Analysis and implementation of a multi-ratio switched capacitor DC-DC converter for a supercapacitor power supply

An energy harvesting system requires an energy storing device to store the energy retrieved from the surrounding environment. This can either be a rechargeable battery or a supercapcitor. Due to the limited lifetime of rechargeable batteries, they need to be periodically replaced. Therefore, a supercapacitor, which has ideally a limitless number of charge/discharge cycles can be used to store the energy; however, a voltage regulator is required to obtain a constant output voltage as the supercapacitor discharges. This can be implemented by a Switched-Capacitor DC-DC converter which allows a complete integration in CMOS technology, although it requires several topologies in order to obtain a high efficiency. This thesis presents the complete analysis of four different topologies in order to determine expressions that allow to design and determine the optimum input voltage ranges for each topology. To better understand the parasitic effects, the implementation of the capacitors and the non-ideal effect of the switches, in 130 nm technology, were carefully studied. With these two analysis a multi-ratio SC DC-DC converter was designed with an output power of 2 mW, maximum efficiency of 77%, and a maximum output ripple, in the steady state, of 23 mV; for an input voltage swing of 2.3 V to 0.85 V. This proposed converter has four operation states that perform the conversion ratios of 1/2, 2/3, 1/1 and 3/2 and its clock frequency is automatically adjusted to produce a stable output voltage of 1 V. These features are implemented through two distinct controller circuits that use asynchronous time machines (ASM) to dynamically adjust the clock frequency and to select the active state of the converter. All the theoretical expressions as well as the behaviour of the whole system was verified using electrical simulations.

8-Phase Ring oscillator for modern receivers

The evolution of receiver architectures, built in modern CMOS technologies, allows the design of high efficient receivers. A key block in modern receivers is the oscillator. The main objective of this thesis is to design a very low power and low area 8-Phase Ring Oscillator for biomedical applications (ISM and WMTS bands). Oscillators with multiphase outputs and variable duty cycles are required. In this thesis we are focused in 12.5% and 50% duty-cycles approaches. The proposed circuit uses eight inverters in a ring structure, in order to generate the output duty cycle of 50%. The duty cycle of 1/8 is achieved through the combination of the longer duty cycle signals in pairs, using, for this purpose, NAND gates. Since the general application are not only the wireless communications context, as well as industrial, scientific and medical plans, the 8-Phase Oscillator is simulated to be wideband between 100 MHz and 1 GHz, and be able to operate in the ISM bands (447 MHz-930 MHz) and WMTS (600 MHz). The circuit prototype is designed in UMC 130 nm CMOS technology. The maximum value of current drawn from a DC power source of 1.2 V, at a maximum frequency of 930 MHz achieved, is 17.54 mA. After completion of the oscillator layout studied (occupied area is 165 μm x 83 μm). Measurement results confirm the expected operating range from the simulations, and therefore, that the oscillator fulfil effectively the goals initially proposed in order to be used as Local Oscillator in RF Modern Receivers.

Desempenho de sistemas de comunicações full-duplex

O aumento do volume de tráfego gerado em redes sem fios e a elevada taxa de ocupação do espectro Rádio-Eléctrico tem levado à procura e desenvolvimento de sistemas de elevada eficiência espectral. Recentemente, diversos grupos de investigação têm abordado a possibilidade de um dispositivo sem fios transmitir e receber dados em simultâneo na mesma banda. Estes dispositivos enquadram-se nos denominados “sistemas de comunicação Full-Duplex”, os quais, no limite, podem duplicar a capacidade da rede, quando comparados aos sistemas Half-Duplex. A grande dificuldade de implementação destes sistemas está associada ao cancelamento da auto-interferência. Esta interferência é provocada pela transmissão do próprio nó e, uma vez que apresenta uma potência muito superior à do sinal transmitido por outro dispositivo, impossibilita a captura desse sinal. Para permitir a transmissão e recepção de dados em simultâneo, os dispositivos Full-Duplex utilizam mecanismos de cancelamento do sinal auto-interferente, reduzindo-o para valores de potência próximos do nível de ruído. Nesta dissertação são abordados diversos tipos de mecanismos de redução da autointerferência, caracterizando as suas vantagens, desvantagens e limitações de utilização. De forma a estudar o funcionamento dos sistemas Full-Duplex, é caracterizado o efeito residual do cancelamento da auto-interferência e a capacidade de transmissão deste tipo de sistemas, incluindo a capacidade de recepção de múltiplos pacotes. Por fim, é proposto um protocolo de acesso ao meio para cenários onde vários dispositivos desejam comunicar com um nó receptor, utilizando um sistema de comunicação Full-Duplex.

