Colheita de energia usando dispositivos baseados em materiais piezoelétrico

Recently, research on energy harvesting has increased substantially. Many researchers have concentrated their efforts to find the best configuration for these systems and to optimize their output power. In the process of energy harvesting, the electric energy is obtained by converting mechanics energy created by an environment vibration source by a transducer, for example, a thin piezoceramic film. That vibration source is, for example, a beam suffering some mechanic force able to generate a vibration in it, an oscillating beam is the best properly used example. Different mechanisms of electromechanical coupling have been developed to harvesting devices, and a particular interest has been given to the use of models that transform the mechanical vibration into electrical current using a piezoelectric element. In this paper we propose a model to energy harvesting from vibrations, from an oscillating beam, including non-linearities in the piezoelectric coupling and a non-ideal excitation in the material. From this model, it was developed a system to obtain some results about the harvested power by the material. It was demonstrated that the power captured was influenced by the effect of the nonlinearities of the piezoelectric coupling, modifying the system dynamic behavior

Transporte eletrônico em estruturas híbridas: uma aproximação usando funções de green de não-equílibrio

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.

Sinterização flash do condutor catiônico beta-alumina sintetizada pelo método dos precursores poliméricos.

A beta-alumina de sódio é uma cerâmica condutora de íons Na+ utilizada como eletrólito sólido em baterias de sódio para armazenamento de energias intermitentes como energia solar e eólica. Devido ao alto teor de sódio, esse material é instável a altas temperaturas, podendo sofrer variações de composição durante a etapa de sinterização convencional que utiliza altas temperaturas por longos períodos de tempo. A sinterização flash é uma técnica de sinterização ativada por corrente elétrica que proporciona a densificação de compactos cerâmicos em poucos segundos, a temperaturas notavelmente mais baixas que as convencionais. Uma vez obrigatória a passagem de corrente elétrica através da amostra, a sinterização flash de qualquer material condutor parece bastante razoável. Não obstante, até o presente momento a maioria dos trabalhos publicados sobre o assunto aborda apenas condutores de vacância de oxigênio ou semicondutores, materiais compatíveis com eletrodos de platina (Pt). Nesse trabalho a sinterização flash de um condutor catiônico foi estudada utilizando-se a beta-alumina como material modelo. A beta-alumina foi sintetizada pelo método dos precursores poliméricos, caracterizada e então submetida à sinterização flash. O material de eletrodo padrão (platina) provou ser um eletrodo bloqueador em contato com a beta-alumina. O sucesso da sinterização flash foi determinado pela troca do material de eletrodo por prata (Ag), o que possibilitou uma reação eletroquímica reversível nas interfaces eletrodo-cerâmica e possibilitou a obtenção de um material densificado com morfologia e composição química homogêneas. Devido à metaestabilidade da beta-alumina, a atmosfera dos experimentos precisou ser alterada para manter a integridade desse material rico em um metal alcalino (Na+). A sinterização flash de um condutor catiônico é apresentada pela primeira vez na literatura e ressalta a importância da reação de eletrodo, que é um fator limitante para o sucesso da sinterização flash e precisa ser estudada e adaptada para cada tipo de material.

Estudo comparativo de dois conversores Boost quadrático com comutação suave monochaveados para aplicação de rastreamento de máxima potência em sistemas fotovoltaicos

This paper makes a comparative study of two Soft Single Switched Quadratic Boost Converters (SSS1 and SSS2) focused on Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a PV array using Perturb and Observe (P&O) algorithm. The proposed converters maintain the static gain characteristics and dynamics of the original converter with the advantage of considerably reducing the switching losses and Electromagnetic Interference (EMI). It is displayed the input voltage Quadratic Boost converter modeling; qualitative and quantitative analysis of soft switching converters, defining the operation principles, main waveforms, time intervals and the state variables in each operation steps, phase planes of resonant elements, static voltage gain expressions, analysis of voltage and current efforts in semiconductors and the operational curves at 200 W to 800 W. There are presented project of PI, PID and PID + Notch compensators for MPPT closed-loop system and resonant elements design. In order to analyze the operation of a complete photovoltaic system connected to the grid, it was chosen to simulate a three-phase inverter using the P-Q control theory of three-phase instantaneous power. Finally, the simulation results and experimental with the necessary comparative analysis of the proposed converters will be presented.

Análise e projeto de um conversor boost de três níveis intercalado

This paper presents the development of a boost converter with the possibility of higher gain than the conventional boost converter for applications under similar conditions and increased power. Presents the main concepts involving the boost converter and two variations: the boost converter of three levels and the boost converter interspersed with two converter cells. The breakdown mounting positions, the operating steps, the addressing and the main strengths of each converter in order to check for possible uses in the construction of a prototype joining their main advantages. In the presentation of this converter addresses the operating steps, the equation governing its design, the simulations obtained through software (PSIM), a comparison between the boost converter models studied and the experimental results.

