Target-specific multiphysics modeling for thermal medicine applications

Dissertation to obtain the degree of Doctor of Philosophy in Biomedical Engineering

Dimensionamento de um sistema solar térmico para apoio à climatização de 4 edifícios da FCT-UNL

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energias Renováveis – Conversão Eléctrica e Utilização Sustentáveis

Laser solar de Nd: YAG bombeado por guias de onda

São propostas novas cavidades de bombeamento para lasers solares do estado sólido de Nd: YAG com o objectivo de melhorar a potência laser de saída e eficiência de bombeamento. São implementados quatro sistemas de guias de onda, um dos sistemas é simétrico e bombeado lateralmente, sendo os restantes três sistemas bombeados lateralmente e pela extremidade. A influência da geometria dos guias de onda no desempenho do bombeamento, o perfil do feixe à saída dos guias e a absorção por parte do cristal de Nd:YAG são optimizados minuciosamente, sendo modelados através do software Zemax. A cavidade de ressonância e as características do feixe são modelados em Lascad. Construíram-se e testaram-se três guias de onda de secção, octogonal, cilíndrica e quadrada. A potência laser multimodo para o sistema ótico bombeado por guia de onda cilíndrica de 20mm de diâmetro e concentrador cónico, foi de 21W, representando uma eficiência de colecção de 11.6W/m2, apresentando um erro de colecção para ΔX=1.3mm de 4.4%.

Entre nós e as palavras. A arte da edição na Sistema Solar, CRL

Entre 9 de Setembro de 2013 e 10 de Janeiro de 2014 realizei estágio com a equipa da Sistema Solar, CRL. no âmbito do mestrado em Edição de Texto. Durante este período, converti livros em reedição para o Acordo Ortográfico da Língua Portuguesa de 1990, trabalhei em revisão de texto, fiz cotejo, dei apoio na composição de texto a partir de manuscritos autógrafos, acompanhei processos de produção e promoção do livro e apresentei uma proposta de edição – de Le Dernier Testament, de Raul Leal. O presente relatório expõe este processo de aprendizagem, descreve as tarefas executadas e procura a partir delas problematizar algumas das questões que se colocam ao sector editorial actual. Quais os desafios que envolve este novo Acordo Ortográfico para a edição? Qual a missão e os limites da missão do revisor? Como definir e aplicar critérios editoriais no trabalho com manuscritos? Como fazer uso da inovação tecnológica de que tem vindo a ser palco este mercado? E, relativamente ao mercado, como se conjuga hoje concentração editorial, crise, independência e emoção? São algumas das perguntas levantadas, a que nem sempre se dá resposta.

Produção de eletricidade a partir de energia solar fotovoltaica de larga escala PV e CPV na zona rural do município de Évora: área disponível e potencial técnico

No sentido de diminuir a dependência externa de energia nomeadamente de combustíveis fósseis, combater as alterações climáticas e colmatar o défice potencial de energia associada à dependência de energia hídrica, Portugal necessita aumentar o investimento noutras fontes de energia renovável (FER) para produção de eletricidade, nomeadamente na energia solar. Sendo uma das zonas com maior radiação solar da Europa (1 900 kWh/m2), Portugal não aproveita este recurso como poderia. O presente estudo avalia o potencial técnico de produção de energia solar fotovoltaica centralizado de larga escala (> 1 MW), no Concelho de Évora. Recorrendo ao sistema de informação geográfica ArcGIS, foram estimadas as áreas disponíveis e as áreas úteis potenciais para implementação de projetos de aproveitamento de energia solar fotovoltaica, por forma a calcular o potencial de potência instalada (MW) e de produção de energia elétrica (GWh/ano). Foram considerados diferentes cenários relativos ao uso do solo, no contexto do Plano Diretor Municipal, e ao tipo de projeto, tendo sido consideradas as tecnologias de sistema fotovoltaico sem concentração (PV) e de sistema fotovoltaico concentrado (CPV). No cenário mais restritivo sobre a ocupação do solo foi estimada uma área útil de 4 978 ha (cerca de 4% da área total do Município) que corresponde a um potencial técnico de produção de energia de 2 357 GWh/ano, se se considerar um sistema CPV com 1 MW de potência instalada. Para efeitos de comparação, esta produção corresponde a 9 vezes o valor do consumo de eletricidade anual do Concelho de Évora e a cerca de 5% do consumo anual de eletricidade em Portugal continental em 2012. O potencial muito significativo de produção de eletricidade solar é justificada pela disponibilidade de ocupação do solo, pelo declive suave do terreno e pelo excelente nível de radiação solar incidente. Da análise dos diversos cenários avaliados, concluiu-se que o sistema mais vantajoso, em termos de produção de energia por unidade de área, independentemente do cenário de ocupação do solo, é o sistema CPV de larga escala (20 a 30 MW) que apresenta valores de produção da ordem de 0,64 GWh/ha.

