Evidence of locally enhanced target heating due to instabilities of counter-streaming fast electron beams

The high-current fast electron beams generated in high-intensity laser-solid interactions require the onset of a balancing return current in order to propagate in the target material. Such a system of counter-streaming electron currents is unstable to a variety of instabilities such as the current-filamentation instability and the two-stream instability. An experimental study aimed at investigating the role of instabilities in a system of symmetrical counter-propagating fast electron beams is presented here for the first time. The fast electron beams are generated by double-sided laser-irradiation of a layered target foil at laser intensities above 10(19) W/cm(2). High-resolution X-ray spectroscopy of the emission from the central Ti layer shows that locally enhanced energy deposition is indeed achieved in the case of counter-propagating fast electron beams

Electron-acoustic solitons in an electron-beam plasma system with kappa-distributed electrons

We investigate the existence conditions and propagation properties of electron-acoustic solitary waves in a plasma consisting of an electron beam fluid, a cold electron fluid, and a hot suprathermal electron component modeled by a k-distribution function. The Sagdeev pseudopotential method was used to investigate the occurrence of stationary-profile solitary waves. We have determined how the soliton characteristics depend on the electron beam parameters. It is found that the existence domain for solitons becomes narrower with an increase in the suprathermality of hot electrons, increasing the beam speed, and decreasing the beam-to-cold electron population ratio.

Investigation into the potential of using micro gas turbines in plug-in hybrid electric vehicles

The transport sector is considered to be one of the most dependent sectors on fossil fuels. Meeting ecological, social and economic demands throughout the sector has got increasingly important in recent times. A passenger vehicle with a more environmentally friendly propulsion system is the hybrid electric vehicle. Combining an internal combustion engine and an electric motor offers the potential to reduce carbon dioxide emissions. The overall objective of this research is to provide an appraisal of the use of a micro gas turbine as the range extender in a plug-in hybrid electric vehicle. In this application, the gas turbine can always operate at its most efficient operating point as its only requirement is to recharge the battery. For this reason, it is highly suitable for this purpose. Gas turbines offer many benefits over traditional internal combustion engines which are traditionally used in this application. They offer a high power-to-weight ratio, multi-fuel capability and relatively low emission levels due to continuous combustion.

Modelling of Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery Process in Supercritical Condition

Organic Rankine Cycle (ORC) is the most commonly used method for recovering energy from small sources of heat. The investigation of the ORC in supercritical condition is a new research area as it has a potential to generate high power and thermal efficiency in a waste heat recovery system. This paper presents a steady state ORC model in supercritical condition and its simulations with a real engine’s exhaust data. The key component of ORC, evaporator, is modelled using finite volume method, modelling of all other components of the waste heat recovery system such as pump, expander and condenser are also presented. The aim of this paper is to investigate the effects of mass flow rate and evaporator outlet temperature on the efficiency of the waste heat recovery process. Additionally, the necessity of maintaining an optimum evaporator outlet temperature is also investigated. Simulation results show that modification of mass flow rate is the key to changing the operating temperature at the evaporator outlet.

Facile Synthesis of Anatase TiO2 Quantum-Dot/Graphene-Nanosheet Composites with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries

A facile method to synthesize well-dispersed TiO₂ quantum dots on graphene nanosheets (TiO₂-QDs/GNs) in a water-in-oil (W/O) emulsion system is reported. The TiO₂/graphene composites display high performance as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs), such as having high reversible lithium storage capacity, high Coulombic efficiency, excellent cycling stability, and high rate capability. The excellent electrochemical performance and special structure of the composites thus offer a way to prepare novel graphene-based electrode materials for high-energy-density and high-power LIBs. 

