Development and optimization of fibre-shaped dye-sensitized solar cells employing an innovative fully organic sensitizer

The quality of human life depends to a large degree on the availability of energy. In recent years, photovoltaic technology has been growing extraordinarily as a suitable source of energy, as a consequence of the increasing concern over the impact of fossil fuels on climate change. Developing affordable and highly efficiently photovoltaic technologies is the ultimate goal in this direction. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) offer an efficient and easily implementing technology for future energy supply. Compared to conventional silicon solar cells, they provide comparable power conversion efficiency at low material and manufacturing costs. In addition, DSSCs are able to harvest low-intensity light in diffuse illumination conditions and then represent one of the most promising alternatives to the traditional photovoltaic technology, even more when trying to move towards flexible and transparent portable devices. Among these, considering the increasing demand of modern electronics for small, portable and wearable integrated optoelectronic devices, Fibre Dye-Sensitized Solar Cells (FDSSCs) have gained increasing interest as suitable energy provision systems for the development of the next-generation of smart products, namely “electronic textiles” or “e-textiles”. In this thesis, several key parameters towards the optimization of FDSSCs based on inexpensive and abundant TiO2 as photoanode and a new innovative fully organic sensitizer were studied. In particular, the effect of various FDSSCs components on the device properties pertaining to the cell architecture in terms of photoanode oxide layer thickness, electrolytic system, cell length and electrodes substrates were examined. The photovoltaic performances of the as obtained FDSSCs were fully characterized. Finally, the metal part of the devices (wire substrate) was substituted with substrates suitable for the textile industry as a fundamental step towards commercial exploitation.

Greenhouse gas emissions and energy balance of palm oil biofuel

The search for alternatives to fossil fuels is boosting interest in biodiesel production. Among the crops used to produce biodiesel, palm trees stand out due to their high productivity and positive energy balance. This work assesses life cycle emissions and the energy balance of biodiesel production from palm oil in Brazil. The results are compared through a meta-analysis to previous published studies: Wood and Corley (1991) [Wood BJ, Corley RH. The energy balance of oil palm cultivation. In: PORIM intl. palm oil conference agriculture; 1991.], Malaysia; Yusoff and Hansen (2005) [Yusoff S. Hansen SB. Feasibility study of performing an life cycle assessment on crude palm oil production in Malaysia. International Journal of Life Cycle Assessment 2007;12:50-8], Malaysia; Angarita et al. (2009) [Angarita EE, Lora EE, Costa RE, Torres EA. The energy balance in the palm oil-derived methyl ester (PME) life cycle for the cases in Brazil and Colombia. Renewable Energy 2009;34:2905-13], Colombia; Pleanjai and Gheewala (2009) [Pleanjai S. Gheewala SH. Full chain energy analysis of biodiesel production from palm oil in Thailand. Applied Energy 2009;86:S209-14], Thailand; and Yee et al. (2009) [Yee KF, Tan KT, Abdullah AZ, Lee la. Life cycle assessment of palm biodiesel: revealing facts and benefits for sustainability. Applied Energy 2009;86:S189-96], Malaysia. In our study, data for the agricultural phase, transport, and energy content of the products and co-products were obtained from previous assessments done in Brazil. The energy intensities and greenhouse gas emission factors were obtained from the Simapro 7.1.8. software and other authors. These factors were applied to the inputs and outputs listed in the selected studies to render them comparable. The energy balance for our study was 1:5.37. In comparison the range for the other studies is between 1:3.40 and 1:7.78. Life cycle emissions determined in our assessment resulted in 1437 kg CO(2)e/ha, while our analysis based on the information provided by other authors resulted in 2406 kg CO(2)e/ha, on average. The Angarita et al. (2009) [Angarita EE, Lora EE, Costa RE, Torres EA. The energy balance in the palm oil-derived methyl ester (PME) life cycle for the cases in Brazil and Colombia. Renewable Energy 2009:34:2905-13] study does not report emissions. When compared to diesel on a energy basis, avoided emissions due to the use of biodiesel account for 80 g CO(2)e/MJ. Thus, avoided life Cycle emissions associated with the use of biodiesel yield a net reduction of greenhouse gas emissions. We also assessed the carbon balance between a palm tree plantation, including displaced emissions from diesel, and a natural ecosystem. Considering the carbon balance outcome plus life cycle emissions the payback time for a tropical forest is 39 years. The result published by Gibbs et al. (2008) [Gibbs HK, Johnston M, Foley JA, Holloway T, Monfreda C, Ramankutty N, et al., Carbon payback times for crop-based biofuel expansion in the tropics: the effects of changing yield and technology. Environmental Research Letters 2008;3:10], which ignores life cycle emissions, determined a payback range for biodiesel production between 30 and 120 years. Crown Copyright (C) 2010 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Simulação interactiva do mercado de energia eléctrica