Wind Power in the Portuguese Landscape: Global Concerns and Local Costs

Wind turbines and solar panels are becoming second nature in Portugal, as its occurrence in the country becomes ubiquitous. Somehow, one could argue that renewable energy in Portugal is in the process of ‘naturalisation’ as part of a new – mechanised, but environmentally benign – landscape. Portuguese Institute for the Conservation of Nature and Biodiversity (ICNB) has shown an ambiguous stance on this issue, defending global concerns towards renewable energy, while at the same time attempting to engage locals in the preservation of extensive ‘classified areas’. In the course of this research, we tried to focus on these incongruities and to analyse how they are impacting local communities during the process of wind power installation.

Metodologias para o planeamento urbano solar

A cada vez maior escassez dos recursos e as consequências dos fenómenos das alterações do clima levam a um debate mundial acerca do atual paradigma da emergência da utilização de fontes de energia renováveis em substituição das atuais fontes não renováveis. Quando a este problema se associa uma cada vez maior pressão demográfica e um acentuado desenvolvimento das áreas urbanas, sobrecarregando ainda mais o sistema de suporte natural, torna-se evidente a necessidade de alterar os pressupostos deste paradigma. De modo a contribuir com uma resposta ao atual cenário energético, o presente estudo foca-se na construção de uma metodologia que permita estabelecer um conjunto de condições favoráveis à integração de uma energia limpa e renovável no processo de planeamento urbano sustentável. Uma vez que o Sol representa a maior fonte de energia disponível no planeta e uma das que mais facilmente se integra no contexto urbano, é fácil compreender a sua escolha para o papel principal no planeamento urbano. Para que tal se suceda, torna-se necessário recorrer ao estudo e análise do conhecimento na área científica de modo a possibilitar a construção de uma base sustentável para a correta implantação desta fonte de energia nos atuais sistemas urbanos. A integração da energia solar no novo modelo de ocupação urbana, mais compacto e multifuncional, requer que a sua implementação se realize de modo diferenciado, nomeadamente através do recurso a parâmetros físico-espaciais considerados relevantes, no processo operativo de planeamento urbano sustentável. A introdução destes parâmetros no planeamento possibilita a afirmação de modelos de ocupação conhecedores da necessidade de alterar o ciclo de vida da energia, nomeadamente na fase de consumo e de produção da mesma no contexto urbano. Deste modo, a integração numa proposta de modelo dos parâmetros tem como principal objetivo o aumento da eficiência energética durante as fases de conceção e utilização e ainda, o tornar efetivo o potencial da solução de produção de energia em ambiente urbano. Decorrente desta problemática foi desenvolvido um estudo prático de aplicação da metodologia proposta através de um caso em Portugal, de modo a que se pudesse aferir e concluir sobre a aplicabilidade prática do modelo teórico proposto. Em síntese, através do objetivo do tema, foi possível construir-se uma ferramenta que permite a concretização das metas definidas nos objetivos do milénio das Nações Unidas e pelos diferentes organismos internacionais, contribuindo para a alteração do paradigma energético em meio urbano atualmente verificado.

