Cu2O substrates and epitaxial Cu2O/ZnO thin film hetero-structures for solar energy conversion

Future fossil fuel scarcity and environmental degradation have demonstrated the need for renewable, low-carbon sources of energy to power an increasingly industrialized world. Solar energy with its infinite supply makes it an extraordinary resource that should not go unused. However with current materials, adoption is limited by cost and so a paradigm shift must occur to get everyone on the same page embracing solar technology. Cuprous Oxide (Cu2O) is a promising earth abundant material that can be a great alternative to traditional thin-film photovoltaic materials like CIGS, CdTe, etc. We have prepared Cu2O bulk substrates by the thermal oxidation of copper foils as well Cu2O thin films deposited via plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy. From preliminary Hall measurements it was determined that Cu2O would need to be doped extrinsically. This was further confirmed by simulations of ZnO/Cu2O heterojunctions. A cyclic interdependence between, defect concentration, minority carrier lifetime, film thickness, and carrier concentration manifests itself a primary reason for why efficiencies greater than 4% has yet to be realized. Our growth methodology for our thin-film heterostructures allow precise control of the number of defects that incorporate into our film during both equilibrium and nonequilibrium growth. We also report process flow/device design/fabrication techniques in order to create a device. A typical device without any optimizations exhibited open-circuit voltages Voc, values in excess 500mV; nearly 18% greater than previous solid state devices.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Compliance verification methodology for renewable generation integration. Application to island power grids

261 p.

Reutilización de escoria negra de acería como soporte en biofiltros para la eliminación de H2S del biogás.

[EN]Due to the limitations associated with fossil fuels it is necessary to promote energy sources that are renewable as well as eco-friendly, such as biogas generated in anaerobic digesters. The biogas, composed principally of methane and CO2, is the result of the biodegradation of organic matter under anaerobic conditions. Its use as fuel is limited by the presence of minority compounds such as hydrogen sulphide (H2S); therefore, its pre-treatment is necessary. Currently there are various technologies for the removal of H2S from a gas stream, but most of them are based on physic-chemical treatments which have a number of drawbacks as reactive consumption, generation of secondary flows, etc. Biofiltration has been used as an efficient and low cost alternative to conventional purification processes, and excellent results for the degradation of H2S have been obtained. However process can be limited due to the progressive ageing of the support material, along with the loss of nutrients and other specific characteristics necessary for the good development of biomass. The purpose of this project is to develop a mixed support consisting of a mixture of an organic material and an inorganic support for its application in the removal of the H2S from biogas. This support material helps to optimize the characteristics of the bed and extend its lifespan. The development of such material will contribute to the implementation of biofiltration for treating biogas from anaerobic digesters for its use as biofuel. The inorganic material used is electric arc furnace (EAF) black slag, a by-product generated in large quantities in the production of steel in the Basque Country. Although traditionally the slag has been used in civil engineering, its physicochemical characteristics make it suitable for reuse as a filter medium in biofiltration. The main conclusion drawn from the experimental results is that EAF black slag is a suitable co-packing material in organic biofilters treating H2S-polluted gaseous streams. High pollutant removal rates have been achieved during the whole experimental period. The removal capacity recorded in biofilters with less inorganic material was higher than in those with higher slag portion. Nevertheless, all the biofilters have shown a satisfactory response even at high inlet loads (48 g·m-3·h-1), where the RE has not decreased over 82%.

Influencia del vehículo eléctrico en la red eléctrica, en función del comportamiento social.

[ES]En la actualidad, el modelo de transporte apenas ha avanzado en el intento de frenar el Cambio Climático o en el cuidado del medio ambiente. Además, el gran negocio que existe detrás del petróleo hace que este tipo de transporte sea poco sostenible. Es por eso que se está desarrollando, a nivel nacional e internacional, una solución a dicho problema que es el uso del vehiculó eléctrico (VE). La introducción masiva del VE permitirá el uso extensivo de fuentes de energía no contaminantes e intermitentes, como son las energías renovables. Sin embargo, los VEs están lejos de ser una tecnología probada. Existen aún muchos problemas en torno a él que deben ser resueltos, entre ellos se encuentra el desarrollo de las baterías, su modelo de negocio y coste o la influencia de la conexión del VE sobre la red eléctrica. Este último problema, estará muy influenciado por el comportamiento social del futuro conductor, lo cual es el eje central del proyecto.