A área de comercialização de energia eléctrica conheceu uma profunda mudança após a liberalização do sector eléctrico, que levou à criação de algumas entidades, as quais gerem os mercados de electricidade europeus. Relativamente a Portugal e Espanha, durante esse processo de liberalização, deu-se também um acordo que os levou à criação de um mercado conjunto, um mercado Ibérico (MIBEL). Dentro deste mercado estão contemplados dois operadores, sendo que um deles representa o pólo Português (OMIP) e o outro representa o pólo Espanhol (OMEL). O OMIP contempla os mercados a prazo, ou futuros, normalmente apresenta contratos de energia comercializada com durabilidade de semanas, meses, trimestres, semestres ou mesmo anos. Diariamente estes contratos poderão vencer no OMEL, que engloba os mercados, diário e intradiário. Este, ao contrário do OMIP negoceia para o dia seguinte (mercado diário) ou para uma determinada altura do dia (mercado intra diário). O mercado diário será o exemplo usado para a criação do simulador interactivo do mercado de energia eléctrica. Este será composto por diversos utilizadores (jogadores), que através de uma plataforma HTML irão investir em centrais de energia eléctrica, negociar licitações e analisar o funcionamento e resultados deste mercado. Este jogo subdividir-se-á então em 3 fases: 1. Fase de investimento; 2. Fase de venda (licitações); 3. Fase de mercado. Na fase do investimento, o jogador terá a possibilidade de adquirir unidades de geração de energia eléctrica de seis tipos de tecnologia: 1. Central a Carvão; 2. Central de Ciclo Combinado; 3. Central Hídrica; 4. Central Eólica; 5. Central Solar; 6. Central Nuclear. Com o decorrer das jogadas o jogador poderá aumentar a sua capacidade de investimento, com a venda de energia, sendo o vencedor aquele que mais saldo tiver no fim do número de jogadas previamente definidos, ou aquele que mais depressa atingir o saldo definido como limite pelo administrador do jogo. A nível pedagógico este simulador é muito interessante pois para além de o utilizador ficar a conhecer as tecnologias em causa e as vantagens e desvantagens das centrais de energia renovável e das centrais a combustíveis fósseis, este ganha igualmente uma sensibilidade para questões de nível ambiental, tais como o aumento dos gases de estufa e o degelo resultante do aquecimento global provocado por esses gases. Para além do conhecimento adquirido na parte de energia eléctrica este jogo dará a conhecer ao utilizador o funcionamento do mercado da energia eléctrica, bem como as tácticas que este poderá usar a seu favor neste tipo de mercado.

A energia das ondas e o seu aproveitamento

As crises energéticas surgidas no decorrer do último século, incluindo a crise do petróleo, obrigaram o Homem a procurar cada vez mais fontes de energia alternativas e preferencialmente inesgotáveis. Desta situação, resultou uma forte aposta na exploração das fontes de energias renováveis, que são uma das principais alternativas para responder a um aumento de procura, e também, face às exigências de consumos actuais, beneficiando de ao se apostar numa energia limpa e renovável existir uma forte redução nos impactes ambientais que outras fontes de energia não apresentam. O aproveitamento dos recursos provenientes de fontes de energia renováveis para a produção de energia já existe há vários anos, e, em alguns casos, atingiram já um estado de maturidade considerável, como é caso da energia eólica. Em comparação, o mesmo já não acontece com a energia das ondas. Embora o oceano apresente um recurso com enorme potencial para ser explorado, incluindo as ondas e correntes oceânicas, os dispositivos tecnológicos necessários para a exploração deste recurso encontram-se maioritariamente ainda em fase experimental, havendo casos pontuais que atingiram a fase pré-comercial. Assim, não existe até à data um dispositivo padrão para a exploração da energia das ondas em grande escala, contrariamente ao que acontece com a energia eólica. Para esta situação, contribuiu o elevado número de dispositivos patenteados para a exploração da energia das ondas, nenhum deles com vantagens significativas relativamente a outros, e também, devido ao facto de a exploração deste tipo de energia não poder ser feito de igual modo na costa ou a muitos quilómetros dela. Na presente dissertação são apresentados alguns dos principais dispositivos existentes para a extracção de energia proveniente das ondas oceânicas, com especial atenção para os dispositivos de coluna de água oscilante.

