Optimização de células fotovoltaicas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Microelectrónica e Nanotecnologias

Implementação de uma ferramenta de simulação e gestão de uma microrede de energia

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Controlo para minimização de perdas em canal de irrigação

A preocupação em aumentar a eficiência da utilização da água nos dias de hoje é cada vez maior. Pode-se observar que ao longo do tempo tem-se intensificando as campanhas de sensibilização para uma maior otimização no uso da água. Um dos grandes pontos de trabalho para uma melhor otimização do uso da água reside nos diversos canais de rega presentes em todo o mundo. Não só por serem um dos principais responsáveis do desperdício deste bem tão precioso, mas também por oferecer um desafio tremendo no estudo da sua otimização. Este trabalho surge, em linha com outros já realizados, como um meio para atingir esta tão desejada otimização da utilização da água. Por via do estabelecimento de uma rede de comunicação entre os intervenientes ativos na gestão da água em canais, as comportas, nesta dissertação foi desenvolvido uma estrutura de controlo distribuído que permitisse a negociação entre comportas vizinhas num modelo, em Simulink, de um canal de rega já existente - o canal experimental de Évora. No desenvolvimento desta nova estrutura de controlo são tidas em conta todas as variáveis físicas do canal, através da modelação do comportamento do canal pelas equações de Saint-Venant. Os resultados atingidos por esta dissertação demonstram uma real possibilidade do uso de estruturas de controlo distribuído, com negociação e coordenação entre comportas vizinhas, em canais de rega reais.

Desenvolvimento de um modelo computacional para simulação de limitadores de corrente supercondutores indutivos

As redes do sistema de energia elétrica formam uma infraestrutura determinante para a qualidade da energia fornecida. À medida que os níveis de falha de corrente aumentam, surge um risco crescente de que tais falhas excedam a capacidade de proteção dos dispositivos energéticos, expondo as redes a danos muito dispendiosos. A tecnologia dos materiais supercondutores de alta temperatura possibilitou a criação de uma nova gama de limitadores de corrente, cujas características são consideravelmente vantajosas face aos dispositivos convencionais. Apesar da necessidade de um sistema criogénico, estes dispositivos operam de forma passiva, limitando eficazmente os picos de corrente e sem a interrupção do fornecimento de energia. Com este trabalho pretende-se desenvolver um modelo computacional, em Simulink, adequado à simulação de limitadores de corrente supercondutores do tipo indutivo (LCSi) de blindagem magnética, que possam ser utilizados na simulação de diferentes tipos de redes (com distintas cargas e fontes).

Effect of the acoustic impedance in ultrasonic emitter transducers using digital modulations

In an underwater environment it is difficult to implement solutions for wireless communications. The existing technologies using electromagnetic waves or lasers are not very efficient due to the large attenuation in the aquatic environment. Ultrasound reveals a lower attenuation, and thus has been used in underwater long-distance communications. The much slower speed of acoustic propagation in water (about 1500 m/s) compared with that of electromagnetic and optical waves, is another limiting factor for efficient communication and networking. For high data-rates and real-time applications it is necessary to use frequencies in the MHz range, allowing communication distances of hundreds of meters with a delay of milliseconds. To achieve this goal, it is necessary to develop ultrasound transducers able to work at high frequencies and wideband, with suitable responses to digital modulations. This work shows how the acoustic impedance influences the performance of an ultrasonic emitter transducer when digital modulations are used and operating at frequencies between 100 kHz and 1 MHz. The study includes a Finite Element Method (FEM) and a MATLAB/Simulink simulation with an experimental validation to evaluate two types of piezoelectric materials: one based on ceramics (high acoustic impedance) with a resonance design and the other based in polymer (low acoustic impedance) designed to optimize the performance when digital modulations are used. The transducers performance for Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift Keying (BPSK) and Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulations with a 1 MHz carrier at 125 kbps baud rate are compared.

Dynamic modelling and analysis of hydraulic forces in radial blood pumps

Dissertação de mestrado integrado em Biomedical Engineering Biomaterials, Biomechanics and Rehabilitation

Implementation of Reed-Solomon RS (255,239) Code

In this paper the construction of Reed-Solomon RS(255,239) codeword is described and the process of coding and decoding a message is simulated and verified. RS(255,239), or its shortened version RS(224,208) is used as a coding technique in Low-Power Single Carrier (LPSC) physical layer, as described in IEEE 802.11ad standard. The encoder takes 239 8-bit information symbols, adds 16 parity symbols and constructs 255-byte codeword to be transmitted through wireless communication channel. RS(255,239) codeword is defined over Galois Field GF and is used for correcting upto 8 symbol errors. RS(255,239) code construction is fully implemented and Simulink test project is constructed for testing and analyzing purposes.

