Neural networks for condition monitoring of wind turbines gearbox

Wind energy is considered a hope in future as a clean and sustainable energy, as can be seen by the growing number of wind farms installed all over the world. With the huge proliferation of wind farms, as an alternative to the traditional fossil power generation, the economic issues dictate the necessity of monitoring systems to optimize the availability and profits. The relatively high cost of operation and maintenance associated to wind power is a major issue. Wind turbines are most of the time located in remote areas or offshore and these factors increase the referred operation and maintenance costs. Good maintenance strategies are needed to increase the health management of wind turbines. The objective of this paper is to show the application of neural networks to analyze all the wind turbine information to identify possible future failures, based on previous information of the turbine.

Avaliação da integridade estrutural de uma prótese cimentada por emissão acústica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

The importance of control monitoring systems in wind parks maintenance

The objective of every wind energy producer is to reduce operational costs associated to the production as a way to increase profits. One other issue that must be looked carefully is the equipment maintenance. Increase the availability of wind turbines by reducing the downtime associated to failures is a good strategy to achieve the main goal of increase profits. As a way to help in the definition of the best maintenance strategies, condition monitoring systems (CMS) have an important role to play. Informatics tools to make the condition monitoring of the wind turbines were developed and are now being installed as a way to help producers reducing the operational costs. There are a lot of developed systems to do the monitoring of a wind turbine or the whole wind park, in this paper will be made an overview of the most important systems.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Emissões de carbono: caracterização do perfil de emissões de gases de efeito de estufa associadas à Monteiro, Ribas - Embalagens Flexíveis, S.A.

A presente dissertação tem como principal objectivo estimar as emissões de carbono resultantes das actividades da Monteiro, Ribas- Embalagens Flexíveis, S.A. A realização do inventário de gases de efeito estufa permite que a Monteiro, Ribas- Embalagens Flexíveis, S.A, identifique quais as suas fontes emissoras e quantifique as emissões de gases de efeito estufa, permitindo criar estratégias de redução das mesmas. A elaboração do inventário foi fundamentada nas directrizes do Greenhouse Gas Protocol, obedecendo aos princípios de relevância, integrabilidade, consistência, transparência e exactidão. A metodologia adoptada utiliza factores de emissão documentados para efectuar o cálculo das emissões de gases de efeito de estufa (GEE). Estes factores são rácios que relacionam as emissões de GEE com dados de actividade específicos para cada fonte de emissão. Como emissões directas (âmbito 1), foram quantificadas as emissões provenientes do uso de gás natural nas caldeiras, consumo de vapor e de água quente, e as emissões do veículo comercial da empresa. Como emissões indirectas de âmbito 2, incluem-se as resultantes da electricidade consumida. As emissões indirectas estimadas de âmbito 3 referem-se, no caso em estudo, ao transporte de resíduos, ao deslocamento de funcionários para a empresa e às viagens de negócio. Face ao tipo de emissões identificadas, criou-se uma ferramenta de cálculo que contém todos os valores de factores de emissão que podem ser utilizados em função das características específicas dos dados de actividade relativos às várias fontes emissoras da Empresa. Esta ferramenta permitirá, no futuro, aperfeiçoar o cálculo das emissões, a partir de uma melhor sistematização da informação disponível. Com este trabalho também foi possível identificar a necessidade de recolher e organizar alguma informação complementar à já existente. O ano base considerado foi 2011. Os resultados obtidos mostram que, neste ano, as actividades da Monteiro, Ribas- Embalagens Flexíveis, S.A serão responsáveis pela emissão de 2968,6 toneladas de CO2e (dióxido de carbono equivalente). De acordo com a Decisão 2007/589/CE da Comissão de 18 de Julho de 2007 conclui-se que a Monteiro, Ribas Embalagens e Flexíveis S.A. se enquadra na categoria de instalações com baixo níveis de emissões pois as suas emissões médias anuais são inferiores a 25000 toneladas de CO2e. Conclui-se que a percentagem maior das emissões estimadas (50,7 %) é proveniente do consumo de electricidade (emissões indirectas, âmbito 2), seguida pelo consumo de gás natural (emissões directas) que representa 39,4% das emissões. Relacionando os resultados obtidos com a produção total da Monteiro, Ribas- Embalagens Flexíveis, S.A, em 2011, obtém-se o valor de 0,65 kg de CO2e por cada quilograma de produto final. Algumas das fontes emissoras identificadas não foram incorporadas no inventário da empresa, nomeadamente o transporte das matérias-primas e dos produtos. Isto deve-se ao facto de não ter sido possível compilar a informação necessária, em tempo útil. Apesar de se tratar de emissões indirectas de âmbito 3, consideradas opcionais, recomenda-se que num próximo trabalho deste tipo, essas emissões possam vir a ser quantificadas. As principais incertezas associadas às estimativas de emissão dizem respeito aos dados de actividade uma vez que foi a primeira vez que a empresa realizou um inventário de gases de efeito de estufa. Há informações mais específicas sobre os dados de actividade que a empresa dispõe e que poderá, de futuro, sistematizar de uma forma mais adequada para a sua utilização com este fim.