Caracterização de filmes poliméricos para conversão de energia solar em energia eléctrica

Os polímeros são materiais de grande interesse científico e tecnológico já que podem ser utilizados no desenvolvimento de dispositivos para aplicação em electrónica e fotónica. Tendo em conta a sua aplicação em dispositivos de conversão de energia solar em energia eléctrica, o estudo das propriedades eléctricas e ópticas de filmes destes materiais, quando irradiados por radiação ultravioleta e visível, é fundamental. Neste trabalho caracterizaram-se as propriedades eléctricas e ópticas de filmes finos obtidos pelas técnicas de derramamento e de camada-por-camada (Layer-by-Layer (LbL)) obtidos a partir do poli(cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) que após aquecimento é convertido em poli(p-fenileno vinileno) (PPV). Assim, e através da técnica de derramamento, foram preparados filmes sobre suportes sólidos com eléctrodos interdigitais de forma a proceder à medição da condutividade em modo de corrente alternada (AC), isto é, à medição da resistência e da capacidade em função da frequência. Verificou-se, portanto, que a presença de luz leva à formação de portadores de carga, ou seja, na presença de luminosidade os filmes apresentam uma menor capacitância e resistência, para além de degradar o material. Esta degradação foi verificada, também, a partir da espectrofotometria de Ultravioleta-Visível (UV-Vis) e de infravermelho (IV). Medições de condutividade de volume, isto é, colocando os filmes entre eléctrodos paralelos de funções de trabalho diferentes, permitiram traçar as curvas características e verificar que os dispositivos obtidos se comportam como díodos. Recorreu-se, também, a técnicas de espectrofotometria de ultravioleta do vácuo (VUV) e UV-Vis para caracterizar filmes LbL obtidos a partir do PTHT e de um polieletrólito comum o poli(estireno sulfonado) (PSS) antes e após aquecimento. Os espectros obtidos, após análise dos picos, mostram que a técnica de VUV é a técnica indicada para analisar a conversão do PTHT em PPV. Este trabalho permitiu concluir que as propriedades eléctricas e ópticas destes filmes, estão dependentes da presença de luminosidade, de oxigénio e da humidade relativa pelo que dispositivos obtidos a partir deste polímero devem ser, sempre, encapsulados.

Estudo experimental de um sistema BIPV/T-PCM

A União Europeia tem dado cada vez mais enfoque à eficiência energética nos edifícios e à sua capacidade de produção de energia, tendo lançado a directiva “Energy Performance of Buildings Directive” com o intuito de que até 31 de Dezembro de 2018 todos os edifícios novos sejam “nZEB-nearly Zero Energy Building”, o que significa que devem por um lado diminuir o seu consumo energético, aumentando a sua eficiência, e por outro lado produzir localmente e através de fontes de energias renováveis toda, ou quase toda, a energia de que necessitam. A presente tese está integrada no Projecto “Frame – Prefabricated systems (modules) for low-energy buildings: design, prototyping and testing” (Ref: PTDC/AURAQI-AQI/117782/2010) que está a ser desenvolvido na Unidade de Eficiência Energética do Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG). Neste trabalho é desenvolvido e analisado um sistema BIPV/T-PCM (Building Integrated Photovoltaic Thermal – Phase Change Materials) que engloba todo um novo conceito de captação, armazenamento e gestão da energia solar em fachadas. Este sistema é composto por um módulo fotovoltaico, uma bateria de PCM (Materiais de Mudança de Fase) e todo um sistema de fluxo de ar que permite a gestão da energia colectada e armazenada. Foi também desenvolvido teoricamente um código de gestão energética para a manipulação do sistema. O sistema em estudo apoia-se em três objectivos principais: aquecer no inverno; arrefecer no verão; e aumentar a eficiência do PV arrefecendo-o. Na sequência do trabalho realizado verificou-se que o conceito do sistema em estudo alcança alguns dos objectivos propostos, tendo ainda potencial para se continuar o seu desenvolvimento. O sistema em estudo é um sistema inovador, e como tal está a ser registada uma patente com base no conceito desenvolvido.

