Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως στόχο να δώσει στον αναγνώστη της μια σαφή εικόνα των μεθόδων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που υπάρχουν σήμερα, αναφέροντας εφαρμογές αυτών σε διάφορα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας ανά τον κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στους λόγους που επιβάλουν την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, παρουσιάζοντας εν συντομία όλες τις μεθόδους αποθήκευσης που θα αναλυθούν στα επόμενα κεφάλαια. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται αρχικά η μέθοδος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με υπεραγώγημα πηνία και στη συνέχεια βλέπουμε τα αποτελέσματα εφαρμογής των συστημάτων αυτών τόσο σε επίπεδο εξομοίωσης όσο και σε πραγματικές περιπτώσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με μπαταρίες. Αφού αναφερθούν οι κατηγορίες τους και τα χαρακτηριστικά μεγέθη τους, γίνεται μοντελοποίηση των μπαταριών και στη συνέχεια περιγράφονται δυο πραγματικές περιπτώσεις εφαρμογής των συστημάτων αυτών αποθήκευσης στο δίκτυο της Αμερικής. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται τα συστήματα αποθήκευσης με στρεφόμενες μάζες. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους, καθώς και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών. Τέλος περιγράφεται η εφαρμογή των συστημάτων αυτών στην ρύθμιση της συχνότητας του δικτύου. Το πέμπτο κεφάλαιο μελετάει τα συστήματα αντλησιοταμίευσης στην αποθήκευσης ενέργειας. Αφού γίνει μια αναφορά στην υδροδυναμική ενέργεια, τα φράγματα και τους υδροστρόβιλους, εξετάζεται η περίπτωση εφαρμογής ενός τέτοιου συστήματος στο αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Κρήτης. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται η χρήση των υπέρ-πυκνωτών στην αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Υπολογίζεται η ισοδύναμη χωρητικότητα συστήματος υπέρ-πυκνωτών καθώς και η απόδοση φόρτισης και εκφόρτισής του. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των συστημάτων αποθήκευσης με συμπιεσμένο αέρα και αναφέρονται δυο πραγματικές εφαρμογές των μονάδων αυτών καθώς και εκτιμώμενα μελλοντικά σχέδια ανάπτυξης νέων τέτοιων μονάδων. Στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στην πιθανή μελλοντική χρήση των κυψέλων υδρογόνου για αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας ενώ στο ένατο κεφαλαίο γίνεται μια σύντομη σύγκριση όλων των προαναφερόμενων διατάξεων αποθήκευσης βάση την ταχύτητα εκφόρτισής τους και βάση του κόστους εγκατάστασης ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η διπλωματική εργασία κλείνει με ένα κεφάλαιο στο οποίο μελετάται η ενσωμάτωση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας στους ελεγκτές FACTS στο επίπεδο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και στις συσκευές CUSTOM POWER στο επίπεδο της διανομής. / -

A recente descoberta das reservas de petróleo do Pré-Sal no Brasil obrigou a indústria a enfrentar condições de extração adversas, a mais de 1000m de lâmina de água e 5000m de sedimentos. Com o aumento da procura, justificou-se investir em pesquisa e tecnologia para dar resposta aos diversos problemas de exploração em águas ultra profundas. Em condições desfavoráveis de exploração, diversos sistemas tecnológicos submersos autônomos no fundo do mar, nearshore e offshore, tem que ser instalados para resistir a esforços solicitados por plataformas devido a manobras de navios, ondas, correntes marinhas, ventos, etc.. Atualmente a Petrobras utiliza um sistema desenvolvido e patenteado, as estacas torpedo metálicas, para resistir às solicitações e ancorar no leito oceânico as suas plataformas flutuantes. Sua instalação consiste na queda livre e penetração no solo argiloso marinho, por ação da aceleração da gravidade nas suas massas, e que apresenta ainda alguns desafios na instalação. O presente trabalho avalia uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo e outras estruturas, que serve de alternativa e/ou melhoria à técnica já utilizada, e que consiste na instalação de uma haste metálica pela ação do seu peso próprio e por aplicação de jatos de