ESSAYS IN ENERGY, ENVIRONMENT AND TECHNOLOGICAL CHANGE

This dissertation studies technological change in the context of energy and environmental economics. Technology plays a key role in reducing greenhouse gas emissions from the transportation sector. Chapter 1 estimates a structural model of the car industry that allows for endogenous product characteristics to investigate how gasoline taxes, R&D subsidies and competition affect fuel efficiency and vehicle prices in the medium-run, both through car-makers' decisions to adopt technologies and through their investments in knowledge capital. I use technology adoption and automotive patents data for 1986-2006 to estimate this model. I show that 92% of fuel efficiency improvements between 1986 and 2006 were driven by technology adoption, while the role of knowledge capital is largely to reduce the marginal production costs of fuel-efficient cars. A counterfactual predicts that an additional $1/gallon gasoline tax in 2006 would have increased the technology adoption rate, and raised average fuel efficiency by 0.47 miles/gallon, twice the annual fuel efficiency improvement in 2003-2006. An R&D subsidy that would reduce the marginal cost of knowledge capital by 25% in 2006 would have raised investment in knowledge capital. This subsidy would have raised fuel efficiency only by 0.06 miles/gallon in 2006, but would have increased variable profits by $2.3 billion over all firms that year. Passenger vehicle fuel economy standards in the United States will require substantial improvements in new vehicle fuel economy over the next decade. Economic theory suggests that vehicle manufacturers adopt greater fuel-saving technologies for vehicles with larger market size. Chapter 2 documents a strong connection between market size, measured by sales, and technology adoption. Using variation consumer demographics and purchasing pattern to account for the endogeneity of market size, we find that a 10 percent increase in market size raises vehicle fuel efficiency by 0.3 percent, as compared to a mean improvement of 1.4 percent per year over 1997-2013. Historically, fuel price and demographic-driven market size changes have had large effects on technology adoption. Furthermore, fuel taxes would induce firms to adopt fuel-saving technologies on their most efficient cars, thereby polarizing the fuel efficiency distribution of the new vehicle fleet.

Power Factor Corrector Design applied to an 85-kHz Wireless Charger

Wireless charging technology extends the battery autonomy by allowing more flexible and practical ways of recharging it even when the electric vehicle is on move. The frequency conversion, which is required to generate a kHz-ranged magnetic field, also leads to considerable harmonics. As a result, the power factor and the corresponding efficiency decrement. This paper proposes a Power Factor Corrector which overcomes this drawback. The most relevant feature of the designed Power Factor Corrector is that it does not need any electrical signal from the secondary side to adjust its operation properly. The simulation results show the ability of the proposed scheme to increment the system efficiency for different State-Of-Charge in the Battery.

SVPWM SWITCHING PATTERN FOR Z-SOURCE INVERTER, SIMULATION AND APPLICATION

The voltage source inverter (VSI) and current voltage source inverter (CSI) are widely used in industrial application. But the traditional VSIs and CSIs have one common problem: can’t boost or buck the voltage come from battery, which make them impossible to be used alone in Hybrid Electric Vehicle (HEV/EV) motor drive application, other issue is the traditional inverter need to add the dead-band time into the control sequence, but it will cause the output waveform distortion. This report presents an impedance source (Z-source network) topology to overcome these problems, it can use one stage instead of two stages (VSI or CSI + boost converter) to buck/boost the voltage come from battery in inverter system. Therefore, the Z-source topology hardware design can reduce switching element, entire system size and weight, minimize the system cost and increase the system efficiency. Also, a modified space vector pulse-width modulation (SVPWM) control method has been selected with the Z-source network together to achieve the best efficiency and lower total harmonic distortion (THD) at different modulation indexes. Finally, the Z-source inverter controlling will modulate under two control sequences: sinusoidal pulse width modulation (SPWM) and SVPWM, and their output voltage, ripple and THD will be compared.

