Development of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites for electrical applications

Combining intrinsically conducting polymers with carbon nanotubes (CNT) helps in creating composites with superior electrical and thermal characteristics. These composites are capable of replacing metals and semiconductors as they possess unique combination of electrical conductivity, flexibility, stretchability, softness and bio-compatibility. Their potential for use in various organic devices such as super capacitors, printable conductors, optoelectronic devices, sensors, actuators, electrochemical devices, electromagnetic interference shielding, field effect transistors, LEDs, thermoelectrics etc. makes them excellent substitutes for present day semiconductors.However, many of these potential applications have not been fully exploited because of various open–ended challenges. Composites meant for use in organic devices require highly stable conductivity for the longevity of the devices. CNT when incorporated at specific proportions, and with special methods contributes quite positively to this end.The increasing demand for energy and depleting fossil fuel reserves has broadened the scope for research into alternative energy sources. A unique and efficient method for harnessing energy is thermoelectric energy conversion method. Here, heat is converted directly into electricity using a class of materials known as thermoelectric materials. Though polymers have low electrical conductivity and thermo power, their low thermal conductivity favours use as a thermoelectric material. The thermally disconnected, but electrically connected carrier pathways in CNT/Polymer composites can satisfy the so-called “phonon-glass/electron-crystal” property required for thermoelectric materials. Strain sensing is commonly used for monitoring in engineering, medicine, space or ocean research. Polymeric composites are ideal candidates for the manufacture of strain sensors. Conducting elastomeric composites containing CNT are widely used for this application. These CNT/Polymer composites offer resistance change over a large strain range due to the low Young‟s modulus and higher elasticity. They are also capable of covering surfaces with arbitrary curvatures.Due to the high operating frequency and bandwidth of electronic equipments electromagnetic interference (EMI) has attained the tag of an „environmental pollutant‟, affecting other electronic devices as well as living organisms. Among the EMI shielding materials, polymer composites based on carbon nanotubes show great promise. High strength and stiffness, extremely high aspect ratio, and good electrical conductivity of CNT make it a filler of choice for shielding applications. A method for better dispersion, orientation and connectivity of the CNT in polymer matrix is required to enhance conductivity and EMI shielding. This thesis presents a detailed study on the synthesis of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites and their application in electronic devices. The major areas focused include DC conductivity retention at high temperature, thermoelectric, strain sensing and electromagnetic interference shielding properties, thermogravimetric, dynamic mechanical and tensile analysis in addition to structural and morphological studies.

Ecological effects of flow and temperature regimes on fish communities in temperate rivers

Les organismes aquatiques sont adaptés à une grande variabilité hydrique et thermique des rivières. Malgré ceci, la régulation des eaux suscite des changements aux débits qui peuvent provoquer des impacts négatifs sur la biodiversité et les processus écologiques en rivière. Celle-ci peut aussi causer des modifications au niveau des régimes thermiques et des caractéristiques de l’habitat du poisson. Des données environnementales et biologiques décrivant l’habitat du poisson existent, mais elles sont incomplètes pour plusieurs rivières au Canada et de faible qualité, limitant les relations quantitatives débit-température-poissons à un petit nombre de rivières ou à une région étudiée. La recherche menée dans le cadre de mon doctorat concerne les impacts de la génération d'hydroélectricité sur les rivières; soit les changements aux régimes hydriques et thermiques reliés à la régulation des eaux sur la variation des communautés ichtyologiques qui habitent les rivières régulées et naturelles au Canada. Suite à une comparaison d’échantillonnage de pêche, une méthode constante pour obtenir des bons estimés de poisson (richesse, densité et biomasse des espèces) a été établie pour évaluer la structure de la communauté de poissons pour l’ensemble des rivières ciblées par l’étude. Afin de mieux comprendre ces changements environnementaux, les principales composantes décrivant ces régimes ont été identifiées et l’altération des régimes hydriques pour certaines rivières régulées a été quantifiée. Ces résultats ont servi à établir la relation significative entre le degré de changement biotique et le degré de changement hydrique pour illustrer les différences entre les régimes de régulation. Pour faire un complément aux indices biotiques déjà calculés pour l’ensemble des communautés de poissons (diversité, densité et biomasse des espèces par rivière), les différences au niveau des guildes de poissons ont été quantifiées pour expliquer les divers effets écologiques dus aux changements de régimes hydriques et thermiques provenant de la gestion des barrages. Ces derniers résultats servent à prédire pour quels traits écologiques ou groupes d’espèces de poissons les composantes hydriques et thermiques sont importantes. De plus, ces derniers résultats ont servi à mettre en valeur les variables décrivant les régimes thermiques qui ne sont pas toujours inclues dans les études hydro-écologiques. L’ensemble des résultats de cette thèse ont des retombées importantes sur la gestion des rivières en évaluant, de façon cohérente, l’impact de la régulation des rivières sur les communautés de poissons et en développant des outils de prévision pour la restauration des écosystèmes riverains.