água verticais, provenientes de tubos metálicos inseridos em solos argilosos. O estudo, na primeira etapa descrita nesta tese, concentra-se em modelos reduzidos, seguindo as leis de semelhança pelo número de Froude, e futuramente pretende-se transitar para o protótipo. Os ensaios de hidrojateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques em forma de paralelepípedo, com paredes em acrílico, preenchidos com solo argiloso. O estudo foi realizado em modelos reduzidos para duas escalas de comprimento, correspondentes a 1:67 e 1:76, com o objetivo de estudar o mecanismo de penetração dos torpedos metálicos e nos fenômenos de hidrojateamento em solo argiloso. O solo foi caracterizado e nos ensaios foram identificados e avaliados: (a) a influência do fluxo de água a partir das variáveis vazão, pressão, velocidade e diâmetro do jato, (b) a influência da massa e diâmetro das hastes metálicas e (c) a interação solo-estaca pós instalação. Os resultados apresentados indicaram que as maiores profundidades de penetração das estacas torpedo foram atingidas para os modelos de maior massa, e também para as maiores vazões do fluxo de água, para maiores pressões de fluxo de água e menor resistência não drenada do solo. Com base nas variáveis controladas foi possível estabelecer um modelo e uma equação para estimar a profundidade máxima atingida por estacas metálicas instaladas por fluidização. Estes resultados complementaram estudos anteriores e permitiram uma avaliação, baseada em modelos reduzidos, na eficiência do jateamento, parâmetros de controle do mecanismo de erosão, profundidade máxima de penetração no leito marinho e capacidade de carga das estacas, sempre utilizando conceitos de similaridade para relacionar modelo e protótipo. / Deep water oil fields discovered by Petrobras in Brazil in 2006 brought new challenges to the offshore industry. Thus, for exploring these basins, research and technology investments are necessary to ensure production conditions, which require development of technological foundation systems, nearshore and offshore. Petrobras designed and patented an anchoring system, the torpedo pile, which serves as foundation to various types of production structures in ultra-deepwater. Torpedo is a steel pile, filled with ballast, having a cone-shaped tip. The anchor installation consists in the free fall of the torpedo from a designated height above the seafloor, which dynamically penetrates into marine clay by the action of gravity acceleration of the torpedo mass. This thesis presents an alternative installation technique for torpedo anchors based on tests carried out in reduced physical models following the law of similarity by the Froude number. The goal was to install model piles by applying downward vertical water jets. The water jetting tests were performed in the laboratory using parallelepiped-shaped tanks with acrylic walls, filled with clayey soil. The study was conducted on reduced scale models for two length scales, corresponding to 1:67 and 1:76, with the aim of studying the penetration mechanism of metal torpedoes and water jetting phenomena in clayey soil. The soil was characterized and tests were performed to identify and evaluated: (a) the influence of water flow, pressure, penetration rate and diameter of the jet, (b) the influence of the mass and diameter of the metal rods and (c) soil-pile interaction after installation. The results presented indicated that the greatest depth of penetration of torpedo piles was achieved for higher mass models, also for the higher flow rates, the Reynolds number, higher water flow pressures and lower undrained resistance of the soil. Based on these variables it was possible to establish a model and an equation to estimate the maximum depth of penetration of metal piles installed by fluidization. These results complement previous studies and allowed an assessment based on reduced models, the jetting efficiency, the control parameters of the erosion mechanism, the maximum penetration depth on the seabed and load capacity of the piles, always using concepts of similarity to relate model and prototype.