Energy storage systems for wave energy converters and microgrids

The thesis initially gives an overview of the wave industry and the current state of some of the leading technologies as well as the energy storage systems that are inherently part of the power take-off mechanism. The benefits of electrical energy storage systems for wave energy converters are then outlined as well as the key parameters required from them. The options for storage systems are investigated and the reasons for examining supercapacitors and lithium-ion batteries in more detail are shown. The thesis then focusses on a particular type of offshore wave energy converter in its analysis, the backward bent duct buoy employing a Wells turbine. Variable speed strategies from the research literature which make use of the energy stored in the turbine inertia are examined for this system, and based on this analysis an appropriate scheme is selected. A supercapacitor power smoothing approach is presented in conjunction with the variable speed strategy. As long component lifetime is a requirement for offshore wave energy converters, a computer-controlled test rig has been built to validate supercapacitor lifetimes to manufacturer’s specifications. The test rig is also utilised to determine the effect of temperature on supercapacitors, and determine application lifetime. Cycle testing is carried out on individual supercapacitors at room temperature, and also at rated temperature utilising a thermal chamber and equipment programmed through the general purpose interface bus by Matlab. Application testing is carried out using time-compressed scaled-power profiles from the model to allow a comparison of lifetime degradation. Further applications of supercapacitors in offshore wave energy converters are then explored. These include start-up of the non-self-starting Wells turbine, and low-voltage ride-through examined to the limits specified in the Irish grid code for wind turbines. These applications are investigated with a more complete model of the system that includes a detailed back-to-back converter coupling a permanent magnet synchronous generator to the grid. Supercapacitors have been utilised in combination with battery systems for many applications to aid with peak power requirements and have been shown to improve the performance of these energy storage systems. The design, implementation, and construction of coupling a 5 kW h lithium-ion battery to a microgrid are described. The high voltage battery employed a continuous power rating of 10 kW and was designed for the future EV market with a controller area network interface. This build gives a general insight to some of the engineering, planning, safety, and cost requirements of implementing a high power energy storage system near or on an offshore device for interface to a microgrid or grid.

Analysis of ocean power extraction capabilites of a rotary wave energy conversion system

Gemstone Team WAVES (Water and Versatile Energy Systems)

Environmental pricing of externalities from different sources of electricity generation in Chile

The rapid increase in electricity demand in Chile means a choice must be made between major investments in renewable or non-renewable sources for additional production. Current projects to develop large dams for hydropower in Chilean Patagonia impose an environmental price by damaging the natural environment. On the other hand, the increased use of fossil fuels entails an environmental price in terms of air pollution and greenhouse gas emissions contributing to climate change. This paper studies the debate on future electricity supply in Chile by investigating the preferences of households for a variety of different sources of electricity generation such as fossil fuels, large hydropower in Chilean Patagonia and other renewable energy sources. Using Double Bounded Dichotomous Choice Contingent Valuation, a novel advanced disclosure method and internal consistency test are used to elicit the willingness to pay for less environmentally damaging sources. Policy results suggest a strong preference for renewable energy sources with higher environmental prices imposed by consumers on electricity generated from fossil fuels than from large dams in Chilean Patagonia. Policy results further suggest the possibility of introducing incentives for renewable energy developments that would be supported by consumers through green tariffs or environmental premiums. Methodological findings suggest that advanced disclosure learning overcomes the problem of internal inconsistency in SB-DB estimates.

Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.

Virtual power producers simulation - negotiating renewable distributed generation in competitive electricity markets

Sustainable development concerns made renewable energy sources to be increasingly used for electricity distributed generation. However, this is mainly due to incentives or mandatory targets determined by energy policies as in European Union. Assuring a sustainable future requires distributed generation to be able to participate in competitive electricity markets. To get more negotiation power in the market and to get advantages of scale economy, distributed generators can be aggregated giving place to a new concept: the Virtual Power Producer (VPP). VPPs are multi-technology and multisite heterogeneous entities that should adopt organization and management methodologies so that they can make distributed generation a really profitable activity, able to participate in the market. This paper presents ViProd, a simulation tool that allows simulating VPPs operation, in the context of MASCEM, a multi-agent based eletricity market simulator.

Análise técnica e económico-financeira de um sistema de abastecimento de veículos zero emissões integrando um sistema fotovoltaico