Comparação do controle do inversor trifásico conectado à rede com filtro LCL considerando o amortecimento passivo e ativo

Distributed generation systems must fulfill standards specifications of current harmonics injected to the grid. In order to satisfy these grid requirements, passive filters are connected between inverter and grid. This work compares the characteristic response of the traditional inductive (L) filter with the inductive-capacitive-inductive (LCL) filter. It is shown that increasing the inductance L leads to a good ripple current suppression around the inverter switching frequency. The LCL filter provides better harmonic attenuation and reduces the filter size. The main drawback is the LCL filter impedance, which is characterized by a typical resonance peak, which must be damped to avoid instability. Passive or active techniques can be used to damp the LCL resonance. To address this issue, this dissertation presents a comparison of current control for PV grid-tied inverters with L filter and LCL filter and also discuss the use of active and passive damping for different regions of resonance frequency. From the mathematical models, a design methodology of the controllers was developed and the dynamic behavior of the system operating in closed loop was investigated. To validate the studies developed during this work, experimental results are presented using a three-phase 5kW experimental platform. The main components and their functions are discussed in this work. Experimental results are given to support the theoretical analysis and to illustrate the performance of grid-connected PV inverter system. It is shown that the resonant frequency of the system, and sampling frequency can be associated in order to calculate a critical frequency, below which is essential to perform the damping of the LCL filter. Also, the experimental results show that the active buffer per virtual resistor, although with a simple development, is effective to damp the resonance of the LCL filter and allow the system to operate stable within predetermined parameters.

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.

Efeito do exercício físico associado à microcorrente abdominal na reabilitação cardiovascular em contexto domiciliário

Introdução: O aumento da gordura abdominal e o sedentarismo contribuem para o risco de doença cardiovascular. A utilização de corrente elétrica de baixa intensidade (microcorrente) na região abdominal, associado ao exercício físico, parece ser um método inovador no aumento da taxa lipolítica dos adipócitos abdominais. Objetivos: Analisar os efeitos da utilização da microcorrente associada a um programa de exercícios em indivíduos saudáveis e com doença arterial coronária na gordura abdominal, e ainda, analisar os efeitos de um programa de exercício físico específico realizado no domicílio em indivíduos com doença arterial coronária, na fase de manutenção da reabilitação cardiovascular, na capacidade cardiorrespiratória. Métodos: Foram conduzidos três estudos: Estudo 1, em indivíduos saudáveis, durante 5 semanas (n=42), distribuídos aleatoriamente por quatro grupos experimentais (realizavam microcorrente e exercício físico: grupo 1- frequência 25 a 10Hz, elétrodos transcutâneos, exercício físico após; grupo 2- frequência 25 a 50Hz, elétrodos trancutâneos, exercício físico após; grupo 3- frequência 25 a 10Hz, elétrodos percutâneos e exercício físico após; grupo 4- frequência 25 a 10Hz, elétrodos transcutâneos e exercício físico realizado em simultâneo) e placebo (realizavam apenas exercício físico), onde foram avaliadas medidas de gordura abdominal; Estudo 2, em indivíduos saudáveis, durante uma sessão de microcorrente e exercício físico (n=83), distribuídos aleatoriamente por grupo experimental (realizavam microcorrente e exercício físico) e grupo placebo (realizavam exercício físico), onde foram avaliadas a atividade lipolítica (níveis de glicerol) e a oxidação de ácidos gordos (estimada pelo VO2 e VCO2); Estudo 3, em indivíduos após um ano de evento de síndrome coronária aguda (n=44), distribuídos aleatoriamente em dois grupos experimentais (grupo 1- exercício físico no domicílio; grupo 2- microcorrente e exercício físico no domicílio) e um grupo controlo (cuidados habituais), durante 8 semanas, sendo avaliados a gordura abdominal, o colesterol, a capacidade cardiorrespiratória, os hábitos de atividade física e alimentares e a qualidade de vida. Resultados: No estudo 1, após 5 semanas de intervenção de microcorrente e exercício físico, verificou-se uma redução das medidas de gordura abdominal (p<0,05); No estudo 2 observou-se que uma sessão de microcorrente associada ao exercício físico aumentou a taxa lipolítica, através da medição de glicerol (p<0,05), sem alterações significativas na oxidação de ácidos gordos, durante o exercício. No estudo 3, após as 8 semanas de aplicação de microcorrente associada a um programa de exercícios específicos no domicílio ocorreu uma diminuição significativa na gordura subcutânea (p<0,05). O programa de exercício físico de reabilitação cardiovascular no domicílio, per se, aumentou a capacidade cardiorrespiratória, na fase de manutenção (p<0,05). Não se verificaram alterações do colesterol total, dos hábitos alimentares, da atividade física e da qualidade de vida entre os três grupos. Conclusão: A utilização da microcorrente associada ao exercício físico parece ser um meio coadjuvante ao programa de exercícios, na redução do tecido adiposo abdominal em indivíduos saudáveis e em indivíduos após 1 ano de enfarte agudo do miocárdio. O programa de Reabilitação Cardiovascular no domicílio, em fase de manutenção, demonstrou melhoria da capacidade cardiorrespiratória.

