Análise dos sistemas termo-solares de produção de energia eléctrica

Actualmente a humanidade depara-se com um dos grandes desafios que é o de efectivar a transição para um futuro sustentável. Logo, o sector da energia tem um papel chave neste processo de transição, com principal destaque para a energia solar, tendo em conta que é uma das fontes de energias renováveis mais promissoras, podendo no médiolongo prazo, tornar-se uma das principais fontes de energia no panorama energético dos países. A energia solar térmica de concentração (CSP), apesar não ser ainda conhecida em Portugal, possui um potencial relevante em regiões específicas do nosso território. Logo, o objectivo deste trabalho é efectuar uma análise detalhada dos sistemas solares de concentração para produção de energia eléctrica, abordando temas, tais como, o potencial da energia solar, a definição do processo de concentração solar, a descrição das tecnologias existentes, o estado da arte do CSP, mercado CSP no mundo, e por último, a análise da viabilidade técnico-económica da instalação de uma central tipo torre solar de 20 MW, em Portugal. Para que este objectivo fosse exequível, recorreu-se à utilização de um software de simulação termodinâmica de centrais CSP, denominado por Solar Advisor Model (SAM). O caso prático foi desenvolvido para a cidade de Faro, onde foram simuladas quatro configurações distintas para uma central do tipo torre solar de 20 MW. Foram apresentados resultados, focando a desempenho diário e anual da central. Foi efectuada uma análise para avaliação da influência da variabilidade dos parâmetros, localização geográfica, múltiplo solar, capacidade de armazenamento de calor e fracção de hibridização sobre o custo nivelado da energia (LCOE), o factor de capacidade e a produção anual de energia. Conjuntamente, é apresentada uma análise de sensibilidade, com a finalidade de averiguar quais os parâmetros que influenciam de forma mais predominante o valor do LCOE. Por último, é apresentada uma análise de viabilidade económica de um investimento deste tipo.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Modelamento e simulação de um sistema inversor trifásico para injeção de energia na rede de distribuição a partir de fontes renováveis do tipo FV

Este trabalho baseia se na necessidade de aumentar as fontes renováveis de energia, reduzindo assim a dependência de fontes não renováveis, principalmente as poluentes como as de provenientes de combustíveis fosseis. A fonte de energia renovável explorada neste trabalho é a advinda de energia solar, com a utilização de painéis solares e métodos de extração para converter esta energia em energia elétrica e assim poder utilizar esta energia de forma eficiente. A energia produzida por painéis fotovoltaicos se apresenta em forma de corrente continua, tendo assim a necessidade do uso de conversores CC-CA, ou ditos inversores de tensão, para utilização da mesma, já que a maioria do equipamentos que utilizam energia elétrica são construídos em forma a serem abastecidos com energia elétrica em corrente alternada. Como este trabalho foca na injeção da energia produzida pelos painéis FV na rede de distribuição de baixa tensão, faz se necessário o uso de um PLL para garantir que o sistema inversor esteja em sincronismo com a rede de distribuição e possa garantir a entrega de energia ativa. Por fim mas não menos importante, é utilizado neste projeto técnicas de MPPT para garantir um maior aproveitamento da energia proveniente dos painéis FV, ajudando assim a melhorar a eficácia deste tipo de energia, sendo mais fiável e viável.

Solution processed quantum dot photodetectors

To find sustainable solutions for the production of energy, it is necessary to create photovoltaic technologies that make every photon count. To pursue this necessity, in the present work photodetectors of zinc oxide embedded with nano-structured materials, that significantly raise the conversion of solar energy to electric energy, were developed. The novelty of this work is on the development of processing methodologies in which all steps are in solution: quantum dots synthesis, passivation of their surface and sol-gel deposition. The quantum dot solutions with different capping agents were characterized by UVvisible absorption spectroscopy, spectrofluorimetry, dynamic light scattering and transmission electron microscopy. The obtained quantum dots have dimensions between 2 and 3nm. These particles were suspended in zinc acetate solutions and used to produce doped zinc oxide films with embedded quantum dots, whose electric response was tested. The produced nano-structured zinc oxide materials have a superior performance than the bulk, in terms of the produced photo-current. This indicates that an intermediate band material should have been produced that acts as a photovoltaic medium for solar cells. The results are currently being compiled in a scientific article, that is being prepared for possible submission to Energy and Environmental Science or Nanoscale journals.