Impact of vehicular traffic emissions on particulate-bound PAHs: levels and associated health risks

Considering vehicular transport as one of the most health‐relevant emission sources of urban air, and with aim to further understand its negative impact on human health, the objective of this work was to study its influence on levels of particulate‐bound PAHs and to evaluate associated health risks. The 16 PAHs considered by USEPA as priority pollutants, and dibenzo[a, l]pyrene associated with fine (PM2.5) and coarse (PM2.5–10) particles were determined. The samples were collected at one urban site, as well as at a reference place for comparison. The results showed that the air of the urban site was more seriously polluted than at the reference one, with total concentrations of 17 PAHs being 2240% and 640% higher for PM2.5 and PM2.5–10, respectively; vehicular traffic was the major emission source at the urban site. PAHs were predominantly associated with PM2.5 (83% to 94% of ΣPAHs at urban and reference site, respectively) with 5 rings PAHs being the most abundant groups of compounds at both sites. The risks associated with exposure to particulate PAHs were evaluated using the TEF approach. The estimated value of lifetime lung cancer risks exceeded the health‐based guideline levels, thus demonstrating that exposure to PM2.5‐bound PAHs at levels found at urban site might cause potential health risks. Furthermore, the results showed that evaluation of benzo[a] pyrene (regarded as a marker of the genotoxic and carcinogenic PAHs) alone would probably underestimate the carcinogenic potential of the studied PAH mixtures.

Assessment of heavy metals in the surroundings of coal-fired power plant

This paper aims to survey metal concentrations in soils in the vicinity of a coal-firedpower plant located in southwest of Portugal. Two annual sampling campaigns were carried out to measure a hypothetical soil contamination around the coal plant. The sampling area was divided into two subareas, both centered in the emission source, delimited by two concentric circles with radius of 6 km and 20 km. About 40 samplings points were defined in the influence area. Metals measurements were performed with a portable analytical X-ray dispersive energy fluorescence spectrometer identifying about 20 different elements in each sampling point. The most relevant elements measured included As, Cu, Fe, Hg, Pb, Ti and Zn in both sampling areas. Considering the results obtained in the first sampling campaign, arsenic is predominantly higher within the 6-20 km sampling area. The second sampling campaign showed that both sampling areas presented relatively similar metal concentrations except for Fe, Mn, Sr and Zn which concentration is higher within the 6-20 km sampling area. Also, As, Fe, Mn and Ti concentrations decreased significantly from the first to the second sampling campaign and their concentration were predominately higher in the NE-E and E-SE directions.

Impact of the Meteorology Conditions on the Particulate Matter Dispersion from an Industrial Complex into Urban and Suburban Areas

The aim of this work was to assess the influence of meteorological conditions on the dispersion of particulate matter from an industrial zone into urban and suburban areas. The particulate matter concentration was related to the most important meteorological variables such as wind direction, velocity and frequency. A coal-fired power plant was considered to be the main emission source with two stacks of 225 m height. A middle point between the two stacks was taken as the centre of two concentric circles with 6 and 20 km radius delimiting the sampling area. About 40 sampling collectors were placed within this area. Meteorological data was obtained from a portable meteorological station placed at approximately 1.7 km to SE from the stacks. Additional data was obtained from the electrical company that runs the coal power plant. These data covers the years from 2006 to the present. A detailed statistical analysis was performed to identify the most frequent meteorological conditions concerning mainly wind speed and direction. This analysis revealed that the most frequent wind blows from Northwest and North and the strongest winds blow from Northwest. Particulate matter deposition was obtained in two sampling campaigns carried out in summer and in spring. For the first campaign the monthly average flux deposition was 1.90 g/m2 and for the second campaign this value was 0.79 g/m2. Wind dispersion occurred predominantly from North to South, away from the nearest residential area, located at about 6 km to Northwest from the stacks. Nevertheless, the higher deposition fluxes occurred in the NW/N and NE/E quadrants. This study was conducted considering only the contribution of particulate matter from coal combustion, however, others sources may be present as well, such as road traffic. Additional chemical analyses and microanalysis are needed to identify the source linkage to flux deposition levels.