The thermal effects on the methanol-to-olefins reaction: A modelling and experimental approach

With the projection of an increasing world population, hand-in-hand with a journey towards a bigger number of developed countries, further demand on basic chemical building blocks, as ethylene and propylene, has to be properly addressed in the next decades. The methanol-to-olefins (MTO) is an interesting reaction to produce those alkenes using coal, gas or alternative sources, like biomass, through syngas as a source for the production of methanol. This technology has been widely applied since 1985 and most of the processes are making use of zeolites as catalysts, particularly ZSM-5. Although its selectivity is not especially biased over light olefins, it resists to a quick deactivation by coke deposition, making it quite attractive when it comes to industrial environments; nevertheless, this is a highly exothermic reaction, which is hard to control and to anticipate problems, such as temperature runaways or hot-spots, inside the catalytic bed. The main focus of this project is to study those temperature effects, by addressing both experimental, where the catalytic performance and the temperature profiles are studied, and modelling fronts, which consists in a five step strategy to predict the weight fractions and activity. The mind-set of catalytic testing is present in all the developed assays. It was verified that the selectivity towards light olefins increases with temperature, although this also leads to a much faster catalyst deactivation. To oppose this effect, experiments were carried using a diluted bed, having been able to increase the catalyst lifetime between 32% and 47%. Additionally, experiments with three thermocouples placed inside the catalytic bed were performed, analysing the deactivation wave and the peaks of temperature throughout the bed. Regeneration was done between consecutive runs and it was concluded that this action can be a powerful means to increase the catalyst lifetime, maintaining a constant selectivity towards light olefins, by losing acid strength in a steam stabilised zeolitic structure. On the other hand, developments on the other approach lead to the construction of a raw basic model, able to predict weight fractions, that should be tuned to be a tool for deactivation and temperature profiles prediction.

Caracterização de filmes poliméricos para conversão de energia solar em energia eléctrica

Os polímeros são materiais de grande interesse científico e tecnológico já que podem ser utilizados no desenvolvimento de dispositivos para aplicação em electrónica e fotónica. Tendo em conta a sua aplicação em dispositivos de conversão de energia solar em energia eléctrica, o estudo das propriedades eléctricas e ópticas de filmes destes materiais, quando irradiados por radiação ultravioleta e visível, é fundamental. Neste trabalho caracterizaram-se as propriedades eléctricas e ópticas de filmes finos obtidos pelas técnicas de derramamento e de camada-por-camada (Layer-by-Layer (LbL)) obtidos a partir do poli(cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) que após aquecimento é convertido em poli(p-fenileno vinileno) (PPV). Assim, e através da técnica de derramamento, foram preparados filmes sobre suportes sólidos com eléctrodos interdigitais de forma a proceder à medição da condutividade em modo de corrente alternada (AC), isto é, à medição da resistência e da capacidade em função da frequência. Verificou-se, portanto, que a presença de luz leva à formação de portadores de carga, ou seja, na presença de luminosidade os filmes apresentam uma menor capacitância e resistência, para além de degradar o material. Esta degradação foi verificada, também, a partir da espectrofotometria de Ultravioleta-Visível (UV-Vis) e de infravermelho (IV). Medições de condutividade de volume, isto é, colocando os filmes entre eléctrodos paralelos de funções de trabalho diferentes, permitiram traçar as curvas características e verificar que os dispositivos obtidos se comportam como díodos. Recorreu-se, também, a técnicas de espectrofotometria de ultravioleta do vácuo (VUV) e UV-Vis para caracterizar filmes LbL obtidos a partir do PTHT e de um polieletrólito comum o poli(estireno sulfonado) (PSS) antes e após aquecimento. Os espectros obtidos, após análise dos picos, mostram que a técnica de VUV é a técnica indicada para analisar a conversão do PTHT em PPV. Este trabalho permitiu concluir que as propriedades eléctricas e ópticas destes filmes, estão dependentes da presença de luminosidade, de oxigénio e da humidade relativa pelo que dispositivos obtidos a partir deste polímero devem ser, sempre, encapsulados.