Implementação de um sistema MPPT em circuito integrado CMOS

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

The financial sustainability of passive house construction in Ireland.

In Ireland the average energy cost for a household in 2006 was estimated to be €1,767, an increase of 4% on 2005 figures. With the state o f the current economic climate, home owners are beginning to realise the potential of energy efficient construction methods. The Passive House Standard offers a cost efficient and sustainable construction solution compared to the Traditional Irish construction methods. This report focuses on the Cost comparison between Passive House construction and traditional construction methods. The report also focuses on barriers that are slowing market penetration of the Passive House standard in the Irish Market. It also identifies potential energy savings that passive house occupants would benefit from. The report also highlights professional opinions on the future development o f the Passive House Standard in Ireland. The conclusions of this report are that the Passive House Standard is a more financially suitable construction solution compared to that o f a traditional dwelling complying with the Irish Building Regulations. The report also concludes that the Passive House Standard won’t be introduced as an Irish Building Regulation in the future but that it will have a big impact on future building regulations. The hypothesis o f this report is supported by data obtained from a literature review, qualitative data analysis and a case study. The report recommends that in order for the Passive House Standard to penetrate further into the Irish construction market, various barriers must be rectified. Local manufactures must start producing suitable components that suit the Passive House specification. The Building Energy Rating system must be altered in order for the Passive House to achieve its potential BER rating.

Autosuficiència energètica en nuclis de muntanya: experiència a Araós

A aquest estudi s’ha analitzat si és viable l’autosuficiència energètica en base a un estudi pilot al nucli d’Araós a partir dels recursos renovables locals. S’ha realitzat un anàlisi del consum energètic del nucli d’Araós i s’ha comparat amb el potencial de producció energètica dels recursos renovables locals, incloent energia provinent de la biomassa forestal dels boscos de què disposa el municipi d’Alins i energia solar. Igualment s’han analitzat les emissions de CO2 derivades del consum energètic del poble. S’ha comprovat així que la mitjana de consum per habitant i any d’Araós supera en 1Tep a la mitjana de Catalunya. El 38% del consum d’Araós però, prové de biomassa forestal local, que compta amb unes emissions de CO2 associades pràcticament nul·les. Finalment s’ha detectat que és possible assolir l’autosuficiència energètica d’Araós, mitjançant diferents estratègies d’implantació d’energies renovables. S’han considerat dues estratègies que cobreixen de 3 a 5 vegades el consum energètic: estratègia individual amb instal·lació d’energia solar en teulada i, calefacció i ACS a partir de calderes de biomassa; estratègia col·lectiva mitjançant una central de biomassa forestal. Ambdues representen beneficis energètics, econòmics i fins un 92% de reducció d’emissions de CO2.

Muntatge i caracterització d'una placa DSSC: Buscant potència

Treball de recerca realitzat per alumnes d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Els objectius inicials foren la construcció d una 'Cèl•lula Solar Sensibilitzada mitjançant un Colorant’ (DSSC) amb el tint d una col llombarda i posterior caracterització segons el dossier 'Nanocrystalline Solar Cell Kit: Recreating Photosynthesis’. Les DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) són un tipus de cèl•lules que imiten els principis que la fotosíntesis ha fet servir exitosament durant més de 3,5 bilions d anys. S’han construït algunes DSSC i se n’ha provat la seva eficiència. El seu funcionament es basa en l’energia d’un fotó que excita un electró i el fa saltar de nivell energètic fins que es desprèn de l’àtom de colorant, deixant un forat en la molècula. Aquest electró lliure passa a través de la capa de TiO2 fins arribar a la càrrega on es genera el corrent elèctric. Tot seguit, l’electró arriba al contra-elèctrode i és aquí on entra en contacte amb l’electròlit, el mediador iode/triiode. Aquest regenera l’electró, que anteriorment ha saltat del colorant, oxidant-se ell mateix.

