennes model and analytical calculations on the Frank-Oseen theory. The nucleation of disclination lines (characterized by non-half-integer winding numbers) in the wedges and apexes of the substrate induces a leading order proportional to q ln q to the elastic contribution to the surface free-energy density, with q being the wave number associated with the substrate periodicity.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Consumo energético e eficiência da marcha com dois modelos de joelhos protésicos: estudo de caso

Introdução – Os componentes protésicos têm um papel fundamental na eficiência energética da marcha dos indivíduos amputados. Esta é uma área de conhecimento ainda em desenvolvimento, onde a investigação desempenha um papel central. Objectivos – Comparar e analisar o efeito de dois joelhos protésicos, 3R34, monocêntrico modular, de fricção constante, com auxiliar de extensão incorporado (A) e 3R92, monocêntrico modular, com travão de fricção e controlo pneumático da fase de balanço (B) no consumo energético e eficiência da marcha. Metodologia – Um indivíduo do sexo masculino de 27 anos, com amputação transfemural longa, foi sujeito a um protocolo submáximo de avaliação da resposta ao exercício em passadeira rolante (H/P/Cosmos(R) Mercury), através de um sistema de análise de gases breath‑by‑breath (Cosmed Quark PFT Ergo). Foi efetuado o mesmo protocolo com intervalo de dois dias, primeiro utilizando o joelho A e depois o B. As variáveis analisadas foram o consumo de O2 (VO2), o equivalente metabólico (MET) e a eficiência energética da marcha (Quociente de VO2 esperado de um individuo saudável e o VO2 do individuo em estudo). O esforço percecionado foi medido com a escala RPE de Borg. Resultados – O consumo energético com o joelho A (24,2 ml O2/kg/min; 6,9 MET) foi inferior ao obtido com o joelho B (28,68 ml O2/kg/min; 8,2 MET). A eficiência energética da marcha foi mais elevada para o joelho A (43%) do que para o joelho B (39%). Conclusão – A utilização do joelho A na prótese do indivíduo em estudo resulta numa marcha de menor consumo energético e maior eficiência. No entanto, este valor poderá estar influenciado pelo curto período de adaptação ao joelho B, sendo necessários mais estudos para confirmar os resultados do estudo e a influência deste fator. ABSTRACT - Background – Prosthetic components have a crucial role in the energy efficiency of amputee’s gait. This is an area of knowledge still in development, where research plays a central role. Objective – The purpose of this case study is to compare the impact in energy consumption of two prosthetic knees, titanium single‑axis constant friction knee joint with internal extension assist, 3R34 (A) and a single‑axis pneumatic swing phase control, 3R92 (B). Methodology – The participant was a transtibial amputee, male, with 27 years old, with no other clinical or functional impairments. To measure the energy expenditure a submaximal treadmill (H/P/Cosmos(R) Mercury) exercise stress test combined with a breath‑by‑breath analysis system (Cosmed Quark PFT Ergo) was used. The same test was applied to both knees, separated by two days. The analyzed variables were O2 consumption (VO2), metabolic equivalent (MET) and gait efficiency (VO2 ratio expected from a healthy individual and the studied individual). A rate of perceived exertion (Borg’s Scale) was used. Results – The results were favorable to knee A (24.2 ml O2/kg/min; 6.9 MET, 43% efficiency) compared with knee B (28.68 ml O2/kg/min; 8.2 MET, 39% efficiency). Conclusion – In this case, a less energy consumption gait corresponds to the prosthesis with knee A. These values may be influenced by the short adaptation period with knee B, so it’s necessary to perform more studies to confirm the previous results and to understand the truly impact of correct adaptation factor to the best prosthetics components for different patients.

