Study on Some Key Problems Related to Integrated Energy Systems: 区域综合能源系统若干问题研究

The research on integrated energy system technology meets the major national strategic needs of China. Focusing on the vital theory of planning and optimal operation of integrated energy system, six fundamental problems in the study of integrated energy system are proposed systematically, including the common modeling technology for integrated energy system, the integrated simulation of integrated energy system, the planning theory and method of integrated energy system, the security theory and method of integrated energy system, the optimal operation and control of integrated energy system, the benefit assessment and operational mechanisms of integrated energy system. The status of domestic and foreign research directions related to each scientific problems are surveyed and anticipated.

Remote control of the activity of a Pt catalyst supported on a mixed ionic electronic conducting membrane

A novel configuration for the in situ control of the catalytic activity of a polycrystalline Pt catalyst supported on a mixed ionic electronic conducting (MIEC) substrate is investigated. The modification of the catalytic activity is achieved by inducing the reverse spillover of oxygen promoting species from the support onto the catalyst surface, thus modifying the chemisorptive bond energy of the gas phase adsorbed reactants. This phenomenon is known as Electrochemical Promotion of Catalysis (EPOC). In this work we investigate the use of a wireless system that takes advantage of the mixed ionic electronic conductivity of the catalyst support (internally short-circuiting the system) in a dual chamber reactor. In this wireless configuration, the reaction takes place in one chamber of the membrane reactor while introduction of the promoting species is achieved by the use of an appropriate sweep gas (and therefore control of the oxygen chemical potential difference across the membrane) on the other chamber. Experimental results have shown that the catalytic rate can be enhanced by using an oxygen sweep, while a hydrogen sweep can reverse the changes. Total rate enhancement ratios of up to 3.5 were measured. © 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Analysis of Transmission Loss with Droop Control in a Multi-Terminal HVDC System

High Voltage Direct Current (HVDC) electric power transmission is a promising technology for integrating offshore wind farms and interconnecting power grids in different regions. In order to maintain the DC voltage, droop control has been widely used. Transmission line loss constitutes an import part of the total power loss in a multi-terminal HVDC scheme. In this paper, the relation between droop controller design and transmission loss has been investigated. Different MTDC layout configurations are compared to examine the effect of droop controller design on the transmission loss.

Lower resting energy expenditure and fat oxidation in Native American and Hispanic infants born to mothers with diabetes

OBJECTIVE: To determine whether exposure to diabetes in utero affects resting energy expenditure (REE) and fuel oxidation in infants.

STUDY DESIGN: At 35 ± 5 days after birth, body composition and REE were measured in full-term offspring of Native American and Hispanic women with either well-controlled diabetes (13 girls, 11 boys) or normal healthy pregnancies (18 girls, 17 boys).

RESULTS: Control of dysglycemia during gestation in the women with diabetes mellitus met current clinical standards, shown by average glycated hemoglobin (5.9 ± 0.2%; 40.6 ± 2.3 mmol/mol). Infant body mass (offspring of women with diabetes: 4.78 ± 0.13, control offspring: 4.56 ± 0.08 kg) and body fatness (offspring of women with diabetes: 25.2 ± 0.6, control offspring: 24.2 ± 0.5 %) did not differ between groups. REE, adjusted for lean body mass, was 14% lower in offspring of women with diabetes (41.7 ± 2.3 kJ/h) than control offspring (48.6 ± 2.0, P = .025). Fat oxidation was 26% lower in offspring of women with diabetes (0.54 ± 0.05 g/h) than control offspring (0.76 ± 0.04, P < .01) but carbohydrate oxidation did not differ. Thus, fat oxidation accounted for a lower fraction of REE in the offspring of women with diabetes (49 ± 4%) than control offspring (60 ± 3%, P = .022). Mothers with diabetes were older and had higher prepregnancy body mass index than control mothers.

CONCLUSIONS: Well-controlled maternal diabetes did not significantly affect body mass or composition of offspring at 1-month old. However, infants with mothers with diabetes had reduced REE and fat oxidation, which could contribute to adiposity and future disease risk. Further studies are needed to assess the impact differences in age and higher prepregnancy body mass index.

Optimization of Controller Parameters for Energy Saving

Among various technologies to tackle the twin challenges of sustainable energy supply and climate change, energy saving through advanced control plays a crucial role in decarbonizing the whole energy system. Modern control technologies, such as optimal control and model predictive control do provide a framework to simultaneously regulate the system performance and limit control energy. However, few have been done so far to exploit the full potential of controller design in reducing the energy consumption while maintaining desirable system performance. This paper investigates the correlations between control energy consumption and system performance using two popular control approaches widely used in the industry, namely the PI control and subspace model predictive control. Our investigation shows that the controller design is a delicate synthesis procedure in achieving better trade-o between system performance and energy saving, and proper choice of values for the control parameters may potentially save a significant amount of energy

An aggregated fridge-freezer peak shaving and valley filling control strategy for enhanced grid operations

The need for fast response demand side participation (DSP) has never been greater due to increased wind power penetration. White domestic goods suppliers are currently developing a `smart' chip for a range of domestic appliances (e.g. refrigeration units, tumble dryers and storage heaters) to support the home as a DSP unit in future power systems. This paper presents an aggregated population-based model of a single compressor fridge-freezer. Two scenarios (i.e. energy efficiency class and size) for valley filling and peak shaving are examined to quantify and value DSP savings in 2020. The analysis shows potential peak reductions of 40 MW to 55 MW are achievable in the Single wholesale Electricity Market of Ireland (i.e. the test system), and valley demand increases of up to 30 MW. The study also shows the importance of the control strategy start time and the staggering of the devices to obtain the desired filling or shaving effect.

