Gestão de Energia Renovável para Sistemas Insulares - Projeto para Ilha de Santiago – Cabo Verde

A opção pela elaboração do presente projeto decorre da importância que as energias renováveis já têm, e poderão vir a assumir, no contexto do desenvolvimento económico das ilhas de Cabo Verde. O projeto foi elaborado com base nas necessidades reais do país, identificadas por estudos realizados por entidades especializadas na área, e visa desbravar vias para um possível e desejável alargamento da utilização de energias renováveis no país. O projeto é direccionado para a produção de energia visando complementar o abastecimento através da rede pública, que é gerida por uma empresa estatal, a ELECTRA. Pressupõe que toda a energia produzida é adquirida por esta empresa como, aliás, legalmente está estabelecido. Na elaboração do projeto teve-se em conta o impacto ambiental do mesmo, incluindo os seus efeitos no plano financeiro. O projeto assenta num diagnóstico relativamente aprofundado do setor de produção de energia elétrica e caracteriza o setor tal como se apresenta actualmente. Foi direccionado essencialmente para a ilha de Santiago, a maior do país, que congrega cerca de 56 % da população. Procedeu-se, em particular, a uma análise detalhada dos parques eólicos e solares existentes no país. O projeto avalia com relativa profundidade a evolução recente da procura de energia elétrica, e o potencial das energias renováveis, com ênfase nas energias eólica e solar, as mais relevantes para o país, pelo menos no futuro próximo. O sistema tarifário foi, igualmente, objecto de discussão no decurso da elaboração do projeto. Finalmente, a elaboração do projeto conduziu-nos ao estudo das orientações estratégicas, objetivos e políticas governamentais para a área da produção de energia elétrica. No plano financeiro, foram considerados três cenários baseados no grau de utilização da radiação solar (fotovoltaica) ou aproveitamento dos ventos (eólica). Para cada cenário foram avaliadas alternativas, que consistem basicamente na utilização de diferentes preços de venda, num leque que se situa em níveis comparáveis aos que actualmente são praticados.

Remediação Ambiental

A agricultura é uma das atividades mais antigas realizadas pelo Homem, sendo de grande importância para a obtenção tanto de bens alimentares como de bens para outros fins. No entanto desde o início constatou-se que as culturas eram afetadas por pragas e doenças que levavam à perda das colheitas. Este motivo deu origem à necessidade de nesses termos surgiu a aplicação de substâncias com o objetivo de proteger as colheitas. Os pesticidas são substâncias naturais ou sintéticas, aplicadas com o objetivo de proteger as plantas eliminando pragas e doenças. Para além da potencial toxicidade destas substâncias, em alguns casos a sua degradação no meio ambiente por microrganismos, hidrólise, radiação solar, etc. dá origem a produtos de degradação tanto ou mais tóxicos que os próprios pesticidas. A utilização deste tipo de substâncias acarreta problemas, visto a sua aplicação ser feita de forma a compensar perdas que ocorrem por meio de degradação, lixiviação, entre outros processos. Este tipo de aplicação leva a que haja contaminação do meio ambiente por parte dos pesticidas, pondo em risco tanto a saúde humana como os restantes seres vivos. A utilização de ciclodextrinas no encapsulamento destes compostos tem como objetivo aumentar a estabilidade do composto e promover a sua libertação de forma controlada. No presente trabalho pretende-se efetuar um estudo comparativo sobre a fotodegradação do herbicida terbutilazina e do fungicida pirimetanil livres e quando encapsulados com 2- hidroxipropil-β- ciclodextrina. De forma a quantificar os pesticidas ao longo do estudo foi utilizado o método analítico de HPLC de fase reversa. Os resultados permitiram constatar que a terbutilazina é fotoquimicamente estável, nas condições aplicadas, visto que ao fim de 75 dias de as soluções de pesticida livre em água desionizada e em água do rio apresentarem ainda 98% do pesticida inicial e as soluções de pesticida encapsulado em água desionizada e em água do rio apresentarem ainda 98% do pesticida inicial. Neste caso particular não foi possível, no intervalo de tempo considerado, avaliar a influência do encapsulamento no processo de fotodegradação da terbutilazina. Dada a baixa fotodegradação observada optou-se pela adição de peróxido de hidrogénio às soluções de controlo e 35 mM de HP-β-CD e acetona às soluções de 0 mM e 17,5 mM de HP-β-CD, para tentar promover a degradação do pesticida. Através dos resultados obtidos constatou-se que particularmente para as soluções onde foi adicionada acetona houve um aumento da velocidade de degradação no entanto esta ainda ocorria de forma lenta e muito semelhante quer para o pesticida livre quer para o encapsulado. Relativamente ao estudo da fotodegradação do pirimetanil verificou-se que ao fim de 4 dias de irradiação as soluções de pesticida livre apresentavam já alguma degradação do pesticida e tendo o período de irradiação uma duração de 53 dias foi possível para este pesticida determinar os parâmetros cinéticos em algumas das soluções. Quanto as soluções de água desionizada e água do rio com pirimetanil livre ambas apresentaram degradação do pesticida verificando-se uma cinética de reação de 1ª ordem com constantes de 0,0018 dias-1 e de 0,0060 dias-1 respetivamente. Para a solução de água desionizada com pirimetanil encapsulado não foi detetada degradação do pesticida, já para a solução com pirimetanil encapsulado em água do rio verificou-se a existência de degradação que correspondeu a uma cinética de degradação de 1ª ordem com uma constante de 0,0013 dias-1. Através dos resultados obtidos pode-se concluir que o encapsulamento do pirimetanil com 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina é vantajoso visto diminuir a quantidade de pesticida utilizado e aumentar a eficácia do controlo das pragas.

