Estudo técnico-económico de um sistema solar termoelétrico com back-up a biomassa

Este trabalho consistiu no estudo técnico-económico (dimensionamento) de uma central térmica solar de torre norte, com back-up a biomassa (pellets) para produção de energia elétrica. A partir da plataforma PVGIS obteve-se a irradiação normal direta, DNI, da região do Alentejo, Portugal, segundo critérios descritos na secção 3.1. O valor anual obtido foi de 2319 !"ℎ/%&, valor este que foi convertido em energia elétrica, obtendo-se, assim, um montante de 105.761.800 kWh por ano, em 25 anos. Estas importâncias foram obtidas através dos equipamentos que constituem a central, entre eles o campo solar (composto por 2067 helióstatos com área total de 188097 %&), a torre (convertendo a concentração da DNI para energia térmica ao fluído de transferência de calor, HTF), o bloco de potência (composta por permutador de calor, turbina, gerador elétrico e outros) e com ajuda de uma caldeira a biomassa (pellets) que consome cerca de 24.001,23 toneladas de pellets por ano. O estudo económico foi realizado num modelo executável no Excel, calculando, assim, o custo total do sistema, 138.515.886,87 €. A partir deste valor calcularam-se os indicadores económicos (Valor Atualizado Líquido, VAL=-12.282540,28 €) com uma tarifa bonificada de 0,22114 €/kWh, que indica que o sistema termo solar com back-up a biomassa (pellets) não é viável economicamente (e o mesmo acontece com o sistema termo solar sem a biomassa). O dimensionamento técnico do sistema CSP de torre é feito a partir de um modelo matemático executado em Excel e MatLab e pelo software System Advisor Model, SAM e o da caldeira a pellets é concretizado também no Excel. Os resultados do modelo matemático foram comparados com os valores obtidos no SAM para o mês típico de julho comprovando, assim, as fórmulas e conceitos contidos no estado da arte. Realizou-se, também, uma comparação dos valores anuais do sistema obtidos no SAM com os valores reais da Gemasolar (em Espanha), demonstrando então a veracidade dos valores obtidos no dimensionamento feito para Portugal.

Tomada de decisão em engenharia com base na teoria axiomática – caso de seleção de banco de ensaios para atuadores hidráulicos

A atividade de engenharia implica uma constante necessidade de tomadas de decisão. Na sua atividade profissional, o engenheiro está permanentemente a ter que tomar decisões cuja dificuldade pode variar desde casos simples até situações de elevada complexidade, dependendo do número de fatores envolvidos e da sua incerteza associada. A tomada de decisão durante a parte conceptual do projeto é uma destas situações, na medida em que as decisões então tomadas determinam fortemente os desenvolvimentos subsequentes. Por outro lado, a informação disponível é ainda escassa. Para além disso, quaisquer alterações posteriores contribuirão necessariamente para o encarecimento da solução final. É sobre a tomada de decisão na fase embrionária do projeto que se insere a presente dissertação. Nela se enfoca a importância da existência de ferramentas de suporte à tomada de decisão em projeto de engenharia contribuindo para a fundamentação das opções tomadas. Como exemplo, neste trabalho é feita a escolha de uma opção, de entre quatro possíveis apresentadas, para um banco de ensaios para atuadores hidráulicos usados no trem de aterragem dos aviões Dornier 228. Inicialmente são apresentadas algumas das principais teorias e métodos para apoio à tomada de decisão em engenharia, tendo sido eleita a Teoria Axiomática do Projeto como ferramenta de suporte para a seleção da melhor opção entre várias soluções alternativas. A escolha da Teoria Axiomática reside no facto de esta se caracterizar por ter uma fundamentação teórica de acordo com os padrões da ciência moderna e apresentar uma base analítica rigorosa para a condução da atividade de projeto. Depois de uma análise detalhada à legislação aeronáutica aplicável aos ensaios e do levantamento das condições físicas e humanas existentes na empresa onde decorreu o presente estudo, foram geradas quatro soluções alternativas para a instalação de um banco de ensaios para atuadores hidráulicos. A opção selecionada foi feita com base no conteúdo de informação de cada alternativa, de acordo segundo axioma da Teoria Axiomática. A dissertação termina com o desenvolvimento mais detalhado da solução eleita, após o que são retiradas conclusões e apontadas desejáveis ações futuras.

eVentos 3 – Desenvolvimento de controlador difuso para navegação autónoma de veleiro

