Sustainable energy solutions for irrigation and harvesting in developing countries

One of the critical problems currently being faced by agriculture industry in developing nations is the alarming rate of groundwater depletion. Irrigation accounts for over 70% of the total groundwater withdrawn everyday. Compounding this issue is the use of polluting diesel generators to pump groundwater for irrigation. This has made irrigation not only the biggest consumer of groundwater but also one of the major contributors to green house gases. The aim of this thesis is to present a solution to the energy-water nexus. To make agriculture less dependent on fossil fuels, the use of a solar-powered Stirling engine as the power generator for on-farm energy needs is discussed. The Stirling cycle is revisited and practical and ideal Stirling cycles are compared. Based on agricultural needs and financial constraints faced by farmers in developing countries, the use of a Fresnel lens as a solar-concentrator and a Beta-type Stirling engine unit is suggested for sustainable power generation on the farms. To reduce the groundwater consumption and to make irrigation more sustainable, the conceptual idea of using a Stirling engine in drip irrigation is presented. To tackle the shortage of over 37 million tonnes of cold-storage in India, the idea of cost-effective solar-powered on-farm cold storage unit is discussed.

Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários.

A geração de energia a partir do biogás do lixo em aterros sanitários é uma maneira de produzir energia elétrica renovável e limpa, reduzindo os impactos globais provocados pela queima dos resíduos sólidos urbanos. A contribuição ambiental mais relevante é a redução de emissões dos gases de efeito estufa (GEE), por meio da conversão do metano em dióxido de carbono, visto que o metano possui um potencial de aquecimento global cerca de 21 vezes maior, quando comparado ao dióxido de carbono (através da combustão do mesmo). De acordo com o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), os países ricos podem comprar créditos de carbono (CERs) dos países em desenvolvimento (que possuam projetos sustentáveis) para cumprir suas metas ambientais. O objetivo é transformar um passivo ambiental (destinação final dos resíduos sólidos urbanos) em um recurso energético, além do estudo da alternativa de obtenção de recursos financeiros através dos CERs. São analisadas as tecnologias de conversão energética (tecnologia de gás de lixo, incineração, entre outras), com a seleção da melhor alternativa para a geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários. A metodologia utilizada é a recomendada pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos - USEPA (2005). Serão apresentadas outras duas metodologias de cálculo da geração de metano: a do Banco Mundial e a do IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). São apresentados estudos comparativos demonstrando quando as turbinas a gás, motores de combustão interna (ciclos Otto ou Diesel) ou outras tecnologias de conversão energética serão viáveis na área técnica e econômica para implantação de Unidades Termoelétricas a biogás. No caso do Aterro de Gramacho, o projeto é viável com a utilização de motores a combustão interna e a obtenção de receitas com a venda da produção de energia e créditos de carbono. Por fim, será apresentada a alternativa do uso do biogás como substituto do gás natural para fins energéticos ou outros fins industriais.

Photonic and Device Design Principles for Ultrahigh-Efficiency (>50%), Spectrum-Splitting Photovoltaics

The sun has the potential to power the Earth's total energy needs, but electricity from solar power still constitutes an extremely small fraction of our power generation because of its high cost relative to traditional energy sources. Therefore, the cost of solar must be reduced to realize a more sustainable future. This can be achieved by significantly increasing the efficiency of modules that convert solar radiation to electricity. In this thesis, we consider several strategies to improve the device and photonic design of solar modules to achieve record, ultrahigh (> 50%) solar module efficiencies. First, we investigate the potential of a new passivation treatment, trioctylphosphine sulfide, to increase the performance of small GaAs solar cells for cheaper and more durable modules. We show that small cells (mm2), which currently have a significant efficiency decrease (~ 5%) compared to larger cells (cm2) because small cells have a higher fraction of recombination-active surface from the sidewalls, can achieve significantly higher efficiencies with effective passivation of the sidewalls. We experimentally validate the passivation qualities of treatment by trioctylphosphine sulfide (TOP:S) through four independent studies and show that this facile treatment can enable efficient small devices. Then, we discuss our efforts toward the design and prototyping of a spectrum-splitting module that employs optical elements to divide the incident spectrum into different color bands, which allows for higher efficiencies than traditional methods. We present a design, the polyhedral specular reflector, that has the potential for > 50% module efficiencies even with realistic losses from combined optics, cell, and electrical models. Prototyping efforts of one of these designs using glass concentrators yields an optical module whose combined spectrum-splitting and concentration should correspond to a record module efficiency of 42%. Finally, we consider how the manipulation of radiatively emitted photons from subcells in multijunction architectures can be used to achieve even higher efficiencies than previously thought, inspiring both optimization of incident and radiatively emitted photons for future high efficiency designs. In this thesis work, we explore novel device and photonic designs that represent a significant departure from current solar cell manufacturing techniques and ultimately show the potential for much higher solar cell efficiencies.

