A probabilistic methodology for distributed generation location in isolated electrical service area

Distributed generation unlike centralized electrical generation aims to generate electrical energy on small scale as near as possible to load centers, interchanging electric power with the network. This work presents a probabilistic methodology conceived to assist the electric system planning engineers in the selection of the distributed generation location, taking into account the hourly load changes or the daily load cycle. The hourly load centers, for each of the different hourly load scenarios, are calculated deterministically. These location points, properly weighted according to their load magnitude, are used to calculate the best fit probability distribution. This distribution is used to determine the maximum likelihood perimeter of the area where each source distributed generation point should preferably be located by the planning engineers. This takes into account, for example, the availability and the cost of the land lots, which are factors of special relevance in urban areas, as well as several obstacles important for the final selection of the candidates of the distributed generation points. The proposed methodology has been applied to a real case, assuming three different bivariate probability distributions: the Gaussian distribution, a bivariate version of Freund’s exponential distribution and the Weibull probability distribution. The methodology algorithm has been programmed in MATLAB. Results are presented and discussed for the application of the methodology to a realistic case and demonstrate the ability of the proposed methodology for efficiently handling the determination of the best location of the distributed generation and their corresponding distribution networks.

Controlo clássico vs. preditivo na regulação de frequência em sistemas de potência

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

Application of genetic algorithms in the design of an electrical potential of fractional order

Fractional calculus (FC) is currently being applied in many areas of science and technology. In fact, this mathematical concept helps the researches to have a deeper insight about several phenomena that integer order models overlook. Genetic algorithms (GA) are an important tool to solve optimization problems that occur in engineering. This methodology applies the concepts that describe biological evolution to obtain optimal solution in many different applications. In this line of thought, in this work we use the FC and the GA concepts to implement the electrical fractional order potential. The performance of the GA scheme, and the convergence of the resulting approximation, are analyzed. The results are analyzed for different number of charges and several fractional orders.

Planning smart cities using wireless low energy monitoring systems

Thesis to obtain the Master Degree in Electronics and Telecommunications Engineering

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

A presente tese descreve diferentes soluções que permitem a reutilização da energia recuperada em ascensores eléctricos de roda de aderência dotados de conversores electrónicos de frequência e dessa forma contribuir para a melhoria da eficiência energética nos ascensores. Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará em modo gerador. Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia. Igualmente, se a cabina subir vazia, também se poderá recuperar energia eléctrica. A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor estará a funcionar como um gerador. De modo a estudar a viabilidade técnica e económica das diferentes soluções foram realizadas medições a uma amostra representativa de ascensores eléctricos de roda de aderência. Esta amostra é constituída por 39 ascensores que estão instalados em diferentes tipos de edifícios e que pertencem a diferentes categorias de utilização, de acordo com a norma VDI 4707:2009. Para cada ascensor foi medida a energia consumida e a energia gerada para uma manobra completa – a descida e a subida da cabina sem carga. A partir das medições, e com base na norma VDI 4707:2009 foram calculados os valores anualizados de energia eléctrica consumidos e produzidos por cada ascensor. A partir das 5 hipóteses identificadas para a utilização da energia recuperada (carregamento de bateria para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentar o barramento DC; reinjecção da energia no barramento DC de um conjunto de ascensores em grupo; reinjecção da energia na rede eléctrica do edifício onde o ascensor está instalado) foi realizada a avaliação técnica e a avaliação económico-financeira para cada um dos ascensores. Por último, foi desenvolvido um simulador que permite definir a solução de recuperação de energia que seja técnica e economicamente mais viável, para um dado ascensor eléctrico de roda de aderência instalado, mediante a introdução dos parâmetros técnicos do ascensor em avaliação.

Gestão de Energia Renovável para Sistemas Insulares - Projeto para Ilha de Santiago – Cabo Verde

A opção pela elaboração do presente projeto decorre da importância que as energias renováveis já têm, e poderão vir a assumir, no contexto do desenvolvimento económico das ilhas de Cabo Verde. O projeto foi elaborado com base nas necessidades reais do país, identificadas por estudos realizados por entidades especializadas na área, e visa desbravar vias para um possível e desejável alargamento da utilização de energias renováveis no país. O projeto é direccionado para a produção de energia visando complementar o abastecimento através da rede pública, que é gerida por uma empresa estatal, a ELECTRA. Pressupõe que toda a energia produzida é adquirida por esta empresa como, aliás, legalmente está estabelecido. Na elaboração do projeto teve-se em conta o impacto ambiental do mesmo, incluindo os seus efeitos no plano financeiro. O projeto assenta num diagnóstico relativamente aprofundado do setor de produção de energia elétrica e caracteriza o setor tal como se apresenta actualmente. Foi direccionado essencialmente para a ilha de Santiago, a maior do país, que congrega cerca de 56 % da população. Procedeu-se, em particular, a uma análise detalhada dos parques eólicos e solares existentes no país. O projeto avalia com relativa profundidade a evolução recente da procura de energia elétrica, e o potencial das energias renováveis, com ênfase nas energias eólica e solar, as mais relevantes para o país, pelo menos no futuro próximo. O sistema tarifário foi, igualmente, objecto de discussão no decurso da elaboração do projeto. Finalmente, a elaboração do projeto conduziu-nos ao estudo das orientações estratégicas, objetivos e políticas governamentais para a área da produção de energia elétrica. No plano financeiro, foram considerados três cenários baseados no grau de utilização da radiação solar (fotovoltaica) ou aproveitamento dos ventos (eólica). Para cada cenário foram avaliadas alternativas, que consistem basicamente na utilização de diferentes preços de venda, num leque que se situa em níveis comparáveis aos que actualmente são praticados.