Controlar a navegação de uma embarcação, neste caso de um veleiro, pode ser fácil quando controlada por um humano. Mas, quando falamos em embarcação autónoma, existem algumas dificuldades relativas à programação da rota a que a embarcação deve seguir. Nesta dissertação foram feitas diversas análises referentes às técnicas de velejar, bem como a caracterização de um controlador utilizando lógica difusa, com a colaboração de sensores e atuadores. Para este estudo foi necessário equipar um veleiro com diversos sensores, atuadores e controladores. Por fim, foram realizados testes e análises que possibilitaram o aperfeiçoamento das técnicas de controlo. O objetivo é transformar um veleiro telecomandado num capaz de navegar autonomamente, por forma a ser introduzido posteriormente num de maior escala.

A public transport bus assignment problem: parallel metaheuristics assessment

Combinatorial Optimization Problems occur in a wide variety of contexts and generally are NP-hard problems. At a corporate level solving this problems is of great importance since they contribute to the optimization of operational costs. In this thesis we propose to solve the Public Transport Bus Assignment problem considering an heterogeneous fleet and line exchanges, a variant of the Multi-Depot Vehicle Scheduling Problem in which additional constraints are enforced to model a real life scenario. The number of constraints involved and the large number of variables makes impracticable solving to optimality using complete search techniques. Therefore, we explore metaheuristics, that sacrifice optimality to produce solutions in feasible time. More concretely, we focus on the development of algorithms based on a sophisticated metaheuristic, Ant-Colony Optimization (ACO), which is based on a stochastic learning mechanism. For complex problems with a considerable number of constraints, sophisticated metaheuristics may fail to produce quality solutions in a reasonable amount of time. Thus, we developed parallel shared-memory (SM) synchronous ACO algorithms, however, synchronism originates the straggler problem. Therefore, we proposed three SM asynchronous algorithms that break the original algorithm semantics and differ on the degree of concurrency allowed while manipulating the learned information. Our results show that our sequential ACO algorithms produced better solutions than a Restarts metaheuristic, the ACO algorithms were able to learn and better solutions were achieved by increasing the amount of cooperation (number of search agents). Regarding parallel algorithms, our asynchronous ACO algorithms outperformed synchronous ones in terms of speedup and solution quality, achieving speedups of 17.6x. The cooperation scheme imposed by asynchronism also achieved a better learning rate than the original one.

A bombagem hidroelétrica em Portugal no quadro do mercado ibérico

Portugal tem vindo a reduzir na produção de energia elétrica com base nos sistemas convencionais de origem fóssil, em contraste com a forte aposta no sector das energias renováveis, privilegiando essencialmente a energia eólica e hídrica através de projetos de grandes dimensões. A maioria das fontes renováveis são caraterizadas pela sua imprevisibilidade e variabilidade, implicando por vezes défices e excessos de produção conforme os fatores meteorológicos. As centrais hídricas reversíveis têm a capacidade de armazenamento de energia, através da bombagem de água nos períodos em que existem excessos de produção de energia elétrica, turbinando-a nas horas em que existe maior procura. Esta funcionalidade tem sido alegada para a implementação de um conjunto de novos aproveitamentos hidroelétricos deste tipo no país. Tendo em conta os aspetos referidos, este trabalho tem como objetivo principal analisar a bombagem hidroelétrica em Portugal, de modo a verificar como é usada a capacidade de bombagem já instalada, e se a nova capacidade apresenta ou não benefícios ao país. Esta análise é feita num contexto de mercado ibérico em que são analisadas as interligações entre Portugal e Espanha, tendo em conta a estreita ligação entre a bombagem e a importação/exportação de energia elétrica. Os resultados do presente estudo indicam que existe um excesso de potência de bombagem atualmente instalada no país. A capacidade instalada ou em instalação ultrapassa o dobro do solicitado, sem contar com novas barragens. Nas condições presentes do mercado a rentabilidade da bombagem é marginal nos empreendimentos existentes e negativa em qualquer empreendimento novo. Relativamente às interligações e redes internas de Portugal e Espanha, têm sido alvo de constantes reforços, o que contribuiu para uma reduzida percentagem de congestionamentos nas interligações em 2014 e consequentemente preços de mercado diário idênticos entre os dois países na grande maioria do tempo. Nas condições presentes do mercado a oferta é excedentária, encontrando-se já ao nível das metas assumidas para 2030.