Effect of the A cation size disorder and synthesis conditions on the properties of an iron perovskite series

Póster presentado en The Energy and Materials Research Conference - EMR2015 celebrado en Madrid (España) entre el 25-27 de febrero de 2015

Thermal analyses, spectral characterization and structural interpretation of Yb3+ doped TeO2-ZnO-ZnCl2 glasses

Bulk-lasses have been prepared in the TeO2-ZnO-ZnCl2 systems. Their characteristic temperatures were determined and analyzed. Raman and FT-IR spectra were used to analyze the effect of ZnCl2 on the structure and spectral properties of tellurite glasses and OH- groups in this glass system. The spectroscopic properties including absorption spectra, emission cross-sections and fluorescence lifetimes of Yb3+ in TeO2-ZnO-ZnCl2 were measured and calculated. It is demonstrated that the progressive replacement less than 20 mol% of TeO2 by ZnCl2 improves the thermal stability, removes the OH- groups, turns TeO4 bipyramidal arrangement into TeO3 (and/or TeO3+1) trigonal pyramids structures and results in the decrease of the symmetry of the structure, which increases the emission cross-sections and lifetimes. But when the content of ZnCl2 up to 30 mol%, the glass system becomes more hygroscopic and introduces more OH- groups, which decrease the emission cross-sections and shorten the lifetimes. The results show that the glass system with (TeO2)-Te-69-(ZnO)-Zn-10-20ZnCl(2)-1Yb(2)O(3) is a desirable component for active laser media for high power generation. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of F- ions on emission cross-section and fluorescence lifetime of Yb3+-doped tellurite glasses

The effects of F- ions in Yb3+-doped tellurite glass systems on the emission cross-section and measured fluorescence lifetime are investigated. The results show that both the emission cross-section and the fluorescence lifetime of Yb3+ ions increase from 1.32 to 1.39 pm(2) and from 0.93 to 1.12 ms respectively with the increase of F- ions from 0 to 10 mol% and that such oxyfluoride tellurite glass system is a promising laser host matrix for high power generation. FT-IR spectra were used to analyze the effect of F- ions on the structure of tellurite glasses and the change of OH- groups in this glass system. Analysis demonstrates that the addition of fluoride decreases the symmetry of the structure of tellurite glasses resulting in increasing of the emission cross-section and removes the OH- groups resulting in increasing of the measured fluorescence lifetime of Yb3+ ions. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of F- ions on physical and spectroscopic properties of Yb3+-doped TeO2-based glasses

The effects of F- ions on physical and spectroscopic properties of the Yb3+ in tellurite glass system are investigated. The results show that the glass system takes on good thermal stability with the content of ZnF2 lower than 15 mol%, both the emission cross-section and the fluorescence lifetime of Yb3+ ions increase evidently which indicate that such oxyfluoride tellurite glass system is a promising laser host matrix for high power generation. FT-IR spectra were used to analyze the effect of F- ions on the structure of tellurite glasses and OH- groups in this glass system. Analysis demonstrates that addition of fluoride decreases the symmetry of the structure of tellurite glasses which increases the emission cross-section and removes the OH- groups, and which improves the measured fluorescence lifetime of Yb3+ ions. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fluorescence lifetime increasing with F- ions into ytterbium-doped germanium-lead-tellurite glasses

The effects of F- ions in a germanium-lead-tellurite glass system oil the spectral and potential laser properties of the Yb3+ are investigated. The absorption spectra, lifetimes, the emission cross-sections and the minimum pump intensities of the glass system with and without F- ions have been measured and calculated. The results show that the fluorescence lifetime and the minimum pump intensity of Yb3+ ions increase evidently, which indicates that germanium lead-oxyfluoride tellurite glass is a promising laser host matrix for high power generation. FT-IR spectra were used to analyse the effect of F- ions on OH- groups in this glass system. Analysis demonstrates that addition of fluoride removes the OH- groups and results in improvement of fluorescence lifetime of Yb3+.