La modélisation du comportement hydromécanique chimique des milieux poreux saturés et non saturés est abordée au niveau microscopique et mésoscopique. Au niveau microscopique la modélisation des écoulements diphasiques est basée sur une représentation du réseau poral comme un ensemble de tubes dont les orientations et les rayons sont choisis sur un principe d’équivalence avec les pores. L’algorithme régissant la génération des conduits et les écoulements d'eau et de gaz est développé en utilisant un langage propre au code 3FLO. En utilisant cette approche directe on étudie ensuite le problème de l’impact de l’endommagement sur les propriétés effectives hydriques en milieu saturé et non saturé. Sans expliciter l’origine et les mécanismes de la naissance et de la propagation des fissures, on simule le développement d’une fissuration au cours d’un essai de compression triaxiale en générant numériquement une fissuration orientée préférentiellement dans la direction de la contrainte maximale en compression. Les simulations réalisées en milieu saturé et non saturé mettent en évidence l’impact de la fissuration sur la conductivité hydraulique, la courbe de rétention et la perméabilité relative.Une dernière partie de la thèse est consacrée à la modélisation mésoscopique des couplages hydro-chimio-mécaniques par une approche de couplage indirecte ou dite de communication-passerelle. Selon cette méthodologie plusieurs codes spécialisés dans un domaine donné communiquent entre eux et sont capables de réaliser des calculs paramétrés par des champs externes. Un exemple est décrit ici par le couplage d’un code hydro-géochimie (HP1) et d'un code de calculs mécaniques développé sous Matlab. En utilisant cette méthodologie on traite d’abord le problème d’évolution du potentiel de gonflement d’une argile gonflante au cours d’une infiltration par une plume alcaline. Les simulations numériques mettent en évidence que pour la période étudiée la variation de la composition chimique est le mécanisme dominant en comparaison avec la dissolution des minéraux argileux. L’adaptation du modèle ELASGONF pour réaliser des calculs mécaniques paramétrés par des champs de concentration a permis de simuler la diminution de la pression de gonflement lors d’infiltration. En utilisant cette même approche, l’hypothèse de formation du gypse dans le tuffeau blanc par voie aérienne a été étudiée dans le cadre de la problématique de préservation des monuments historiques tels que les châteaux de la Loire. Dans les conditions de nos simulations, la formation du gypse par cette voie n’a pas été vérifiée. / Modelling of the behavior and the couplings HMC of the porous circles

Um processo alternativo à solda por arco para aplicação em materiais de difícil junção ou em ambientes submersos é a solda por fricção. Neste trabalho foi desenvolvido um equipamento de solda por fricção para pesquisas e determinação de parâmetros ótimos de soldagem em diferentes meios. Para verificar o desempenho do equipamento foi utilizado o processo de solda por fricção de pinos consumíveis. Os registros das variáveis de soldagem permite avaliar o comportamento do sistema para a faixa de operação utilizada. Diferentes uniões de aço de baixo carbono e aço de baixa liga foram obtidas. Mediante análises macrográficas da junta foi avaliada a zona afetada pelo calor e a presença de regiões com possível falta de preenchimento. O controle servohidráulico desenvolvido apresenta uma resposta dinâmica adequada para esta aplicação, no entanto são apresentadas algumas propostas de melhorias. / An alternative process to the conventional arc welding for mating difficult-to-join materials or in underwater environment is friction welding. During this work a friction welding equipment was developed for research and determination of optimum welding parameters under different environments. To evaluate the equipment performance the friction hydro pillar processing method was used. Data acquisition of the welding parameters allows assessing the system behavior within the operational range. Joints of low carbon and low alloy steels have been obtained. Macrographic analyses of the weld joint were performed to evaluate the heat affected zone and the presence of unfilled regions. The servohydraulic control developed have shown an adequate dynamic response for this application, nevertheless some improvements are proposed.