Caracterização de Particulas de Desgaste do Rolamentos por Ferrografia e Ferrometria

Avarias em rolamentos são causas comuns de falhas em máquinas e equipamentos industriais. Portanto, é importante a aplicação de técnicas que permitam a deteção e a identificação do problema o mais cedo possível a fim de evitar a destruição do rolamento e consequente paragem da máquina. Logo, o processo de monitorização do estado dos rolamentos deve receber uma atenção especial no plano de manutenção de qualquer indústria. Este trabalho tem, assim, como principal objetivo a caracterização das partículas de desgaste provenientes de rolamentos através da análise dos seus lubrificantes por ferrometria e ferrografia analítica. Estas técnicas permitem identificar e caracterizar as várias partículas de desgaste presentes numa amostra de lubrificante, permitindo não só avaliar o grau de severidade do desgaste mas também identificar o tipo de desgaste predominante (fadiga, abrasão, corrosão,etc.), e até identificar os diferentes materiais das partículas que se podem associar a componentes específicos com falhas. A criação de uma base de dados para armazenar os resultados, os comentários e as informações mais importantes obtidos nos ensaios experimentais, assim como a análise de alguns casos práticos, foram também realizados no âmbito deste trabalho. Para desenvolver um conhecimento mais profundo sobre as técnicas utilizadas foi importante fazer uma análise aos diversos tipos de rolamentos, a sua lubrificação e as causas e tipos principais de avarias encontradas.

PAH air pollution at a Portuguese urban area: carcinogenic risks and sources identification

This study aimed to characterize air pollution and the associated carcinogenic risks of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) at an urban site, to identify possible emission sources of PAHs using several statistical methodologies, and to analyze the influence of other air pollutants and meteorological variables on PAH concentrations.The air quality and meteorological data were collected in Oporto, the second largest city of Portugal. Eighteen PAHs (the 16 PAHs considered by United States Environment Protection Agency (USEPA) as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene, and benzo[j]fluoranthene) were collected daily for 24 h in air (gas phase and in particles) during 40 consecutive days in November and December 2008 by constant low-flow samplers and using polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane filters for particulate (PM10 and PM2.5 bound) PAHs and pre-cleaned polyurethane foam plugs for gaseous compounds. The other monitored air pollutants were SO2, PM10, NO2, CO, and O3; the meteorological variables were temperature, relative humidity, wind speed, total precipitation, and solar radiation. Benzo[a]pyrene reached a mean concentration of 2.02 ngm−3, surpassing the EU annual limit value. The target carcinogenic risks were equal than the health-based guideline level set by USEPA (10−6) at the studied site, with the cancer risks of eight PAHs reaching senior levels of 9.98×10−7 in PM10 and 1.06×10−6 in air. The applied statistical methods, correlation matrix, cluster analysis, and principal component analysis, were in agreement in the grouping of the PAHs. The groups were formed according to their chemical structure (number of rings), phase distribution, and emission sources. PAH diagnostic ratios were also calculated to evaluate the main emission sources. Diesel vehicular emissions were the major source of PAHs at the studied site. Besides that source, emissions from residential heating and oil refinery were identified to contribute to PAH levels at the respective area. Additionally, principal component regression indicated that SO2, NO2, PM10, CO, and solar radiation had positive correlation with PAHs concentrations, while O3, temperature, relative humidity, and wind speed were negatively correlated.

Run-time monitoring in real-time operating systems

Embedded systems are increasingly complex and dynamic, imposing progressively higher developing time and costs. Tuning a particular system for deployment is thus becoming more demanding. Furthermore when considering systems which have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to external applications, and a runtime monitoring mechanism must be available. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Mechanisms for reflection-based monitoring of real- time systems

Monitoring is a very important aspect to consider when developing real-time systems. However, it is also important to consider the impact of the monitoring mechanisms in the actual application. The use of Reflection can provide a clear separation between the real-time application and the implemented monitoring mechanisms, which can be introduced (reflected) into the underlying system without changing the actual application part of the code. Nevertheless, controlling the monitoring system itself is still a topic of research. The monitoring mechanisms must contain knowledge about “how to get the information out”. Therefore, this paper presents the ongoing work to define a suitable strategy for monitoring real-time systems through the use of Reflection.

Operational modal monitoring of ancient structures using wireless technology

Operational Modal Analysis is currently applied in structural dynamic monitoring studies using conventional wired based sensors and data acquisition platforms. This approach, however, becomes inadequate in cases where the tests are performed in ancient structures with esthetic concerns or in others, where the use of wires greatly impacts the monitoring system cost and creates difficulties in the maintenance and deployment of data acquisition platforms. In these cases, the use of sensor platforms based on wireless and MEMS would clearly benefit these applications. This work presents a first attempt to apply this wireless technology to the structural monitoring of historical masonry constructions in the context of operational modal analysis. Commercial WSN platforms were used to study one laboratory specimen and one of the structural elements of a XV century building in Portugal. Results showed that in comparison to the conventional wired sensors, wireless platforms have poor performance in respect to the acceleration time series recorded and the detection of modal shapes. However, for frequency detection issues, reliable results were obtained, especially when random excitation was used as noise source.

Run-time monitoring approach for the shark kernel

Typically common embedded systems are designed with high resource constraints. Static designs are often chosen to address very specific use cases. On contrast, a dynamic design must be used if the system must supply a real-time service where the input may contain factors of indeterminism. Thus, adding new functionality on these systems is often accomplished by higher development time, tests and costs, since new functionality push the system complexity and dynamics to a higher level. Usually, these systems have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to the external applications, usually using a run-time monitoring mechanism. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.