Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

Dimensionamento de estacas baseado nos princípios da dinâmica de cravação do SPT

Este trabalho insere-se no domínio da calibração energética dos equipamentos SPT, dando seguimento ao disposto na norma EN ISO 22476-3, de aplicação obrigatória em Portugal. Para tal foi utilizada uma vara instrumentada, cuja instrumentação consiste em strain-gauges e acelerómetros piezoeléctricos. Esta instrumentação encontra-se fixa a um trecho de vara com comprimento de 60 cm e para a aquisição dos dados foi utilizado o sistema SPT Analyzer® comercializado pela firma PDI. O sistema permite registar os dados provenientes da instrumentação: sinais de um par de strain-gauges, transformados em registos de força (F1 e F2) e sinais de um par de acelerómetros, convertidos em registos de velocidade (V1 e V2) ao longo do tempo. O equipamento permite a avaliação, em tempo real, da qualidade dos registos e da energia máxima transmitida à vara em cada golpe e o conhecimento do deslocamento vertical do trem de varas ocorrido em cada golpe do martelo. Por outro lado, baseando-se no tema acima referido, pretende-se ainda desenvolver esforços no sentido de melhorar o novo método interpretativo dos resultados dos ensaios SPT e sua aplicação ao dimensionamento de estacas, dado que a previsão da capacidade de carga de estacas constitui um dos desafios da engenharia de fundações por requerer a estimativa de propriedades do solo, alterações pela execução da fundação e conhecimento do mecanismo de interacção solo-estaca. Este novo procedimento baseia-se nos princípios da dinâmica, rompendo com as metodologias até aqui consagradas, de natureza essencialmente empírica. A nova forma de interpretar os ensaios SPT, consubstanciada nos princípios de conservação de energia na cravação do amostrador SPT, irá permitir converter analiticamente o valor Nspt numa força dinâmica de reacção à penetração. A decomposição desta força dinâmica permite efectuar análises comparativas entre as resistências unitárias mobilizadas no amostrador SPT (modelo) e as mobilizadas na estaca (protótipo).

Estudo de uma instalação de climatização adiabática

Esta dissertação teve como objetivo o estudo de uma central de climatização adiabática, que tem como finalidade controlar a temperatura e a humidade de um salão com equipamentos de torcedura e de bobinagem, pertencente à Continental - ITA. Foi realizado um levantamento de dados relativamente à temperatura e humidade interior e exterior do referido salão. Verificou-se que estes parâmetros não estavam dentro dos valores ótimos desejados, 26 ± 1˚C e 50 ± 5%, e por isso foi necessário estimar as necessidades nominais de arrefecimento. Este valor foi determinado a partir do Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), obtendo-se o valor de 79 kWh/m2.˚C. No sentido de avaliar se as centrais de climatização instaladas no salão em estudo satisfaziam estas necessidades, calcularam-se as suas capacidades de arrefecimento obtendo-se um valor máximo de 64 kWh/m2.˚C. Paralelamente a este estudo, foi calculada a eficiência de humidificação para cada central nos meses de março e setembro. Os valores obtidos foram oscilantes obtendo-se um valor máximo de 100% em setembro. Este fato deve-se à temperatura exterior neste mês ser mais alta e, por consequência, a eficiência de humidificação da central é maior, pois a quantidade de água que o ar pode conter na sua composição é também mais elevada. Com o objetivo de colmatar a diferença entre as necessidades nominais de arrefecimento e a capacidade de arrefecimento das centrais, foram analisadas algumas soluções que, a serem implementadas, poderiam ajudar na poupança energética. Uma dessas soluções era a substituição do sistema atual de humidificação por um sistema mais eficiente de alta pressão. Com o estudo económico deste investimento obteve-se um período de retorno de dois anos. Foram ainda apresentados mais dois investimentos onde foi alterado o sistema de controlo automático existente, obtendo-se para um, dois anos de período de retorno e para o outro três anos e meio.