Vacuum birefringence in strong inhomogeneous electromagnetic fields

Birefringence is one of the fascinating properties of the vacuum of quantum electrodynamics (QED) in strong electromagnetic fields. The scattering of linearly polarized incident probe photons into a perpendicularly polarized mode provides a distinct signature of the optical activity of the quantum vacuum and thus offers an excellent opportunity for a precision test of nonlinear QED. Precision tests require accurate predictions and thus a theoretical framework that is capable of taking the detailed experimental geometry into account. We derive analytical solutions for vacuum birefringence which include the spatio-temporal field structure of a strong optical pump laser field and an x-ray probe. We show that the angular distribution of the scattered photons depends strongly on the interaction geometry and find that scattering of the perpendicularly polarized scattered photons out of the cone of the incident probe x-ray beam is the key to making the phenomenon experimentally accessible with the current generation of FEL/high-field laser facilities.

Carbons, Ionic Liquids, and Quinones for Electrochemical Capacitors

Carbons are the main electrode materials used in supercapacitors, which are electrochemical energy storage devices with high power densities and long cycling lifetimes. However, increasing their energy density capacity will improve their potential for commercial implementation.
In this regard, the use of high surface area carbons and high voltage electrolytes are well known strategies to increase the attainable energy density, and lately ionic liquids have been explored as promising alternatives to current state of the art acetonitrile-based electrolytes. Also, in terms of safety and sustainability ionic liquids are attractive electrolyte materials for supercapacitors. In addition, it has been shown that the matching of the carbon pore size with the electrolyte ion size further increases the attainable electrochemical double layer (ECDL) capacitance and energy density.
The use of pseudocapacitive reactions can significantly increase the attainable energy density, and quinonic-based materials offer a potentially sustainable and cost effective research avenue for both the electrode and the electrolyte.
This perspective will provide an overview of the current state of the art research on supercapacitors based on combinations of carbons, ionic liquids and quinonic compounds, highlighting performances and challenges and discussing possible future research avenues. In this regard, current interest is mainly focused on strategies which may ultimately lead to commercially competitive sustainable high performance supercapacitors for different applications including those requiring mechanical flexibility and biocompatibility.

Step by step: reconstruction of terrestrial animal movement paths by dead-reckoning

BACKGROUND: Research on wild animal ecology is increasingly employing GPS telemetry in order to determine animal movement. However, GPS systems record position intermittently, providing no information on latent position or track tortuosity. High frequency GPS have high power requirements, which necessitates large batteries (often effectively precluding their use on small animals) or reduced deployment duration. Dead-reckoning is an alternative approach which has the potential to 'fill in the gaps' between less resolute forms of telemetry without incurring the power costs. However, although this method has been used in aquatic environments, no explicit demonstration of terrestrial dead-reckoning has been presented.

RESULTS: We perform a simple validation experiment to assess the rate of error accumulation in terrestrial dead-reckoning. In addition, examples of successful implementation of dead-reckoning are given using data from the domestic dog Canus lupus, horse Equus ferus, cow Bos taurus and wild badger Meles meles.

CONCLUSIONS: This study documents how terrestrial dead-reckoning can be undertaken, describing derivation of heading from tri-axial accelerometer and tri-axial magnetometer data, correction for hard and soft iron distortions on the magnetometer output, and presenting a novel correction procedure to marry dead-reckoned paths to ground-truthed positions. This study is the first explicit demonstration of terrestrial dead-reckoning, which provides a workable method of deriving the paths of animals on a step-by-step scale. The wider implications of this method for the understanding of animal movement ecology are discussed.

Real-time estimation of battery internal temperature based on a simplified thermoelectric model

Li-ion batteries have been widely used in the EVs, and the battery thermal management is a key but challenging part of the battery management system. For EV batteries, only the battery surface temperature can be measured in real-time. However, it is the battery internal temperature that directly affects the battery performance, and large temperature difference may exist between surface and internal temperatures, especially in high power demand applications. In this paper, an online battery internal temperature estimation method is proposed based on a novel simplified thermoelectric model. The battery thermal behaviour is first described by a simplified thermal model, and battery electrical behaviour by an electric model. Then, these two models are interrelated to capture the interactions between battery thermal and electrical behaviours, thus offer a comprehensive description of the battery behaviour that is useful for battery management. Finally, based on the developed model, the battery internal temperature is estimated using an extended Kalman filter. The experimental results confirm the efficacy of the proposed method, and it can be used for online internal temperature estimation which is a key indicator for better real-time battery thermal management.