Quantifying consumer portion control practices. A cross-sectional study

The use of portion control practices has rarely been quantified. The present study aimed to: (1) explore which portion control practices are actually used by the general population and their association with cognitive restraint, demographic background and general health interest (GHI), and (2) examine how the usage of portion control practices predicts the estimated consumption of an energy dense food (i.e. pizza). Twenty-two portion control practices were rated in terms of their frequency of use from 'never' to 'very often' by a representative sample of 1012 consumers from the island of Ireland. Three factors were extracted and named: measurement-strategy scale, eating-strategy scale, and purchasing-strategy scale. The eating-strategy scale score was the highest, while the measurement-strategy scale carried the lowest frequency score. For each strategy scale score, the strongest predictor was GHI, followed by gender. Having higher GHI and being female were independently associated with more frequent portion control. Both the eating-strategy scale score and the purchasing-strategy scale score were negatively associated with pizza portion size consumption estimates. In conclusion, while this study demonstrates that the reported use of portion control practices is low, the findings provide preliminary evidence for their validity. Further studies are needed to explore how portion control practices are used in different kinds of portion size decisions and what their contribution is to the intake of food over an extended period of time.

Performance monitoring of energy efficient retrofits – 4 case study properties in Northern Ireland

Approximately half of the houses in Northern Ireland were built before any form of minimum thermal specification (U-value) or energy efficiency standard were available. At present, 44% of households are categorised as being in fuel poverty; spending more than 10% of the household income to heat the house to an acceptable level. This paper presents the results from long term performance monitoring of 4 case study houses that have undergone retrofits to improve energy efficiency in Northern Ireland. There is some uncertainty associated with some of the marketed retrofit measures in terms of their effectiveness in reducing energy usage and their potential to cause detrimental impacts on the internal environment of a house. Using wireless sensor technology internal conditions such as temperature and humidity were measured alongside gas and electricity usage for a year. External weather conditions were also monitored. The paper considers the effectiveness of the different retrofit measures implemented based on the long term data monitoring and short term building performance evaluation tests that were completed.

Facts, Hacks and Turbines: Media Analysis of Irish Wind Energy

Wind energy projects face increasing opposition from host communities throughout the western world. Governments have responded in a range of ways, including enhanced local control over consenting (England), reform of planning regulations (Australia) or community ownership (Denmark). However, there is no effective mechanism for monitoring levels of social acceptance and thus, no means of evaluating the effectiveness of these approaches. There have been attempts to understand how social framing of wind energy in the media (e.g. Van de Velde et al 2010, Barry and Ellis, 2008, Hindmarsh 2014), highlighting how this changes over time. However, no research has focussed on Ireland and critically, none have examined whether this can help monitor overall levels of social acceptance. In order to explore this, this paper will present a media analysis of wind energy in the Republic of Ireland, which witnessed a rapid increase in wind energy capacity and has the highest energy penetration of wind in the world (19%). However, this has been accompanied by increasing public opposition and (assumed) declining levels of social acceptance.

This paper will describe the results of analysing over 8000 articles on wind energy that have appeared in three Irish newspapers. These are assessed through historical-diachronic (over time) and comparative –synchronic (differences between newspapers) analyses (Carvalho 2007) to highlight changing trends in framing wind energy and changing concerns over wind energy in Ireland. The paper will consider whether such media analysis could form a tool for monitoring the trends in social acceptance of wind energy.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Algoritmos inteligentes de baixa complexidade

A domótica é uma área com grande interesse e margem de exploração, que pretende alcançar a gestão automática e autónoma de recursos habitacionais, proporcionando um maior conforto aos utilizadores. Para além disso, cada vez mais se procuram incluir benefícios económicos e ambientais neste conceito, por forma a garantir um futuro sustentável. O aquecimento de água (por meios elétricos) é um dos fatores que mais contribui para o consumo de energia total de uma residência. Neste enquadramento surge o tema “algoritmos inteligentes de baixa complexidade”, com origem numa parceria entre o Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) da Universidade de Aveiro e a Bosch Termotecnologia SA, que visa o desenvolvimento de algoritmos ditos “inteligentes”, isto é, com alguma capacidade de aprendizagem e funcionamento autónomo. Os algoritmos devem ser adaptados a unidades de processamento de 8 bits para equipar pequenos aparelhos domésticos, mais propriamente tanques de aquecimento elétrico de água. Uma porção do desafio está, por isso, relacionada com as restrições computacionais de microcontroladores de 8 bits. No caso específico deste trabalho, foi determinada a existência de sensores de temperatura da água no tanque como a única fonte de informação externa aos algoritmos, juntamente com parâmetros pré-definidos pelo utilizador que estabelecem os limiares de temperatura máxima e mínima da água. Partindo deste princípio, os algoritmos desenvolvidos baseiam-se no perfil de consumo de água quente, observado ao longo de cada semana, para tentar prever futuras tiragens de água e, consequentemente, agir de forma adequada, adiantando ou adiando o aquecimento da água do tanque. O objetivo é alcançar uma gestão vantajosa entre a economia de energia e o conforto do utilizador (água quente), isto sem que exista necessidade de intervenção direta por parte do utilizador final. A solução prevista inclui também o desenvolvimento de um simulador que permite observar, avaliar e comparar o desempenho dos algoritmos desenvolvidos.