Com o aumento da população mundial registado nos últimos anos surgiu também uma maior procura energética. Esse aumento foi inicialmente colmatado recorrendo essencialmente a fontes de origem fóssil, pelo facto destas serem mais baratas. No entanto, essa tendência de preços baixos sofreu o primeiro abalo nos anos 70 do século passado, altura em que o preço do petróleo disparou, devido a questões políticas. Nessa altura ficou visível para os países ocidentais o quanto estes eram dependentes dos países produtores de petróleo que, em geral, são instáveis politicamente. Começou então a procura de fontes energéticas alternativas. Além da questão económica do aumento do preço dos combustíveis, existe também o problema ambiental. Os maiores responsáveis pela emissão de gases efeito estufa (GEE) são os combustíveis fósseis. Os GEE contribuem para o aquecimento global, o que origina fenómenos ambientais severos que poderão levar a mudanças climáticas significativas. As energias renováveis apresentam-se como a solução mais viável ao problema energético e ambiental que se verifica actualmente, porque permitem colmatar o aumento da procura energética de uma forma limpa e sustentável. Na sequência destes problemas surgiram nos últimos anos veículos que permitem reduzir ou mesmo eliminar o consumo de combustíveis fósseis, como os veículos híbridos eléctricos, eléctricos e a hidrogénio. Nesta dissertação analisa-se um sistema que foi pensado para ser implementado em áreas de serviço, que permite efectuar o carregamento de electric vehicles (EV) utilizando energia eléctrica de origem fotovoltaica e a produção de hidrogénio para os fuels cell electric vehicles (FCEV). É efectuada uma análise económica do sistema, uma análise ambiental e analisou-se também o impacto na redução da dependência do país em relação ao exterior, sendo ainda efectuada uma pequena análise ao sistema MOBIE. No caso dos veículos a hidrogénio, foi determinada qual seria a melhor opção em termos económicos, para a produção de hidrogénio considerando três regimes de produção: recorrendo apenas à energia eléctrica proveniente do sistema fotovoltaico, apenas à energia eléctrica da rede, ou uma combinação dos dois regimes. O sistema estudado nesta dissertação apresenta um enorme potencial a nível energético e ambiental, surgindo como alternativa para abastecer os veículos que irão permitir, no futuro, eliminar a dependência energética em relação às fontes fósseis e ao mesmo tempo diminuir a quantidade de gases efeito estufa emitidos para a atmosfera.

Aproveitamento da energia das correntes marítimas

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica

Eletrólise da água para produção de gás de síntese

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica Ramo de Processos Químicos

Optimizing the renewable generation mix in the portuguese power system based on temporal and spatial diversity

Renewable energy sources (RES) have unique characteristics that grant them preference in energy and environmental policies. However, considering that the renewable resources are barely controllable and sometimes unpredictable, some challenges are faced when integrating high shares of renewable sources in power systems. In order to mitigate this problem, this paper presents a decision-making methodology regarding renewable investments. The model computes the optimal renewable generation mix from different available technologies (hydro, wind and photovoltaic) that integrates a given share of renewable sources, minimizing residual demand variability, therefore stabilizing the thermal power generation. The model also includes a spatial optimization of wind farms in order to identify the best distribution of wind capacity. This methodology is applied to the Portuguese power system.

Dimensionamento do Sistema Híbrido para Alimentação de Energia Elétrica da Escola Rural de Nangade (Cabo Delgado)

Os combustíveis fósseis, como o carvão, o petróleo e o gás, constituem fontes de energia que em breve se esgotarão e que são demasiado caras para serem desperdiçadas pelas centrais elétricas na produção de electricidade. Para além desse facto, existem outros argumentos (sobretudo económicos) que inviabilizam a utilização destas fontes de energia em algumas regiões, abrindo caminho a fontes de energia alternativas (e.g. solar, eólica, biomassa, mini-hídricas, geotérmicas, etc) e preferencialmente com contornos locais. No caso particular de Moçambique, tem-se verificado um interesse crescente por parte do governo e de várias ONGs na promoção do uso de energias alternativas para as zonas onde a energia convencional não chega e não chegará, devido aos custos muito elevados que esse processo acarretaria. Esta dissertação apresenta um estudo aprofundado do dimensionamento dum sistema híbrido de geração de energia elétrica envolvendo gerador FV e grupo eletrogéneo de emergência para a Escola Rural da Nangade, situada no Distrito de Nangade, na Província do Cabo Delgado. São também descritos os diversos componentes e as tecnologias associadas a um sistema deste género, com a inclusão de sistemas inteligentes de controlo de energia com a utilização de inversores bidireccionais (inversores de bateria e carregadores) para sistemas isolados. Os resultados são apresentados de forma a facilitar a aplicação e montagem deste tipo de sistemas in loco. Espera-se que esta dissertação possa servir de base no futuro próximo, para a implementação deste tipo de sistemas para permitir a melhoria da qualidade de ensino através de melhores infraestruturas, democratizando desta forma o acesso à educação para as crianças das zonas rurais das várias províncias de Moçambique. Como as energias renováveis são parte integrante do Sistema Elétrico Nacional, apresenta-se resumidamente, no anexo 17, o “Plano de Desenvolvimento na Área de Energia de Moçambique”.