Estudo da degradação de fibras óticas sob o efeito de potências elevadas

Os sistemas de comunicações óticas têm evoluído rapidamente e, como consequência, a potência dos sinais óticos propagados na fibra tem vindo a aumentar. A propagação de sinais de elevada potência pode resultar na degradação e/ou destruição da fibra ótica. O presente trabalho tem como objetivo o estudo do impacto da propagação de sinais óticos com elevadas potências na degradação e redução do tempo de vida útil das fibras óticas. Estudou-se este tipo de degradação das fibras óticas a dois níveis: degradação do revestimento de fibras sujeitas a curvaturas apertadas e ignição e propagação do efeito rastilho que leva a destruição da fibra ótica. Para a concretização deste estudo, caracterizou-se experimentalmente o aumento de temperatura no revestimento de fibras óticas sujeitas a curvaturas de diâmetro reduzido e na presença de sinais com elevada potência. Tendo-se desenvolvido um modelo analítico para descrever o aquecimento do revestimento da fibra. No âmbito do efeito rastilho em fibra ótica, estudou-se experimentalmente, em diversos tipos de fibra, as principais propriedades deste fenómeno, nomeadamente, a potência ótica de limiar necessária para a sua ignição e propagação, a velocidade de propagação e as características da cadeia de bolhas formada no núcleo da fibra ótica durante a propagação deste efeito. Desenvolveu-se, ainda, um modelo teórico para simular a propagação do efeito rastilho, tendo sido validado e complementado através de resultados experimentais. Por fim, desenvolveram-se e implementaram-se técnicas para detetar e interromper a propagação do efeito rastilho, como forma de limitar a extensão de fibra destruída e proteger os equipamentos óticos da rede.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Alkaline-earth aluminosilicate-based glass and glass-ceramic sealants for functional applications

The planar design of solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one due to its easier fabrication, improved performance and relatively high power density. In planar SOFCs and other solid-electrolyte devices, gas-tight seals must be formed along the edges of each cell and between the stack and gas manifolds. Glass and glass-ceramic (GC), in particular alkaline-earth alumino silicate based glasses and GCs, are becoming the most promising materials for gas-tight sealing applications in SOFCs. Besides the development of new glass-based materials, new additional concepts are required to overcome the challenges being faced by the currently existing sealant technology. The present work deals with the development of glasses- and GCs-based materials to be used as a sealants for SOFCs and other electrochemical functional applications. In this pursuit, various glasses and GCs in the field of diopside crystalline materials have been synthesized and characterized by a wide array of techniques. All the glasses were prepared by melt-quenching technique while GCs were produced by sintering of glass powder compacts at the temperature ranges from 800−900 ºC for 1−1000 h. Furthermore, the influence of various ionic substitutions, especially SrO for CaO, and Ln2O3 (Ln=La, Nd, Gd, and Yb), for MgO + SiO2 in Al-containing diopside on the structure, sintering and crystallization behaviour of glasses and properties of resultant GCs has been investigated, in relevance with final application as sealants in SOFC. From the results obtained in the study of diopside-based glasses, a bilayered concept of GC sealant is proposed to overcome the challenges being faced by (SOFCs). The systems designated as Gd−0.3 (in mol%: 20.62MgO−18.05CaO−7.74SrO−46.40SiO2−1.29Al2O3 − 2.04 B2O3−3.87Gd2O3) and Sr−0.3 (in mol%: 24.54 MgO−14.73 CaO−7.36 SrO−0.55 BaO−47.73 SiO2−1.23 Al2O3−1.23 La2O3−1.79 B2O3−0.84 NiO) have been utilized to realize the bi-layer concept. Both GCs exhibit similar thermal properties, while differing in their amorphous fractions, revealed excellent thermal stability along a period of 1,000 h. They also bonded well to the metallic interconnect (Crofer22APU) and 8 mol% yttrium stabilized zirconium (8YSZ) ceramic electrolyte without forming undesirable interfacial layers at the joints of SOFC components and GC. Two separated layers composed of glasses (Gd−0.3 and Sr−0.3) were prepared and deposited onto interconnect materials using a tape casting approach. The bi-layered GC showed good wetting and bonding ability to Crofer22APU plate, suitable thermal expansion coefficient (9.7–11.1 × 10–6 K−1), mechanical reliability, high electrical resistivity, and strong adhesion to the SOFC componets. All these features confirm the good suitability of the investigated bi-layered sealant system for SOFC applications.