Desenvolupament d'interfícies HW per a FPGA des de Matlab

Aquest projecte consisteix en el desenvolupament d’estructures hardware digitals, sintetitzables sobre FPGA i realitzades des d’un entorn gràfic de disseny a nivell de sistema (alt nivell). S'ha escollit el Simulink (entorn gràfic que treballa sobre el software matemàtic Matlab de Mathworks) com a entorn de disseny, i que gràcies a la interfície proporcionada per Altera (DSPBuilder) és capaç de generar codi VHDL sintetitzable. Concretament ens centrarem en la gestió d’un sistema capturador d'imatges de comptadors del cabal d'aigua, en el qual volem fer la caracterització del comptador. Aquest capturador consta bàsicament d'un sensor d'imatge i una FPGA. En aquesta caracterització el que es pretén es ajustar els diferents paràmetres del sistema per fer que la lectura sigui òptima per a cada model de comptador que existeixen al mercat, com ara l'exposició del sensor, el guany d'un color, la realització d'un filtrat de la imatge, etc.

Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer

Aquest projecte titulat: “Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer”, té com a funcióincloure en la recerca, que ja està iniciada, del control del Robot Pioneer 2DX, una novaversió d’agents go to per al funcionament del robot.La problemàtica que ens trobem és sobretot per al primer controlador. Fins ara el sistemamulti-agent fet, feia servir un agent go to que generava la trajectòria a seguir i la controlavamitjançant un PID. Introduint un mètode geomètric com és el cas del pure pursuit la cosa escomplica ja que és més complex l’ajustament del funcionament d’aquest. Centrant-nos encanvi el cas del segon controlador el problema es simplifica ja que l’ajustatge d’aquestmateix es pot realitzar de manera empírica i la problemàtica per a la situació en concret esmillora amb major facilitat.És per aquest motiu, sobretot pel primer controlador, que s’han hagut de realitzar algunesmodificacions en el plantejament del projecte al llarg d’aquest. En un principi estava pensatcrear aquest controlador a través de Matlab® mitjançant l’eina Simulink® però perproblemes de software en un moment donat hem hagut de redirigir el projecte cap alllenguatge base de l’estructura multi-agent com és el C++. Per aquest motiu també s’hahagut de prescindir de la implementació d’aquests també en l’estructura LabView®.

Optimização de Células Fotovoltaicas

Perante os cenários do aumento da população mundial, da concentração de CO2, dos custos dos combustíveis, do consumo energético mundial e das alterações climáticas, surgiu a necessidade de encontrar fontes de energias alternativas. Neste contexto, a Energia Solar Fotovoltaica, fruto de investigações e investimentos realizados, teve um grande impacto na última década, registando um aumento significativo quer da produção de painéis fotovoltaicos ou de instalações de sistemas fotovoltaicos no Mundo. A Energia solar Fotovoltaica surge como uma energia alternativa limpa, inesgotável e que contribui para a diminuição do impacto ambiental, mas o elevado custo inicial é ainda um entrave à sua comercialização, sendo por isso importante conseguir uma optimização na produção dos painéis fotovoltaico bem como em instalações a fim de optimizar o seu rendimento. Um dos objectivos deste trabalho foi instalar e monitorizar um sistema fotovoltaico no telhado do laboratório de máquinas eléctricas do ISEL. Foi instalado um sistema com uma potência de 990 Watts. A monitorização dos módulos durante alguns períodos de 2011 e 2012 demonstraram um bom desempenho do sistema fotovoltaico instalado comparativamente aos valores estimados. Outro objectivo deste trabalho foi estudar a influência da temperatura no rendimento das células fotovoltaicas. A primeira fase deste estudo foi desenvolver um modelo matemático de uma célula fotovoltaica em Simulink/Matlab. As curvas obtidas da simulação numérica do modelo matemático permitiram observar e demonstrar a influência do aumento da temperatura das células fotovoltaicas na sua potência e rendimento. A segunda fase deste estudo tinha como objectivo comprovar experimentalmente o efeito da temperatura e analisar possíveis meios que permitissem refrigerar as células fotovoltaicas. Através de uma montagem experimental específica as células fotovoltaicas foram testadas num ambiente controlado. Os valores obtidos permitiram observar uma diminuição de cerca de 36% da temperatura das células utilizando refrigeração e consequente aumento do rendimento.

Análise do Sistema de Tratamento de Efluentes Gasosos de uma Central de Valorização Energética de Resíduos Sólidos Urbanos