A NOVEL MODELING AND STATE OF CHARGE ESTIMATION SCHEME FOR LITHIUM-ION BATTERIES

Lithium Ion (Li-Ion) batteries have got attention in recent decades because of their undisputable advantages over other types of batteries. They are used in so many our devices which we need in our daily life such as cell phones, lap top computers, cameras, and so many electronic devices. They also are being used in smart grids technology, stand-alone wind and solar systems, Hybrid Electric Vehicles (HEV), and Plug in Hybrid Electric Vehicles (PHEV). Despite the rapid increase in the use of Lit-ion batteries, the existence of limited battery models also inadequate and very complex models developed by chemists is the lack of useful models a significant matter. A battery management system (BMS) aims to optimize the use of the battery, making the whole system more reliable, durable and cost effective. Perhaps the most important function of the BMS is to provide an estimate of the State of Charge (SOC). SOC is the ratio of available ampere-hour (Ah) in the battery to the total Ah of a fully charged battery. The Open Circuit Voltage (OCV) of a fully relaxed battery has an approximate one-to-one relationship with the SOC. Therefore, if this voltage is known, the SOC can be found. However, the relaxed OCV can only be measured when the battery is relaxed and the internal battery chemistry has reached equilibrium. This thesis focuses on Li-ion battery cell modelling and SOC estimation. In particular, the thesis, introduces a simple but comprehensive model for the battery and a novel on-line, accurate and fast SOC estimation algorithm for the primary purpose of use in electric and hybrid-electric vehicles, and microgrid systems. The thesis aims to (i) form a baseline characterization for dynamic modeling; (ii) provide a tool for use in state-of-charge estimation. The proposed modelling and SOC estimation schemes are validated through comprehensive simulation and experimental results.

Evaluación técnica y económica para analizar la viabilidad del montacargas eléctrico en el sector productivo

Esta tesis pretende demostrar y describir las diferentes características de los montacargas que existen en el mercado, teniendo en cuenta sus ventajas y desventajas, logrando como objetivo analizar la viabilidad de la implementación de los montacargas eléctricos en la industria colombiana a partir de la información brindada sobre las características esenciales de los montacargas eléctricos que hay en el mercado. Así mismo, se quiere mostrar que los montacargas eléctricos generan un ahorro sustancial en comparación con los montacargas convencionales que hay hoy en día en el mercado, logrando así que la industria colombiana reduzca sus gastos en un porcentaje mediante la implementación de las nuevas referencias de montacargas eléctricos los cuales serian una alternativa para las compañías colombianas. Mediante una detallada revisión conceptual, se mostrara la viabilidad de los montacargas eléctricos frente a los otros tipos de montacargas, teniendo como premisa el conocimiento de lo que hoy en día requieren las industrias colombianas, y cumpliendo así con una detallada comparación en donde se enfatice la diferenciación de los montacargas eléctricos con otros tipos que existen y se logre brindar una clara percepción de estos junto con las ventajas de estos vehículos para lograr así brindar mayor información a la industria colombiana sobre las ventajas de la implementación de los montacargas eléctricos en la industria colombiana.

Enhancing the reliability of electric transportation motors through insulation coordination and improved qualification

The ambitious goals of increasing the efficiency, performance and power densities of transportation drives cannot be met with compromises in the motor reliability. For the insulation specialists the challenge will be critical as the use of wide-bandgap converters (WBG, based on SiC and GaN switches) and the higher operating voltages expected for the next generation drives will enhance the electrical stresses to unprecedented levels. It is expected for the DC bus in aircrafts to reach 800 V (split +/-400 V) and beyond, driven by the urban air mobility sector and the need for electrification of electro-mechanical/electro-hydraulic actuators (an essential part of the "More Electric Aircraft" concept). Simultaneously the DC bus in electric vehicles (EV) traction motors is anticipated to increase up to 1200 V very soon. The electrical insulation system is one of the most delicate part of the machine in terms of failure probability. In particular, the appearance of partial discharges (PD) is disruptive on the reliability of the drive, especially under fast repetitive transients. Extensive experimental activity has been performed to extend the body of knowledge on PD inception, endurance under PD activity, and explore and identify new phenomena undermining the reliability. The focus has been concentrated on the impact of the WGB-converter produced waveforms and the environmental conditions typical of the aeronautical sector on insulation models. Particular effort was put in the analysis at the reduced pressures typical of aircraft cruise altitude operation. The results obtained, after a critical discussion, have been used to suggest a coordination between the insulation PD inception voltage with the converter stresses and to propose an improved qualification procedure based on the existing IEC 60034-18-41 standard.