Síntese e fotosensibilização de nanotubos de titanatos

Nesta tese é descrita a preparação de nanotubos de titanatos (TNT) via síntese hidrotérmica alcalina, usando uma nova metodologia que evita a utilização de TiO2 cristalino como precursor. Foi estudada a influência da substituição sódio/protão na estrutura, morfologia e propriedades ópticas dos materiais preparados. Os resultados mostraram que a substituição Na+ → H+ resulta numa redução na distância intercamadas dos TNTs, tendo sido medidos valores entre 1.13±0.03 nm e 0.70±0.02 nm para aquele parâmetro. O comportamento óptico dos TNTs foi estudado na região UV-vis, estimando-se um hiato óptico de energia 3.27±0.03 eV para a amostra com maior teor de sódio enquanto que para a amostra protonada foi determinado um valor de 2.81±0.02 eV. Estes valores mostram que a troca iónica Na+ → H+ teve influência no desvio da banda de absorção dos TNTs para a região do visível próximo. A actividade fotocatalítica dos TNTs na degradação do corante rodamina 6G (R6G) foi posteriormente estudada. Verificou-se que, apesar de a amostra com maior teor de sódio ter sido a que exibiu maior capacidade para adsorver o R6G, foi a amostra protonada que apresentou a actividade catalítica mais elevada na fotodegradação deste corante. Numa segunda fase, e com o objectivo de preparar novos materiais nanoestruturados fotosensíveis, procedeu-se à decoração dos TNTs protonados com semicondutores (SC) nanocristalinos usando um método novo. Para o efeito os TNTs foram decorados com nanocristalites de ZnS, CdS e Bi2S3. Foi estudada a influência do tipo de semicondutor na estrutura, morfologia e propriedades ópticas dos SC/TNTs obtidos. Verificou-se que, para qualquer dos semicondutores usados no processo de decoração, a estrutura dos TNTs é preservada e não ocorre segregação do SC. Verificou-se ainda que a morfologia dos nanocompósitos preparados depende fortemente da natureza do semicondutor. No que respeita ao comportamento óptico destes materiais, foram determinados hiatos ópticos de energia 3.67±0.03 eV, 2.47±0.03 eV e 1.35±0.01 eV para as amostras ZnS/TNT, CdS/TNT e Bi2S3/TNT, respectivamente. Estes resultados mostram que através do processo de decoração de TNTs com semicondutores podem ser preparados materiais nanocompósitos inovadores, com propriedades ópticas novas e/ou pré-definidas numa gama alargada do espectro electromagnético.

O impacto energético e as emissões de CO2 dos veículos eléctricos em Portugal

Para a diminuição da dependência energética de Portugal face às importações de energia, a Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) define uma aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, na promoção da eficiência energética tanto nos edifícios como nos transportes com vista a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. No campo da eficiência energética, o ENE 2020 pretende obter uma poupança energética de 9,8% face a valores de 2008, traduzindo-se em perto de 1800 milhões de tep já em 2015. Uma das medidas passa pela aposta na mobilidade eléctrica, onde se prevê que os veículos eléctricos possam contribuir significativamente para a redução do consumo de combustível e por conseguinte, para a redução das emissões de CO2 para a atmosfera. No entanto, esta redução está condicionada pelas fontes de energia utilizadas para o abastecimento das baterias. Neste estudo foram determinados os consumos de combustível e as emissões de CO2 de um veículo de combustão interna adimensional representativo do parque automóvel. É também estimada a previsão de crescimento do parque automóvel num cenário "Business-as-Usual", através dos métodos de previsão tecnológica para o horizonte 2010-2030, bem como cenários de penetração de veículos eléctricos para o mesmo período com base no método de Fisher- Pry. É ainda analisado o impacto que a introdução dos veículos eléctricos tem ao nível dos consumos de combustível, das emissões de dióxido de carbono e qual o impacto que tal medida terá na rede eléctrica, nomeadamente no diagrama de carga e no nível de emissões de CO2 do Sistema Electroprodutor Nacional. Por fim, é avaliado o impacto dos veículos eléctricos no diagrama de carga diário português, com base em vários perfis de carga das baterias. A introdução de veículos eléctricos em Portugal terá pouca expressão dado que, no melhor dos cenários haverão somente cerca de 85 mil unidades em circulação, no ano de 2030. Ao nível do consumo de combustíveis rodoviários, os veículos eléctricos poderão vir a reduzir o consumo de gasolina até 0,52% e até 0,27% no consumo de diesel, entre 2010 e 2030, contribuindo ligeiramente uma menor dependência energética externa. Ao nível do consumo eléctrico, o abastecimento das baterias dos veículos eléctricos representará até 0,5% do consumo eléctrico total, sendo que parte desse abastecimento será garantido através de centrais de ciclo combinado a gás natural. Apesar da maior utilização deste tipo de centrais térmicas para produção de energia, tanto para abastecimento das viaturas eléctricas, como para o consumo em geral, verifica-se que em 2030, o nível de emissões do sistema electroprodutor será cerca de 46% inferior aos níveis registados em 2010, prevendo-se que atinja as 0,163gCO2/kWh produzido pelo Sistema Electroprodutor Nacional devido à maior quota de produção das fontes de energia renovável, como o vento, a hídrica ou a solar.