Autoconsumo: análise e caso de estudo

O trabalho apresentado corresponde à dissertação relatório para obtenção do grau de mestre em Engenharia Eletrotécnica e Computadores ao abrigo do programa especial para ser mestre. Pretende-se fazer um enquadramento da nova lei do autoconsumo, implicações e apresentar um caso prático simulado, baseado em valores, sempre que possíveis reais, quer da parte de consumos, quer do estudo das soluções. Os primeiros parágrafos são dedicados ao histórico do autoconsumo, sendo os seguintes destinados à apresentação dos aspetos técnicos da nova legislação, bem como a sua implicação, nomeadamente nos vários setores da atividade económica. Relativamente ao caso prático, identificou-se uma vivenda na região de Lisboa. Partindo dos valores de consumo, mediram-se os valores em standby e valores de consumo médios. Calculou-se o impacto da instalação de um sistema de painéis de potência 200 W. Num segundo cenário, a instalação de um sistema de painéis de potência 480 W e num terceiro cenário a instalação de um conjunto de painéis com potência 1,5 kW, destinado à venda total da energia produzida. Nos cálculos apresentados, teve-se em consideração o custo real dos equipamentos e instalação baseado em valores médios de mercado. Apresenta-se também uma estimativa de retorno do investimento.

Previsão de consumo de energia de curto-prazo (dia seguinte) com recurso a wavelets

A actividade de produção de energia eléctrica, bem como o seu transporte e distri-buição até aos consumidores finais iniciou-se no final do século XIX e, desde essa altura, o sector tem conhecido muitas transformações aos mais variados níveis. Mais recentemente, nas últimas décadas, o sector eléctrico tem enfrentado muitos desafios que têm contribuí-do bastante para o seu desenvolvimento e inovação. A previsão de consumos de energia eléctrica é tradicionalmente importante para o equilíbrio entre a oferta e a procura, bem como para uma rigorosa gestão e planeamento das redes eléctricas de transporte e distribuição. A sua importância é ainda reforçada, ac-tualmente, com a liberalização dos mercados energéticos, na medida que os comercializa-dores pretendem dispor de ferramentas que lhes permita estimar com precisão a curva de procura agregada de consumidores com quem contratualizam. Os sistemas de previsão de carga podem ser classificados de acordo com o horizonte temporal, sendo regularmente divididos em três categorias: previsão a longo prazo; pre-visão a médio prazo; previsão a curto prazo. Neste trabalho de dissertação, pretende-se desenvolver um sistema de previsão de consumo de energia para o dia seguinte (hora a hora) com o recurso a Wavelets, capaz de apresentar o consumo associado a cada período horário ao longo do dia. Para tal, foram desenvolvidos dois métodos que diferem entre si na forma como o conceito de Wavelets é aplicado na decomposição dos dados.

Multipacket reception in the presence of in-band full-duplex communication

In-Band Full-DupleX (IB-FDX) is defined as the ability for nodes to transmit and receive signals simultaneously on the same channel. Conventional digital wireless networks do not implement it, since a node’s own transmission signal causes interference to the signal it is trying to receive. However, recent studies attempt to overcome this obstacle, since it can potentially double the spectral efficiency of current wireless networks. Different mechanisms exist today that are able to reduce a significant part of the Self- Interference (SI), although specially tuned Medium Access Control (MAC) protocols are required to optimize its use. One of IB-FDX’s biggest problems is that the nodes’ interference range is extended, meaning the unusable space for other transmissions and receptions is broader. This dissertation proposes using MultiPacket Reception (MPR) to address this issue and adapts an already existing Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) receiver to IB-FDX. The performance analysis suggests that MPR and IB-FDX have a strong synergy and are able to achieve higher data rates, when used together. Using analytical models, the optimal transmission patterns and transmission power were identified, which maximize the channel capacity with the minimal energy consumption. This was used to define a new MAC protocol, named Full-duplex Multipacket reception Medium Access Control (FM-MAC). FM-MAC was designed for a single-hop cellular infrastructure, where the Access Point (AP) and the terminals implement both IB-FDX and MPR. It divides the coverage range of the AP into a closer Full-DupleX (FDX) zone and a farther Half-DupleX (HDX) zone and adds a tunable fairness mechanism to avoid terminal starvation. Simulation results show that this protocol provides efficient support for both HDX and FDX terminals, maximizing its capacity when more FDX terminals are used.