Numerical simulation of blast effects on fibre grout RC panels

The main purpose of the present dissertation is the simulation of the response of fibre grout strengthened RC panels when subjected to blast effects using the Applied Element Method, in order to validate and verify its applicability. Therefore, four experimental models, three of which were strengthened with a cement-based grout, each reinforced by one type of steel reinforcement, were tested against blast effects. After the calibration of the experimental set-up, it was possible to obtain and compare the response to the blast effects of the model without strengthening (reference model), and a fibre grout strengthened RC panel (strengthened model). Afterwards, a numerical model of the reference model was created in the commercial software Extreme Loading for Structures, which is based on the Applied Element Method, and calibrated to the obtained experimental results, namely to the residual displacement obtained by the experimental monitoring system. With the calibration verified, it is possible to assume that the numerical model correctly predicts the response of fibre grout RC panels when subjected to blast effects. In order to verify this assumption, the strengthened model was modelled and subjected to the blast effects of the corresponding experimental set-up. The comparison between the residual and maximum displacements and the bottom surface’s cracking obtained in the experimental and the numerical tests yields a difference of 4 % for the maximum displacements of the reference model, and a difference of 4 and 10 % for the residual and maximum displacements of the strengthened model, respectively. Additionally, the cracking on the bottom surface of the models was similar in both methods. Therefore, one can conclude that the Applied ElementMethod can correctly predict and simulate the response of fibre grout strengthened RC panels when subjected to blast effects.

Recuperação renovável de Mg a partir de MgO através da utilização concertada de laser solar e de concentrador solar

Apesar do elevado potencial do metal magnésio como material útil em várias áreas cien-tíficas e tecnológicas, os seus métodos de produção tradicionais têm um impacto fortemente prejudicial no ambiente e um custo elevado. Este facto é um incentivo à procura de novas so-luções, nomeadamente as que recorrem à utilização da radiação solar partindo do óxido de magnésio. Alguns estudos têm já sido feitos nesse sentido, utilizando laser solar ou radiação solar concentrada mas a utilização concertada dos dois não tinha sido feita até ao momento. Neste trabalho, a exequibilidade da utilização concertada destes dois métodos será avaliada e será estudado o comportamento do óxido de magnésio face à radiação que nele incide.

Estudo técnico-económico de um sistema solar termoelétrico com back-up a biomassa

Este trabalho consistiu no estudo técnico-económico (dimensionamento) de uma central térmica solar de torre norte, com back-up a biomassa (pellets) para produção de energia elétrica. A partir da plataforma PVGIS obteve-se a irradiação normal direta, DNI, da região do Alentejo, Portugal, segundo critérios descritos na secção 3.1. O valor anual obtido foi de 2319 !"ℎ/%&, valor este que foi convertido em energia elétrica, obtendo-se, assim, um montante de 105.761.800 kWh por ano, em 25 anos. Estas importâncias foram obtidas através dos equipamentos que constituem a central, entre eles o campo solar (composto por 2067 helióstatos com área total de 188097 %&), a torre (convertendo a concentração da DNI para energia térmica ao fluído de transferência de calor, HTF), o bloco de potência (composta por permutador de calor, turbina, gerador elétrico e outros) e com ajuda de uma caldeira a biomassa (pellets) que consome cerca de 24.001,23 toneladas de pellets por ano. O estudo económico foi realizado num modelo executável no Excel, calculando, assim, o custo total do sistema, 138.515.886,87 €. A partir deste valor calcularam-se os indicadores económicos (Valor Atualizado Líquido, VAL=-12.282540,28 €) com uma tarifa bonificada de 0,22114 €/kWh, que indica que o sistema termo solar com back-up a biomassa (pellets) não é viável economicamente (e o mesmo acontece com o sistema termo solar sem a biomassa). O dimensionamento técnico do sistema CSP de torre é feito a partir de um modelo matemático executado em Excel e MatLab e pelo software System Advisor Model, SAM e o da caldeira a pellets é concretizado também no Excel. Os resultados do modelo matemático foram comparados com os valores obtidos no SAM para o mês típico de julho comprovando, assim, as fórmulas e conceitos contidos no estado da arte. Realizou-se, também, uma comparação dos valores anuais do sistema obtidos no SAM com os valores reais da Gemasolar (em Espanha), demonstrando então a veracidade dos valores obtidos no dimensionamento feito para Portugal.