Analysis of classification algorithms for crop detection using LANDSAT 8 images

Remote sensing - the acquisition of information about an object or phenomenon without making physical contact with the object - is applied in a multitude of different areas, ranging from agriculture, forestry, cartography, hydrology, geology, meteorology, aerial traffic control, among many others. Regarding agriculture, an example of application of this information is regarding crop detection, to monitor existing crops easily and help in the region’s strategic planning. In any of these areas, there is always an ongoing search for better methods that allow us to obtain better results. For over forty years, the Landsat program has utilized satellites to collect spectral information from Earth’s surface, creating a historical archive unmatched in quality, detail, coverage, and length. The most recent one was launched on February 11, 2013, having a number of improvements regarding its predecessors. This project aims to compare classification methods in Portugal’s Ribatejo region, specifically regarding crop detection. The state of the art algorithms will be used in this region and their performance will be analyzed.

Previsão de produção de energia eléctrica através de fontes de energia renováveis

Com o passar do tempo, a aposta em energias renováveis tem vindo a aumentar. De forma a prever o que se irá produzir com os sistemas de energias renováveis, é necessário desenvolver modelos preditivos, específicos para cada situação. No Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) encontra-se um sistema fotovoltaico e um sistema eólico em funcionamento, e assim de forma a ter uma estimativa da produção de energia de ambos os sistemas, propôs-se nesta dissertação desenvolver um modelo de previsão de produção de energia eléctrica para os sistemas fotovoltaico e eólico. Para desenvolver o modelo preditivo pretendido, em primeiro lugar recolheram-se os dados meteorológicos e de produção de energia no ano 2013 e realizou-se um processamento desses mesmos dados, com a linguagem de programação Java, uma vez que não se encontravam na melhor forma para serem analisados e utilizados para construção do modelo. Após realizado o processamento, como os dados do ano de 2014 existentes não eram suficientes para testar o modelo depois de ser desenvolvido, geraram-se dados meteorológicos para 2014 tendo em consideração os dados de 2013. Para os dados de energia produzida, criaram-se superfícies de aproximação a partir dos dados de 2013, e utilizando os dados meteorológicos gerados para 2014 obteve-se uma aproximação da energia produzida. Tendo todos os dados necessários para a construção do modelo e posteriormente para o testar, iniciouse o pré-processamento dos dados com recurso a filtros e à Análise em Componentes Principais. Por fim, construíram-se duas estruturas diferentes de Redes Neuronais Artificiais de modo a verificar qual se adequa melhor aos sistemas existentes. Para validar o modelo construído com base em redes neuronais testou-se o modelo com os dados de 2014, diferentes dos utilizados na sua construção. Com os resultados obtidos concluiu-se que o filtro mais adequado para o pré-processamento é o filtro Savitzky-Golay e a estrutura do modelo mais indicada para o pretendido será a Rede Neuronal Artificial (RNA) com apenas uma camada intermédia.

Comercialização de energia em mercados em bolsa: simulador multi-agente e análise do impacto da geração variável nos preços diários

O processo de reestruturação do setor elétrico deu origem à criação de diferentes estruturas de mercado, tendo como objetivo o aumento da competitividade e eficiência. Atualmente, a comercialização de energia elétrica pode ser realizada com recurso a mercados em bolsa ou através da celebração de contratos bilaterais. Sendo o mercado em bolsa caraterizado por uma forte volatilidade de preços, e considerando a atribuição de incentivos para o crescimento da geração renovável não controlada, revela-se importante analisar o impacto de níveis elevados de energia eólica sobre os preços do mercado diário. Neste contexto, a presente dissertação tem como principais objetivos estudar e implementar os algoritmos de preço marginal único e preço marginal local, normalmente utilizados no mercado em bolsa, bem como dotar o simuladormultiagente MANREM com um módulo para simular os mercados diário e intradiário, e analisar o impacto de níveis elevados de energia eólica sobre os preços do mercado diário. O estudo detalhado de um caso prático e os resultados obtidos com recurso ao simuladormulti-agente permitiram replicar, em computador, o impacto esperado, sendo possível observar uma redução de preços e uma alteração dos compromissos de produção dos produtores convencionais. O estudo contemplou a simulação do mercado diário com recurso aos algoritmos de preço marginal único e preço marginal local, podendo constatar-se que a ferramenta multi-agente constitui um auxiliar importante à tomada de decisão nos mercados de eletricidade.