Estudo de melhoria da gestão da manutenção de um terminal petrolífero

A manutenção industrial tem ganho cada vez maior importância nas empresas. As exigências atuais obrigam os responsáveis pela manutenção a procurarem novas formas de organização, utilizando técnicas e metodologias que são normalmente utilizadas na gestão de outras áreas funcionais de empresas A presente dissertação foi elaborada no seguimento de um estágio profissional no âmbito da gestão das operações e manutenção de uma empresa do ramo petrolífero. O terminal petrolífero da Trafaria é uma instalação de comercialização, distribuição e armazenagem de produtos de origem petrolífera. Procurando sempre a melhoria do serviço de manutenção fornecido atualmente, esta dissertação busca investigar e intervir nos pontos em que seja possível uma melhoria do atual sistema de gestão da manutenção. No decorrer da avaliação das atividades da manutenção foi analisado o sistema atual de gestão da manutenção, bem como as diversas reparações efetuadas no dia-a-dia da instalação, com o objetivo de compreender o funcionamento do serviço da manutenção e quais as necessidades da instalação. É nos pontos que se evidenciaram como oportunidades de melhoria que se pretendeu atuar, otimizando o serviço da manutenção, e reduzindo ou eliminando os problemas identificados. Um outro foco de atenção do estudo esteve relacionado com a implementação de novas técnicas de manutenção industrial, nomeadamente, a Manutenção Produtiva Total e a Metodologia 5S. Foram desenvolvidos procedimentos e/ou planos de inspeções que sustentam os novos métodos implementados. Também é de salientar a implementação de uma nova aplicação informática de gestão da manutenção, acompanhada de uma revisão e reestruturação do plano de manutenção do terminal. Na realização desta tarefa foram revistas todas as intervenções e ordens de trabalho preconizadas pelo plano de manutenção. Algumas das melhorias propostas já foram implementadas, outras encontram-se em processo de implementação ou serão implementadas a médio/longo prazo. A implementação destas medidas vai permitir ao terminal ganhos significativos tanto ao nível quantitativo (utilização mais racional de todos os recursos) como também qualitativo (aumento da motivação, segurança e disciplina organizacional).

Augmenting spaces and creating interactive experiences using video camera networks

This research addresses the problem of creating interactive experiences to encourage people to explore spaces. Besides the obvious spaces to visit, such as museums or art galleries, spaces that people visit can be, for example, a supermarket or a restaurant. As technology evolves, people become more demanding in the way they use it and expect better forms of interaction with the space that surrounds them. Interaction with the space allows information to be transmitted to the visitors in a friendly way, leading visitors to explore it and gain knowledge. Systems to provide better experiences while exploring spaces demand hardware and software that is not in the reach of every space owner either because of the cost or inconvenience of the installation, that can damage artefacts or the space environment. We propose a system adaptable to the spaces, that uses a video camera network and a wi-fi network present at the space (or that can be installed) to provide means to support interactive experiences using the visitor’s mobile device. The system is composed of an infrastructure (called vuSpot), a language grammar used to describe interactions at a space (called XploreDescription), a visual tool used to design interactive experiences (called XploreBuilder) and a tool used to create interactive experiences (called urSpace). By using XploreBuilder, a tool built of top of vuSpot, a user with little or no experience in programming can define a space and design interactive experiences. This tool generates a description of the space and of the interactions at that space (that complies with the XploreDescription grammar). These descriptions can be given to urSpace, another tool built of top of vuSpot, that creates the interactive experience application. With this system we explore new forms of interaction and use mobile devices and pico projectors to deliver additional information to the users leading to the creation of interactive experiences. The several components are presented as well as the results of the respective user tests, which were positive. The design and implementation becomes cheaper, faster, more flexible and, since it does not depend on the knowledge of a programming language, accessible for the general public.

