Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Fractional order inductive phenomena based on the skin effect

The Maxwell equations play a fundamental role in the electromagnetic theory and lead to models useful in physics and engineering. This formalism involves integer-order differential calculus, but the electromagnetic diffusion points towards the adoption of a fractional calculus approach. This study addresses the skin effect and develops a new method for implementing fractional-order inductive elements. Two genetic algorithms are adopted, one for the system numerical evaluation and another for the parameter identification, both with good results.

Identificação de compostos que modulam a patogénese da doença de Machado-Joseph em C.elegans: autofagia como alvo terapêutico: identification of small compounds that modulate pathogenesis of Machado-Joseph disease in a C.elegans model: targeting autophagy

A doença de Machado-Joseph (DMJ) ou ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3), conhecida por ser a mais comum das ataxias hereditárias dominantes em todo o mundo, é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante que leva a uma grande incapacidade motora, embora sem alterar o intelecto, culminando com a morte do doente. Atualmente não existe nenhum tratamento eficaz para esta doença. A DMJ é resultado de uma alteração genética causada pela expansão de uma sequência poliglutamínica (poliQ), na região C-terminal do gene que codifica a proteína ataxina-3 (ATXN3). Os mecanismos celulares das doenças de poliglutaminas que provocam toxicidade, bem como a função da ATXN3, não são ainda totalmente conhecidos. Neste trabalho, usamos, pela sua simplicidade e potencial genético, um pequeno animal invertebrado, o nemátode C. elegans, com o objetivo de identificar fármacos eficazes para o combate contra a patogénese da DMJ, analisando simultaneamente o seu efeito na agregação da ATXN3 mutante nas células neuronais in vivo e o seu impacto no comportamento motor dos animais. Este pequeno invertebrado proporciona grandes vantagens no estudo dos efeitos tóxicos de proteínas poliQ nos neurónios, uma vez que a transparência das suas 959 células (das quais 302 são neurónios) facilita a deteção de proteínas fluorescentes in vivo. Para além disso, esta espécie tem um ciclo de vida curto, é económica e de fácil manutenção. Neste trabalho testámos no nosso modelo transgénico da DMJ com 130Qs em C.elegans dois compostos potencialmente moduladores da agregação da ATXN3 mutante e da resultante disfunção neurológica, atuando pela via da autofagia. De modo a validar a possível importância terapêutica da ativação da autofagia os compostos candidatos escolhidos foram o Litío e o análogo da Rapamicina CCI-779, testados independentemente e em combinação. A neuroproteção conferida pelo Litío e pelo CCI-779 independentemente sugere que o uso destes fármacos possa ser considerado uma boa estratégia como terapia para a DMJ, a testar em organismos evolutivamente mais próximos do humano. A manipulação da autofagia, segundo vários autores, parece ser benéfica e pode ser a chave para o desenvolvimento de novos tratamentos para várias doenças relacionadas com a agregação proteica e o envelhecimento.

Multi-apprentice learning for meta-heuristics parameter tuning in a multi agent scheduling system

The scheduling problem is considered in complexity theory as a NP-hard combinatorial optimization problem. Meta-heuristics proved to be very useful in the resolution of this class of problems. However, these techniques require parameter tuning which is a very hard task to perform. A Case-based Reasoning module is proposed in order to solve the parameter tuning problem in a Multi-Agent Scheduling System. A computational study is performed in order to evaluate the proposed CBR module performance.

Identification of neuronal alterations induced by Shank3 mutations using iPS cells from Phelan-McDermid Patients' Fibroblasts