Desenvolvimento de solenóides para eletroválvulas hidráulicas

Os solenóides para eletroválvulas, em conjunto com outros produtos e equipamentos, permitem a automação dos sistemas de distribuição de águas não potáveis, como, por exemplo, em sistemas de rega. Deste modo é possível controlar diversos parâmetros, como o caudal e a pressão da água que passa na válvula, podendo estes ser fiscalizados à distância. Neste trabalho, foram desenvolvidos solenóides para acoplar a válvulas que se destinam à rega agrícola, comercializadas pela empresa JPrior, Fábrica de Plásticos, Lda. Para o efeito, foram definidos vários processos necessários para a criação de uma linha piloto de pré industrialização destes dispositivos. Etapas como a conceção do dispositivo, prototipagem, testes de temperatura, consumo de corrente, estabilidade eletromecânica e testes de desempenho associados a diferentes valores de pressão e de caudal de funcionamento, foram essenciais para este desenvolvimento, assim como, análises estruturais e morfológicas do material que constitui o núcleo dos solenóides. Além disso, procurou-se responder às necessidades do mercado numa perspetiva mais completa do que a existente. Para isso, foram produzidos dois tipos de solenóides de 24 V AC, com pressões máximas de funcionamento de 4 bar e de 12 bar.

Construção de um aparato experimental para monitoramento in situ da deposição de filmes finos de titânio por magnetron sputtering

The technique of surface coating using magnetron sputtering is one of the most widely used in the surface engineering, for its versatility in obtaining different films as well as in the micro / nanometric thickness control. Among the various process parameters, those related to the active species of the plasma are of the most fundamental importance in the mechanism and kinetics of deposition. In order to identify the active species of the plasma, parameters such as gas flow, pressure and density of electric power were varied during titanium coating on glass substrate. By flowing argon gas of 10, 20, 30, 40 and 50 sccm (cubic centimeters per minute) for each gas flow a sequential scan of the electric current of 0.10, 0.20, 0.30, 0.40 , 0.50 A. The maximum value of 0.50 A was chosen based both on literature data and on limitations of the equipment. The monitoring of plasma species present during the deposition was carried out in situ by the technique of optical emission spectroscopy (OES) through the spectrometer Ocean Optics USB2000 Series. For this purpose, an apparatus was developed to adapt the OES inside the plasma reactor to stay positioned closest to the target. The radiations emitted by the species were detected by an optical fiber placed behind the glass substrate and their intensities as a function of wavelength were, displayed on a monitor screen. The acquisition time for each condition of the plain parameters was related to the minima of spectral lines intensities due to the film formed on the substrate. The intensities of different emission lines of argon and titanium were then analyzed as a function of time, to determine the active species and estimate the thickness of the deposited films. After the deposition, the coated glasses thin films were characterized by optical transmittance through an infrared laser. It was found that the thickness and deposition rate determined by in situ analysis were consistent with the results obtained by laser transmittance

Railgun

Com a presente evolução das railguns na Marinha dos Estados Unidos da América e possível instalação em seus navios num futuro muito próximo, outras marinhas se seguirão. Creio que será do interesse da Marinha Portuguesa acompanhar esta evolução tecnológica, considerando as vantagens que advém da adoção deste tipo de armamento. Neste documento são abordados os princípios básicos subjacentes ao funcionamento da railgun, com principal foco nas questões eletrodinâmicas. Pretende-se adquirir familiaridade com este novo tipo de armamento através do estudo crítico dos seus princípios de funcionamento. O princípio básico de funcionamento de uma railgun, à primeira vista, parece bastante simples, à luz da aplicação imediata da expressão da força de Lorentz sobre um condutor percorrido por corrente elétrica. No entanto, tudo se torna mais complicado no caso de uma variação rápida dos parâmetros envolvidos (regime transitório), que exige uma análise mais aprofundada do comportamento da corrente, campos elétrico e magnético, e todos os materiais envolvidos neste sistema. Este trabalho envolveu ainda a construção de duas railguns, uma primeira de dimensões mais pequenas para ganhar familiaridade com o sistema, e uma última de dimensões de laboratório na qual foram feitos vários disparos para testar diferentes tipos de material e dimensões de projétil. Em suma, é demonstrado neste documento uma análise, no domínio do tempo, da distribuição espacial do campo eletromagnético, corrente elétrica e consequente fluxo de energia, complementados por uma parte experimental.

