Otimização energética na empresa Simoldes Plásticos S.A.

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Estudo de aplicação de coletores solares na produção de eletricidade e calor para uso doméstico

O trabalho apresentado explora o aproveitamento da energia solar para suprir as necessidades energéticas, tanto elétricas como térmicas, de uma habitação tipo 3, recorrendo ao uso de coletores solares, em que o fluido de trabalho é água. As necessidades elétricas serão supridas através da produção de energia com recurso a um ciclo de Rankine, em que fluido de trabalho é um frigorigénio aquecido através de um permutador cujo fluido quente será uma mistura, de água com anticongelante, aquecida pelo coletor solar. Por outro lado, as necessidades térmicas serão satisfeitas através do calor libertado no ciclo de Rankine. Na instalação solar estará integrado um acumulador térmico com apoio energético, caldeira elétrica, que funcionará nas situações em que coletor seja insuficiente para satisfazer as necessidades térmicas. No final será feita uma avaliação económica para que possa atestar a viabilidade económica do projeto, tendo em conta os seus custos totais versus as poupanças energéticas que este sistema origina.

Growth of the [110] oriented TiO2 nanorods on ITO substrates by sputtering technique for dye-sensitized solar cells

TiO2 films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. It has been found that the sputtering pressure is a very important parameter for the structure of the deposited TiO2 films. When the pressure is lower than 1 Pa, the deposited has a dense structure and shows a preferred orientation along the [101] direction. However, the nanorod structure has been obtained as the sputtering pressure is higher than 1 Pa. These nanorods structure TiO2 film shows a preferred orientation along the [110] direction. The x-ray diffraction and the Raman scattering measurements show both the dense and the nanostructure TiO2 films have only an anatase phase, no other phase has been obtained. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. The TEM measurement shows that the nanorods have a very rough surface. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different sputtering pressures as photoelectrode. And the effect of the sputtering pressure on the properties of the photoelectric conversion of the DSSCs has been studied.

Mechanical and thermal characterization of a structural polyurethane adhesive modified with thermally expandable particles

Thermally expandable particles (TEPs) are used in a wide variety of applications by industry mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. However, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage. In this study, the behaviour of a structural polyurethane adhesive modified with TEPs was investigated as a preliminary study for further investigations on the potential of TEPs in adhesive joints. Tensile bulk tests were performed to get the tensile properties of the unmodified and TEPs-modified adhesive, while Double Cantilever Beam (DCB) test was performed in order to evaluate the resistance to mode I crack propagation of unmodified and TEPs-modified adhesive. In addition, in order to investigate the behaviour of the particles while encapsulated in adhesives, a thermal analysis was done. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture surface morphology of the specimens. The fracture toughness of the TEPs-modified adhesive was found to increase by addition of TEPs, while the adhesive tensile strength at yield decreased. The temperature where the particles show the maximum expansion varied with TEPs concentration, decreasing with increasing the TEPs content.

Preparation and characterization of dye-sensitized TiO2 nanorod solar cells

TiO2 nanorodswere prepared by DC reactive magnetron sputtering technique and applied to dye-sensitized solar cells (DSSCs). The length of the TiO2 nanorods was varied from 1 μm to 6 μm. The scanning electronmicroscopy images showthat the nanorods are perpendicular to the substrate. Both the X-ray diffraction patterns and Raman scattering results show that the nanorods have an anatase phase; no other phase has been observed. (101) and the (220) diffraction peaks have been observed for the TiO2 nanorods. The (101) diffraction peak intensity remained constant despite the increase of nanorod length, while the intensity of the (220) diffraction peak increased almost linearly with the nanorod length. These nanorods were used as the working electrodes in DSSCs and the effect of the nanorod length on the conversion efficiency has been studied. An optimumphotoelectric conversion efficiency of 4.8% has been achieved for 4 μm length nanorods.

