An Autopilot Based on a Local Control Network Design for an Unmanned Surface Vehicle

Over recent years, a number of marine autopilots designed using linear techniques have underperformed owing to their inability to cope with nonlinear vessel dynamics. To this end, a new design framework for the development of nonlinear autopilots is proposed herein. Local control networks (LCNs) can be used in the design of nonlinear control systems. In this paper, a LCN approach is taken in the design of a nonlinear autopilot for controlling the nonlinear yaw dynamics of an unmanned surface vehicle known as Springer. It is considered the approach is the first of its kind to be used in marine control systems design. Simulation results are presented and the performance of the nonlinear autopilot is compared with that of an existing Springer linear quadratic Gaussian (LQG) autopilot using standard system performance criteria. From the results it can be concluded the LCN autopilot out performed that based on LQG techniques in terms of the selected criteria. Also it provided more energy saving control strategies and would thereby increase operational duration times for the vehicle during real-time missions.

Inter layer and cooperative design strategies for green mobile networks

The promise of a truly mobile experience is to have the freedom to roam around anywhere and not be bound to a single location. However, the energy required to keep mobile devices connected to the network over extended periods of time quickly dissipates. In fact, energy is a critical resource in the design of wireless networks since wireless devices are usually powered by batteries. Furthermore, multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the bene ts gained from multiple interfaces come at a cost in terms of energy consumption having profound e ect on the mobile battery lifetime and standby time. This concern is rea rmed by the fact that battery lifetime is one of the top reasons why consumers are deterred from using advanced multimedia services on their mobile on a frequent basis. In order to secure market penetration for next generation services energy e ciency needs to be placed at the forefront of system design. However, despite recent e orts, energy compliant features in legacy technologies are still in its infancy, and new disruptive architectures coupled with interdisciplinary design approaches are required in order to not only promote the energy gain within a single protocol layer, but to enhance the energy gain from a holistic perspective. A promising approach is cooperative smart systems, that in addition to exploiting context information, are entities that are able to form a coalition and cooperate in order to achieve a common goal. Migrating from this baseline, this thesis investigates how these technology paradigm can be applied towards reducing the energy consumption in mobile networks. In addition, we introduce an additional energy saving dimension by adopting an interlayer design so that protocol layers are designed to work in synergy with the host system, rather than independently, for harnessing energy. In this work, we exploit context information, cooperation and inter-layer design for developing new energy e cient and technology agnostic building blocks for mobile networks. These technology enablers include energy e cient node discovery and short-range cooperation for energy saving in mobile handsets, complemented by energy-aware smart scheduling for promoting energy saving on the network side. Analytical and simulations results were obtained, and veri ed in the lab on a real hardware testbed. Results have shown that up to 50% energy saving could be obtained.

Thermal conductivity of building materials: an overview of its determination

A range of instruments are available to measure thermal conductivity of building materials. Some of these tools are heat-flow meter, hot plate, hot box and heat transfer analyzer. Thermal conductivity data derived by using different instruments can be different from each other. Implication of these variations in thermal conductivity is significant in terms of commercial profile of the insulations and also in terms of calculating energy saving in large scale use of that specific insulation. Thus it is important to know which of the measuring instrument for thermal conductivity can produce relatively accurate and representative result. This paper firstly looks at the methods and instrument for measuring thermal conductivity of building materials and secondly compares and analyses the results of testing thermal conductivity of fibrous insulations using a heat analyzer and a hot plate.

Data storage system for wireless sensor networks

Dissertação de mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Wind resource mapping using landscape roughness and spatial interpolation methods

Energy saving, reduction of greenhouse gasses and increased use of renewables are key policies to achieve the European 2020 targets. In particular, distributed renewable energy sources, integrated with spatial planning, require novel methods to optimise supply and demand. In contrast with large scale wind turbines, small and medium wind turbines (SMWTs) have a less extensive impact on the use of space and the power system, nevertheless, a significant spatial footprint is still present and the need for good spatial planning is a necessity. To optimise the location of SMWTs, detailed knowledge of the spatial distribution of the average wind speed is essential, hence, in this article, wind measurements and roughness maps were used to create a reliable annual mean wind speed map of Flanders at 10 m above the Earth’s surface. Via roughness transformation, the surface wind speed measurements were converted into meso- and macroscale wind data. The data were further processed by using seven different spatial interpolation methods in order to develop regional wind resource maps. Based on statistical analysis, it was found that the transformation into mesoscale wind, in combination with Simple Kriging, was the most adequate method to create reliable maps for decision-making on optimal production sites for SMWTs in Flanders.