Torre solar: estudo do rendimento e viabilidade de centrais térmicas solares para produção de energia eléctrica de pequena e média dimensão

O aproveitamento da radiação solar representa um recurso energético extremamente benéfico, quer no âmbito energético, quer no ambiental, contribuindo para a redução das emissões de gases nocivos para a atmosfera. Portugal apresenta uma radiação solar total média anual bastante elevada, colocando-se entre um dos países que apresentam melhores potencialidades para o aproveitamento da energia solar. A torre solar consiste numa estufa com uma determinada extensão com uma chaminé no seu centro e o seu funcionamento baseia-se no aquecimento do ar que circula por baixo da estufa, sendo expelido pela chaminé. Nesta tese é abordado o tema da torre solar e os princípios físicos inerentes ao seu funcionamento. Foi estudado e descrito o método de cálculo de diversos parâmetros e resultados associados ao funcionamento da torre solar. Elaborou-se uma folha de cálculo para obtenção dos valores de simulações de torres com diversas dimensões, tecendo-se conclusões quanto aos resultados e às variações dos mesmos, consoante as alterações de dimensão dos elementos que a constituem. Foram descritos os vários elementos que constituem uma torre solar, bem como as suas características e tipologias. Efectuou-se um estudo com aplicação a um caso real, para se tecer algumas conclusões e comentários relativamente à viabilidade de uma torre solar para a situação em causa. Por fim, com base em todo o trabalho desenvolvido e abordado, foi possível tecer-se algumas conclusões quanto à viabilidade das torres solares.

Acompanhamento dos trabalhos de construção de um hotel SANAHotels Amoreiras

Este trabalho final de mestrado baseou-se no acompanhamento da construção do hotel SANA Amoreiras, situado na Avenida Duarte Pacheco nº 12. O empreiteiro geral foi a empresa FDO Construções. Existindo também uma equipa de fiscalização, LMSA, contratada pelo Dono de Obra de forma a efectuar todo o controlo de qualidade. O TFM baseou-se no estágio efectuado para o Dono de obra do hotel onde fui devidamente acompanhada por uma engenheira, orientadora de estágio, que acompanhou de perto o desempenho da minha actividade. Esta função teve como objectivos a gestão de projecto de hotel, interligação entre projectistas e empreiteiro geral, bem prestar o devido acompanhamento de todos trabalhos a realizar. Acompanhei a realização de dois quartos modelo onde o objectivo do Dono de Obra foi testar as diversas soluções ao nível de revestimentos, sanitários, iluminação, mobiliário, decoração e outras soluções de arquitectura, soluções estas a implementar no hotel. Acompanhei também a realização de reuniões de compatibilização e coordenação de todos os projectos de especialidades com o projecto de arquitectura, nomeadamente Avac, Instalações eléctricas, Comunicações, Segurança, Águas, Esgotos, Gás, Incêndio, Cozinhas de forma a ser possível efectuar consultas aos empreiteiros e adjudicar todas estas empreitadas. Foi efectuada uma abordagem à descrição do hotel, suas características, indicação das razões que levaram à sua construção e descrição das várias empreitadas de construção realizadas até então, tal como, demolição, escavação, estrutura, acabamentos e especialidades.