Estudo de reatores eletroquímicos para remoção de Cu2+ , Zn2+, Fenol e BTEX em água produzida

The production of water has become one of the most important wastes in the petroleum industry, specifically in the up stream segment. The treatment of this kind of effluents is complex and normally requires high costs. In this context, the electrochemical treatment emerges as an alternative methodology for treating the wastewaters. It employs electrochemical reactions to increase the capability and efficiency of the traditional chemical treatments for associated produced water. The use of electrochemical reactors can be effective with small changes in traditional treatments, generally not representing a significant additional surface area for new equipments (due to the high cost of square meter on offshore platforms) and also it can use almost the same equipments, in continuous or batch flow, without others high costs investments. Electrochemical treatment causes low environmental impact, because the process uses electrons as reagent and generates small amount of wastes. In this work, it was studied two types of electrochemical reactors: eletroflocculation and eletroflotation, with the aim of removing of Cu2+, Zn2+, phenol and BTEX mixture of produced water. In eletroflocculation, an electrical potential was applied to an aqueous solution containing NaCl. For this, it was used iron electrodes, which promote the dissolution of metal ions, generating Fe2+ and gases which, in appropriate pH, promote also clotting-flocculation reactions, removing Cu2+ and Zn2+. In eletroflotation, a carbon steel cathode and a DSA type anode (Ti/TiO2-RuO2-SnO2) were used in a NaCl solution. It was applied an electrical current, producing strong oxidant agents as Cl2 and HOCl, increasing the degradation rate of BTEX and phenol. Under different flow rates, the Zn2+ was removed by electrodeposition or by ZnOH formation, due the increasing of pH during the reaction. To better understand the electrochemical process, a statistical protocol factor (22) with central point was conducted to analyze the sensitivity of operating parameters on removing Zn2+ by eletroflotation, confirming that the current density affected the process negatively and the flow rate positively. For economical viability of these two electrochemical treatments, the energy consumption was calculated, taking in account the kWh given by ANEEL. The treatment cost obtained were quite attractive in comparison with the current treatments used in Rio Grande do Norte state. In addition, it could still be reduced for the case of using other alternative energy source such as solar, wind or gas generated directly from the Petrochemical Plant or offshore platforms

Protótipo de um microgerador termoelétrico de estado sólido: cogeração a gás

The thermoelectric energy conversion can be performed directly on generators without moving parts, using the principle of SEEBECK effect, obtained in junctions of drivers' thermocouples and most recently in semiconductor junctions type p-n which have increased efficiency of conversion. When termogenerators are exposed to the temperature difference (thermal gradient) eletromotriz a force is generated inducing the appearance of an electric current in the circuit. Thus, it is possible to convert the heat of combustion of a gas through a burner in power, being a thermoelectric generator. The development of infrared burners, using porous ceramic plate, is possible to improve the efficiency of heating, and reduce harmful emissions such as CO, CO2, NOx, etc.. In recent years the meliorate of thermoelectric modules semiconductor (TEG's) has stimulated the development of devices generating and recovery of thermal irreversibility of thermal machines and processes, improving energy efficiency and exergy these systems, especially processes that enable the cogeneration of energy. This work is based on the construction and evaluation of a prototype in a pilot scale, for energy generation to specific applications. The unit uses a fuel gas (LPG) as a primary energy source. The prototype consists of a porous plate burner infrared, an adapter to the module generator, a set of semiconductor modules purchased from Hi-Z Inc. and a heat exchanger to be used as cold source. The prototype was mounted on a test bench, using a system of acquisition of temperature, a system of application of load and instrumentation to assess its functioning and performance. The prototype had an efficiency of chemical conversion of 0.31% for electrical and heat recovery for cogeneration of about 33.2%, resulting in an overall efficiency of 33.51%. The efficiency of energy exergy next shows that the use of primary energy to useful fuel was satisfactory, although the proposed mechanism has also has a low performance due to underuse of the area heated by the small number of modules, as well as a thermal gradient below the ideal informed by the manufacturer, and other factors. The test methodology adopted proved to be suitable for evaluating the prototype