Control de frecuencia en parques eólicos.

[ES]de generación convencional basada en grandes centrales de generación térmica por lo que es necesaria la contribución de este tipo de generación en el mantenimiento de las magnitudes básicas del sistema. El objetivo del T.F.G, será analizar el impacto de la generación eólica en la frecuencia del sistema, así como las diferentes propuestas para que este tipo de generación participe en el control de frecuencia. En primer lugar se describen los aspectos técnicos de la generación eólica. A continuación se analiza el control de frecuencia y se examinan diferentes mecanismos de contribución de la generación eólica al control de frecuencia. Finalmente se realizará un ejemplo práctico mediante el programa de simulación Matlab/Simulink con objeto de analizar de forma simplificada el comportamiento de control de frecuencia en sistemas eléctricos con generación eólica.

Fluorescence lifetime increase by introduction of F- ions in ytterbium-doped TeO2-based glasses

this paper was retracted

Effect of F- ions on spectroscopic properties of Yb3+-doped zinc-tellurite glasses

this paper is retracted

Avaliação sazonal do grau de trofia em reservatórios do complexo hidrelétrico de Ribeirão das Lajes (Rio de Janeiro)

Com a demanda por energia elétrica nos dias atuais e a grande quantidade de bacias hidrográficas presentes no Brasil, a geração de energia hidrelétrica se tornou a principal forma de suprimento. Dentre as diversas mudanças ocorridas em represamento de rios, a redução na vazão da água influencia no acúmulo de nutrientes afetando diretamente na qualidade da água, podendo acarretar em um processo denominado eutrofização, caracterizado pelo aumento na quantidade de nutrientes em um sistema e contribuindo para o desenvolvimento de produtores primários (fitoplâncton e macrófitas aquáticas) em níveis acima do crescimento natural. Para identificar o estado de trofia dos reservatórios pertencentes ao Complexo Hidrelétrico de Ribeirão das Lajes (RJ) foi utilizada a metodologia de Lu e Lo (2002) de avaliação trófica fuzzy (ou difusa) sintética e não sintética, além da avaliação trófica através do índice de estado trófico de Carlson (1977). As classes de estado trófico utilizadas na metodologia é da OECD (1982) e utiliza transparência, concentrações de fósforo total e de clorofila-a como variáveis. Outras variáveis limnológicas como temperatura, oxigênio dissolvido, condutividade elétrica, turbidez, pH e sólidos dissolvidos totais foram utilizadas para caracterização dos reservatórios. As coletas foram realizadas em três momentos, no período seco de 2011, no período chuvoso de 2012 e no período seco de 2012. As análises fuzzy não sintéticas apontaram os reservatórios de Santana, Vigário e Ponte Coberta como oligotrófico/eutrófico durante o período de estudo. O reservatório de Ribeirão das Lajes foi classificado como oligotrófico nos períodos secos no ano de 2011 e 2012, e como mesotrófico no período chuvoso de 2012, assim como o reservatório de Tocos. Foram observadas diferenças significativas entre o período seco e o chuvoso em relação às concentrações de clorofila-a, transparência e turbidez, demonstrando influência sazonal no grau de trofia dos reservatórios, uma vez que clorofila-a e transparência são variáveis utilizadas em índices de estado trófico

Análise da Transparência Corporativa através dos Relatórios de Sustentabilidade com base na Global Reporting Initiative de Empresas do Setor Brasileiro de Energia Elétrica