Estudo, Avaliação e Propostas de melhoria para a Climatização do edifício Biorama do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia

A eficiência energética e a preocupação com a sustentabilidade têm vindo a ganhar preponderância na sociedade moderna. Este trabalho é uma contribuição para esta tendência onde se pretendeu avaliar e sugerir alterações ao sistema de climatização do edifício Biorama do Parque Biológico de Vila Nova de Gaia (PBG). Procedeu-se em primeiro lugar a uma caracterização física, química e geográfica dos 5 biomas constituintes do Biorama. Para isso, recorreu-se a documentos fornecidos pelo próprio PBG, visitas ao local e registo de medições de alguns parâmetros (temperatura, humidade relativa, qualidade do ar). Posteriormente foi realizado o balanço térmico dos edifícios, de acordo com a legislação em vigor, recorrendo a expressões e conceitos teóricos. Foram determinados valores dos ganhos térmicos de aquecimento de 15811, 10694, 7939, 9233, e 6621 kWh/ano para Floresta tropical, Mesozoico, Dunas, Savana e Deserto, respetivamente. Foram igualmente determinados valores dos ganhos térmicos no verão de 7093, 4798, 3560, 4144 e 2971 kWh na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. As cargas térmicas de aquecimento foram 149, 125, 47, 60 e 51 kW na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. As cargas térmicas de arrefecimento foram iguais a 59, 57, 47, 35 e 36 kW na Floresta tropical, no Mesozoico, nas Dunas, na Savana e no Deserto, respetivamente. Algumas soluções são avançadas, bem como alternativas comportamentais de modo a corrigir alguns problemas identificados. Uma proposta é a da instalação de painéis solares e acumuladores de calor, com os quais se estima um ganho médio conjunto de 500 W em cada bioma, e representam um investimento de 1050 euros e terão um retorno de 1 ano. Em relação à humidade é sugerido a utilização mais eficaz dos aspersores existentes e a utilização de esponjas, para fazer subir a humidade relativa para valores superiores a 80%. Em sentido inverso, no inverno, propõem-se a utilização de material higroscópico para fazer baixar a humidade relativa em cerca de 5%. Os custos com os suportes e o material higroscópico rondam os 250 €. Por fim, é sugerido a instalação de um aparelho de ar condicionado de 16 000 BTU no corredor de ligação, pois é a única forma de garantir condições de conforto térmico. Esta proposta de arrefecimento com ar condicionado e ainda o recurso a uma cortina de lâminas de plástico, que servem para efetuar uma separação mais eficiente entre ar frio e ar quente, têm um custo aproximado de 350 €. É ainda sugerida a utilização de lonas ou de uma planta trepadeira com um custo por planta de 5€, nas coberturas dos telhados virados a sul, sendo que a zona do corredor deverá ser totalmente coberta, a fim de evitar a exposição solar direta.

Solar Intensity Forecasting using Artificial Neural Networks and Support Vector Machines

This paper presents several forecasting methodologies based on the application of Artificial Neural Networks (ANN) and Support Vector Machines (SVM), directed to the prediction of the solar radiance intensity. The methodologies differ from each other by using different information in the training of the methods, i.e, different environmental complementary fields such as the wind speed, temperature, and humidity. Additionally, different ways of considering the data series information have been considered. Sensitivity testing has been performed on all methodologies in order to achieve the best parameterizations for the proposed approaches. Results show that the SVM approach using the exponential Radial Basis Function (eRBF) is capable of achieving the best forecasting results, and in half execution time of the ANN based approaches.

Simulação Dinâmica do Centro de Dia e Apoio à Terceira Idade de Leça do Balio

Pela importância que os edifícios têm na utilização de energia, a avaliação do seu desempenho energético é de grande relevância, uma vez que, em grande parte, passa por estes a concretização das metas europeias definidas para 2020, no que concerne à diminuição da utilização de energia. Tendo em conta que os edifícios representam 40% do consumo de energia total, e estando o sector em expansão, esta realidade obriga a uma procura de soluções integradas de arquitetura e engenharia que promovam a sustentabilidade dos edifícios. Foi efetuado um estudo num edifício constituído por dois corpos, um mais antigo que funciona como centro de dia e um mais recente que funciona como lar, localizados no concelho de Matosinhos, onde se identificaram os pontos de maior consumo energético, para os quais foram sugeridas alterações no sentido de baixar os custos com a factura energética. Nesta dissertação foi utilizado um software de simulação dinâmica para avaliação do comportamento térmico do edifício nas condições atuais e, posteriormente, foram simulados outros cenários com alterações ao nível da envolvente térmica dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, que permitiram identificar algumas medidas de melhoria de eficiência energética. As medidas de melhoria sugeridas implicam uma redução energética, ao nível do consumo de água quente sanitária, consumo de gás natural e electricidade. De entre essas medidas, e com um payback inferior a 8 anos e meio, destacam-se a instalação de redutores de caudal, a substituição da caldeira e da bomba de recirculação, a instalação de painéis solares térmicos e a redução da quantidade de lâmpadas.