Impacto da Introdução de Baterias de armazenamento de Energia em Smart Grids

De forma a não comprometer o conforto ou a qualidade de vida, nos dias de hoje, é obrigatório que a energia elétrica esteja presente. Sendo indispensável, torna-se necessário assegurar que a sua distribuição seja feita da forma mais qualitativa possível. Uma resposta rápida e eficaz a possíveis falhas que ocorram na rede, irá garantir a tal qualidade de serviço desejada. Para isso, a automatização dos processos é uma grande evolução e objetivo de concretização do setor elétrico. Neste contexto surge o conceito de Smart Grid, que tem como principal objetivo a combinação entre o setor elétrico e a evolução da tecnologia. A par desta característica, estes tipos de redes vêm também trazer evoluções no âmbito ambiental, pois a produção de energia elétrica é feita, maioritariamente, por fontes de energia renovável. Este projeto incide na análise das vantagens técnicas e económicas da inclusão de equipamentos que detêm capacidades de armazenamento de energia, as Baterias de Armazenamento de Energia (BAE), neste tipo de redes. Para tal, procedeu-se à utilização do método do Despacho Económico, que tem como principal objetivo a determinação dos níveis de produção de todas as unidades geradoras do sistema, satisfazendo a carga, ao mais baixo custo de produção. Com este método, foram criados vários cenários de estudo com vista a validar todo o propósito deste projeto. Nesta dissertação, é também realizado um estudo de viabilidade económica destes equipamentos de armazenamento de energia.

Message-oriented middleware for smart grids

In order to increase the efficiency in the use of energy resources, the electrical grid is slowly evolving into a smart(er) grid that allows users' production and storage of energy, automatic and remote control of appliances, energy exchange between users, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed. One of the main innovations of the smart grid is its organization over an energy plane that involves the actual exchange of energy, and a data plane that regards the Information and Communication Technology (ICT) infrastructure used for the management of the grid's data. In the particular case of the data plane, the exchange of large quantities of data can be facilitated by a middleware based on a messaging bus. Existing messaging buses follow different data management paradigms (e.g.: request/response, publish/subscribe, data-oriented messaging) and thus satisfy smart grids' communication requirements at different extents. This work contributes to the state of the art by identifying, in existing standards and architectures, common requirements that impact in the messaging system of a data plane for the smart grid. The paper analyzes existing messaging bus paradigms that can be used as a basis for the ICT infrastructure of a smart grid and discusses how these can satisfy smart grids' requirements.

A constructive technology assessment of stationary energy storage systems: prospective life cycle orientated analysis

Based on the presentation and discussion at the 3rd Winter School on Technology Assessment, December 2012, Universidade Nova de Lisboa (Portugal), Caparica Campus, PhD programme on Technology Assessment

Coupling organic substrate removal to methane production in a fully biological microbial electrolysis cell

Microbial electrolysis cells (MECs) are an innovative and emerging technique based on the use of solid-state electrodes to stimulate microbial metabolism for wastewater treatment and simultaneous production of value-added compounds (such as methane). This research studied the performance of a two-chamber MEC in terms of organic matter oxidation (at the anode) and methane production (at the cathode). MEC‟s anode had been previously inoculated with an activated sludge, whereas the cathode chamber inoculum was an anaerobic sludge (containing methanogenic microorganisms). During the experimentation, the bioanode was continuously fed with synthetic solutions in anaerobic basal medium, at an organic load rate (OLR) of around 1 g L-1 d-1, referred to the chemical oxygen demand (COD). At the beginning (Run I), the feeding solution contained acetate and subsequently (Run II) it was replaced with a more complex solution containing soluble organic compounds other than acetate. For both conditions, the anode potential was controlled at -0.1 V vs. standard hydrogen electrode, by means of a potentiostat. During Run I, over 80% of the influent acetate was anaerobically oxidized at the anode, and the resulting electric current was recovered as methane at the cathode (with a cathode capture efficiency, CCE, accounting around 115 %). The average energy efficiency of the system (i.e., the energy captured into methane relative to the electrical energy input) under these conditions was over 170%. However, reactor‟s performance decreased over time during this run. Throughout Run II, a substrate oxidation over 60% (on COD basis) was observed. The electric current produced (57% of coulombic efficiency) was also recovered as methane, with a CCE of 90%. For this run the MEC‟s average energy efficiency accounted for almost 170 %. During all the experimentation, a very low biomass growth was observed at the anode whereas ammonium was transferred through the cationic membrane and concentrated at the cathode. Tracer experiments and scanning electron microscopy analyses were also carried out to gain a deeper insight into the reactor performance and also to investigate the possible reasons for partial loss of performance. In conclusion, this research suggests the great potential of MEC to successfully treat low-strength wastewaters, with high energy efficiency and very low sludge production.