O sistema de tratamento dos gases formados durante a combustão de Resíduos Sólidos Urbanos, (RSU), é um dos componentes mais importantes de uma instalação de incineração. O seu controlo e optimização asseguram a redução dos gases nocivos formados para valores que não representam quaisquer perigos para a saúde pública e ambiental, o que leva a incineração a ser considerada uma das técnicas mais seguras e eficientes para o tratamento dos RSU. A combinação desta técnica com produção de energia eléctrica, por recuperação de calor da combustão dos resíduos, tem contribuído gradualmente para o desenvolvimento socioeconómico. Este trabalho surgiu da necessidade de optimização do sistema de controlo dos gases ácidos, (HCl, NOx, SO2 e HF), da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, (CTRSU), da Empresa Valorsul e dos respectivos consumos dos reagentes utilizados no tratamento dos referidos gases, nomeadamente o leite de cal e a amónia. No entanto, procedeu-se apenas com uma análise detalhada do referido sistema de controlo, de modo a identificar as principais dificuldades e possíveis soluções teóricas para as mesmas. Os conhecimentos adquiridos poderão contribuir futuramente para a optimização do sistema de controlo em questão, de modo a garantir a dosagem óptima dos referidos reagentes, diminuindo assim o custo dos mesmos. O presente trabalho também tem como objectivos, a compreensão da tecnologia de valorização energética de resíduos no contexto do tratamento de RSU em Portugal e a análise do processo de formação dos gases durante a combustão dos RSU, principalmente a dos gases ácidos. Em Portugal o tratamento dos RSU é sobretudo por eliminação, deposição directa em aterro sanitário, tendo ocupado em 2012, uma percentagem de 54% do total dos RSU produzidos, no entanto a valorização tem vindo a desenvolver-se e actualmente cerca de 21% dos resíduos produzidos é valorizado energeticamente. Do mesmo modo, a Reciclagem e a valorização orgânica têm progredido nos últimos anos, embora lentamente. A formação dos gases ácidos é influenciada sobretudo pela composição física dos RSU, que contêm na sua matriz materiais constituídos por átomos de azoto, enxofre, cloro e fluor e por certas condições operatórias de incineração, nomeadamente temperatura elevadas, humidade e excesso de ar. A composição física dos resíduos é um parâmetro não controlável pelo operador do sistema de tratamento dos gases, pelo que as condições de incineração devem ser adequadamente controladas, no âmbito de prevenir ou reduzir a formação destes gases. A CTRSU da Valorsul apresenta, em geral, um sistema de tratamento dos gases eficiente, garantido assim que os valores limites de emissão dos gases se encontrem em conformidade com a lei. No entanto, para cumprir este requisito é necessário um consumo excessivo da amónia e leite de cal utilizados no tratamento destes gases. O elevado consumo destes reagentes deve-se sobretudo à dificuldade de optimização da dosagem dos mesmos, como VI consequência de um atraso verificado no sistema de controlo dos gases implementado na Central, “Sample and Hold PID”. Este atraso é de aproximadamente dois minutos e é causado pelo tempo em que os gases levam a percorrer o ponto onde é feita a injecção dos reagentes até ao ponto de extracção dos gases na chaminé, mais o tempo de atraso imposto pelo sistema de monitorização em contínuo das emissões. Através do software simulink do MATLAB realizou-se uma simples simulação do sistema de controlo de emissão dos gases NOx e caudal de amónia, em malha aberta com controlador proporcional, com o objectivo de reproduzir os resultados obtidos através de um controlo real em malha aberta realizada na CTRSU. Verificou-se que estes estão de acordo com o esperado, ou seja as saídas dos controladores do caudal de amónia e concentração do NOx, correspondem às variações efectuadas na válvula de regulação de amónia. Como possíveis soluções teóricas para a redução do atraso do sistema, sugeriu-se a introdução de um compensador de atraso baseado na técnica de Predição de Smith, no sistema de controlo já implementado, ou a implementação de um novo sistema de controlo baseado em sistemas de inteligências artificiais, nomeadamente as Redes Neuronais.

Development of a Computer Controlled Underbody Plow: TR412, Final Report, January 2006

Underbody plows can be very useful tools in winter maintenance, especially when compacted snow or hard ice must be removed from the roadway. By the application of significant down-force, and the use of an appropriate cutting edge angle, compacted snow and ice can be removed very effectively by such plows, with much greater efficiency than any other tool under those circumstances. However, the successful operation of an underbody plow requires considerable skill. If too little down pressure is applied to the plow, then it will not cut the ice or compacted snow. However, if too much force is applied, then either the cutting edge may gouge the road surface, causing significant damage often to both the road surface and the plow, or the plow may ride up on the cutting edge so that it is no longer controllable by the operator. Spinning of the truck in such situations is easily accomplished. Further, excessive down force will result in rapid wear of the cutting edge. Given this need for a high level of operator skill, the operation of an underbody plow is a candidate for automation. In order to successfully automate the operation of an underbody plow, a control system must be developed that follows a set of rules that represent appropriate operation of such a plow. These rules have been developed, based upon earlier work in which operational underbody plows were instrumented to determine the loading upon them (both vertical and horizontal) and the angle at which the blade was operating.These rules have been successfully coded into two different computer programs, both using the MatLab® software. In the first program, various load and angle inputs are analyzed to determine when, whether, and how they violate the rules of operation. This program is essentially deterministic in nature. In the second program, the Simulink® package in the MatLab® software system was used to implement these rules using fuzzy logic. Fuzzy logic essentially replaces a fixed and constant rule with one that varies in such a way as to improve operational control. The development of the fuzzy logic in this simulation was achieved simply by using appropriate routines in the computer software, rather than being developed directly. The results of the computer testing and simulation indicate that a fully automated, computer controlled underbody plow is indeed possible. The issue of whether the next steps toward full automation should be taken (and by whom) has also been considered, and the possibility of some sort of joint venture between a Department of Transportation and a vendor has been suggested.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.