A recente descoberta das reservas de petróleo do Pré-Sal no Brasil obrigou a indústria a enfrentar condições de extração adversas, a mais de 1000m de lâmina de água e 5000m de sedimentos. Com o aumento da procura, justificou-se investir em pesquisa e tecnologia para dar resposta aos diversos problemas de exploração em águas ultra profundas. Em condições desfavoráveis de exploração, diversos sistemas tecnológicos submersos autônomos no fundo do mar, nearshore e offshore, tem que ser instalados para resistir a esforços solicitados por plataformas devido a manobras de navios, ondas, correntes marinhas, ventos, etc.. Atualmente a Petrobras utiliza um sistema desenvolvido e patenteado, as estacas torpedo metálicas, para resistir às solicitações e ancorar no leito oceânico as suas plataformas flutuantes. Sua instalação consiste na queda livre e penetração no solo argiloso marinho, por ação da aceleração da gravidade nas suas massas, e que apresenta ainda alguns desafios na instalação. O presente trabalho avalia uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo e outras estruturas, que serve de alternativa e/ou melhoria à técnica já utilizada, e que consiste na instalação de uma haste metálica pela ação do seu peso próprio e por aplicação de jatos de água verticais, provenientes de tubos metálicos inseridos em solos argilosos. O estudo, na primeira etapa descrita nesta tese, concentra-se em modelos reduzidos, seguindo as leis de semelhança pelo número de Froude, e futuramente pretende-se transitar para o protótipo. Os ensaios de hidrojateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques em forma de paralelepípedo, com paredes em acrílico, preenchidos com solo argiloso. O estudo foi realizado em modelos reduzidos para duas escalas de comprimento, correspondentes a 1:67 e 1:76, com o objetivo de estudar o mecanismo de penetração dos torpedos metálicos e nos fenômenos de hidrojateamento em solo argiloso. O solo foi caracterizado e nos ensaios foram identificados e avaliados: (a) a influência do fluxo de água a partir das variáveis vazão, pressão, velocidade e diâmetro do jato, (b) a influência da massa e diâmetro das hastes metálicas e (c) a interação solo-estaca pós instalação. Os resultados apresentados indicaram que as maiores profundidades de penetração das estacas torpedo foram atingidas para os modelos de maior massa, e também para as maiores vazões do fluxo de água, para maiores pressões de fluxo de água e menor resistência não drenada do solo. Com base nas variáveis controladas foi possível estabelecer um modelo e uma equação para estimar a profundidade máxima atingida por estacas metálicas instaladas por fluidização. Estes resultados complementaram estudos anteriores e permitiram uma avaliação, baseada em modelos reduzidos, na eficiência do jateamento, parâmetros de controle do mecanismo de erosão, profundidade máxima de penetração no leito marinho e capacidade de carga das estacas, sempre utilizando conceitos de similaridade para relacionar modelo e protótipo. / Deep water oil fields discovered by Petrobras in Brazil in 2006 brought new challenges to the offshore industry. Thus, for exploring these basins, research and technology investments are necessary to ensure production conditions, which require development of technological foundation systems, nearshore and offshore. Petrobras designed and patented an anchoring system, the torpedo pile, which serves as foundation to various types of production structures in ultra-deepwater. Torpedo is a steel pile, filled with ballast, having a cone-shaped tip. The anchor installation consists in the free fall of the torpedo from a designated height above the seafloor, which dynamically penetrates into marine clay by the action of gravity acceleration of the torpedo mass. This thesis presents an alternative installation technique for torpedo anchors based on tests carried out in reduced physical models following the law of similarity by the Froude number. The goal was to install model piles by applying downward vertical water jets. The water jetting tests were performed in the laboratory using parallelepiped-shaped tanks with acrylic walls, filled with clayey soil. The study was conducted on reduced scale models for two length scales, corresponding to 1:67 and 1:76, with the aim of studying the penetration mechanism of metal torpedoes and water jetting phenomena in clayey soil. The soil was characterized and tests were performed to identify and evaluated: (a) the influence of water flow, pressure, penetration rate and diameter of the jet, (b) the influence of the mass and diameter of the metal rods and (c) soil-pile interaction after installation. The results presented indicated that the greatest depth of penetration of torpedo piles was achieved for higher mass models, also for the higher flow rates, the Reynolds number, higher water flow pressures and lower undrained resistance of the soil. Based on these variables it was possible to establish a model and an equation to estimate the maximum depth of penetration of metal piles installed by fluidization. These results complement previous studies and allowed an assessment based on reduced models, the jetting efficiency, the control parameters of the erosion mechanism, the maximum penetration depth on the seabed and load capacity of the piles, always using concepts of similarity to relate model and prototype.