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

A method to analyse the alignment of core values in collaborative networked organisations

Since collaborative networked organisations are usually formed by independent and heterogeneous entities, it is natural that each member holds his own set of values, and that conflicts among partners might emerge because of some misalignment of values. In contrast, it is often stated in literature that the alignment between the value systems of members involved in collaborative processes is a prerequisite for successful co-working. As a result, the issue of core value alignment in collaborative networks started to attract attention. However, methods to analyse such alignment are lacking mainly because the concept of 'alignment' in this context is still ill defined and shows a multifaceted nature. As a contribution to the area, this article introduces an approach based on causal models and graph theory for the analysis of core value alignment in collaborative networks. The potential application of the approach is then discussed in the virtual organisations' breeding environment context.

Elements of a methodology to assess the alignment of core-values in collaborative networks

Collaborative networks are typically formed by heterogeneous and autonomous entities, and thus it is natural that each member has its own set of core-values. Since these values somehow drive the behaviour of the involved entities, the ability to quickly identify partners with compatible or common core-values represents an important element for the success of collaborative networks. However, tools to assess or measure the level of alignment of core-values are lacking. Since the concept of 'alignment' in this context is still ill-defined and shows a multifaceted nature, three perspectives are discussed. The first one uses a causal maps approach in order to capture, structure, and represent the influence relationships among core-values. This representation provides the basis to measure the alignment in terms of the structural similarity and influence among value systems. The second perspective considers the compatibility and incompatibility among core-values in order to define the alignment level. Under this perspective we propose a fuzzy inference system to estimate the alignment level, since this approach allows dealing with variables that are vaguely defined, and whose inter-relationships are difficult to define. Another advantage provided by this method is the possibility to incorporate expert human judgment in the definition of the alignment level. The last perspective uses a belief Bayesian network method, and was selected in order to assess the alignment level based on members' past behaviour. An example of application is presented where the details of each method are discussed.

Torre solar: estudo do rendimento e viabilidade de centrais térmicas solares para produção de energia eléctrica de pequena e média dimensão

O aproveitamento da radiação solar representa um recurso energético extremamente benéfico, quer no âmbito energético, quer no ambiental, contribuindo para a redução das emissões de gases nocivos para a atmosfera. Portugal apresenta uma radiação solar total média anual bastante elevada, colocando-se entre um dos países que apresentam melhores potencialidades para o aproveitamento da energia solar. A torre solar consiste numa estufa com uma determinada extensão com uma chaminé no seu centro e o seu funcionamento baseia-se no aquecimento do ar que circula por baixo da estufa, sendo expelido pela chaminé. Nesta tese é abordado o tema da torre solar e os princípios físicos inerentes ao seu funcionamento. Foi estudado e descrito o método de cálculo de diversos parâmetros e resultados associados ao funcionamento da torre solar. Elaborou-se uma folha de cálculo para obtenção dos valores de simulações de torres com diversas dimensões, tecendo-se conclusões quanto aos resultados e às variações dos mesmos, consoante as alterações de dimensão dos elementos que a constituem. Foram descritos os vários elementos que constituem uma torre solar, bem como as suas características e tipologias. Efectuou-se um estudo com aplicação a um caso real, para se tecer algumas conclusões e comentários relativamente à viabilidade de uma torre solar para a situação em causa. Por fim, com base em todo o trabalho desenvolvido e abordado, foi possível tecer-se algumas conclusões quanto à viabilidade das torres solares.