Estudo sobre viabilidade de produção descentralizada de energia à custa do efeito chaminé

A procura por alternativas ao atual paradigma energético, que se caracteriza por uma predominância indiscutível das fontes combustíveis fósseis, é o motivo primário desta investigação. A energia emitida pelo Sol que chega à Terra diariamente ultrapassa em várias ordens de grandeza a energia que a nossa sociedade atual necessita. O efeito chaminé é uma das formas de aproveitar essa energia. Este efeito tem origem no diferencial de temperaturas existente entre o interior e o exterior de uma chaminé, que provoca um gradiente nas massas volúmicas do fluido entre o interior e o exterior da chaminé, induzindo assim um fluxo de ar. Esta diferença de temperaturas radica na exposição da face exterior da chaminé à radiação solar. No sistema que nos propomos estudar, o ar entra na chaminé por pequenos orifícios situados na sua base, e, ao tomar contacto com as paredes internas da chaminé, aquece desde a temperatura ambiente, Ta, até à temperatura interna, Ti . Este aumento de temperatura torna o ar dentro da chaminé mais “leve” em comparação com o ar mais frio do exterior levando-o a ascender ao longo do interior da chaminé. Este escoamento contém energia cinética que pode, por exemplo, ser transformada em energia elétrica por intermédio de turbinas. A eficiência de conversão da energia será tanto maior quanto menor for a velocidade do ar a jusante da turbina. Esta tecnologia poderá ser instalada de forma descentralizada, como acontece com as atuais centrais concentradoras solares térmicas e fotovoltaicas localizadas na periferia de grandes cidades ou, alternativamente, poderá ser inserida no próprio tecido urbanístico. A investigação demonstra que as dimensões da chaminé, a irradiação e a temperatura do ar são os fatores com maior impacto na potência hidráulica gerada.

Modelling real solar cell using PSCAD/MATLAB

This paper presents the development of a solar photovoltaic (PV) model based on PSCAD/EMTDC - Power System Computer Aided Design – including a mathematical model study. An additional algorithm has been implemented in MATLAB software in order to calculate several parameters required by the PSCAD developed model. All the simulation study has been performed in PSCAD/MATLAB software simulation tool. A real data base concerning irradiance, cell temperature and PV power generation was used in order to support the evaluation of the implemented PV model.

