Autoconsumo fotovoltaico, um elemento de eficiência energética. Caso de estudo: ISEP

Mestrado em Energias Sustentáveis

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Demand Response Programs Definition Using Demand Price Elasticity to Define Consumers Aggregation for an Improved Remuneration Structure

The positioning of the consumers in the power systems operation has been changed in the recent years, namely due to the implementation of competitive electricity markets. Demand response is an opportunity for the consumers’ participation in electricity markets. Smart grids can give an important support for the integration of demand response. The methodology proposed in the present paper aims to create an improved demand response program definition and remuneration scheme for aggregated resources. The consumers are aggregated in a certain number of clusters, each one corresponding to a distinct demand response program, according to the economic impact of the resulting remuneration tariff. The knowledge about the consumers is obtained from its demand price elasticity values. The illustrative case study included in the paper is based on a 218 consumers’ scenario.

A Communication and Resources Management Scheme to Support the Smart Grid Integration of Multiplayers Access to Resources Information

The increasing and intensive integration of distributed energy resources into distribution systems requires adequate methodologies to ensure a secure operation according to the smart grid paradigm. In this context, SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) systems are an essential infrastructure. This paper presents a conceptual design of a communication and resources management scheme based on an intelligent SCADA with a decentralized, flexible, and intelligent approach, adaptive to the context (context awareness). The methodology is used to support the energy resource management considering all the involved costs, power flows, and electricity prices leading to the network reconfiguration. The methodology also addresses the definition of the information access permissions of each player to each resource. The paper includes a 33-bus network used in a case study that considers an intensive use of distributed energy resources in five distinct implemented operation contexts.

Comunicações marítimas wi-fi usando a banda 5.8 ghz

Tendo em conta a popularidade que as comunicações Wi-Fi têm na atualidade em vários dispositivos como computadores portáteis, telemóveis ou tablets, sendo estes utilizados praticamente por qualquer pessoa, surgiu a ideia de utilizar esta tecnologia de baixo custo e isenta de licenciamento num cenário de comunicações marítimas. Neste contexto, esta permite fornecer o acesso à Internet em banda larga a grupos de embarcações, que atualmente recorrem a tecnologias de elevado custo (satélite) e/ou de banda estreita (rádios VHF). Com o acesso em banda larga, os proprietários poderão utilizar aplicações informáticas de interesse à atividade de negócio ou de lazer, até então só disponíveis junto à costa onde existe cobertura celular. Nesta tese pretende-se fazer um estudo teórico e prático sobre o alcance e respetivo desempenho de comunicações de banda larga em ambiente marítimo, utilizando parte da gama de frequências dos 5,8 GHz, isenta de licença, e a norma IEEE 802.11n. Para se utilizar equipamento produzido em massa a operar nessa gama, existem duas normas disponíveis, a IEEE 802.11a e a IEEE 802.11n. Optou-se pelo IEEE 802.11n pois os esquemas de codificação ao nível físico permitem débitos mais elevados e MIMO. Para a realização dos testes experimentais, foi necessário elaborar um protótipo de comunicação ponto a ponto, constituído por dois nós de comunicação. Um deles foi instalado numa embarcação de pesca em colaboração com a Associação Propeixe e o outro no Edifício Transparente, no Porto, em colaboração com a entidade gestora do edifício e a Associação Porto Digital. Tanto quanto se conhece é o primeiro teste de comunicações Wi-Fi realizado nestas condições a nível mundial. Os objetivos do trabalho foram atingidos. Foi possível estabelecer comunicações Wi-Fi na banda dos 5,8 GHz até cerca de 7 km com débito médio mínimo de 1 Mbit/s. O ambiente de testes desenvolvido e os resultados obtidos servirão de base para futuros trabalhos de investigação na área das comunicações marítimas.

Avaliação do desempenho energético de uma pequena fracção de serviços existente tendo por base as metodologias regulamentares do RSECE e do RECS