Biocatálise aplicada à valorização de óleos alimentares usados

O crescente consumo de energia, bem como a possibilidade de esgotamento dos recursos não renováveis, tem fomentado a busca de fontes de energia alternativas. O biodiesel é um biocombustível obtido a partir de fontes renováveis e a sua utilização permite reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. Nos últimos anos tem-se produzido biodiesel a partir de óleos alimentares usados (OAU), sendo que com esta aplicação valoriza-se um resíduo e simultaneamente produz-se um combustível “verde”. O biodiesel é produzido através das reações de transesterificação e/ou esterificação entre triglicerídeos e/ou ácidos gordos livres e um álcool, na presença de um catalisador. O rendimento do processo está estritamente relacionado com o tipo de catalisador e as condições que este opera. O principal objetivo do presente trabalho consistiu na avaliação do efeito de alguns parâmetros operacionais no desempenho de uma lípase imobilizada (Novozyme® 435), nomeadamente: (i) índice de acidez do óleo, (ii) razão mássica de enzima/óleo e (iii) método regeneração da enzima com vista à sua reutilização. Também foi objeto de estudo do presente trabalho a produção em contínuo, num (bior)reator tubular de leito fixo, de ésteres metílicos de ácidos gordos (FAME) usando a referida enzima. Registou-se um aumento rendimento em com o incremento do índice de acidez do óleo usado, o que indicia que a enzima catalisa simultaneamente as reações de esterificação e transesterificação. Relativamente à razão mássica de enzima/óleo, dentro da gama testada verificou-se um aumento do rendimento em FAME com a concentração da enzima em meio reacional. Dos vários solventes testados, a aplicação de solvente tert-butanol na regeneração (com incubação) da enzima foi o que melhores resultados teve. Finalmente, os resultados obtidos no ensaio de produção de FAME num biorreator contínuo são motivadores, criando expectativas de uma possível aplicação industrial no futuro.

Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Afectación de los ingresos operacionales de empresa distribuidora de energía eléctrica por penetración de energía solar en su área de influencia

Los anuncios de impacto por cambio climático han llevado a los países a crear estrategias de mitigación y adaptación, dentro de las cuales se considera la promoción de generación de electricidad a través de fuentes renovables no convencionales -- El avance logrado ha incentivado a los usuarios del servicio de energía eléctrica a invertir en plantas de generación, eliminando la necesidad parcial de utilizar las redes de transmisión y distribución del sistema eléctrico, de tal forma que las redes eléctricas presentan una holgura gradual en cuanto a la energía que se transporta a través de ellas -- Este artículo presenta un análisis del impacto sobre los ingresos operacionales de una empresa distribuidora de energía por efecto de la entrada de soluciones de energía solar fotovoltaica en el segmento residencial de su área de influencia, encontrando que se generarían diferentes escalas de afectación, con valores de hasta el 3%

O potencial energético do gradiente térmico na plataforma continental do sul do brasil