Análise de sensibilidade na simulação dinâmica de um grande edifício escolar existente

Dado o panorama de conservação de energia a nível nacional e mundial, torna-se hoje em dia muito importante, que seja possível controlar e estimar o consumo energético nos edifícios. Assim, atendendo à actual problemática energética e ao crescente consumo energético nos edifícios, é importante parametrizar, avaliar e comparar este consumo. Neste sentido, nas últimas décadas, têm sido efectuados desenvolvimentos técnicos, quer ao nível do equipamento de campo para efectuar monitorização e medição, quer ao nível da simulação dinâmica de edifícios. Com esta dissertação de mestrado, pretendeu-se efectuar a simulação dinâmica de um edifício escolar existente a funcionar em pleno, e efectuar uma análise de sensibilidade relativamente ao grau de variação dos resultados obtidos através da aplicação de dois programas de cálculo térmico e energético. Foram utilizados, o programa VE-Pro da IES (Integrated Environmental Solutions) e o programa Trace 700 da TRANE. Ambos os programas foram parametrizados com os mesmos dados de entrada, tendo em atenção as opções de simulação disponibilizadas por ambos. Posteriormente, utilizaram-se os dados retirados da simulação para calcular a classificação energética no âmbito do sistema de certificação energética (SCE), através de uma folha de cálculo desenvolvida para o efeito. Foram ainda consideradas várias soluções de eficiência energética para o edifício, com vista a poupanças reais de energia, tendo sempre atenção ao conforto térmico dos ocupantes. Dessas medidas fazem parte, medidas relacionadas com a iluminação, como a substituição da iluminação existente por luminárias do tipo LED (Light Emitting Diode), soluções de energias renováveis, como a instalação de colectores solares para aquecimento das águas quentes sanitárias, e painéis fotovoltaicos para produção de energia, bem como medidas ligadas aos equipamentos de climatização. Posteriormente, recalculou-se a classificação energética afectada das melhorias. Os resultados obtidos nas duas simulações foram analisados sob o ponto de vista do aquecimento, arrefecimento, ventilação, iluminação e equipamentos eléctricos. A comparação das duas simulações para cada parâmetro acima referido, apresentaram variações inferiores a 5%. O desvio maior verificou-se na ventilação, com o valor de aproximadamente 4,9%. Transpondo estes resultados para o cálculo do IEE (Índice de Eficiência Energética), verificou-se um desvio inferior a 2%.

Design and Development of a Solar Dryer for Microalgae Retrieval - An EPS@ISEP 2013 Spring Project

Currently excessive fossil fuel consumption has become a serious problem. People are searching for new solutions of energy production and there are several options to obtain alternative sources of energy without further devastating the already destroyed environment. One of these solutions is growing microalgae, from which biodiesel can be obtained. The microalgae production is a growing business because of its many useful compounds. In order to collect these compounds microalgae must first be harvested and then dried. Nowadays the solutions used for drying use too much energy and therefore are too expensive and not sustainable. The goal of this project, one of the possible choices during the EPS@ISEP 2013 Spring, was to develop a solar microalgae dryer. The multinational team involved in its development was composed of five students, from distinct countries and fields of study, and was the responsible for designing a solar microalgae dryer prototype for the microalgae laboratory of the chemical engineering department at ISEP, suitable for future tests and incorporating control process (in order not to destroy the microalgae during the drying process). The solar microalgae dryer was built to work as a distiller that gets rid of the excess water from the microalgae suspension. This paper presents a possible solution for this problem, the steps to create the device to harvest the microalgae by drying them with the use of solar energy (also used as an energy source for the solar dryer control system), the technologies used to build the solar microalgae dryer, and the benefits it presents compared to current solutions. It also presents the device from the ethical and sustainable viewpoint. Such alternative to already existing methods is competitive as far as energy usage is concerned.