A dependência energética das grandes economias mundiais, alertaram o mundo para a necessidade de mudar o comportamento relativo ao consumo de energia. O sector dos edifícios representa 40% dos consumos globais de energia na União Europeia, já no panorama nacional, o sector dos edifícios representa 28% dos consumos globais da energia, constituindo uma parte significativa no consumo global de energia, sendo portanto, essencial avaliar o desempenho energético dos edifícios, no sentido de promover a sua eficiência energética e beneficiar do grande potencial de economia de energia. Portugal à luz das linhas de orientação da União Europeia com o objectivo de instigar o aumento da eficiência energética nos edifícios, lançou o programa nacional para a eficiência energética nos Edifícios (P3E). Posteriormente, da transposição da Directiva 2002/91/CE para a ordem jurídica nacional surgiu o SCE, o RCCTE e o RSECE. Já em 2013, com a necessidade de transpor para a ordem da jurídica nacional a Directiva n.º 2010/31/EU, surge o Decreto-Lei n.º 118/2013, reunindo num só diploma o SCE, o REH e o RECS, promovendo uma revisão da legislação nacional, garantindo e promovendo a melhoria do desempenho energético dos edifícios. Através da presente dissertação, pretende-se avaliar o desempenho energético de uma pequena fracção de serviços existente tendo por base a metodologia regulamentar revogada do RSECE e a vigente metodologia regulamentar do RECS. Após apresentação dos dois regulamentos e da identificação das principais diferenças entre as duas metodologias regulamentares, procedeu-se ao enquadramento da fracção em estudo no âmbito de aplicação do RSECE e do RECS. Segundo os dois regulamentos a fracção não está sujeita a requisitos mínimos de qualidade térmica, nem a quaisquer requisitos energéticos e de eficiência dos sistemas técnicos, ao tratar-se de uma pequena fracção de serviços existente. Recorrendo ao software DesignBuilder, gerou-se o modelo da fracção em estudo, que através da simulação dinâmica multizona permitiu obter os consumos de energia anuais e a sua desagregação por utilização final. A partir dos consumos energia, determinaram-se os indicadores de eficiência energética de acordo com as duas metodologias, permitindo deste modo, proceder à classificação energética da fracção em estudo. De acordo com o RSECE a fracção em estudo obteve a classificação D, já segundo o RECS alcançou a classe C. Para aumentar a eficiência energética da fracção e consequentemente diminuir o consumo energético, foi proposto proceder à substituição das lâmpadas existentes por lâmpadas tubulares de tecnologia LED e à substituição do sistema de ventilação mecânico por um sistema de ventilação dimensionado para os novos valores de caudal de ar novo regulamentares. Com a implementação destas duas medidas a fracção em estudo melhoraria a sua classificação energética, exigindo um investimento baixo e apresentando um período de retorno de 1 ano e 5 meses. Segundo o RSECE passaria para a classe B, e aplicando a metodologia regulamentar do RECS alcançaria a classe B-.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Análise e identificação do sinal de aceleração num pé

Com a massificação do uso da tecnologia no dia-a-dia, os sistemas de localização têm vindo a aumentar a sua popularidade, devido à grande diversidade de funcionalidades que proporcionam e aplicações a que se destinam. No entanto, a maior parte dos sistemas de posicionamento não funcionam adequadamente em ambientes indoor, impedindo o desenvolvimento de aplicações de localização nestes ambientes. Os acelerómetros são muito utilizados nos sistemas de localização inercial, pelas informações que fornecem acerca das acelerações sofridas por um corpo. Para tal, neste trabalho, recorrendo à análise do sinal de aceleração provindo de um acelerómetro, propõe-se uma técnica baseada na deteção de passos para que, em aplicações futuras, possa constituir-se como um recurso a utilizar para calcular a posição do utilizador dentro de um edifício. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento da análise e identificação do sinal de aceleração obtido num pé, por forma a determinar a duração de um passo e o número de passos dados. Para alcançar o objetivo de estudo foram analisados, com recurso ao Matlab, um conjunto de 12 dados de aceleração (para marcha normal, rápida e corrida) recolhidos por um sistema móvel (e provenientes de um acelerómetro). A partir deste estudo exploratório tornou-se possível apresentar um algoritmo baseado no método de deteção de pico e na utilização de filtros de mediana e Butterworth passa-baixo para a contagem de passos, que apresentou bons resultados. Por forma a validar as informações obtidas nesta fase, procedeu-se, seguidamente, à realização de um conjunto de testes experimentais a partir da recolha de 33 novos dados para a marcha e corrida. Identificaram-se o número de passos efetuados, o tempo médio de passo e da passada e a percentagem de erro como as variáveis em estudo. Obteve-se uma percentagem de erro igual a 1% para o total dos dados recolhidos de 20, 100, 500 e 1000 passos com a aplicação do método proposto para a contagem do passo. Não obstante as dificuldades observadas na análise dos sinais de aceleração relativos à corrida, o algoritmo proposto mostrou bom desempenho, conseguindo valores próximos aos esperados. Os resultados obtidos permitem afirmar que foi possível atingir-se o objetivo de estudo com sucesso. Sugere-se, no entanto, o desenvolvimento de futuras investigações de forma a alargar estes resultados em outras direções.