A família de proteínas Shank é o principal conjunto de proteinas de suporte e está localizada na densidade pós-sináptica das sinapses excitatórias. Existem 3 genes na família Shank, Shank1, Shank2 e Shank3 e são caracterizados por múltiplos domínios repetidos de anquirina próximo ao N-terminal seguido pelos domínios Src homologo 3 e PDZ, uma região longa rica em prolina e um domínio de motivo α estéril próximo ao C-terminal. Shank proteínas conectam duas subunidades de receptors glutamatérgicos, recetores NMDA e recetores metabotrópicos de glutamato do tipo-I (mGluRs). O domínio PDZ da Shank conecta-se ao C-terminal do GKAP e este, liga-se, ao complexo recetor PSD-95-NMDA. Por outro lado, a proteína Homer interage com o domínio rico em prolina para confirmar a associação entre a proteína Shank com o mGluR tipo-I. A proteína específica em estudo, Shank3, é haploinsuficiente em pacientes com sindrome Phelan-McDermid devido à deleções no braço comprido do cromossoma 22 levando à danos intelectuais, ausência ou atraso no discurso, comportamentos semelhantes ao autismo, hipotonia e características dismórficas. Neste trabalho, investigamos o papel da Shank3 na função sináptica para compreender a relação entre alterações nesta proteína e as características neurológicas presente em Pacientes com síndrome Phelan-McDermid. Foram utilizados dois modelos diferentes, ratinhos knockout Shank3 e hiPSC de pacientes com PMS. Ratinhos geneticamente modificados são ferramentas uteis no estudo de genes e na compreensão dos mecanismos que experiências in vitro não são capazes de reproduzir, mas de maneira a compreender melhor as patologias humanas, decidimos trabalhar também com células humanas. Os fibroblastos dos pacientes com síndrome Phelan-McDermid fora reprogramados em hiPS cells, diferenciados em neurónios e comparados com os neurónios obtidos a partir de doadores saudavéis e da mesma idade. A reprogramação em iPSC foi realizada por infecção de lentivirus com quatro genes de reprogramação OCT4, c-MYC, SOX2 e KFL4 para posteriormente serem diferenciados em neurónios, com cada passo sendo positivamente confirmado através de marcadores neuronais. Através dos neurónios diferenciados, analisamos a expressão de proteínas sinápticas. Pacientes com haploinsuficiencia na proteína Shank3 apresentam níveis elevados de proteína mGluR5 e decrescidos de proteína Homer sugerindo que a haploinsuficiencia leva a desregulação do complexo mGluR5-Homer-Shank3 conduzindo também, a defeitos na maturação sináptica. Assim, a expressão da proteína mGluR5 está alterada nos pacientes com PMS podendo estar relacionada com defeitos encontrados na diferenciação neuronal e maturação sináptica observados nos neurónios de pacientes. Conclusivamente, iPS cells representam um modelo fundamental no estudo da proteína Shank3 e a sua influência no sindrome de Phelan-McDermid.

Contribution of hospital effluents to the load of pharmaceuticals in urban wastewaters: Identification of ecologically relevant pharmaceuticals

The impact of effluent wastewaters from four different hospitals: a university (1456 beds), a general (350 beds), a pediatric (110 beds) and a maternity hospital (96 beds), which are conveyed to the same wastewater treatment plant (WWTP), was evaluated in the receiving urban wastewaters. The occurrence of 78 pharmaceuticals belonging to several therapeutic classes was assessed in hospital effluents and WWTP wastewaters (influent and effluent) as well as the contribution of each hospital in WWTP influent in terms of pharmaceutical load. Results indicate that pharmaceuticals are widespread pollutants in both hospital and urban wastewaters. The contribution of hospitals to the input of pharmaceuticals in urban wastewaters widely varies, according to their dimension. The estimated total mass loadings were 306 g d− 1 for the university hospital, 155 g d− 1 for the general one, 14 g d− 1 for the pediatric hospital and 1.5 g d− 1 for the maternity hospital, showing that the biggest hospitals have a greater contribution to the total mass load of pharmaceuticals. Furthermore, analysis of individual contributions of each therapeutic group showed that NSAIDs, analgesics and antibiotics are among the groups with the highest inputs. Removal efficiency can go from over 90% for pharmaceuticals like acetaminophen and ibuprofen to not removal for β-blockers and salbutamol. Total mass load of pharmaceuticals into receiving surface waters was estimated between 5 and 14 g/d/1000 inhabitants. Finally, the environmental risk posed by pharmaceuticals detected in hospital and WWTP effluents was assessed by means of hazard quotients toward different trophic levels (algae, daphnids and fish). Several pharmaceuticals present in the different matrices were identified as potentially hazardous to aquatic organisms, showing that especial attention should be paid to antibiotics such as ciprofloxacin, ofloxacin, sulfamethoxazole, azithromycin and clarithromycin, since their hazard quotients in WWTP effluent revealed that they could pose an ecotoxicological risk to algae.