Otimização de sistema de absorção, com coletores solares, para refrigeração de espaços condicionados termicamente (a chiller)

Nos dias que correm questões ambientais e considerações energéticas obrigam a uma inovação constante na procura de soluções de baixo consumo energético e de impacto ambiental baixo, nomeadamente no que diz respeito aos sistemas de climatização e refrigeração. Têm vindo a ser criadas medidas, tanto a nível internacional como nacional, no sentido de reduzir as emissões nocivas para a atmosfera, consequência do excessivo consumo de combustíveis fósseis, e do aumento da rentabilidade da energia e maior utilização de energias renováveis. O presente estudo de dimensionamento de um sistema de absorção, a brometo de lítio/água, com coletores solares, tem por base o sistema de compressão existente num edifício de serviços no centro de Lisboa. Foi efetuada uma analise simplificada dos seus dados de consumo energético, de maneira a verificar a viabilidade económica da substituição do equipamento existente e instalação de um sistema de coletores solares. Concluiu-se que a substituição do equipamento e a instalação de coletores solar, não é atrativa do ponto de vista económico, nesta solução em particular. Contudo, verifica-se uma considerável redução do impacto ambiental do consumo energético do edifício.

Protection of wind energy systems against the indirect effects of lightning

This paper is concerned with the protection of wind energy systems against the indirect effects of lightning. As wind energy is gaining increasing importance throughout the world, lightning damages involving wind energy systems have come to be regarded with more attention. Nevertheless, there are still very few studies in Portugal regarding lightning protection of wind energy systems using models of the Electro-Magnetic Transients Program (EMTP). Hence, a new case study is presented in this paper, based on a wind turbine with an interconnecting transformer, considering that lightning strikes the soil near the tower at a distance such that galvanic coupling occurs through the grounding electrode. Computer simulations obtained by using EMTP-RV are presented and conclusions are duly drawn. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Energy resources scheduling in competitive environment

The increasing use of distributed generation units based on renewable energy sources, the consideration of demand-side management as a distributed resource, and the operation in the scope of competitive electricity markets have caused important changes in the way that power systems are operated. The new distributed resources require an entity (player) capable to make them able to participate in electricity markets. This entity has been known as Virtual Power Player (VPP). VPPs need to consider all the business opportunities available to their resources, considering all the relevant players, the market and/or other VPPs to accomplish their goals. This paper presents a methodology that considers all these opportunities to minimize the operation costs of a VPP. The method is applied to a distribution network managed by four independent VPPs with intensive use of distributed resources.

Renewable-based generation integration in electricity markets with virtual power producers

The development of renewable energy sources and Distributed Generation (DG) of electricity is of main importance in the way towards a sustainable development. However, the management, in large scale, of these technologies is complicated because of the intermittency of primary resources (wind, sunshine, etc.) and small scale of some plants. The aggregation of DG plants gives place to a new concept: the Virtual Power Producer (VPP). VPPs can reinforce the importance of these generation technologies making them valuable in electricity markets. VPPs can ensure a secure, environmentally friendly generation and optimal management of heat, electricity and cold as well as optimal operation and maintenance of electrical equipment, including the sale of electricity in the energy market. For attaining these goals, there are important issues to deal with, such as reserve management strategies, strategies for bids formulation, the producers’ remuneration, and the producers’ characterization for coalition formation. This chapter presents the most important concepts related with renewable-based generation integration in electricity markets, using VPP paradigm. The presented case studies make use of two main computer applications:ViProd and MASCEM. ViProd simulates VPP operation, including the management of plants in operation. MASCEM is a multi-agent based electricity market simulator that supports the inclusion of VPPs in the players set.

Virtual power producers simulation - negotiating renewable distributed generation in competitive electricity markets

Sustainable development concerns made renewable energy sources to be increasingly used for electricity distributed generation. However, this is mainly due to incentives or mandatory targets determined by energy policies as in European Union. Assuring a sustainable future requires distributed generation to be able to participate in competitive electricity markets. To get more negotiation power in the market and to get advantages of scale economy, distributed generators can be aggregated giving place to a new concept: the Virtual Power Producer (VPP). VPPs are multi-technology and multisite heterogeneous entities that should adopt organization and management methodologies so that they can make distributed generation a really profitable activity, able to participate in the market. This paper presents ViProd, a simulation tool that allows simulating VPPs operation, in the context of MASCEM, a multi-agent based eletricity market simulator.

Avaliação da rentabilidade económica dos sistemas de microgeração fotovoltaica em Portugal (1990-2010)

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - ramo de Energia

Riscos e incerteza das fontes renováveis na produção de energia elétrica

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.