O crescimento da demanda energética, prevista para a metade do século XXI, com números embasados no crescimento demográfico e de consumo dos países em desenvol- vimento, sugere a busca por fontes energéticas renováveis e de menor impacto ao meio ambiente, conforme os tratados da política internacional. Portanto, o fornecimento de energia suplementar se torna vital nas sociedades modernas e sua extensão até o mar tem se constituído uma recente preocupação do ponto de vista enérgico e ecológico. Várias formas de conversão de energia foram desenvolvidas no decorrer dos anos, com destaque para a energia dos gradientes térmicos. A Plataforma Continental Sul do Bra- sil (PSCB) possui alta variabilidade espacial e temporal nos campos de temperatura, de forma que existe a necessidade de uma análise das regiões de maior potencial energético com respeito ao gradiente vertical de temperatura. Neste estudo, foram utilizados dados do modelo OCCAM com uma grade de resolu- ção horizontal de 0, 25o e resolução vertical de 66 níveis, distribuídos ao longo de um sistema de coordenadas vertical. Foram utilizadas imagens de temperatura superfícial do mar (TSM) obtidas a partir do sensor AVHRR (Advanced Very High Resolution Ra- diometer) de forma a realizar a validação dos dados do modelo OCCAM. A análise da média dos dados do modelo indicou um sítio energético de maior viabilidade devido oC ao padrão médio do gradiente térmico de aproximadamente 0, 17 ao longo da coluna vertical (545 m de profundidade) no oceano. Neste local, foram coletados os dados, e aplicados a um módulo de conversão de energia térmica dos oceanos que vem sendo desenvolvido na Universidade Federal do Rio Grande - FURG. A região de estudo de- monstrou possuir um local com ótimo potencial energético, onde a produção máxima de energia pode alcançar 111, 9MW , associada com um padrão variabilidade tempo- ral dominante de 12 meses. Este sítio energético demonstra maior eficiência durante o período de verão e outono ao longo dos anos e sua média para todo o período é de 94, 3MW . Neste estudo, duas correntes: Corrente do Brasil (CB) e a Contra Corrente Costeira (CCC), com águas de origem tropical e subantártica com aportes continentais, respecti- vamente, tem alta correlação com os valores dos gradientes térmicos e com os significa- tivos eventos de conversão energética. O sítio energético demonstrou alta estabilidade à sazonalidade e à gama de eventos meteorológicos e oceanográficos, de forma que pode ser qualificado como uma fonte suplementar a matriz energética do país para um futuro próximo.

Avaliação do potencial passível de conversão em energia elétrica das correntes na plataforma continental sul brasileira

O contínuo crescimento da população mundial aumenta a demanda e a competição por energia, colocando grande esforço sobre as fontes de energia não renováveis existentes. Devido a isso, políticas globais para geração de energias renováveis e menos poluentes estão sendo fortalecidas, além de promoverem o desenvolvimento de novas tecnologias. Várias formas de conversão de energia foram desenvolvidas no decorrer dos anos, com destaque para os conversores de energia das correntes a base de turbinas, que demonstram alta capacidade de conversão energética e já se encontram em funcionamento. O modelo tridimensional TELEMAC3D foi utilizado para a investigação dos processos hidrodinâmicos. Este modelo foi acoplado ao módulo de conversão de energia para as análises nos locais de maior viabilidade e conversão energética na Plataforma Continental do Sul do Brasil. A região de estudo demonstrou possuir duas regiões com alto potencial para a exploração da energias das correntes marinhas, entretanto a região mais viável para a instalação de conversores de corrente é a região norte delimitada entre o Farol da Conceição e o Farol da Solidão, podendo atingir potência média de 10kW=Dia, e alcançando valores integrados de 3:5MW=Ano. Através de uma análise da sazonalidade foram observados, durante a primavera os períodos mais energéticos em ambas as regiões estudadas. As maiores intensidades de conversão de energia foram estimadas com variabilidade temporal de 16 dias, demonstrando alta correlação com eventos associados à passagem de frentes meteorológicas na região. O sítio da região norte, com a presença de barreiras que representam a forma dos conversores, se destaca mantendo boa conversão durante os eventos de ótimo potencial energético. Esta melhora se deve ao efeito de intensificação do campo de correntes associado à presença da estrutura física que otimiza a eficiência do sítio. Não foram observadas diferenças significativas no padrão de variabilidade temporal das simulações estudadas, indicando que a presença das barreiras não induz grandes alterações no padrão temporal da conversão de energia nas escalas temporais analisadas neste trabalho. Os eventos de alta geração de energia foram relacionados a incidência de fortes ventos de quadrante sul e norte, indicando que pelo formato e disposição dos conversores, ventos de sudoeste e norte podem favorecer ótimos eventos de conversão de energia. As simulações dos sítios de conversão demonstraram alta capacidade de geração energética, com quatro eventos de extrema geração de energia. Entretanto, o sítio da região norte demonstrou eficiência superior a 59,39 GWh ao ano, equivalendo a 0.22% do consumo energético do estado do Rio Grande do Sul no ano de 2010.

