Wave loads on the foundation of a bottom-hinged modular flap structure

Large loads result in expensive foundations which are a substantial proportion of the capital cost of flap-type Wave Energy Converters (WECs). Devices such as Oyster 800, currently deployed at the European Marine Energy Centre (EMEC), comprise a single flap for the full width of the machine. Splitting a flap-type device into smaller vertical flap modules, to make a ‘modular-flap’, might reduce the total foundation loads, whilst still providing acceptable performance in terms of energy conversion.
This paper investigates the foundation loads of an undamped modular-flap device, comparing them to those for a rigid flap of an equivalent width. Physical modelling in a wave tank is used, with loads recorded using a six degree of freedom (DoF) load cell. Both fatigue and extreme loading analysis was conducted. The rotations of the flaps were also recorded, using a motion-tracking system.

Small Signal Stability Performance of Power System during High Penetration of Wind Generation

The small signal stability of interconnected power systems is one of the important aspects that need to be investigated since the oscillations caused by this kind of instability have caused many incidents. With the increasing penetration of wind power in the power system, particularly doubly fed induction generator (DFIG), the impact on the power system small signal stability performance should be fully investigated. Because the DFIG wind turbine integration is through a fast action converter and associated control, it does not inherently participate in the electromechanical small signal oscillation. However, it influences the small signal stability by impacting active power flow paths in the network and replacing synchronous generators that have power system stabilizer (PSS). In this paper, the IEEE 39 bus test system has been used in the analysis. Furthermore, four study cases and several operation scenarios have been conducted and analysed. The selective eigenvalue Arnoldi/lanczos's method is used to obtain the system eigenvalue in the range of frequency from 0.2 Hz to 2 Hz which is related to electromechanical oscillations. Results show that the integration of DFIG wind turbines in a system during several study cases and operation scenarios give different influence on small signal stability performance.

New multi-stage DC-DC converters for grid-connected photovoltaic systems

Renewable energy is high on international and national agendas. Currently, grid-connected photovoltaic (PV) systems are a popular technology to convert solar energy into electricity. Existing PV panels have a relatively low and varying output voltage so that the converter installed between the PVs and the grid should be equipped with high step-up and versatile control capabilities. In addition, the output current of PV systems is rich in harmonics which affect the power quality of the grid. In this paper, a new multi-stage hysteresis control of a step-up DC-DC converter is proposed for integrating PVs into a single-phase power grid. The proposed circuitry and control method is experimentally validated by testing on a 600W prototype converter. The developed technology has significant economic implications and could be applied to many distributed generation (DG) systems, especially for the developing countries which have a large number of small PVs connected to their single-phase distribution network. 

New SR drive with integrated charging capacity for plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)

Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) provide much promise in reducing greenhouse gas emissions and, thus, are a focal point of research and development. Existing on-board charging capacity is effective but requires the use of several power conversion devices and power converters, which reduce reliability and cost efficiency. This paper presents a novel three-phase switched reluctance (SR) motor drive with integrated charging functions (including internal combustion engine and grid charging). The electrical energy flow within the drivetrain is controlled by a power electronic converter with less power switching devices and magnetic devices. It allows the desired energy conversion between the engine generator, the battery, and the SR motor under different operation modes. Battery-charging techniques are developed to operate under both motor-driving mode and standstill-charging mode. During the magnetization mode, the machine's phase windings are energized by the dc-link voltage. The power converter and the machine phase windings are controlled with a three-phase relay to enable the use of the ac-dc rectifier. The power converter can work as a buck-boost-type or a buck-type dc-dc converter for charging the battery. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 3-kW SR motor validate the effectiveness of the proposed technologies, which may have significant economic implications and improve the PHEVs' market acceptance

In situ diagnostics and prognostics of solder fatigue in IGBT modules for electric vehicle drives

This paper proposes an in situ diagnostic and prognostic (D&P) technology to monitor the health condition of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) used in EVs with a focus on the IGBTs' solder layer fatigue. IGBTs' thermal impedance and the junction temperature can be used as health indicators for through-life condition monitoring (CM) where the terminal characteristics are measured and the devices' internal temperature-sensitive parameters are employed as temperature sensors to estimate the junction temperature. An auxiliary power supply unit, which can be converted from the battery's 12-V dc supply, provides power to the in situ test circuits and CM data can be stored in the on-board data-logger for further offline analysis. The proposed method is experimentally validated on the developed test circuitry and also compared with finite-element thermoelectrical simulation. The test results from thermal cycling are also compared with acoustic microscope and thermal images. The developed circuitry is proved to be effective to detect solder fatigue while each IGBT in the converter can be examined sequentially during red-light stopping or services. The D&P circuitry can utilize existing on-board hardware and be embedded in the IGBT's gate drive unit.