Submitted by BRUNO PAVANELLI ZANELLA null (brunopzanella@gmail.com) on 2016-02-26T19:05:23Z No. of bitstreams: 1 TESE BRUNO PAVANELLI ZANELLA.pdf: 21746898 bytes, checksum: dfe54ee2f810b98550af3d99f8c3d4a7 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-02-29T13:55:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 zanella_bp_dr_guara.pdf: 21746898 bytes, checksum: dfe54ee2f810b98550af3d99f8c3d4a7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-29T13:55:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 zanella_bp_dr_guara.pdf: 21746898 bytes, checksum: dfe54ee2f810b98550af3d99f8c3d4a7 (MD5) Previous issue date: 2016-01-28 / Fundação para o Desenvolvimento da UNESP (FUNDUNESP) / A avaliação do potencial de produção de sedimentos de uma bacia hidrográfica contribuinte de uma hidrelétrica é de extrema importância para a análise da viabilidade de implantação de uma planta geradora, sobretudo quando se trata de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH), pois o assoreamento pode comprometer a longevidade do empreendimento. Este estudo teve como objetivo aplicar e avaliar modelos de predição de aporte de sedimentos na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no Estado de Mato Grosso do Sul, gerados pelos softwares SWAT e InVEST. A bacia contribuinte desta PCH, com aproximadamente 1.200km², é integrante da bacia do Alto Rio Sucuriú, e apresenta escassez de dados de séries históricas de hidrologia e sedimentologia. A modelagem pelo software SWAT e InVEST permitiu verificar que a produção de sedimentos ocorre em altas taxas na bacia contribuinte desta PCH. A perda total de solo nesta bacia obtida pelo InVEST foi de 19,23 Mg ha-1 ano-1 (2.392.353,10 Mg ano-1), superior em 2,2 vezes o valor gerado pelo software SWAT, de 8,54 Mg ha-1 ano-1 (1.062.402,15 Mg ano-1). O total de sedimentos que efetivamente chega ao canal de adução da PCH Costa Rica estimada pelo InVEST foi de 100.674,20 Mg ano-1 de sedimentos, enquanto o SWAT apresentou um total 10,43 vezes superior (1.049.521,72 Mg ano-1). A diferença obtida entre os dois modelos pode ser atribuída às peculiaridades de cada software, sendo utilizada no InVEST, a relação máxima do aporte de sedimento definida em 80% que não é aplicada no SWAT representa a capacidade máxima de retenção possível em cada célula. A modelagem da perda de solo em bacias hidrográficas realizada pelos softwares SWAT e InVEST mostrou-se promissora, com elevada correlação entre si e com o Método de Einsten Modificado. Estes sedimentos são carreados e se acumulam nos cursos d’água, gerando problemas operacionais para esta PCH, que necessita de dragagem constante para permitir o funcionamento do empreendimento, gerando custos que não foram previstos na concepção do projeto. Diante deste cenário foi proposta a recomposição vegetal das áreas degradadas por processos erosivos intensos, com a utilização de biotecnologia, em sistema de plantio direto de espécies nativas do Cerrado em consórcio com leguminosas inoculadas com rizóbio. A simulação do InVEST para o cenário futuro com recomposição vegetal de 13,78 km2 das APPs hídricas desta bacia gerou uma redução na produção de sedimentos de 6.464,99 Mg ano-1, demonstrando que a adoção de práticas conservacionistas pelos produtores da bacia contribuinte da PCH Costa Rica pode amenizar os processos erosivos, aumentar a capacidade produtiva dos solos e diminuir os custos desta hidrelétrica com o desassoreamento do canal de adução. / The evaluation of sediment production potential in a hydroelectric watershed is extremely important for the deployment of assessing the feasibility of a generating plant, especially in the case of a Small Hydroelectric Plant (SHP) because the sediment deposition may compromise the longevity of the project. This study aimed to implement and evaluate sediment delivery prediction models in the watershed of SHP Costa Rica in the state of Mato Grosso do Sul, generated by SWAT and InVEST software. The basin of this SHP, with approximately 1.200km², is an upper portion of the Sucuriú river basin and presenting scarcity of data time series of hydrology and sedimentology. Modeling by SWAT and InVEST software has shown that the production of sediments occurs at high rates in the basin of this SHP. The total soil losses in watersheds of this SHP obtained by InVEST was 19,23 Mg ha-1 ano-1 (2392353,10 Mg ano-1), higher than the value obtained by SWAT software with 8,54 Mg ha-1 ano-1 (1062402,15 Mg ano-1). The sediment that reaches the adduction channel of SHP Costa Rica estimated by InVEST is 100,674.20 Mg year-1 of sediments, while the SWAT has a total 10.43 times higher (1.049.521,72 Mg ano-1). The difference obtained between the two models can be attributed to the peculiarities of each software being used in InVEST, the maximum ratio of sediment contribution set at 80% which is not applied in SWAT is the maximum capacity possible retention in each cell. The modeling of soil loss in river basins performed by SWAT and InVEST software proved promising, with high correlation with