Estudi energètic de les llars del barri de Haër (Senegal)

En el present estudi s’han analitzat quines són les fonts energètiques utilitzades a les llars de Haër, així com les repercussions que aquestes tenen sobre el medi natural i socioeconòmic de les famílies. Per tal de poder identificar quines són aquestes fonts i els seus efectes, s’ha realitzat un inventari i una diagnosi energètica. S’ha estudiat l’ús de l’energia en dos àmbits domèstics principals: la il·luminació i el cuinat, analitzant la freqüència d’ús i quantificant el consum energètic familiar. Les fonts energètiques detectades són: llenya, carbó, gas, querosè, piles i espelmes, de les quals, la llenya, el querosè i el carbó són les majoritàriament utilitzades. El consum energètic per càpita és de 2.100 kWh/any. Per altra banda, l’obtenció d’algunes d’aquestes fonts energètiques, suposen un cost econòmic molt elevat per les economies familiars, arribant a suposar un 60% dels ingressos. A partir de les dades obtingudes a la diagnosi, s’ha aplicat un indicador per tal de quantificar la magnitud de l’impacte sobre el medi produït pel model energètic seguit dins de les llars. L’indicador estudiat ha estat la petjada energètica, amb la qual s’ha traduït aquest consum en unitats de superfície biològicament productiva, requerida per absorbir el CO2 emès. El resultat ha estat que una persona produeix anualment 2,09·10-2 tCO2, que requereix de 7,53·10-3 gha/persona de superfície forestal per ser absorbides. S’ha comparat aquest resultat amb la petjada energètica domèstica calculada pel poble d’Araós, el qual, amb un model energètic totalment diferent, té una petjada energètica de 1,53 gha/persona. Un cop detectats els problemes o impactes causats pel model energètic actual, es proposa una alternativa energètica per tal de reemplaçar algunes fonts convencionals, principalment el querosè dels quinqués. Així doncs, mitjançant l’aprofitament de l’energia solar, es plantegen dos models fotovoltaics adaptats a dues tipologies de llars diferents, amb l’objectiu de minimitzar el cost i optimitzar els recursos energètics. Finalment es planteja una solució financera per abordar el cost inicial de la instal·lació solar.

Estudi d’integració d’energia tèrmica i fotovoltaica a façana

L’objecte d’aquest projecte és realitzar un estudi d’un tipus instal·lacions molt específiques: l’energia solar fotovoltaica i l’energia solar tèrmica, destinada a la producció d’energia elèctrica i la producció d’ACS a un edifici plurifamiliar. Aplicar un cas concret a un edifici plurifamiliar, mitjançant d’integració dels panells fotovoltaics i tèrmics a la façana, i així, poder conformar la instal•lació d’energiasolar tèrmica per la producció d’aigua calenta sanitària i la instal·lació d’energia solar fotovoltaica. Comprovar si es possible complir CTE, mitjançant l’ integració arquitectònica dels panells a façana. Determinar el cost que suposa d’integració arquitectònica d’aquest panells, mitjançant el pressupost de la proposta a portada . Comparar el cost de la proposta, amb una façana tradicional més els panells solars tèrmics que exigeix el codi tècnic. Extreure conclusions al comparar les tipologies de façana a nivell econòmic i de rendibilitat

Projecte d’instal·lacions sostenibles d’una masia rural aïllada

En aquest projecte es vol donar solució a la contaminació que es produeix a les llars ja sigui en forma de gasos d’efecte hivernacle o la contaminació d’aqüífers i rius per les aigües residuals d’aquestes. Els objectius a aconseguir són la disminució del consum d’energia de la llar, reduint així el consum de combustibles fòssils, amb la conseqüent disminució de gasos d’efecte hivernacle i l’estalvi econòmic que això suposa. I per altra banda la depuració de les aigües residuals, tot i que actualment totes les grans poblacions de Catalunya de més de 10.000 habitants ja disposen de EDARS i en pocs anys en tindran totes les de més de 2000 habitants. Però en aquest cas es tracta d’una població molt petita que no disposa de xarxa de clavegueram. En primer lloc s’ha plantejat un sistema de calefacció d’energia geotèrmica que ens permet aprofitar l’energia tèrmica que es va emmagatzemant a la terra degut a l’escalfor del sol i que ens permet extreure d’aquesta fins a ¾ parts de l’energia tèrmica necessària per el sistema de calefacció. En segon lloc es planteja un sistema de producció d’energia elèctrica per panells fotovoltaics que produeixi el consum elèctric anual familiar, tot i que no de forma directe, sinó venent l’energia a la xarxa elèctrica i comprant-la després de la xarxa. Per últim es projecta un sistema de depuració d’aigües per mitjà d’un aiguamoll artificial que permetrà a la casa, que no disposa de xarxa de clavegueram, retornar les aigües residuals en bones mediambientals a l’entorn rural que envolta l’edificació, sense perjudicar la fauna i els rius que l’envolten