Droop setting design for multi-terminal HVDC grids considering voltage deviation impacts

In multi-terminal high voltage direct current (HVDC) grids, the widely deployed droop control strategies will cause a non-uniform voltage deviation on the power flow, which is determined by the network topology and droop settings. This voltage deviation results in an inconsistent power flow pattern when the dispatch references are changed, which could be detrimental to the operation and seamless integration of HVDC grids. In this paper, a novel droop setting design method is proposed to address this problem for a more precise power dispatch. The effects of voltage deviations on the power sharing accuracy and transmission loss are analysed. This paper shows that there is a trade-off between minimizing the voltage deviation, ensuring a proper power delivery and reducing the total transmission loss in the droop setting design. The efficacy of the proposed method is confirmed by simulation studies.

Catalyst Deactivation on a Two-Stroke Engine

With the legislative demands increasing on recreational vehicles and utility engined applications, the two-stroke engine is facing increasing pressure to meet these requirements. One method of achieving the required reduction is via the introduction of a catalytic converter. The catalytic converter not only has to deal with the characteristically higher CO and HC concentration, but also any oil which is added to lubricate the engine. In a conventional two-stroke engine with a total loss lubrication system, the oil is either scavenged straight out the exhaust port or is entrained, involved in combustion and is later exhausted. This oil can have a significant effect on the performance of the catalyst.
To investigate the oiling effect, three catalytic converters were aged using a 400cm₃ DI two-stroke engine. A finite level of oil was added to the inlet air of the engine to lubricate the internal workings. The oil flow rate is independent of the engine speed and load.

Three catalysts were aged for 50 hours, experiencing a constant space velocity and set engine conditions. The engine was fueled on petrol and later on propane to eliminate the effects, if any, of petrol additives on catalyst deactivation. The oiling rate was varied to investigated deactivation from oil contamination. Post-mortem analysis was performed on the three catalysts. This consisted of a controlled light-off test performed on a catalyst rig, during which period, temperatures were measured and recorded towere aged for 50 hours, experiencing a constant space velocity and set engine conditions. The engine was fueled on petrol and later on propane to eliminate the effects, if any, of petrol additives on catalyst deactivation. The oiling rate was varied to investigated deactivation from oil contamination. Post-mortem analysis was performed on the three catalysts. This consisted of a controlled light-off test performed on a catalyst rig, during which period, temperatures were measured and recorded to find out where deactivation of each catalyst was occurring. The recorded results were all analyzed and these showed that from the measured light-off temperatures the aged catalysts behaved similarly. However the pattern in the light-off was significantly different when the engine was fueled by propane as opposed to gasoline.

Temporal Narrowing of Neutrons Produced by High-Intensity Short-Pulse Lasers

The production of neutron beams having short temporal duration is studied using ultraintense laser pulses. Laser-accelerated protons are spectrally filtered using a laser-triggered microlens to produce a short duration neutron pulse via nuclear reactions induced in a converter material (LiF). This produces a similar to 3 ns duration neutron pulse with 10(4) n/MeV/sr/shot at 0.56 m from the laser-irradiated proton source. The large spatial separation between the neutron production and the proton source allows for shielding from the copious and undesirable radiation resulting from the laser-plasma interaction. This neutron pulse compares favorably to the duration of conventional accelerator sources and should scale up with, present and future, higher energy laser facilities to produce brighter and shorter neutron beams for ultrafast probing of dense materials.

An Adaptive Predictive Control Strategy for RMPPT under Partially Shaded Conditions

As one of key technologies in photovoltaic converter control, Maximum Power Point Tracking (MPPT) methods can keep the power conversion efficiency as high as nearly 99% under the uniform solar irradiance condition. However, these methods may fail when shading conditions occur and the power loss can over as much as 70% due to the multiple maxima in curve in shading conditions v.s. single maximum point in uniformly solar irradiance. In this paper, a Real Maximum Power Point Tracking (RMPPT) strategy under Partially Shaded Conditions (PSCs) is introduced to deal with this kind of problems. An optimization problem, based on a predictive model which will change adaptively with environment, is developed to tracking the global maxima and corresponding adaptive control strategy is presented. No additional circuits are required to obtain the environment uncertainties. Finally, simulations show the effectiveness of proposed method.