Predictive control of a current-source inverter for solar photovoltaic grid interface

Solar photovoltaic systems are an increasing option for electricity production, since they produce electrical energy from a clean renewable energy resource, and over the years, as a result of the research, their efficiency has been increasing. For the interface between the dc photovoltaic solar array and the ac electrical grid is necessary the use of an inverter (dc-ac converter), which should be optimized to extract the maximum power from the photovoltaic solar array. In this paper is presented a solution based on a current-source inverter (CSI) using continuous control set model predictive control (CCS-MPC). All the power circuits and respective control systems are described in detail along the paper and were tested and validated performing computer simulations. The paper shows the simulation results and are drawn several conclusions.

Hypoxia/hypoglycemia preconditioning prevents the loss of functional electrical activity in organotypic slice cultures.

In cerebral ischemic preconditioning (IPC), a first sublethal ischemia increases the resistance of neurons to a subsequent severe ischemia. Despite numerous studies, the mechanisms are not yet fully understood. Our goal is to develop an in vitro model of IPC on hippocampal organotypic slice cultures. Instead of anoxia, we chose to apply varying degrees of hypoxia that allows us various levels of insult graded from mild to severe. Cultures are exposed to combined oxygen and glucose deprivation (OGD) of varying intensities, ranging from mild to severe, assessing both the electrical activity and cell death. IPC was accomplished by exposure to the mildest ischemia condition (10% of O2 for 15 min) 24 h before the severe deprivation (5% of O2 for 30 min). Interestingly, IPC not only prevented delayed ischemic cell death 6 days after insult but also the transient loss of evoked potential response. The major interest and advantage of this system over both the acute slice preparation and primary cell cultures is the ability to simultaneously measure the delayed neuronal damage and neuronal function.

Comment on "Streaming potential dependence on water-content in Fontainebleau sand" by V. Allegre, L. Jouniaux, F. Lehmann and P. Sailhac

Allegre et al. recently presented new experimental data regarding the dependence of the streaming potential coupling coefficient with the saturation of the water phase. Such experiments are important to model the self-potential response associated with the flow of water in the vadose zone and the electroseismic/seismoelectric conversions in unsaturated porous media. However, the approach used to interpret the data is questionable and the conclusions reached by Allegre et al. likely incorrect

Modelització i control d'un reactor de producció d'hidrogen per a l'alimentació de piles de combustible

Les piles de combustible permeten la transformació eficient de l’energia química de certs combustibles a energia elèctrica a través d’un procés electroquímic. De les diferents tecnologies de piles de combustible, les piles de combustible de tipus PEM són les més competitives i tenen una gran varietat d’aplicacions. No obstant, han de ser alimentades únicament per hidrogen. Per altra banda, l’etanol, un combustible interessant en el marc dels combustibles renovables, és una possible font d’hidrogen. Aquest treball estudia la reformació d’etanol per a l’obtenció d’hidrogen per a alimentar piles de combustible PEM. Només existeixen algunes publicacions que tractin l’obtenció d’hidrogen a partir d’etanol, i aquestes no inclouen l’estudi dinàmic del sistema. Els objectius del treball són el modelat i l’estudi dinàmic de reformadors d’etanol de baixa temperatura. Concretament, proposa un model dinàmic d’un reformador catalític d’etanol amb vapor basat en un catalitzador de cobalt. Aquesta reformació permet obtenir valors alts d’eficiència i valors òptims de monòxid de carboni que evitaran l’enverinament d’una la pila de combustible de tipus PEM. El model, no lineal, es basa en la cinètica obtinguda de diferents assaigs de laboratori. El reformador modelat opera en tres etapes: deshidrogenació d’etanol a acetaldehid i hidrogen, reformat amb vapor d’acetaldehid, i la reacció WGS (Water Gas Shift). El treball també estudia la sensibilitat i controlabilitat del sistema, caracteritzant així el sistema que caldrà controlar. L’anàlisi de controlabilitat es realitza sobre la resposta de dinàmica ràpida obtinguda del balanç de massa del reformador. El model no lineal és linealitzat amb la finalitat d’aplicar eines d’anàlisi com RGA, CN i MRI. El treball ofereix la informació necessària per a avaluar la possible implementació en un laboratori de piles de combustibles PEM alimentades per hidrogen provinent d’un reformador d’etanol.