Reabilitação termo-higrométrica de edifícios de estabelecimentos de ensino construídos entre a década de 60 e 90

Em consequência da elevada permanência das pessoas em espaços interiores de edifícios, surge actualmente uma maior preocupação com o conforto térmico e qualidade do ar no seu interior. Apesar da grande evolução tecnológica dos sistemas de conservação de energia térmica e controle da qualidade do ar interior (QAI) na construção, os edifícios existentes acabam por não acompanhar essa evolução, apresentando um comportamento térmico e higrométrico que por vezes podem comprometer quer o conforto, quer a saúde e actividades dos seus utilizadores. Nos estabelecimentos de ensino, o comportamento termo-higrométrico assume um papel importante face à permanência diária de um grande número de crianças e jovens no seu interior. Com este estudo pretende-se caracterizar a qualidade do ambiente no interior de oito escolas, através de uma análise aos principais parâmetros de natureza higrotérmica de oito salas de aulas, tais como: a temperatura (ambiente e superficial), a humidade relativa (do ambiente e da superfície da envolvente exterior opaca), bem como o nível de escoamento do ar interior. Neste trabalho são apresentados os resultados das medições efectuadas em oito salas de aula que permitiram a comparação de características termo-higrométricas entre as respectivas escolas. É ainda apresentada a estimativa do nível de conforto térmico face às condições ambientais registadas, bem como a análise do risco de ocorrência de condensações interiores.

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

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

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

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

Aplicação do Ensaio de Porta Ventiladora ao Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

Com a crescente sensibilização mundial relativa ao aquecimento global, provocado pela alta quantidade de emissão de gases com efeito de estufa, torna-se imperativa a redução de consumos de combustíveis fósseis e consecutivas emissões. Ao nível da construção civil, uma intervenção eficaz na prevenção de perdas de ar aquecido poderá levar a diminuições superiores a 50% na utilização de energia. Este trabalho pretende estudar a importância da eficiência energética nos edifícios, com especial enfoque na sua permeabilidade ao ar. O ensaio de porta ventiladora permite avaliar esta permeabilidade e identificar os locais onde se dão as infiltrações, nomeadamente com auxílio da câmara térmica. O principal objectivo é estudar a aplicação deste ensaio na legislação em desenvolvimento no âmbito da certificação energética, através da comparação dos resultados de quatro habitações distintas. Também ao nível da eficiência energética, será obtida a classe energética, segundo a legislação em vigor à corrente data em Portugal, de uma das habitaçãoes ensaiadas e propostas medidas de melhoria para o desempenho energético desta. Do estudo efectuado é destacado o facto de o valor de renovações horárias do ar interior de uma fracção ser sempre inferior quando obtido unicamente através da legislação em desenvolvimento, em comparação com a obtenção deste através da legislação com auxílio do ensaio da porta ventiladora, o que leva a um grande desincentivo na utilização deste.

Estudo da redução de consumos energéticos de uma Piscina Municipal

As cada vez mais importantes questões ambientais levam à imprescindibilidade da eficiência energética, sendo que esta tem cada vez mais importância a nível mundial. Deste modo, a eficiência energética, quer por uma obrigação legal (devido aos níveis de consumo) quer por questões de estatuto no mercado (imagem de uma empresa amiga do ambiente), está bem presente no mundo industrial. Portugal apresenta, no que diz respeito à situação energética, uma forte dependência externa, acima dos 70 %. Em 2012, informação disponível pela Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG), o consumo total de energia primária era de 21.482 ktep e mais de 55 % desse consumo era proveniente de origem fóssil. Os setores que apresentam maiores consumos de eletricidade por setor de atividade são a Indústria e o setor de Serviços, onde estão presentes os edifícios com consumos perto dos 33 %. De forma a promover a eficiência energética e implementar a utilização racional de energia foram criados programas, estratégias e legislação que permitiram incentivar a diminuição dos consumos de energia nos edifícios de serviço. Uma das metodologias implementadas passa pela gestão de energia, ou seja, para atuar é necessário conhecer os fluxos de energia de um edifício. As auditorias energéticas permitem realizar um levantamento e análise desses mesmos fluxos, com o desígnio de identificar oportunidades de racionalização de consumo de energia. Nesta dissertação foi realizado um estudo da redução de consumos energéticos de uma piscina municipal baseado em dados de uma auditoria energética. Através da auditoria foi possível obter um resultado do exame energético, caracterizar o perfil real de utilização da energia elétrica e caracterizar os equipamentos dos consumidores energéticos instalados. Também permitiu realizar um levantamento térmico, de forma conhecer as temperaturas e a humidade relativa do edifício. Por fim, são apresentadas cinco medidas e algumas recomendações de eficiência energética, que permitem uma redução do consumo anual à instalação de cerca de 20%. Procedeu-se, também, a uma análise dos dados obtidos na auditoria, de forma a identificar algumas oportunidades de racionalização de energia.