The Value of Full Scale Prototype Data - Testing Oyster 800 at EMEC, Orkney

This paper demonstrates the unparalleled value of full scale data which has been acquired from ocean trials of Aquamarine Power’s Oyster 800 Wave Energy Converter (WEC) at the European Marine Energy Centre (EMEC), Orkney, Scotland.
High quality prototype and wave data were simultaneously recorded in over 750 distinct sea states (comprising different wave height, wave period and tidal height combinations) and include periods of operation where the hydraulic Power Take-Off (PTO) system was both pressurised (damped operation) and de-pressurised (undamped operation).
A detailed model-prototype correlation procedure is presented where the full scale prototype behaviour is compared to predictions from both experimental and numerical modelling techniques via a high temporal resolution wave-by-wave reconstruction. This unquestionably provides the definitive verification of the capabilities of such research techniques and facilitates a robust and meaningful uncertainty analysis to be performed on their outputs.
The importance of a good data capture methodology, both in terms of handling and accuracy is also presented. The techniques and procedures implemented by Aquamarine Power for real-time data management are discussed, including lessons learned on the instrumentation and infrastructure required to collect high-value data.

Investigating Tools used to Analyse the Impact of a Wave Farm on the surrounding Wave Field

For wave energy to become commercially viable, it is predicted that wave energy converters (WECs) will need to be installed in large wave farms. This will required an extensive environmental impact study. Assessments of impacts of these sites requires prior numerical modelling however the available tools have not been fully validated.
This project investigates the area surrounding an array of five scaled WEC models using experimental techniques. It then assesses the suitability of numerical tools to be validated with this experimental data. Validated numerical tools could then be used to predict parameters relating to the models such as reflection and transmission coefficients.
The physical aspect of this project was conducted in the Portaferry wave basin owned by Queen’s University Belfast. The device studied was a bottom hinged oscillating wave surge converter (OWSC) which penetrates the surface (similar to the Oyster device). The models were tested at 40th scale.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Limited range coverage problems

Tal como o título indica, esta tese estuda problemas de cobertura com alcance limitado. Dado um conjunto de antenas (ou qualquer outro dispositivo sem fios capaz de receber ou transmitir sinais), o objectivo deste trabalho é calcular o alcance mínimo das antenas de modo a que estas cubram completamente um caminho entre dois pontos numa região. Um caminho que apresente estas características é um itinerário seguro. A definição de cobertura é variável e depende da aplicação a que se destina. No caso de situações críticas como o controlo de fogos ou cenários militares, a definição de cobertura recorre à utilização de mais do que uma antena para aumentar a eficácia deste tipo de vigilância. No entanto, o alcance das antenas deverá ser minimizado de modo a manter a vigilância activa o maior tempo possível. Consequentemente, esta tese está centrada na resolução deste problema de optimização e na obtenção de uma solução particular para cada caso. Embora este problema de optimização tenha sido investigado como um problema de cobertura, é possível estabelecer um paralelismo entre problemas de cobertura e problemas de iluminação e vigilância, que são habitualmente designados como problemas da Galeria de Arte. Para converter um problema de cobertura num de iluminação basta considerar um conjunto de luzes em vez de um conjunto de antenas e submetê-lo a restrições idênticas. O principal tema do conjunto de problemas da Galeria de Arte abordado nesta tese é a 1-boa iluminação. Diz-se que um objecto está 1-bem iluminado por um conjunto de luzes se o invólucro convexo destas contém o objecto, tornando assim este conceito num tipo de iluminação de qualidade. O objectivo desta parte do trabalho é então minimizar o alcance das luzes de modo a manter uma iluminação de qualidade. São também apresentadas duas variantes da 1-boa iluminação: a iluminação ortogonal e a boa !-iluminação. Esta última tem aplicações em problemas de profundidade e visualização de dados, temas que são frequentemente abordados em estatística. A resolução destes problemas usando o diagrama de Voronoi Envolvente (uma variante do diagrama de Voronoi adaptada a problemas de boa iluminação) é também proposta nesta tese.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.