Convergência para NZEB de um edifício classificado

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Edificações

Eco-efficiency approaches towards a sustainable composite materials manufacturing industry’

In this study the potential eco-efficiency performance of a pultrusion manufacturing company was assessed. Indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures in the production process of glass fibre reinforced polymers (GFRP) pultrusion profiles. Two different approaches were foreseen: 1)Adoption of a new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; and 2) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Uso da termografia na deteção de avarias

A civilização contemporânea, pelas suas características, é muito exigente em tudo o que diz respeito ao conforto dos edifícios, para trabalho ou habitação, e à necessidade de economizar e racionalizar o uso de energia. A térmica dos edifícios assume, por isso, uma importância acrescida na atividade profissional e no ensino. Para se conduzir ao aperfeiçoamento de soluções na envolvente dos edifícios a este nível, o trabalho aqui realizado centrou-se no estudo do funcionamento da termografia de infravermelhos e da importância da sua utilização na inspeção térmica de edifícios. Descoberta no início do século XIX e desenvolvendo os primeiros sistemas operativos desde a 1ª Guerra Mundial, a fim de determinar heterogeneidades de temperatura superficial, esta técnica não destrutiva permite identificar anomalias que não são visualizadas a olho nu. Com a análise dessas variações de temperatura é possível conhecer os problemas e a localização de irregularidades. Este trabalho baseia-se substancialmente no estudo de edifícios. A análise realizada teve como finalidade executar inspeções termográficas – visuais, com duas abordagens. Por um lado, avaliar salas pertencentes a estabelecimentos de ensino secundário, reabilitadas e não reabilitadas, todas construídas entre as décadas de 60 e 90, com o intuito de diagnosticar patologias construtivas, recorrendo à termografia. Por outro, a análise de edifícios de habitação, com a intenção de avaliar a necessidade de um equipamento complementar às inspeções termográficas – o sistema de porta ventiladora. As inspeções foram regidas pelas diretrizes da norma europeia EN 13187. A termografia é uma técnica importante na realização de ensaios in situ que requerem rapidez de execução, aliada à vantagem de disponibilizar resultados em tempo real, permitindo assim uma primeira análise das leituras no local. A inspeção termográfica complementada com o sistema de porta ventiladora permitiu, também, revelar a importância da necessidade de meios auxiliares em certos casos. A conjugação destas diferentes técnicas permite reduzir a subjetividade da análise in situ e aumentar a fiabilidade do diagnóstico.

Avaliação e Otimização Energética das Fornalhas da Fábrica de Aromáticos

O consumo energético verificado nas refinarias petrolíferas é muito elevado, sendo as fornalhas os equipamentos que mais contribuem para esse consumo. Neste estudo foi efetuada uma avaliação e otimização energética às fornalhas da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos. Numa primeira fase foi efetuado um levantamento exaustivo de dados de todas as correntes de entrada e saída dos equipamentos para posteriormente efetuar os balanços de massa e energia a cada uma das fornalhas. Os dados relativos ao levantamento compreenderam dois períodos de funcionamento distintos da unidade fabril, o período de funcionamento normal e o período relativo ao arranque. O período de funcionamento normal foi relativo ao ano de 2012 entre os meses de janeiro a setembro, por sua vez o período de arranque foi de dezembro de 2012 a março de 2013. Na segunda fase foram realizados os balanços de massa e energia quantificando todas as correntes de entrada e saída das fornalhas em termos mássicos e energéticos permitindo o cálculo do rendimento térmico das fornalhas para avaliar a sua performance. A avaliação energética permitiu concluir que existe um consumo maior de energia proveniente da combustão do Fuel Gás do que do Fuel Óleo, tanto no período de funcionamento normal como no arranque. As fornalhas H0101, H0301 e a H0471 possuem os consumos mais elevados, sendo responsáveis por mais de 70% do consumo da Fábrica de Aromáticos. Na terceira fase foram enunciadas duas medidas para a otimização energética das três fornalhas mais consumidoras de energia, a limpeza mensal e o uso exclusivo de Fuel Gás como combustível. As poupanças energéticas obtidas para uma limpeza mensal foram de 0,3% na fornalha H0101, 0,7% na fornalha H0301 e uma poupança de 0,9 % na fornalha H0471. Para o uso exclusivo de Fuel Gás obteve-se uma poupança de 0,9% na fornalha H0101 e uma poupança de 1,3% nas fornalhas H0301 e H0471. A análise económica efetuada à sugestão de alteração do combustível mostra que os custos de operação sofrerão um aumento anual de 621 679 €. Apesar do aumento dos custos, a redução na emissão de 24% de dióxido de carbono, poderá justificar este aumento na despesa.