Supermarkets in Portugal: corporate social responsibility image, attitude towards the brand and purchase intention

Recently, companies developed strategies which may influence their Corporate Social Responsibility (CSR) image. This paper discusses the image of four different supermarkets with stores in Portugal. The research compares CSR image and brand attitude of the four supermarkets. Empirical evidence shows that different supermarkets belonging to the same company have different CSR image and brand attitude. The research also confirms that there is positive correlation between CSR image and attitude towards the brand. Further, the results offer empirical evidence that CSR image and brand attitude influence purchase intention of supermarket brands. Finally, brand purchase intention is highly influenced by attitude towards the brand than CSR image.

Short-term wind forecasting for energy resources scheduling

This paper proposes a wind power forecasting methodology based on two methods: direct wind power forecasting and wind speed forecasting in the first phase followed by wind power forecasting using turbines characteristics and the aforementioned wind speed forecast. The proposed forecasting methodology aims to support the operation in the scope of the intraday resources scheduling model, namely with a time horizon of 5 minutes. This intraday model supports distribution network operators in the short-term scheduling problem, in the smart grid context. A case study using a real database of 12 months recorded from a Portuguese wind power farm was used. The results show that the straightforward methodology can be applied in the intraday model with high wind speed and wind power accuracy. The wind power forecast direct method shows better performance than wind power forecast using turbine characteristics and wind speed forecast obtained in first phase.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Energy resource scheduling in a real distribution network managed by several virtual power players

Smart Grids (SGs) appeared as the new paradigm for power system management and operation, being designed to integrate large amounts of distributed energy resources. This new paradigm requires a more efficient Energy Resource Management (ERM) and, simultaneously, makes this a more complex problem, due to the intensive use of distributed energy resources (DER), such as distributed generation, active consumers with demand response contracts, and storage units. This paper presents a methodology to address the energy resource scheduling, considering an intensive use of distributed generation and demand response contracts. A case study of a 30 kV real distribution network, including a substation with 6 feeders and 937 buses, is used to demonstrate the effectiveness of the proposed methodology. This network is managed by six virtual power players (VPP) with capability to manage the DER and the distribution network.

Energy resource scheduling considering reactive power management

The reactive power management is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the increase of distributed energy resources penetration as well as the optimal operation of distribution networks. Currently, the control of reactive power is only controlled in large power units and in high and very high voltage substations. In this paper a reactive power control in smart grids paradigm is proposed, considering the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator namely Virtual Power Player (VPP).

Short-term scheduling considering five-minute and hour-ahead energy resource management

The introduction of new distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methods. This paper proposes a short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases. The first one addresses the hour-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. Both phases consider the day-ahead resource scheduling solution. The ERM scheduling is formulated as an optimization problem that aims to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixed-integer non-linear programming approach and by a heuristic approach based on genetic algorithms. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units has been implemented in a PSCADbased simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Residential energy resources management by a SCADA system in case of excess wind generation

The end consumers in a smart grid context are seen as active players. The distributed generation resources applied in smart home system as a micro and small-scale systems can be wind generation, photovoltaic and combine heat and power facility. The paper addresses the management of domestic consumer resources, i.e. wind generation, solar photovoltaic, combined heat and power, electric vehicle with gridable capability and loads, in a SCADA system with intelligent methodology to support the user decision in real time. The main goal is to obtain the better management of excess wind generation that may arise in consumer’s distributed generation resources. The optimization methodology is performed in a SCADA House Intelligent Management context and the results are analyzed to validate the SCADA system.