Previsão de produção de energia elétrica através de fontes de energia renováveis

A capacidade de prever precisamente a produção de energia renovável é extremamente relevante tanto do ponto de vista económico como para controlo da estabilidade da rede elétrica. Para tal, é necessário realizar uma previsão das condições meteorológicas adjacentes à produção de energia a partir de fontes de energia renovável. Vários modelos de previsão têm sido utilizados para este fim, desde modelos atmosféricos a modelos estatísticos, onde se destacam métodos como Redes Neuronais Artificiais ou a Metodologia de Box & Jenkins. Lidar com dados meteo-rológicos pode revelar algumas complicações devido à possível instabilidade das medições, com-plicando o desenvolvimento de um modelo de previsão adequado. Neste trabalho pretende-se realizar a previsão de produção a partir de uma instalação fotovoltaica e um gerador eólico através do uso da Metodologia de Box & Jenkins para desenvolver um modelo capaz de realizar a previsão das condições meteorológicas para diferentes horizontes temporais medidos no topo do edifício do Departamento de Engenharia Eletrotécnica (DEE) da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT), Universidade Nova de Lisboa (UNL), e usando esses valores para calcular a produção de energia. Os resultados obtidos revelaram um bom desempenho quando comparados os resultados previstos com os resultados reais para o mesmo período de tempo, garantindo que podem ser utilizados para calcular a previsão de potência produzida através das instalações presentes no local e encorajando novos estudos no tema.

Quadrature generators based on ring oscillators and shift registers

Quadrature oscillators are key elements in modern radio frequency (RF) transceivers and very useful nowadays in wireless communications, since they can provide: low quadrature error, low phase-noise, and wide tuning range (useful to cover several bands). RC oscillators can be fully integrated without the need of external components (external high Q-inductors), optimizing area, cost, and power consumption. The conventional structure of ring oscillator offers poor frequency stability and phasenoise, low quality factor (Q), and besides being vulnerable to process, voltage and temperature (PVT) variations, its performance degrades as the frequency of operation increases. This thesis is devoted to quadrature oscillators and presents a detailed comparative study of ring oscillator and shift register (SR) approaches. It is shown that in SRs both phase-noise and phase error are reduced, while ring oscillators have the advantage of occupying less area and less consumption due to the reduced number of components in the circuit. Thus, although ring oscillators are more suitable for biomedical applications, SRs are more appropriate for wireless applications, especially when specification requirements are more stringent and demanding. The first architecture studied consists in a simple CMOS ring oscillator employing an odd number of static single-ended inverters as delay cells. Subsequently, the quadrature 4-stage ring oscillator concept is shown and post-layout simulations are presented. The 3 and 4-phase single-frequency local oscillator (LO) generators employing SRs are presented, the latter with 50% and 25% duty-cycles. The circuits operate at 600 MHz and 900 MHz, and were designed in a 130 nm standard CMOS technology with a voltage supply of 1.2 V.

Contratos bilaterais em mercados de energia elétrica multiagente: protocolo de rede de contratos

O setor elétrico tem assistido a mudanças profundas na sua estrutura e organização, devido à sua liberalização, o que levou a uma maior competitividade nos mercados de energia elétrica. Uma gestão eficiente dos mercados de energia torna-se cada vez mais uma prioridade devido aos riscos que estes podem apresentar, aliado à elevada volatilidade dos preços e volumes nos diferentes períodos horários (incertezas na produção e consumo). A liberalização do setor elétrico levou à criação de simuladores computacionais com o objetivo de representarem os mercados de energia e as entidades nele representados. Estes são uma ferramenta essencial no apoio e compreensão do funcionamento dos mercados. A presente dissertação tem como objetivo principal desenvolver um simulador de apoio à decisão na negociação de contratos bilaterais baseado no protocolo de rede de contratos. O simulador foi analisado e testado com recurso a um caso prático envolvendo quatro comercializadores (retalhistas) e um consumidor industrial real (fábrica KERION Ceramics) do distrito de Aveiro. Foi efetuada uma análise à fábrica com o intuito de identificar e propor mediadas de eficiência energética. Foi também simulada a negociação de um novo contrato, com vista à redução dos custos energéticos da fábrica. Os resultados obtidos permitem concluir que o simulador desenvolvido é uma ferramenta importante no apoio à negociação de contratos bilaterais e, mais importante, que o consumidor industrial KERION Ceramics pode beneficiar com a negociação de um novo contrato.

