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.

Economic optimization of wind farms in function of the cost of energy produced

Esta tese apresenta um estudo sobre otimização económica de parques eólicos, com o objetivo de obter um algoritmo para otimização económica de parques eólicos através do custo da energia produzida. No estudo utilizou-se uma abordagem multidisciplinar. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquiteturas utilizadas nos parques eólicos. Bem como esquemas de funcionamento e gestão dos parques. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para cálculo dos custos da energia produzida, tendo-se dado ênfase às instalações onshore e ligados a rede elétrica de distribuição. É feita uma análise rigorosa das características das topologias dos aerogeradores disponíveis no mercado, e simula-se o funcionamento de um parque eólico para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo para a obtenção de uma resposta otimizada para o ciclo de vida económico do parque eólico em estudo. A abordagem proposta envolve algoritmos para otimização do custo de produção com multiplas funções objetivas com base na descrição matemática da produção de eletricidade. Foram desenvolvidos modelos de otimização linear, que estabelece a ligação entre o custo económico e a produção de eletricidade, tendo em conta ainda as emissões de CO2 em instrumentos de política energética para energia eólica. São propostas expressões para o cálculo do custo de energia com variáveis não convencionais, nomeadamente, para a produção variável do parque eólico, fator de funcionamento e coeficiente de eficiência geral do sistema. Para as duas últimas, também é analisado o impacto da distribuição do vento predominante no sistema de conversão de energia eólica. Verifica-se que os resultados obtidos pelos algoritmos propostos são similares às obtidas por demais métodos numéricos já publicados na comunidade científica, e que o algoritmo de otimização económica sofre influência significativa dos valores obtidos dos coeficientes em questão. Finalmente, é demonstrado que o algoritmo proposto (LCOEwso) é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital e O&M dos parques eólicos com informação incompleta ou em fase de projeto. Nesse sentido, o contributo desta tese vem ser desenvolver uma ferramenta de apoio à tomada de decisão de um gestor, investidor ou ainda agente público em fomentar a implantação de um parque eólico.

Non-linear analysis of piezolaminated structures

In the recent years the study of smart structures has attracted significant researchers, due to their potential benefits in a wide range of applications, such as shape control, vibration suppression, noise attenuation and damage detection. The applications in aerospace industry are of great relevance, such as in active control of airplane wings, helicopter blade rotor, space antenna. The use of smart materials, such as piezoelectric materials, in the form of layers or patches embedded and/or surface bonded on laminated composite structures, can provide structures that combine the superior mechanical properties of composite materials and the capability to sense and adapt their static and dynamic response, becoming adaptive structures. The piezoelectric materials have the property of generate electrical charge under mechanical load or deformation, and the reverse, applying an electrical field to the material results in mechanical strain or stresses.

Contribution to fundamental aspects of biophysics, radiobiology, and modeling of cellular response to low radiation doses

Tese de doutoramento, Engenharia Biomédica e Biofísica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Promoting self-regulated learning in technology enhanced learning environments : keeping a digital track of the learning process

Tese de doutoramento (co-tutela), Psicologia (Psicologia da Educação), Faculdade de Psicologia da Universidade de Lisboa, Faculdade de Psicologia e de Ciências da Educação da Universidade de Coimbra, Technial University of Darmstadt, 2014

A programação linear no 11º ano : estratégias e dificuldades na resolução de problemas

Relatório da Prática de Ensino Supervisionada, Mestrado em Ensino da Matemática, Universidade de Lisboa, 2015

Immune cell changes in response to a swimming training session during a 24-h recovery period

Understanding the impact of training sessions on the immune response is crucial for the adequate periodization of training, to prevent both a negative influence on health and a performance impairment of the athlete. This study evaluated acute systemic immune cell changes in response to an actual swimming session, during a 24-h recovery period, controlling for sex, menstrual cycle phases, maturity, and age group. Competitive swimmers (30 females, 15 ± 1.3 years old; and 35 males, 16.5 ± 2.1 years old) performed a high-intensity training session. Blood samples were collected before, immediately after, 2 h after, and 24 h after exercise. Standard procedures for the assessment of leukogram by automated counting (Coulter LH 750, Beckman) and lymphocytes subsets by flow cytometry (FACS Calibur BD, Biosciences) were used. Subjects were grouped according to competitive age groups and pubertal Tanner stages. Menstrual cycle phase was monitored. The training session induced neutrophilia, lymphopenia, and a low eosinophil count, lasting for at least 2 h, independent of sex and maturity. At 24 h postexercise, the acquired immunity of juniors (15-17 years old), expressed by total lymphocytes and total T lymphocytes (CD3+), was not fully recovered. This should be accounted for when planning a weekly training program. The observed lymphopenia suggests a lower immune surveillance at the end of the session that may depress the immunity of athletes, highlighting the need for extra care when athletes are exposed to aggressive environmental agents such as swimming pools

Data mining techniques contributions to support electrical vehicle demand response

The introduction of Electric Vehicles (EVs) together with the implementation of smart grids will raise new challenges to power system operators. This paper proposes a demand response program for electric vehicle users which provides the network operator with another useful resource that consists in reducing vehicles charging necessities. This demand response program enables vehicle users to get some profit by agreeing to reduce their travel necessities and minimum battery level requirements on a given period. To support network operator actions, the amount of demand response usage can be estimated using data mining techniques applied to a database containing a large set of operation scenarios. The paper includes a case study based on simulated operation scenarios that consider different operation conditions, e.g. available renewable generation, and considering a diversity of distributed resources and electric vehicles with vehicle-to-grid capacity and demand response capacity in a 33 bus distribution network.