Sviluppo di un modello Simulink per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria

Obiettivo di questo progetto di tesi è la realizzazione di un modello per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria: l’elettrificazione in ambito automotive richiede un approfondito studio delle problematiche termiche allo scopo di incrementare l’efficienza del veicolo, le performance e la vita della batteria. In particolare, l’oggetto di ricerca consiste nella modellazione di una pompa di calore. Partendo dalla definizione dei requisiti e degli obiettivi del sistema di gestione termica, ogni componente della pompa di calore viene analizzato modellato e connesso all’intero sistema. La modellazione è stata affrontata mediante l’utilizzo dell’ambiente MATLAB/Simulink. Il primo passo è stato avanzato nell’analisi del ciclo termodinamico ideale, analizzando il comportamento di vari fluidi frigorigeni, la funzionalità dei singoli componenti e l’interazione di quest’ultimi al variare delle condizioni di funzionamento, principalmente potenze scambiate, pressioni, temperature e portata massica di refrigerante. Il principale lavoro di simulazione è legato alla realizzazione di un modello configurabile dell’intero apparato di gestione termica della batteria per un veicolo elettrico. Per mezzo dello studio delle relazioni termodinamiche dei componenti principali del ciclo frigorifero sono state valutate tutte le grandezze che variano durante le trasformazioni che compie il fluido refrigerante all’interno del ciclo frigorifero. L’attività di validazione del modello implementato è stata svolta mediante il confronto tra le condizioni del fluido refrigerante determinate mediante le relazioni termodinamiche e quelle ottenute valutando le trasformazioni sui diagrammi di stato dei fluidi frigorigeni trattati. Il modello implementato è da ritenersi primordiale nel contesto legato alla modellazione e controllo dei sistemi di gestione termica per i sistemi propulsivi dei veicoli elettrici a batteria.

Estudo experimental do movimento de partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos: seletor de velocidades

Neste trabalho é apresentado um experimento incluído no contexto de experimentos longos adotado nas disciplinas experimentais de eletricidade, magnetismo e óptica, e consiste na caracterização de um seletor de velocidades que funciona com campos elétricos e magnéticos cruzados. Utiliza-se um tubo de raios catódicos para gerar um feixe de elétrons. As placas de deflexão vertical do tubo geram o campo elétrico e um par de bobinas, com os eixos perpendiculares ao eixo do tubo, gera o campo magnético. São realizados estudos de trajetória dos elétrons com auxílio de um programa de simulação de elétrons.

AcMus: an open, integrated platform for room acoustics research

This article describes the design, implementation, and experiences with AcMus, an open and integrated software platform for room acoustics research, which comprises tools for measurement, analysis, and simulation of rooms for music listening and production. Through use of affordable hardware, such as laptops, consumer audio interfaces and microphones, the software allows evaluation of relevant acoustical parameters with stable and consistent results, thus providing valuable information in the diagnosis of acoustical problems, as well as the possibility of simulating modifications in the room through analytical models. The system is open-source and based on a flexible and extensible Java plug-in framework, allowing for cross-platform portability, accessibility and experimentation, thus fostering collaboration of users, developers and researchers in the field of room acoustics.

Fatores associados à capacidade para o trabalho de trabalhadores do Setor Elétrico

O Setor Elétrico passou por recente processo de reestruturação produtiva com reflexos nas condições e organização do trabalho, podendo comprometer a capacidade para o trabalho. Este estudo objetivou avaliar fatores associados à capacidade para o trabalho junto a 475 trabalhadores de uma empresa do Setor Elétrico no Estado de São Paulo, Brasil. Neste estudo transversal foi realizada análise descritiva e análise de regressão linear múltipla. A média do Índice de Capacidade para o Trabalho (ICT) foi de 41,8 pontos (escala de 7,0 a 49,0 pontos). A análise múltipla mostrou que os fatores que melhor explicaram a variabilidade do ICT foram estresse no trabalho (p < 0,001) e saúde física (p < 0,001 em todas as dimensões). Em outra análise, excluídas as dimensões da saúde, as variáveis associadas ao ICT foram estresse no trabalho (p < 0,001), local de trabalho (p = 0,022), prática de atividade física (p = 0,001), consumo de álcool (p = 0,012) e índice de massa corporal (p < 0,001). Os resultados identificaram aspectos a serem considerados no desenvolvimento de medidas visando a preservação da capacidade para o trabalho, com ênfase no controle do estresse no trabalho e na promoção da saúde.