Product extension services deployment platform

Due to the progresses made in the branch of embedded technologies, manufacturers are becoming able to pack their shop floor level manufacturing resources with even more complex functionalities. This technological progression is radically changing the way production systems are designed and deployed, as well as, monitored and controlled. The dissemination of smart devices inside production processes confers new visibility on the production system while enabling for a more efficient and effective management of the operations. By turning the current manufacturing resources functionalities into services based on a Service Oriented Architecture (SOA), in order to expose them as a service to the user, the binomial manufacturing resource/service will push the entire manufacturing enterprise visibility to another level while enabling the global optimization of the operations and processes of a production system while, at the same time, supporting its accommodation to the operational spike easily and with reduced impact on production. The present work implements a Cloud Manufacturing infrastructure for achieving the resource/service value-added i.e. to facilitate the creation of services that are the composition of currently available atomic services. In this context, manufacturing resource virtualization (i.e. formalization of resources capabilities into services accessible inside and outside the enterprise) and semantic representation/description are the pillars for achieving resource service composition. In conclusion, the present work aims to act on the manufacturing resource layer where physical resources and shop floor capabilities are going to be provided to the user as a SaaS (Software as a Service) and/or IaaS (Infrastructure as a Service).

Sensores “em movimento"

A domótica e a Internet das Coisas (Internet of Things – IoT) são dois conceitos que estão a ter bastante impacto na sociedade e a mudar o seu quotidiano, pelo que o utilizador é mais exigente na utilização dos seus equipamentos, pretendendo, que sejam mais simples e eficazes. A IoT é também muito utilizada na vertente da qualidade de vida (verificação da qualidade do ar, temperatura etc.) pelo que é necessário a utilização de uma rede de sensores de forma que toda a informação recolhida seja disponibilizada ao utilizador. Os sensores estão ligados a nós da rede de forma a recolherem informação. Essa rede pode ser constituída por diferentes topologias, sendo que a mais usual é a rede em Malha, pois no caso de um dos nós deixar de funcionar, a mensagem é enviada através de outros nós até chegar ao nó principal. O passo seguinte consiste em enviar toda essa informação para a Cloud, sendo que, nas soluções existentes, é necessário que o utilizador tenha um ponto fixo (gateway) com acesso à internet. Quando não é possível internet por cabo, a solução é a utilização de redes sem fios ou a utilização de, por exemplo, um cartão 3G/4G que implica o pagamento de taxas às operadoras móveis. Estas soluções implicam, na sua grande maioria uma instalação elétrica para alimentação dos nós dos sensores. O grande problema surge quando o utilizador não possui nenhum acesso à Internet (no local onde são instalados os sensores), ou no caso de não existência de nenhuma instalação elétrica para alimentação dos nós dos sensores. A solução proposta nesta dissertação consiste na utilização de um telemóvel, de um utilizador aleatório, como gateway. Assim, um utilizador comum pode ligar os seus sensores onde for necessário. Esses sensores são configurados Over-The-Air através de uma camada de aplicação do dispositivo de comunicação, como por exemplo, o Synapse. Após configuração, os sensores estão prontos a recolher toda a informação e enviá-la através da rede até ao nó principal. O nó principal é constituído pelo dispositivo de comunicação referido anteriormente, ligado a um microcontrolador (Arduino, por exemplo) que tem agregado um leitor de cartões SD e um dispositivo Bluetooth (BLE). Toda a informação recolhida pelos sensores é guardada no cartão SD até que um utilizador, com um telemóvel (Smartphone Android com a aplicação desenvolvida instalada) com o Bluetooth ligado, se aproxime do nó principal. Assim que a ligação é aceite e estabelecida, a aplicação envia a data mais recente de um sensor específico presente na sua base de dados na Cloud para o Arduino, permitindo que este apague os dados mais antigos presentes no cartão e envie, como resposta para o telemóvel, a informação mais antiga recolhida pelo sensor, atualizando assim a informação. A aplicação deste conceito pode ser útil quando não existe nenhuma ligação à internet ou quando um utilizador, por exemplo uma entidade responsável pelo meio ambiente e que seja necessário inserir sensores numa floresta, para prevenção de fogos. Assim os nós vão enviar toda a informação recolhida através da sua rede. Posteriormente, cabe ao utilizador escolher um sítio estratégico, onde saiba que irão passar indivíduos com alguma frequência, de modo a que estes recebam essa informação para o seu telemóvel.