Effect of the compact Ti layer on the efficiency of dye-sensitized solar cells assembled using stainless steel sheets

Titanium films have been deposited on stainless steel metal sheets using dc magnetron sputtering technique at different substrate temperatures. The structure of the titanium films strongly depend on the substrate temperature. The titanium film deposited at the substrate temperature lower than 300 ◦C has a loose flat sheet grains structure and the titanium film prepared at the substrate temperature higher than 500 ◦C has a dense nubby grains structure. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at high substrate temperature has a low charge transfer resistance in the TiO2/Ti interface and results in a high conversion efficiency. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at temperature higher than 500 ◦C has higher conversion efficiency than that assembled using titanium metal sheet as the substrate. The maximum conversion efficiency, 2.26% is obtained for DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at 700 ◦C substrate temperature, which is about 70% of the conversion efficiency of the FTO reference cell used in this study.

Structural modification of TiO2 nanorod films with an influence on the photovoltaic efficiency of a dye-sensitized solar cell (DSSC).

TiO2 nanorod films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. The structures of these nanorod films were modified by the variation of the oxygen pressure during the sputtering process. Although all these TiO2 nanorod films deposited at different oxygen pressures show an anatase structure, the orientation of the nanorod films varies with the oxygen pressure. Only a very weak (101) diffraction peak can be observed for the TiO2 nanorod film prepared at low oxygen pressure. However, as the oxygen pressure is increased, the (220) diffraction peak appears and the intensity of this diffraction peak is increased with the oxygen pressure. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. At low oxygen pressure, these sputtered TiO2 nanorods stick together and have a dense structure. As the oxygen pressure is increased, these sputtered TiO2 nanorods get separated gradually and have a porous structure. The optical transmittance of these TiO2 nanorod films has been measured and then fitted by OJL model. The porosities of the TiO2 nanorod films have been calculated. The TiO2 nanorod film prepared at high oxygen pressure shows a high porosity. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different oxygen pressures as photoelectrode. The optimum performance was achieved for the DSSC using the TiO2 nanorod film with the highest (220) diffraction peak and the highest porosity.

Effects of sulphurization time on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin films solar cells obtained from metallic precursors

We report the results of a study of the sulphurization time effects on Cu2ZnSnS4 absorbers and thin film solar cells prepared from dc-sputtered tackedmetallic precursors. Three different time intervals, 10 min, 30min and 60 min, at maximum sulphurization temperature were considered. The effects of this parameter' change were studied both on the absorber layer properties and on the final solar cell performance. The composition, structure, morphology and thicknesses of the CZTS layers were analyzed. The electrical characterization of the absorber layer was carried out by measuring the transversal electrical resistance of the samples as a function of temperature. This study shows an increase of the conductivity activation energy from 10 meV to 54meV for increasing sulphurization time from 10min to 60min. The solar cells were built with the following structure: SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni:Al grid. Several ac response equivalent circuit models were tested to fit impedance measurements. The best results were used to extract the device series and shunt resistances and capacitances. Absorber layer's electronic properties were also determined using the Mott–Schottky method. The results show a decrease of the average acceptor doping density and built-in voltage, from 2.0 1017 cm−3 to 6.5 1015 cm−3 and from 0.71 V to 0.51 V, respectively, with increasing sulphurization time. These results also show an increase of the depletion region width from approximately 90 nm–250 nm.

Admittance spectroscopy of Cu2ZnSnS4 based thin film solar cells

In this report, we propose an AC response equivalent circuit model to describe the admittance measurements of Cu2ZnSnS4 thin film solar cell grown by sulphurization of stacked metallic precursors. This circuit describes the contact resistances, the back contact, and the heterojunction with two trap levels. The study of the back contact resistance allowed the estimation of a back contact barrier of 246 meV. The analysis of the trap series with varying temperature revealed defect activation energies of 45 meV and 113 meV. The solar cell’s electrical parameters were obtained from the J-V curve: conversion efficiency, 1.21%; fill factor, 50%; open circuit voltage, 360 mV; and short circuit current density, 6.8 mA/cm2.