Optical third-harmonic spectroscopy of the magnetic semiconductor EuTe

EuTe possesses the centrosymmetric crystal structure m3m of rocksalt type in which the second-harmonic generation is forbidden in electric dipole approximation but the third-harmonic generation (THG) is allowed. We studied the THG spectra of this material and observed several resonances in the vicinity of the band gap at 2.2-2.5 eV and at higher energies up to 4 eV, which are related to four-photon THG processes. The observed resonances are assigned to specific combinations of electronic transitions between the ground 4f(7) state at the top of the valence band and excited 4f(6)5d(1) states of Eu(2+) ions, which form the lowest energy conduction band. Temperature, magnetic field, and rotational anisotropy studies allowed us to distinguish crystallographic and magnetic-field-induced contributions to the THG. A strong modification of THG intensity for the 2.4 eV band and suppression of the THG for the 3.15 eV band was observed in applied magnetic field. Two main features of the THG spectra were assigned to 5d(t(2g)) and 5d(e(g)) subbands at 2.4 eV and 3.15 eV, respectively. A microscopic quantum-mechanical model of the THG response was developed and its conclusions are in qualitative agreement with the experimental results.

Sistemas distribuídos: serviços Grid Computing

A necessidade de poder computacional é crescente nas diversas áreas de actuação humana, tanto na indústria, como em ambientes académicos. Grid Computing permite a ligação de recursos computacionais dispersos de maneira a permitir a sua utilização mais eficaz, fornecendo aos utilizadores um acesso simplificado ao poder computacional de diversos sistemas. Os primeiros projectos de Grid Computing implicavam a ligação de máquinas paralelas ou aglomerados de alto desempenho e alto custo, disponíveis apenas em algumas instituições. Contrastando com o elevado custo dos super-computadores, os computadores pessoais e a Internet sofreram uma evolução significativa nos últimos anos. O uso de computadores dispersos em uma WAN pode representar um ambiente muito interessante para processamento de alto desempenho. Os sistemas em Grid fornecem a possibilidade de se utilizar um conjunto de computadores pessoais de modo a fornecer uma computação que utiliza recursos que de outra maneira estariam omissos. Este trabalho consiste no estudo de Grid Computing a nível de conceito e de arquitectura e numa análise ao seu estado actual hoje em dia. Como complemento foi desenvolvido um componente que permite o desenvolvimento de serviços para Grids (Grid Services) mais eficaz do que o modelo de suporte a serviços actualmente utilizado. Este componente é disponibilizado sob a forma um plug-in para a plataforma Eclipse IDE.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Diagnóstico de avarias em motores elétricos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Construção de interfaces em Flex para sistemas de experimentação remota

Os laboratórios de experimentação remota estão normalmente associados a tecnologias ou soluções proprietárias, as quais restringem a sua utilização a determinadas plataformas e obrigam ao uso de software específico no lado do cliente. O ISEP possui um laboratório de experimentação remota, baseado em instrumentação virtual, usado no apoio ao ensino da electrónica e construído sobre uma plataforma NIELVIS da National Instruments. O software de controlo da plataforma recorre à linguagem gráfica de programação LabVIEW. Esta é uma ferramenta desenvolvida pela National Instruments que facilita o desenvolvimento de aplicações de sistemas de experimentação remota, mas que possui várias limitações, nomeadamente a necessidade de instalação do lado do cliente de um plug-in, cuja disponibilidade se encontra limitada a determinadas versões de sistemas operativos e de Web Browsers. A experiência anterior demonstrou que estas questões limitam o número de clientes com possibilidade de acesso ao laboratório remoto, para além de, em alguns casos, se ter verificado não ser transparente a sua instalação e utilização. Neste contexto, o trabalho de investigação consistiu no desenvolvimento de uma solução que permite a geração de interfaces que possibilitam o controlo remoto do sistema implementado, e que, ao mesmo tempo, são independentes da plataforma usada pelo cliente.