Paradigmas construtivos da máquina elétrica de relutância comutada: aplicação em regime de baixas velocidades. Aproveitamentos de energias renováveis

A máquina elétrica de relutância comutada (MERC) é, inerentemente, um conversor eletromecânico de velocidade variável, facilmente controlado através dos instantes de excitação e desexcitação do circuito magnético partilhado pelas fases. A sua robustez e simplicidade construtiva (só enrolamentos concentrados no estator), flexibilidade de controlo, bom rendimento numa gama alargada de velocidades, a sua fiabilidade e tolerância a defeitos fazem desta máquina uma opção válida para sistemas de conversão de energia caraterizados por baixas velocidades. A tendência crescente de instalar turbinas eólicas em offshore, para além dos desafios económicos e tecnológicos que levanta, torna a fiabilidade e a tolerância a defeitos, requisitos de vital importância. Neste contexto, a potencial aplicação da MERC a geradores eólicos sem recurso a caixa de velocidades, já que esta penaliza o custo, o volume e a fiabilidade do sistema, serviu de motivação a este trabalho. Nesta dissertação apresentam-se, numa perspetiva comparativa, diferentes paradigmas construtivos da MERC para o funcionamento gerador em regime de baixas velocidades, caraterístico dos aproveitamentos de energias renováveis. Para o efeito, formularam-se leis de escala apropriadas a análises dimensionais de topologias diferenciadas pelas caraterísticas dos circuitos elétrico e magnético e do seu posicionamento relativo. Estes modelos de escala permitiram introduzir constrangimentos físicos e dos materiais que condicionam o projeto da máquina, como a saturação magnética e limites de temperatura. Das análises dimensionais e validação com elementos finitos, elegeu-se uma estrutura magnética modular com caminhos de fluxo curtos que foi comparada com um protótipo de MERC regular, previsto para equipar um gerador eólico. Quando comparadas as duas topologias, assumindo dimensões idênticas, a modular apresentou um significativo ganho de potência específica mantendo bons níveis de rendimento. Pretende-se assim alargar a discussão do projeto das MERC, geralmente confinado a topologias regulares, a um contexto mais abrangente que inclua novos paradigmas construtivos.

Estudo experimental de um sistema BIPV/T-PCM

A União Europeia tem dado cada vez mais enfoque à eficiência energética nos edifícios e à sua capacidade de produção de energia, tendo lançado a directiva “Energy Performance of Buildings Directive” com o intuito de que até 31 de Dezembro de 2018 todos os edifícios novos sejam “nZEB-nearly Zero Energy Building”, o que significa que devem por um lado diminuir o seu consumo energético, aumentando a sua eficiência, e por outro lado produzir localmente e através de fontes de energias renováveis toda, ou quase toda, a energia de que necessitam. A presente tese está integrada no Projecto “Frame – Prefabricated systems (modules) for low-energy buildings: design, prototyping and testing” (Ref: PTDC/AURAQI-AQI/117782/2010) que está a ser desenvolvido na Unidade de Eficiência Energética do Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG). Neste trabalho é desenvolvido e analisado um sistema BIPV/T-PCM (Building Integrated Photovoltaic Thermal – Phase Change Materials) que engloba todo um novo conceito de captação, armazenamento e gestão da energia solar em fachadas. Este sistema é composto por um módulo fotovoltaico, uma bateria de PCM (Materiais de Mudança de Fase) e todo um sistema de fluxo de ar que permite a gestão da energia colectada e armazenada. Foi também desenvolvido teoricamente um código de gestão energética para a manipulação do sistema. O sistema em estudo apoia-se em três objectivos principais: aquecer no inverno; arrefecer no verão; e aumentar a eficiência do PV arrefecendo-o. Na sequência do trabalho realizado verificou-se que o conceito do sistema em estudo alcança alguns dos objectivos propostos, tendo ainda potencial para se continuar o seu desenvolvimento. O sistema em estudo é um sistema inovador, e como tal está a ser registada uma patente com base no conceito desenvolvido.