Indicadores energéticos: instrumentos de apoio ao desenvolvimento sustentável

Energy indicators are tools to support decision-making on energy. The growing debate on sustainable development, contributed to the energy indicators began to incorporate, besides the traditional economic, social and environmental information. Therefore, taking sustainable development into account, it is important to know contributions and limitations of these tools. The overall goal of this study is to analyze the contributions and limitations of the energy indicators as assets to support sustainable development.This study can be classified as descriptive because it relies on bibliographical and documental material. As a result of documental analysis, 55 energy indicators for sustainable development (EISD) were selected. The selection took place by identification of those indicators through the institutions International Atomic Energy Agency (IAEA), Helio International and World Energy Council (WEC), among 19 institutions involved in research on energy identified in the survey. The study stresses that most of the selected indicators focuses on the economic dimension, 19 EISDs (34.54%), followed by 10 EISDs (18.18%) focused on the environmental dimension, 9 EISDs (16.36%) focused on the social issues, 7 EISDs (12.45%) are classified as resilience, 4 EISDs (7.27%) is about governance, 3 EISDs (5.45%) focused on vulnerability and 3 EISDs (5.45%) is about policy. Despite the inclusion of indicators associated with other dimensions than economy, information provided by those indicators emerges as their own limitation. Because, recently, indicators’ information were used to promote sustainable development as well as the opposite. Additionally, the study identified EISDs whose components were not specified. They may enable generation of information far from the real scenario, if components dissociated EISD would be taking into consideration or even the non-consideration of relevant components. Despite limitations, EISDs assisting decision-makers contributes to the pursuit of sustainable development. But they may be improved through information about environmental issues, such as emission of atmospheric pollutants, soil and water, resulting from energy sources, helps identifying which sources are more or less harmful for sustainable development. However, difficulty in collecting data, identifying the components for calculation of each indicator and even interpretation of this, as analyzed, may not only fail to contribute to sustainable development, as can delay taking corrective or preventive decisions.

Estudo numérico do impacto das emissões veiculares e fixas da cidade de Manaus nas concentrações de poluentes atmosféricos da região amazônica

The main aim of this study was to evaluate the impact of the urban pollution plume from the city of Manaus by emissions from mobile and stationary sources in the atmospheric pollutants concentrations of the Amazon region, by using The Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model. The air pollutants analyzed were CO, NOx, SO2, O3, PM2.5, PM10 and VOCs. The model simulations have been configured with a grid spacing of 3 km, with 190 x and 136 y grid points in horizontal spacing, centered in the city of Manaus during the period of 17 and 18 of March 2014. The anthropogenic emissions inventories have gathered from mobile sources that were estimated the emissions of light and heavy-duty vehicles classes. In addition, the stationary sources have considered the thermal power plants by the type of energy sources used in the region as well as the emissions from the refinery located in Manaus. Various scenarios have been defined with numerical experiments that considered only emissions by biogenic, mobile and stationary sources, and replacement fuel from thermal power plant, along with a future scenario consisting with twice as much anthropogenic emissions. A qualitative assessment of simulation with base scenario has also been carried out, which represents the conditions of the region in its current state, where several statistical methods were used in order to compare the results of air pollutants and meteorological fields with observed ground-based data located in various points in the study grid. The qualitative analysis showed that the model represents satisfactorily the variables analyzed from the point of view of the adopted parameters. Regarding the simulations, defined from the base scenarios, the numerical experiments indicate relevant results such as: it was found that the stationary sources scenario, where the thermal power plants are predominant, resulted in the highest concentrations, for all air pollutants evaluated, except for carbon monoxide when compared to the vehicle emissions scenario; The replacement of the energy matrix of current thermal power plants for natural gas have showed significant reductions in pollutants analyzed, for instance, 63% reductions of NOx in the contribution of average concentration in the study grid; A significant increase in the concentrations of chemical species was observed in a futuristic scenario, reaching up to a 81% increase in peak concentrations of SO2 in the study area. The spatial distributions of the scenarios have showed that the air pollution plume from Manaus is predominantly west and southwest, where it can reach hundreds of kilometers to areas dominated by original soil covering.