each other and the method of Modified Einstein. These sediments are carried and accumulate in streams, creating operational problems for SHP Costa Rica, which requires dredging to allow operation, and generates costs that were not anticipated in the initial project. In this scenario was proposed a plant recovery of degraded areas with the use of biotechnology in no-tillage system of native Cerrado species intercropped with legumes inoculated with Rhizobium. The simulation of InVEST for future scenario with plant recovery of 13.78 km2 of hydric permanent preservation areas in the SHP Costa Rica basin generated a reduction of 6464.99 Mg year-1 in the total loss of sediment in small watersheds. The adoption of conservation practices by farmers of the SHP Costa Rica basin can mitigate the erosive processes, increase the productive capacity of soils and reduce the costs of this hydropower plant with dredging in the adduction channel. / FUNDUNESP: 1886/2011

Submitted by THIAGO TAZINAZZO MAZER null (thiago.mazer@gmail.com) on 2016-03-29T01:38:47Z No. of bitstreams: 1 Mestrado_TMazer_Defesa_v5.pdf: 2788915 bytes, checksum: 06d3dd7e4de2bccbf1a112feee83a4ed (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-03-29T19:10:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mazer_tt_me_guara.pdf: 2788915 bytes, checksum: 06d3dd7e4de2bccbf1a112feee83a4ed (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-29T19:10:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mazer_tt_me_guara.pdf: 2788915 bytes, checksum: 06d3dd7e4de2bccbf1a112feee83a4ed (MD5) Previous issue date: 2016-02-18 / A evolução das unidades geradoras hidráulicas é constante, sempre visando a redução de custos, mantendo ou melhorando os fatores de desempenho já alcançados. Em consequência disso têm-se em geral máquinas menores, com velocidade de rotação mais elevada e maiores solicitações mecânicas, além de estruturas com massa otimizada e consequentemente mais flexíveis. Nesse contexto, conhecer o comportamento dinâmico dos rotores das turbinas hidráulicas e ter a capacidade de simulá-los com precisão passa a ser fundamental. No presente estudo é desenvolvido um modelo em escala representativo de uma linha de eixo rotativo de turbina hidráulica de grande porte com o objetivo de avaliar o seu comportamento dinâmico, permitindo que os resultados teóricos possam ser comparados com resultados experimentais, este último não faz parte do escopo do presente trabalho. Em uma primeira etapa as dimensões do modelo em escala são determinadas por uma análise dimensional, que permite elaborar os desenhos tanto do rotor quanto de seus suportes. Os parâmetros de rigidez dos suportes são então determinados por meio de análise estrutural estática em elementos finitos (EF). Esses parâmetros são utilizados então na análise dinâmica do rotor, também em EF, permitindo obter o diagrama de Campbell (frequências naturais e seus respectivos modos em função da rotação do eixo) e a resposta harmônica ao desbalanceamento. Diferentes valores de amortecimento e desbalanceamento são assumidos nessa análise, e suas influências no comportamento dinâmico do rotor são avaliadas e discutidas. Também são avaliados os efeitos da estrutura base que suporta os mancais (fundação) na dinâmica da máquina rotativa como um todo. Por fim uma bancada experimental foi construída, sendo que a análise experimental fica como proposta para trabalhos futuros. / The evolution of hydro power units is constant, always aiming to reduce costs while maintaining or improving performance already achieved. Consequently the sizes of the components have being reduced, while rotational speed and mechanical stresses have being increased. Also, supporting structures have being optimized in weight, becoming more flexible. In this context, it is crucial to know the dynamic behavior of the rotors of hydro power units and to have the ability to simulate them accurately. In this study a representative model of a large hydro power rotor is developed in order to evaluate its dynamic behavior, allowing the comparison between theoretical results with experimental results, the latter is not part of scope of this work. In a first stage the scale model geometry is determined by a dimensional analysis, which allows elaborate the designs of the scaled rotor and its supports. The supports stiffness parameters are then determined by static structural finite element analysis (FEA). These parameters are used in rotor dynamic analysis, also in FEA, enabling the construction of Campbell diagram (natural frequencies and their respective modes shaft rotation function) and the harmonic response to unbalance. Different values of damping and unbalance are assumed in these analyses, and their influence on the rotor dynamic behavior are evaluated and discussed. The effects of the base structure supporting the bearings (also known as foundation) on the dynamics of the rotating machine as a whole are also evaluated. Finally an experimental bench was built, however the experimental analysis is proposed for future work.