Impacto das medidas de conservação de energia em projeto na redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício

O presente trabalho pretende mostrar que a aplicação de medidas de conservação de energia (MCE) pode representar uma redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício. Mais concretamente, pode representar uma redução da utilização de materiais e equipamentos, e como consequência, uma redução no esforço económico ao primeiro investimento. Podendo posteriormente representar uma redução na utilização de energia durante o período de funcionamento do edifício. A aplicação de MCE no sector da construção tem vindo a ser uma prática corrente nos novos edifícios e edifícios sujeitos a grandes intervenções de reabilitação. Esta prática deve-se à obrigatoriedade de cumprimento de requisitos regulamentares aplicados à otimização do desempenho energético dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, nomeadamente, o RCCTE e o RSECE, entretanto revogados pelo REH e pelo RECS, respetivamente. A implementação de MCE apresenta, na maioria dos casos, benefícios económicos para o promotor do edifício, uma vez que se traduz muitas vezes, na otimização do dimensionamento dos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC). Esta otimização permite reduzir os custos associados ao primeiro investimento, bem como na utilização de energia por parte do utilizador, logo na redução dos custos de exploração. No entanto, a falta de quantificação dos impactos do dimensionamento dos sistemas AVAC, da redução de utilização de energia e da análise do custo-benefício da sua aplicação pode condicionar o interesse na sua implementação. Neste contexto, surge a presente dissertação, por iniciativa do Instituto Soldadura e Qualidade (ISQ), aplicado a um caso prático de um edifício já construído e propriedade daquela empresa. Com este trabalho pretende-se avaliar o contributo efetivo das MCE implementadas na fase de projeto e na fase de construção, quer na otimização da dimensão de sistemas e equipamentos AVAC, por via da redução das necessidades energéticas, quer na redução de utilização de energia, permitindo, de seguida, uma avaliação custo-benefício.Na base do caso de estudo está o ECOTERMOLAB, o edifício acima referido, adquirido pelo ISQ para instalação de um laboratório de formação, investigação e desenvolvimento na área da energia. Após aquisição pelo ISQ, o edifício sofreu várias alterações/beneficiações, entre as quais a implementação de MCE, tais como, a aplicação de isolamento térmico na envolvente opaca (paredes, pavimentos e coberturas), duplicação dos vãos envidraçados simples, conferindo-lhes melhores caraterísticas térmicas, e pela aplicação de proteções solar. Foram ainda adotadas MCE aos sistemas AVAC, designadamente, pela adoção de recuperadores de calor nas Unidades de Tratamento de Ar Novo (UTAN’s) e de variadores de velocidade nas bombas de circulação de água e nos ventiladores de ar das UTAN’s. Pretendia o ISQ concluir se a aplicação de todas as MCE contribuiu de forma efetiva para o dimensionamento de sistemas e equipamentos AVAC de menor capacidade e, consequentemente, numa redução de utilização de energia. Em sequência, pretendia avaliar a viabilidade económica da aplicação de todas as MCE, estimando o sobrecusto inicial e o tempo necessário para o retorno financeiro daquele investimento. Para alcançar os objetivos propostos, procedeu-se à simulação energética dinâmica do ECOTERMOLAB, utilizando o programa EnergyPlus. Primeiro foi simulada uma situação base do edifício, sem quaisquer MCE. Posteriormente foi caraterizada cada uma das situações de aplicação das MCE, com o objetivo de avaliar o respetivo impacto individual na utilização de energia pelos sistemas AVAC. Por último foram assumidas todas as soluções em conjunto para avaliar o impacto final de todas as MCE na utilização de energia dos sistemas AVAC, bem como no seu dimensionamento. Das simulações dinâmicas foram obtidos os valores das necessidades de aquecimento e arrefecimento, de energia utilizada pelos sistemas AVAC e de caudais de água aquecida e arrefecida circulada. Com estes valores foi feita uma estimativa de dimensionamento dos equipamentos e componentes AVAC para as situações da aplicação de todas as MCE no ECOTERMOLAB e a sua ausência. A partir da diferença dos custos de aquisição dos respetivos equipamentos e dos valores de poupança em energia foi realizado o estudo da viabilidade económica da implementação das MCE neste edifício. Este estudo permitiu concluir que a aplicação das MCE no ECOTERMOLAB levou à redução da dimensão na generalidade dos equipamentos e componentes AVAC. Permitiu, ainda, concluir que houve uma diminuição de utilização de energia por parte destes sistemas e equipamentos para o aquecimento e arrefecimento. Conclui-se ainda que o período de retorno (Payback) do sobrecusto inicial, estimado em 37.822€ é de, aproximadamente, onze anos e meio, para um valor atual líquido (VAL) de 8.061€ e à taxa interna de rentabilidade (TIR) de 7,03%.