Inferring ultraviolet anatomical exposure patterns while distinguishing the relative contribution of radiation components

Exposure to solar ultraviolet (UV) radiation is the main causative factor for skin cancer. UV exposure depends on environmental and individual factors, but individual exposure data remain scarce. While ground UV irradiance is monitored via different techniques, it is difficult to translate such observations into human UV exposure or dose because of confounding factors. A multi-disciplinary collaboration developed a model predicting the dose and distribution of UV exposure on the basis of ground irradiation and morphological data. Standard 3D computer graphics techniques were adapted to develop a simulation tool that estimates solar exposure of a virtual manikin depicted as a triangle mesh surface. The amount of solar energy received by various body locations is computed for direct, diffuse and reflected radiation separately. Dosimetric measurements obtained in field conditions were used to assess the model performance. The model predicted exposure to solar UV adequately with a symmetric mean absolute percentage error of 13% and half of the predictions within 17% range of the measurements. Using this tool, solar UV exposure patterns were investigated with respect to the relative contribution of the direct, diffuse and reflected radiation. Exposure doses for various body parts and exposure scenarios of a standing individual were assessed using erythemally-weighted UV ground irradiance data measured in 2009 at Payerne, Switzerland as input. For most anatomical sites, mean daily doses were high (typically 6.2-14.6 Standard Erythemal Dose, SED) and exceeded recommended exposure values. Direct exposure was important during specific periods (e. g. midday during summer), but contributed moderately to the annual dose, ranging from 15 to 24% for vertical and horizontal body parts, respectively. Diffuse irradiation explained about 80% of the cumulative annual exposure dose.

Modelling short-term ultraviolet exposure as an alternative to individual dosimetry

Background: Excessive exposure to solar Ultra-Violet (UV) light is the main cause of most skin cancers in humans. Factors such as the increase of solar irradiation at ground level (anthropic pollution), the rise in standard of living (vacation in sunny areas), and (mostly) the development of outdoor activities have contributed to increase exposure. Thus, unsurprisingly, incidence of skin cancers has increased over the last decades more than that of any other cancer. Melanoma is the most lethal cutaneous cancer, while cutaneous carcinomas are the most common cancer type worldwide. UV exposure depends on environmental as well as individual factors related to activity. The influence of individual factors on exposure among building workers was investigated in a previous study. Posture and orientation were found to account for at least 38% of the total variance of relative individual exposure. A high variance of short-term exposure was observed between different body locations, indicating the occurrence of intense, subacute exposures. It was also found that effective short-term exposure ranged between 0 and 200% of ambient irradiation, suggesting that ambient irradiation is a poor predictor of effective exposure. Various dosimetric techniques enable to assess individual effective exposure, but dosimetric measurements remain tedious and tend to be situation-specific. As a matter of facts, individual factors (exposure time, body posture and orientation in the sun) often limit the extrapolation of exposure results to similar activities conducted in other conditions. Objective: The research presented in this paper aims at developing and validating a predictive tool of effective individual exposure to solar UV. Methods: Existing computer graphic techniques (3D rendering) were adapted to reflect solar exposure conditions and calculate short-term anatomical doses. A numerical model, represented as a 3D triangular mesh, is used to represent the exposed body. The amount of solar energy received by each "triangle is calculated, taking into account irradiation intensity, incidence angle and possible shadowing from other body parts. The model take into account the three components of the solar irradiation (direct, diffuse and albedo) as well as the orientation and posture of the body. Field measurements were carried out using a forensic mannequin at the Payerne MeteoSwiss station. Short-term dosimetric measurements were performed in 7 anatomical locations for 5 body postures. Field results were compared to the model prediction obtained from the numerical model. Results: The best match between prediction and measurements was obtained for upper body parts such as shoulders (Ratio Modelled/Measured; Mean = 1.21, SD = 0.34) and neck (Mean = 0.81, SD = 0.32). Small curved body parts such as forehead (Mean = 6.48, SD = 9.61) exhibited a lower matching. The prediction is less accurate for complex postures such as kneeling (Mean = 4.13, SD = 8.38) compared to standing up (Mean = 0.85, SD = 0.48). The values obtained from the dosimeters and the ones computed from the model are globally consistent. Conclusion: Although further development and validation are required, these results suggest that effective exposure could be predicted for a given activity (work or leisure) in various ambient irradiation conditions. Using a generic modelling approach is of high interest in terms of implementation costs as well as predictive and retrospective capabilities.