Desenvolvimento de um procedimento de Numerical Site Calibration para um Parque Eólico usando Dinâmica de Fluidos Computacional

Esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação de um procedimento de \Numerical Site Calibration" (NSC) para um Parque Eólico, situado a sul de Portugal, usando Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD). O NSC encontra-se baseado no \Site Calibration" (SC), sendo este um método de medição padronizado pela Comissão Electrónica Internacional através da norma IEC 61400. Este método tem a finalidade de quantificar e reduzir os efeitos provocados pelo terreno e por possíveis obstáculos, na medição do desempenho energético das turbinas eólicas. Assim, no SC são realizadas medições em dois pontos, no mastro referência e no local da turbina (mastro temporário). No entanto, em Parques Eólicos já construídos, este método não é aplicável visto ser necessária a instalação de um mastro de medição no local da turbina e, por conseguinte, o procedimento adequado para estas circunstâncias é o NSC. O desenvolvimento deste método é feito por um código CFD, desenvolvido por uma equipa de investigação do Instituto Superior de Engenharia do Porto, designado de WINDIETM, usado extensivamente pela empresa Megajoule Inovação, Lda em aplicações de energia eólica em todo mundo. Este código é uma ferramenta para simulação de escoamentos tridimensionais em terrenos complexos. As simulações do escoamento são realizadas no regime transiente utilizando as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds com aproximação de Bussinesq e o modelo de turbulência TKE 1.5. As condições fronteira são provenientes dos resultados de uma simulação realizada com Weather Research and Forecasting, WRF. Estas simulações dividem-se em dois grupos, um dos conjuntos de simulações utiliza o esquema convectivo Upwind e o outro utiliza o esquema convectivo de 4aordem. A análise deste método é realizada a partir da comparação dos dados obtidos nas simulações realizadas no código WINDIETM e a coleta de dados medidos durante o processo SC. Em suma, conclui-se que o WINDIETM e as suas configurações reproduzem bons resultados de calibração, ja que produzem erros globais na ordem de dois pontos percentuais em relação ao SC realizado para o mesmo local em estudo.

A Green Approach for Selfish Misbehavior Detection in 802.11-Based Wireless Networks

IEEE 802.11 is one of the most well-established and widely used standard for wireless LAN. Its Medium Access control (MAC) layer assumes that the devices adhere to the standard’s rules and timers to assure fair access and sharing of the medium. However, wireless cards driver flexibility and configurability make it possible for selfish misbehaving nodes to take advantages over the other well-behaving nodes. The existence of selfish nodes degrades the QoS for the other devices in the network and may increase their energy consumption. In this paper we propose a green solution for selfish misbehavior detection in IEEE 802.11-based wireless networks. The proposed scheme works in two phases: Global phase which detects whether the network contains selfish nodes or not, and Local phase which identifies which node or nodes within the network are selfish. Usually, the network must be frequently examined for selfish nodes during its operation since any node may act selfishly. Our solution is green in the sense that it saves the network resources as it avoids wasting the nodes energy by examining all the individual nodes of being selfish when it is not necessary. The proposed detection algorithm is evaluated using extensive OPNET simulations. The results show that the Global network metric clearly indicates the existence of a selfish node while the Local nodes metric successfully identified the selfish node(s). We also provide mathematical analysis for the selfish misbehaving and derived formulas for the successful channel access probability.

An efficient numerical scheme for solving multi-dimensional fractional optimal control problems with a quadratic performance index

The shifted Legendre orthogonal polynomials are used for the numerical solution of a new formulation for the multi-dimensional fractional optimal control problem (M-DFOCP) with a quadratic performance index. The fractional derivatives are described in the Caputo sense. The Lagrange multiplier method for the constrained extremum and the operational matrix of fractional integrals are used together with the help of the properties of the shifted Legendre orthonormal polynomials. The method reduces the M-DFOCP to a simpler problem that consists of solving a system of algebraic equations. For confirming the efficiency and accuracy of the proposed scheme, some test problems are implemented with their approximate solutions.

Automated Synthesis Procedure of RF Discrete Tuning Differential Capacitance Circuits

The paper presents a RFDSCA automated synthesis procedure. This algorithm determines several RFDSCA circuits from the top-level system specifications all with the same maximum performance. The genetic synthesis tool optimizes a fitness function proportional to the RFDSCA quality factor and uses the epsiv-concept and maximin sorting scheme to achieve a set of solutions well distributed along a non-dominated front. To confirm the results of the algorithm, three RFDSCAs were simulated in SpectreRF and one of them was implemented and tested. The design used a 0.25 mum BiCMOS process. All the results (synthesized, simulated and measured) are very close, which indicate that the genetic synthesis method is a very useful tool to design optimum performance RFDSCAs.

On the Sensor Classification Scheme of Robotic Manipulators

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. The Fourier Transform of eighteen different signals are calculated and approximated by trendlines based on a power law formula. A sensor classification scheme based on the frequency spectrum behavior is presented.

Towards a classification scheme for musical sounds

Signal Processing: Algorithms, Architectures, Arrangements, and Applications (SPA), 2013

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.