Este estudo realizou um exame crítico sobre os relatórios de sustentabilidade, com base na Global Reporting Initiative (GRI), elaborados pelas empresas do setor de geração de energia elétrica por hidroeletricidade no Brasil e avaliou a significância destes documentos em prestar informações claras sobre a eficácia do desempenho socioambiental. Os estudos acadêmicos relacionados com os relatórios de sustentabilidade, e especificamente com os relatórios da GRI, demonstram que há problemas na qualidade da informação com relação à completeza, padronização e credibilidade do conteúdo, porém sem aprofundar nas causas potenciais. Trata-se de um estudo com abordagem quali-quantitativa, com o emprego de pesquisa do tipo descritiva e a utilização de procedimentos bibliográfico e documental, por meio de análise de conteúdo. A quantificação das evidências foi desenvolvida com base nas informações contidas nos relatórios de sustentabilidade das empresas CPFL, EDP e Tractebel, que possuíam o nível mais alto de aplicação da GRI, associadas com as informações de seus desempenhos socioambientais disponíveis por outras fontes de consulta independentes. Os resultados da análise de conteúdo dos relatórios de sustentabilidade demonstraram que nenhuma das empresas atingiu o atendimento pleno de evidência da informação solicitada nas Unidades de Informação avaliadas. Esta constatação indica que todas as empresas avaliadas apresentaram falhas na validação das informações antes do início da elaboração propriamente dita do relatório, como determina a etapa de validação da GRI, sugerindo que os testes disponíveis nos princípios da GRI, provavelmente, não foram empregados ou foram adotados sem eficácia, afetando a qualidade da informação com relação à completeza e credibilidade do conteúdo. Questões que merecem ser aprofundadas em futuros trabalhos são: a influência dos limites da auditoria independente no resultado da verificação do relatório e a extensão da pesquisa de análise de conteúdo para outros setores industriais formados por grandes empresas e com elevado impacto ambiental potencial. O estudo contribui para o aumento de conhecimento sobre o tema, em destaque na atualidade, seja pelos esforços de normalização mundial do relatório de sustentabilidade GRI, e, principalmente, com a recomendação para o fomento destes relatórios incluída no documento final The Future We Want- O Futuro que Queremos da Conferência das Nações Unidas sobre Desenvolvimento Sustentável (Rio+20), no parágrafo 47, com potencial regulamentação brasileira compulsória dos mesmos.

River fisheries in Africa: their relationship to flow regimes

River fisheries in Africa are important because of their contribution of animal protein to human diets. Such fisheries are highly dependent on hydrological regimes and show considerable year-to-year variation in response to natural climatic events. River flow regimes are being increasingly altered by withdrawals by man, principally for agriculture. The modification of hydrological regimes is leading to diminishing catches of fish and changes in the number and size of the species caught. Given that the trend to remove water from rivers for agriculture and power generation will continue, better appraisals of the impacts of such withdrawals are urgently needed so the policies for water allocation can be better defined. The development of tools to aid in such decision-making is equally important.

Impact of dead and sunken water hyacinth on biotic communities, the aquatic environment and socio-economic activities

The mobile water hyacinth, which was produced in growth zones, especially Murchison Bay, was mainly exported to three sheltered storage bays (Thruston, Hannington and Waiya). Between 1996 and May 1998, the mobile form of water hyacinth occupied about 800 ha in Thruston Bay, 750 ha in Hannington Bay and 140 ha in Waiya Bay). Biological control weevils and other factors, including localised nutrient depletion, weakened the weed that was confined to the bays and it sunk around October 1998. The settling to the bottom of such huge quantities of organic matter its subsequent decomposition and the debris from this mass was likely to have environmental impacts on biotic communities (e.g. fish and invertebrate), physico-chemical conditions (water quality), and on socio-economic activities (e.g. at fish landings, water abstraction, and hydro-power generation points). Sunken water. hyacinth debris could also affect nutrient levels in the water column and lead to reduction in the content of dissolved oxygen. The changes in nutrient dynamics and oxygen levels could affect algal productivity, invertebrate composition and fish communities. Socio-economic impacts of dead sunken weed were expected from debris deposited along the shoreline especially at fish landings, water abstraction and hydropower generation points. Therefore, environmental impact assessment studies were carried out between 1998 and 2002 in selected representative zones of Lake Victoria to identify the effects of the sunken water hyacinth biomass