Produção biológica integrada de hidrogénio e metano a partir de resíduos da indústria do biodiesel

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Características de cinzas e sua aplicação no tratamento de gases durante a gasificação de biomassa

Na procura de melhores combustíveis para a produção de energia térmica e energia elétrica, a biomassa apresenta-se como uma das fontes de energia renováveis menos prejudiciais ao meio ambiente, esta é considerada como um recurso neutro do ponto de vista de emissões de dióxido de carbono. Atualmente, a tecnologia predominante no domínio da conversão energética de biomassa por via termoquímica é a combustão. Contudo, verifica-se a procura de combustíveis de melhor qualidade produzidos a partir de biomassa, como por exemplo na forma gasosa (gás de combustível). A produção deste tipo de combustíveis gasosos envolvendo processos de gasificação carece do desenvolvimento de tecnologia que permita obter um gás combustível com características adequadas às utilizações pretendidas. Os problemas mais relevantes relacionados com a conversão termoquímica da biomassa incluem a produção de cinzas e de alcatrões, estes podem levar a vários problemas operatórios. O presente trabalho teve dois objetivos, a caracterização das cinzas resultantes do processo de combustão de biomassa e o estudo do efeito da aplicação das cinzas para melhorar as propriedades do gás produzido durante o processo de gasificação de biomassa, principalmente na redução de compostos condensáveis (alcatrões). As cinzas volantes da combustão de biomassa analisadas apresentam na sua constituição elementos químicos característicos da biomassa, onde o cálcio apresenta-se em concentrações mais elevadas. Em menores concentrações encontram-se sódio, magnésio, fósforo, enxofre, cloro, potássio, manganês e ferro. As cinzas de fundo, pelo contributo que a areia do leito tem, são caracterizadas por conterem grandes concentrações de silício. Durante os processos de gasificação de biomassa a concentração de compostos condensáveis diminuiu com o aumento da razão de equivalência. As cinzas, colocadas no reator de leito fixo, apresentam um efeito positivo sobre a qualidade do gás, nomeadamente um aumento de 47,8% no teor de H2 e de 11% de CO, consequentemente obteve-se um gás combustível com PCI (poder calorífico inferior) mais elevado.

The use of solar colletor for heating and electricity for a single family house

The presented work is related to the use of solar energy for the needs of heating and electricity for a single house located in Poland. Electricity will provided by energy conversion in the turbine by means of Organic Rankine Cycle (ORC), in which the operating medium (water heated in solar collector) is heating refrigerator in the heating exchanger. The solar installation is integrated with heat accumulator and wood boiler, which is used in the situation that collector is not enough to fill requirements of thermal comfort. There are chosen also all the necessary components of the system. In the work is also performed the economic assessment, by F chart method, to evaluate the profitability of the project, taking into total costs and savings.