Fonte comutada de baixa tensão para utilização em supercondensadores como fonte primária de energia

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Energia

Utilização de Cabos de alta Temperatura em linhas Aéreas em Média Tensão

A presente dissertação teve como objetivo fazer uma análise da viabilidade técnica da utilização dos condutores de alta temperatura nas linhas aéreas de MT, identificar vantagens, analisar inconvenientes, e estabelecer um comparativo a custos médios com as soluções convencionais. Foi efetuado o estudo de um caso real da EDP Distribuição que consistia na necessidade do aumento da capacidade de transporte de energia da linha aérea a 15 kV Espinho-Sanguedo. Neste foi ponderada a solução onde se poderia efetuar passagem de linha simples para linha dupla em alumínio-aço (AA) 160 mm2 ou a solução alternativa e inovadora de substituição dos condutores existentes por condutores de alta temperatura ACCC 182 mm2. Para isso foram efetuados cálculos e também criada uma ferramenta de apoio à decisão, para validação dos mesmos, com o intuito de mais tarde poder ser aplicada nas linhas aéreas em Média Tensão em todo o país e, sempre que necessário, se possa fazer um estudo de ponderação técnica de forma sistemática e estruturada. Neste trabalho estão identificadas as vantagens, foram relatados os inconvenientes, e estabeleceu-se um comparativo a custos médios da utilização de condutores de alta temperatura com as soluções convencionais. Antes de poder ser realizado um estudo do caso concreto da Linha aérea Espinho-Sanguedo foi necessário um aprofundamento do estado da arte no que diz respeito à comparação entre o cabo de alta temperatura ACCC e o cabo convencional ACSR, sendo este o mais utilizado nas linhas aéreas em MT. Os cabos de alta temperatura trouxeram inovações neste tema de transporte de energia, e como tal surgiu a necessidade de um estudo mais aprofundado da sua constituição, destacando o seu núcleo formado pelo compósito de fibra de carbono e fibra de vidro. Foi também analisado vantagens e desvantagens do cabo de alta temperatura e até mesmo situações onde a sua aplicação poderá ser vantajosa, de modo a tirar proveito das suas caraterísticas em que se destacam altas temperaturas de funcionamento e flechas reduzidas. Para elaborar um projeto de uma linha aérea em média tensão é necessário considerar a legislação em vigor, os aspetos ambientais e económicos, respeitando e garantindo as premissas do cálculo elétrico e mecânico. Economicamente este tipo de cabo (ACCC) é mais dispendioso do que os convencionais, no entanto o estudo realizado permitiu perceber que a sua implementação técnica é vantajosa em linhas aéreas de elevada capacidade de transporte de energia, sobretudo nos casos onde serão necessárias instalar linhas duplas ou linhas simples de seções elevadas. Devido às suas caraterísticas mecânicas, estes cabos permitem melhorar as linhas na sua dimensão, podendo diminuir o número de apoios a instalar, podendo diminuir a robustez dos apoios e permitir maior facilidade na montagem. Estas vantagens traduzem-se em menores impactos ambientais e permitem sobretudo reduzir os constrangimentos com os proprietários dos terrenos onde os apoios são implantados.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.