Brewer's spent grain from different types of malt: Evaluation of the antioxidant activity and identification of the major phenolic compounds

The antioxidant activity and phenolic composition of brewer's spent grain (BSG) extracts obtained by microwave-assisted extraction from twomalt types (light and darkmalts) were investigated. The total phenolic content (TPC) and antioxidant activity among the light BSG extracts (pilsen, melano, melano 80 and carared)were significantly different (p b 0.05) compared to dark extracts (chocolate and black types), with the pilsen BSG showing higher TPC (20 ± 1 mgGAE/g dry BSG). In addition, the antioxidant activity assessed by 2,2-diphenyl- 1-picrylhydrazyl, 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) and deoxyribose assays decreased as a result of increasing kilning temperatures in the following order: pilsen N melano N melano 80 N carared N chocolate N black. HPLC-DAD/ESI-MS/MS analysis indicated the presence of phenolic acids, such as ferulic, p-coumaric and syringic acids, as well as several isomeric ferulate dehydrodimers and one dehydrotrimer. Chocolate and black extracts, obtained frommalts submitted to the highest kilning temperatures, showed the lowest levels of ferulic and p-coumaric acids. These results suggested that BSG extracts from pilsen malt might be used as an inexpensive and good natural source of antioxidants with potential interest for the food, pharmaceutical and/or cosmetic industries after purification.

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.

Demo: automatic personal identification system for security in critical services: a case study

The demonstration proposal moves from the capabilities of a wireless biometric badge [4], which integrates a localization and tracking service along with an automatic personal identification mechanism, to show how a full system architecture is devised to enable the control of physical accesses to restricted areas. The system leverages on the availability of a novel IEEE 802.15.4/Zigbee Cluster Tree network model, on enhanced security levels and on the respect of all the users' privacy issues.

Study of Proposed Identification of Non-Technical Losses of Electricity in Brazil

The electric utilities have large revenue losses annually due to commercial losses, which are caused mainly by fraud on the part of consumers and faulty meters. Automatic detection of such losses where there is a complex problem, given the large number of consumers and the high cost of each inspection, not to mention the wear of the relationship between company and consumer. Given the above, this paper aims to briefly present some methodologies applied by utilities to identify consumer frauds.

Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Integer and Fractional Order Entropy Analysis of Earthquake Data-series

This paper studies the statistical distributions of worldwide earthquakes from year 1963 up to year 2012. A Cartesian grid, dividing Earth into geographic regions, is considered. Entropy and the Jensen–Shannon divergence are used to analyze and compare real-world data. Hierarchical clustering and multi-dimensional scaling techniques are adopted for data visualization. Entropy-based indices have the advantage of leading to a single parameter expressing the relationships between the seismic data. Classical and generalized (fractional) entropy and Jensen–Shannon divergence are tested. The generalized measures lead to a clear identification of patterns embedded in the data and contribute to better understand earthquake distributions.

Entropy Analysis of Industrial Accident Data Series

Complex industrial plants exhibit multiple interactions among smaller parts and with human operators. Failure in one part can propagate across subsystem boundaries causing a serious disaster. This paper analyzes the industrial accident data series in the perspective of dynamical systems. First, we process real world data and show that the statistics of the number of fatalities reveal features that are well described by power law (PL) distributions. For early years, the data reveal double PL behavior, while, for more recent time periods, a single PL fits better into the experimental data. Second, we analyze the entropy of the data series statistics over time. Third, we use the Kullback–Leibler divergence to compare the empirical data and multidimensional scaling (MDS) techniques for data analysis and visualization. Entropy-based analysis is adopted to assess complexity, having the advantage of yielding a single parameter to express relationships between the data. The classical and the generalized (fractional) entropy and Kullback–Leibler divergence are used. The generalized measures allow a clear identification of patterns embedded in the data.

Fractional Dynamics and Control of Distributed Parameter Systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades, due to the progress in the area of chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses a FC perspective in the study of the dynamics and control of some distributed parameter systems.

Symmetry and order parameter dynamics of the human odometer

Bipedal gaits have been classified on the basis of the group symmetry of the minimal network of identical differential equations (alias cells) required to model them. Primary bipedal gaits (e.g., walk, run) are characterized by dihedral symmetry, whereas secondary bipedal gaits (e.g., gallop-walk, gallop- run) are characterized by a lower, cyclic symmetry. This fact has been used in tests of human odometry (e.g., Turvey et al. in P Roy Soc Lond B Biol 276:4309–4314, 2009, J Exp Psychol Hum Percept Perform 38:1014–1025, 2012). Results suggest that when distance is measured and reported by gaits from the same symmetry class, primary and secondary gaits are comparable. Switching symmetry classes at report compresses (primary to secondary) or inflates (secondary to primary) measured distance, with the compression and inflation equal in magnitude. The present research (a) extends these findings from overground locomotion to treadmill locomotion and (b) assesses a dynamics of sequentially coupled measure and report phases, with relative velocity as an order parameter, or equilibrium state, and difference in symmetry class as an imperfection parameter, or detuning, of those dynamics. The results suggest that the symmetries and dynamics of distance measurement by the human odometer are the same whether the odometer is in motion relative to a stationary ground or stationary relative to a moving ground.