Demand response programs definition supported by clustering and classification techniques

The growing importance and influence of new resources connected to the power systems has caused many changes in their operation. Environmental policies and several well know advantages have been made renewable based energy resources largely disseminated. These resources, including Distributed Generation (DG), are being connected to lower voltage levels where Demand Response (DR) must be considered too. These changes increase the complexity of the system operation due to both new operational constraints and amounts of data to be processed. Virtual Power Players (VPP) are entities able to manage these resources. Addressing these issues, this paper proposes a methodology to support VPP actions when these act as a Curtailment Service Provider (CSP) that provides DR capacity to a DR program declared by the Independent System Operator (ISO) or by the VPP itself. The amount of DR capacity that the CSP can assure is determined using data mining techniques applied to a database which is obtained for a large set of operation scenarios. The paper includes a case study based on 27,000 scenarios considering a diversity of distributed resources in a 33 bus distribution network.

Demand response in electrical energy supply: an optimal real time pricing approach

In competitive electricity markets with deep concerns for the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. As demand response levels have decreased after the introduction of competition in the power industry, new approaches are required to take full advantage of demand response opportunities. This paper presents DemSi, a demand response simulator that allows studying demand response actions and schemes in distribution networks. It undertakes the technical validation of the solution using realistic network simulation based on PSCAD. The use of DemSi by a retailer in a situation of energy shortage, is presented. Load reduction is obtained using a consumer based price elasticity approach supported by real time pricing. Non-linear programming is used to maximize the retailer’s profit, determining the optimal solution for each envisaged load reduction. The solution determines the price variations considering two different approaches, price variations determined for each individual consumer or for each consumer type, allowing to prove that the approach used does not significantly influence the retailer’s profit. The paper presents a case study in a 33 bus distribution network with 5 distinct consumer types. The obtained results and conclusions show the adequacy of the used methodology and its importance for supporting retailers’ decision making.

Análise estática não linear de um edifício em betão armado

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Modeling of the lung impedance using a fractional order ladder network with constant phase elements

The self similar branching arrangement of the airways makes the respiratory system an ideal candidate for the application of fractional calculus theory. The fractal geometry is typically characterized by a recurrent structure. This study investigates the identification of a model for the respiratory tree by means of its electrical equivalent based on intrinsic morphology. Measurements were obtained from seven volunteers, in terms of their respiratory impedance by means of its complex representation for frequencies below 5 Hz. A parametric modeling is then applied to the complex valued data points. Since at low-frequency range the inertance is negligible, each airway branch is modeled by using gamma cell resistance and capacitance, the latter having a fractional-order constant phase element (CPE), which is identified from measurements. In addition, the complex impedance is also approximated by means of a model consisting of a lumped series resistance and a lumped fractional-order capacitance. The results reveal that both models characterize the data well, whereas the averaged CPE values are supraunitary and subunitary for the ladder network and the lumped model, respectively.

Day-ahead Resource Scheduling Including Demand Response for Electric Vehicles

The energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and massive gridable vehicle (V2G) use is envisaged. This paper presents a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and V2G. The main focus is the comparison of different EV management approaches in the day-ahead energy resources management, namely uncontrolled charging, smart charging, V2G and Demand Response (DR) programs i n the V2G approach. Three different DR programs are designed and tested (trip reduce, shifting reduce and reduce+shifting). Othe r important contribution of the paper is the comparison between deterministic and computational intelligence techniques to reduce the execution time. The proposed scheduling is solved with a modified particle swarm optimization. Mixed integer non-linear programming is also used for comparison purposes. Full ac power flow calculation is included to allow taking into account the network constraints. A case study with a 33-bus distribution network and 2000 V2G resources is used to illustrate the performance of the proposed method.

Modified Particle Swarm Optimization Applied to Integrated Demand Response and DG Resources Scheduling

The elastic behavior of the demand consumption jointly used with other available resources such as distributed generation (DG) can play a crucial role for the success of smart grids. The intensive use of Distributed Energy Resources (DER) and the technical and contractual constraints result in large-scale non linear optimization problems that require computational intelligence methods to be solved. This paper proposes a Particle Swarm Optimization (PSO) based methodology to support the minimization of the operation costs of a virtual power player that manages the resources in a distribution network and the network itself. Resources include the DER available in the considered time period and the energy that can be bought from external energy suppliers. Network constraints are considered. The proposed approach uses Gaussian mutation of the strategic parameters and contextual self-parameterization of the maximum and minimum particle velocities. The case study considers a real 937 bus distribution network, with 20310 consumers and 548 distributed generators. The obtained solutions are compared with a deterministic approach and with PSO without mutation and Evolutionary PSO, both using self-parameterization.

Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.