Eficiência Energética no Hospital Pedro Hispano

Os crescentes custos ligados ao consumo elétrico, não apenas de cariz financeiro mas também ambiental, despertam cada vez mais para a importância da definição de estratégias de melhor utilização de recursos e eficiência energética. Esta importância tem sido reforçada pela definição de decretos-lei que vêm colocar metas e limites relativamente às despesas energéticas. Estes diplomas são também acompanhados por programas de incentivo para um setor ligado à eficiência energética. Em Portugal as medidas ligadas ao setor tem vindo a ser redirecionadas para o consumo final de energia, com a definição de metas para as instalações de maior consumo. As instalações hospitalares são grandes centros de consumo energético devido não só ao elevado número de utentes que recebem mas também pelos diversos tipos de equipamentos elétricos usados para a prestação dos serviços médicos. Como consequência disso, os investimentos e os custos operacionais são elevados, o que reforça a necessidade de gerir os gastos e consumos energéticos com a procura constante de melhoria na recolha de informação sobre todo o sistema e na adequação de intervenções com vista a uma maior eficiência energética. O Hospital Pedro Hispano vem desde algum tempo a investir no sentido de conhecer mais e melhor toda a instalação bem como os consumos energéticos a ela associados. Algumas medidas foram tomadas nesse sentido nomeadamente a instalação de analisadores de energia, de modo a obter um retrato mais fiel e fidedigno dos principais vetores de consumo. Neste momento a gestão técnica do hospital tem em análise uma grande parte da instalação recolhendo dados do consumo elétrico real do hospital. Nesta dissertação procurou-se fazer uma análise e enquadramento dos programas e metas ligados ao setor energético com ênfase nos diplomas que visão e abrangem as instalações hospitalares. Dos vários programas de incentivo à adoção de políticas de maior eficiência energética é dado especial destaque ao programa ECO.AP que visa a celebração de contratos para implementação de medidas de poupança energética ao setor público. Em colaboração com o HPH, iniciaram-se os trabalhos pelo estudo e identificação das principais fases e ferramentas utilizadas na gestão energética do edifício tendo como objetivo a reavaliação dos vetores energéticos já identificados no HPH e a criação e contabilização de novos grupos de consumo. Através de várias medições do consumo elétrico, num total superior a 650 horas de funcionamento, foi possível a criação do mapa de desagregação de consumos para o ano de 2013. A desagregação realizada conta com 3 novos vetores energéticos e com a reavaliação do peso relativo de mais 5 grupos de consumo. Das medições efetuadas destaca-se a reavaliação do consumo da central de bombagem onde a parcela considerada até à data estava 3 vezes acima do valor real medido. Com base na desagregação feita foram apontadas e estudadas medidas de implementação com o objetivo de reduzir os consumos energético em todo o hospital, destacando-se a solução apresentada para a central de bombagem. Esta medida traria um grande impacto em toda a fatura energética, não só pela sua viabilidade, mas também porque atuaria num grande centro de consumo onde até ao momento nenhuma ação do género foi implementada.

Convergence of Smart Grid ICT architectures for the last mile

The evolution of the electrical grid into a smart grid, allowing user production, storage and exchange of energy, remote control of appliances, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed, is also an evolution into a complex Information and Communication Technology (ICT) system. With the goal of promoting an integrated and interoperable smart grid, a number of organizations all over the world started uncoordinated standardization activities, which caused the emergence of a large number of incompatible architectures and standards. There are now new standardization activities which have the goal of organizing existing standards and produce best practices to choose the right approach(es) to be employed in specific smart grid designs. This paper follows the lead of NIST and ETSI/CEN/CENELEC approaches in trying to provide taxonomy of existing solutions; our contribution reviews and relates current ICT state-of-the-art, with the objective of forecasting future trends based on the orientation of current efforts and on relationships between them. The resulting taxonomy provides guidelines for further studies of the architectures, and highlights how the standards in the last mile of the smart grid are converging to common solutions to improve ICT infrastructure interoperability.

Eficiência energética em habitações: análise comportamental e aconselhamento dedicado

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Algal Biofuels: Challenges and Opportunities

Biodiesel production using microalgae is attractive in a number of respects. Here a number of pros and cons to using microalgae for biofuels production are reviewed. Algal cultivation can be carried out using non-arable land and non-potable water with simple nutrient supply. In addition, algal biomass productivities are much higher than those of vascular plants and the extractable content of lipids that can be usefully converted to biodiesel, triacylglycerols (TAGs) can be much higher than that of the oil seeds now used for first generation biodiesel. On the other hand, practical, cost-effective production of biofuels from microalgae requires that a number of obstacles be overcome. These include the development of low-cost, effective growth systems, efficient and energy saving harvesting techniques, and methods for oil extraction and conversion that are environmentally benign and cost-effective. Promising recent advances in these areas are highlighted.