Probabilistic design optimization of horizontal axis wind turbine rotors

Considerable interest in renewable energy has increased in recent years due to the concerns raised over the environmental impact of conventional energy sources and their price volatility. In particular, wind power has enjoyed a dramatic global growth in installed capacity over the past few decades. Nowadays, the advancement of wind turbine industry represents a challenge for several engineering areas, including materials science, computer science, aerodynamics, analytical design and analysis methods, testing and monitoring, and power electronics. In particular, the technological improvement of wind turbines is currently tied to the use of advanced design methodologies, allowing the designers to develop new and more efficient design concepts. Integrating mathematical optimization techniques into the multidisciplinary design of wind turbines constitutes a promising way to enhance the profitability of these devices. In the literature, wind turbine design optimization is typically performed deterministically. Deterministic optimizations do not consider any degree of randomness affecting the inputs of the system under consideration, and result, therefore, in an unique set of outputs. However, given the stochastic nature of the wind and the uncertainties associated, for instance, with wind turbine operating conditions or geometric tolerances, deterministically optimized designs may be inefficient. Therefore, one of the ways to further improve the design of modern wind turbines is to take into account the aforementioned sources of uncertainty in the optimization process, achieving robust configurations with minimal performance sensitivity to factors causing variability. The research work presented in this thesis deals with the development of a novel integrated multidisciplinary design framework for the robust aeroservoelastic design optimization of multi-megawatt horizontal axis wind turbine (HAWT) rotors, accounting for the stochastic variability related to the input variables. The design system is based on a multidisciplinary analysis module integrating several simulations tools needed to characterize the aeroservoelastic behavior of wind turbines, and determine their economical performance by means of the levelized cost of energy (LCOE). The reported design framework is portable and modular in that any of its analysis modules can be replaced with counterparts of user-selected fidelity. The presented technology is applied to the design of a 5-MW HAWT rotor to be used at sites of wind power density class from 3 to 7, where the mean wind speed at 50 m above the ground ranges from 6.4 to 11.9 m/s. Assuming the mean wind speed to vary stochastically in such range, the rotor design is optimized by minimizing the mean and standard deviation of the LCOE. Airfoil shapes, spanwise distributions of blade chord and twist, internal structural layup and rotor speed are optimized concurrently, subject to an extensive set of structural and aeroelastic constraints. The effectiveness of the multidisciplinary and robust design framework is demonstrated by showing that the probabilistically designed turbine achieves more favorable probabilistic performance than those of the initial baseline turbine and a turbine designed deterministically.

Projeto, implementação e análise de um conversor CC-CC de alto ganho e alto rendimento para aplicações fotovoltaicas

In recent years the photovoltaic generation has had greater insertion in the energy mix of the most developed countries, growing at annual rates of over 30%. The pressure for the reduction of pollutant emissions, diversification of the energy mix and the drop in prices are the main factors driving this growth. Grid tied systems plays an important role in alleviating the energy crisis and diversification of energy sources. Among the grid tied systems, building integrated photovoltaic systems suffers from partial shading of the photovoltaic modules and consequently the energy yield is reduced. In such cases, classical forms of modules connection do not produce good results and new techniques have been developed to increase the amount of energy produced by a set of modules. In the parallel connection technique of photovoltaic modules, a high voltage gain DC-DC converter is required, which is relatively complex to build with high efficiency. The current-fed isolated converters explored in this work have some desirable characteristics for this type of application, such as: low input current ripple and input voltage ripple, high voltage gain, galvanic isolation, feature high power capacity and it achieve soft switching in a wide operating range. This study presents contributions to the study of a high gain and high efficiency DC-DC converter for use in a parallel system of photovoltaic generation, being possible the use in a microinverter or with central inverter. The main contributions of this work are: analysis of the active clamping circuit operation proposing that the clamp capacitor connection must be done on the negative node of the power supply to reduce the input current ripple and thus reduce the filter requirements; use of a voltage doubler in the output rectifier to reduce the number of components and to extend the gain of the converter; detailed study of the converter components in order to raise the efficiency; obtaining the AC equivalent model and control system design. As a result, a DC-DC converter with high gain, high efficiency and without electrolytic capacitors in the power stage was developed. In the final part of this work the DC-DC converter operation connected to an inverter is presented. Besides, the DC bus controller is designed and are implemented two maximum power point tracking algorithms. Experimental results of full system operation connected to an emulator and subsequently to a real photovoltaic module are also given.