Cu2ZnSnS4 solar cells prepared with sulphurized dc-sputtered stacked metallic precursors

In the present work we report the details of the preparation and characterization results of Cu2ZnSnS4 (CZTS) based solar cells. The CZTS absorber was obtained by sulphurization of dc magnetron sputtered Zn/Sn/Cu precursor layers. The morphology, composition and structure of the absorber layer were studied by scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction and Raman scattering. The majority carrier type was identified via a hot point probe analysis. The hole density, space charge region width and band gap energy were estimated from the external quantum efficiency measurements. A MoS2 layer that formed during the sulphurization process was also identified and analyzed in this work. The solar cells had the following structure: soda lime glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Al grid. The best solar cell showed an opencircuit voltage of 345 mV, a short-circuit current density of 4.42 mA/cm2, a fill factor of 44.29% and an efficiency of 0.68% under illumination in simulated standard test conditions: AM 1.5 and 100 mW/cm2.

Growth and characterization of Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films for solar cells

Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) with their band gap energies around 1.45 eV and 1.0 eV, respectively, can be used as the absorber layer in thin film solar cells. By using a mixture of both compounds, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), a band gap tuning may be possible. The latter material has already shown promising results such as solar cell efficiencies up to 10.1%. In this work, CZTSSe thin films were grown in order to study its structure and to establish the best growth precursors. SEM micrographs reveal an open columnar structure for most samples and EDS composition profiling of the cross sections show different selenium gradients. X-ray diffractograms show different shifts of the kesterite/stannite (1 1 2) peak, which indicate the presence of CZTSSe. From Raman scattering analysis, it was concluded that all samples had traces of CZTS and CZTSSe. The composition of the CZTSSe layer was estimated using X-ray diffraction and Raman scattering and both results were compared. It was concluded that Se diffused more easily in precursors with ternary Cu–Sn–S phases and metallic Zn than in precursors with ZnS and/or CZTS already formed. It was also showed that a combination of X-ray diffraction and Raman scattering can be used to estimate the ratio of S per Se in CZTSSe samples.

Bifacial dye-sensitized solar cells: a strategy to enhance overall efficiency based on transparent polyaniline electrode

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a promising solution to global energy and environmental problems because of its clean, low-cost, high efficiency, good durability, and easy fabrication. However, enhancing the efficiency of the DSSC still is an important issue. Here we devise a bifacial DSSC based on a transparent polyaniline (PANI) counter electrode (CE). Owing to the sunlight irradiation simultaneously from the front and the rear sides, more dye molecules are excited and more carriers are generated, which results in the enhancement of short-circuit current density and therefore overall conversion efficiency. The photoelectric properties of PANI can be improved by modifying with 4-aminothiophenol (4-ATP). The bifacial DSSC with 4-ATP/PANI CE achieves a light-to-electric energy conversion efficiency of 8.35%, which is increased by ,24.6% compared to the DSSC irradiated from the front only. This new concept along with promising results provides a new approach for enhancing the photovoltaic performances of solar cells.

Implementação de um Array de detetores de radiação ionizante

Atualmente, as radiações ionizantes desempenham um papel fundamental nas áreas de diagnóstico e terapia, estando omnipresentes em ambientes hospitalares. Contudo, devido aos efeitos biológicos adversos da radiação, torna-se essencial a protecção dos profissionais de saúde e pacientes. Consequentemente, um array de detetores capazes de produzir um sinal acústico, aquando da presença de radiação ionizante excedendo determinados valores limite e transmissão via wireless das leituras para um sistema central _e de grande interesse prático. Nesta dissertação, foi implementado um sistema capaz de alimentar um array de sensores de radiação para monitorização de diferentes espaços e transmissão das leituras efetuadas via wireless. A aquisição de dados foi realizada, recorrendo à utilização de um conversor analógico-digital. Vários testes de validação foram realizados, através de vários passos para alcançar a concretização do sistema final, nomeadamente testes relativos ao circuito de detecção, módulos de comunicação wireless, bem como o uso de diferentes ambientes de desenvolvimento integrados (IDE). Os resultados destes testes mostram a visualização e gravação adequadas dos dados relativos aos níveis de radiação, bem como a transmissão de dados de forma viável, permitindo a monitorização de espaços sujeitos à presença de radiação ionizante. Desta forma, um array de contadores Geiger-Müller, ligados a módulos wireless XBee open-source e uma placa Arduino, possibilitou a implementação de um sistema viável e de baixo custo para monitorização de radiação ionizante e registar esses mesmos dados para posterior análise.

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.

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.

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.