An agent-based simulator to estimate domestic energy use

Throughout recent years, there has been an increase in the population size, as well as a fast economic growth, which has led to an increase of the energy demand that comes mainly from fossil fuels. In order to reduce the ecological footprint, governments have implemented sustainable measures and it is expected that by 2035 the energy produced from renewable energy sources, such as wind and solar would be responsible for one-third of the energy produced globally. However, since the energy produced from renewable sources is governed by the availability of the respective primary energy source there is often a mismatch between production and demand, which could be solved by adding flexibility on the demand side through demand response (DR). DR programs influence the end-user electricity usage by changing its cost along the time. Under this scenario the user needs to estimate the energy demand and on-site production in advance to plan its energy demand according to the energy price. This work focuses on the development of an agent-based electrical simulator, capable of: (a) estimating the energy demand and on-site generation with a 1-min time resolution for a 24-h period, (b) calculating the energy price for a given scenario, (c) making suggestions on how to maximize the usage of renewable energy produced on-site and to lower the electricity costs by rescheduling the use of certain appliances. The results show that this simulator allows reducing the energy bill by 11% and almost doubling the use of renewable energy produced on-site.

Quadros elétricos inteligentes recorrendo a soluções comerciais

A eficiência energética e a domótica são temas que cada vez mais se relacionam. Ao se instalar uma solução de domótica numa habitação, é natural que a mesma ofereça opções que permitem poupar energia, e assim obter eficiência energética. O principal objetivo deste projeto é a criação de um quadro elétrico que permita a monitorização e controlo de energia numa habitação à distância de um “clique”. Para a concepção do quadro elétrico foram utilizados dispositivos da Schneider Electric, dos quais se destaca o EGX300. Este dispositivo, é comercializado como um produto que representa uma solução de eficiência energética. No entanto as suas funcionalidades de fábrica estão limitadas ao nível de análise da qualidade de energia, não oferecendo um sistema que possibilite controlo remoto. Aproveitando as capacidades do EGX300, foi considerado pertinente criar uma solução onde, além de se poder monitorizar os consumos, também fosse possível controlar os dispositivos através de um computador. À capacidade de controlo da instalação ainda se juntou um modo de funcionamento inteligente, onde o EGX300 controla a instalação elétrica de acordo com a energia produzida por um painel fotovoltaico. A implementação de novas funcionalidades no EGX300 resulta num acréscimo significativo de robustez em relação à solução proposta pela empresa. Conseguiu-se criar uma solução que integra segurança e domótica com a utilização de energias renováveis, tendo como consequência natural a maximização de eficiência energética numa habitação.

Estudo de viabilidade da valorização de resíduos da cultura do arroz por co-pirólise e co-gasificação para a produção de energia renovável

Anualmente, milhares de toneladas de resíduos agrícolas são gerados no mundo, sendo a cultura do arroz uma das que mais contribui para a sua produção, especialmente com casca e palha de arroz, além dos plásticos gerados nas etapas de colheita, transporte e transformação do produto. Tradicionalmente estes resíduos são descartados ou aproveitados através de vias pouco eficientes, com consequências negativas para o ambiente. Múltiplas tecnologias têm sido estudadas e desenvolvidas para assim transformar estes resíduos em produtos de interesse: (i) gasificação, (ii) combustão e (iii) pirólise. Na presente dissertação foi avaliada a viabilidade da construção duma central de valorização de resíduos da cultura de arroz, em Portugal, através das tecnologias de co-gasificação e co-pirólise. Considerou-se que o gás de síntese, gerado na co-gasificação, é utilizado para produzir energia elétrica, e que o bio-óleo, gerado na co-pirólise, é utilizado para produzir energia elétrica ou para ser vendido a uma refinaria. A avaliação foi realizada com base no capital total de investimento, nos custos de operação e na renda gerada pela venda (i) de energia elétrica ou (ii) do bio-óleo. Com os indicadores económicos analisados, conclui-se que em Portugal nenhuma das duas tecnologias é viável, principalmente devido (i) às reduzidas quantidades de resíduos originados pela cultura de arroz neste país e (ii) aos elevados custos de transporte da matéria-prima. Caso fosse feito o aproveitamento da quantidade total de plásticos provenientes do fluxo agrícola português (4 782 t.ano-1), a construção duma central de co-pirólise seria rentável, obtendo-se uma taxa interna de rentabilidade de 69% para a venda de energia elétrica e 23,5% para venda de bio-óleo.