Learning sustainability by developing a solar dryer for microalgae retrieval

The development of nations depends on energy consumption, which is generally based on fossil fuels. This dependency produces irreversible and dramatic effects on the environment, e.g. large greenhouse gas emissions, which in turn cause global warming and climate changes, responsible for the rise of the sea level, floods, and other extreme weather events. Transportation is one of the main uses of energy, and its excessive fossil fuel dependency is driving the search for alternative and sustainable sources of energy such as microalgae, from which biodiesel, among other useful compounds, can be obtained. The process includes harvesting and drying, two energy consuming steps, which are, therefore, expensive and unsustainable. The goal of this EPS@ISEP Spring 2013 project was to develop a solar microalgae dryer for the microalgae laboratory of ISEP. A multinational team of five students from distinct fields of study was responsible for designing and building the solar microalgae dryer prototype. The prototype includes a control system to ensure that the microalgae are not destroyed during the drying process. The solar microalgae dryer works as a distiller, extracting the excess water from the microalgae suspension. This paper details the design steps, the building technologies, the ethical and sustainable concerns and compares the prototype with existing solutions. The proposed sustainable microalgae drying process is competitive as far as energy usage is concerned. Finally, the project contributed to increase the deontological ethics, social compromise skills and sustainable development awareness of the students.

Anomalous persistent photoconductivity in Cu2ZnSnS4 thin films and solar cells

A persistent photoconductivity effect (PPC) has been investigated in Cu2ZnSnS4 thin films and solar cells as a function of temperature. An anomalous increase of the PPC decay time with temperature was observed in all samples. The PPC decay time activation energy was found to increase when temperature rises above a crossover value, and also to grow with the increase of the sulfurization temperature and pressure. Both the anomalous behavior of the PPC decay time and the existence of two different activation energies are explained in terms of local potential fluctuations in the band edges of CZTS.

A comparison between thin film solar cells made from co-evaporated CuIn1-xGaxSe2using a one-stage process versus a three-stage process

Until this day, the most efficient Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells have been prepared using a rather complex growth process often referred to as three-stage or multistage. This family of processes is mainly characterized by a first step deposited with only In, Ga and Se flux to form a first layer. Cu is added in a second step until the film becomes slightly Cu-rich, where-after the film is converted to its final Cu-poor composition by a third stage, again with no or very little addition of Cu. In this paper, a comparison between solar cells prepared with the three-stage process and a one-stage/in-line process with the same composition, thickness, and solar cell stack is made. The one-stage process is easier to be used in an industrial scale and do not have Cu-rich transitions. The samples were analyzed using glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, current–voltage-temperature, capacitance-voltage, external quantum efficiency, transmission/reflection, and photoluminescence. It was concluded that in spite of differences in the texturing, morphology and Ga gradient, the electrical performance of the two types of samples is quite similar as demonstrated by the similar J–V behavior, quantum spectral response, and the estimated recombination losses.

Application of Infrared Thermal Imaging in a Violinist with Temporomandibular Disorder

Temporomandibular disorders (TMD) consist of a group of pathologies that affect the masticatory muscles, temporomandibular joints (TMJ), and/or related structures. String instrumentalists, like many orchestra musicians, can spend hours with head postures that may influence the biomechanical behavior of the TMJ and the muscles of the craniocervicomandibular complex (CCMC). The adoption of abnormal postures acquired during performance by musicians can lead to muscular hyperactivity of the head and cervical muscles, with the possible appearance of TMD. Medical infrared thermography is a non-invasive procedure that can monitor the changes in the superficial tissue related to blood circulation and may serve as a complement to the clinical examination. The objective of this study was to use infrared thermography to evaluate, in one subject, the cutaneous thermal changes adjacent to the CCMC that occur before, during, and after playing a string instrument.