Um processo alternativo à solda por arco para aplicação em materiais de difícil junção ou em ambientes submersos é a solda por fricção. Neste trabalho foi desenvolvido um equipamento de solda por fricção para pesquisas e determinação de parâmetros ótimos de soldagem em diferentes meios. Para verificar o desempenho do equipamento foi utilizado o processo de solda por fricção de pinos consumíveis. Os registros das variáveis de soldagem permite avaliar o comportamento do sistema para a faixa de operação utilizada. Diferentes uniões de aço de baixo carbono e aço de baixa liga foram obtidas. Mediante análises macrográficas da junta foi avaliada a zona afetada pelo calor e a presença de regiões com possível falta de preenchimento. O controle servohidráulico desenvolvido apresenta uma resposta dinâmica adequada para esta aplicação, no entanto são apresentadas algumas propostas de melhorias. / An alternative process to the conventional arc welding for mating difficult-to-join materials or in underwater environment is friction welding. During this work a friction welding equipment was developed for research and determination of optimum welding parameters under different environments. To evaluate the equipment performance the friction hydro pillar processing method was used. Data acquisition of the welding parameters allows assessing the system behavior within the operational range. Joints of low carbon and low alloy steels have been obtained. Macrographic analyses of the weld joint were performed to evaluate the heat affected zone and the presence of unfilled regions. The servohydraulic control developed have shown an adequate dynamic response for this application, nevertheless some improvements are proposed.

abstract: This thesis addresses the issue of making an economic case for bulk energy storage in the Arizona bulk power system. Pumped hydro energy storage (PHES) is used in this study. Bulk energy storage has often been suggested for large scale electric power systems in order to levelize load (store energy when it is inexpensive [energy demand is low] and discharge energy when it is expensive [energy demand is high]). It also has the potential to provide opportunities to avoid transmission and generation expansion, and provide for generation reserve margins. As the level of renewable energy resources increases, the uncertainty and variability of wind and solar resources may be improved by bulk energy storage technologies. For this study, the MATLab software platform is used, a mathematical based modeling language, optimization solvers (specifically Gurobi), and a power flow solver (PowerWorld) are used to simulate an economic dispatch problem that includes energy storage and transmission losses. A program is created which utilizes quadratic programming to analyze various cases using a 2010 summer peak load from the Arizona portion of the Western Electricity Coordinating Council (WECC) system. Actual data from industry are used in this test bed. In this thesis, the full capabilities of Gurobi are not utilized (e.g., integer variables, binary variables). However, the formulation shown here does create a platform such that future, more sophisticated modeling may readily be incorporated. The developed software is used to assess the Arizona test bed with a low level of energy storage to study how the storage power limit effects several optimization outputs such as the system wide operating costs. Large levels of energy storage are then added to see how high level energy storage affects peak shaving, load factor, and other system applications. Finally, various constraint relaxations are made to analyze why the applications tested eventually approach a constant value. This research illustrates the use of energy storage which helps minimize the system wide generator operating cost by "shaving" energy off of the peak demand. The thesis builds on the work of another recent researcher with the objectives of strengthening the assumptions used, checking the solutions obtained, utilizing higher level simulation languages to affirm results, and expanding the results and conclusions. One important point not fully discussed in the present thesis is the impact of efficiency in the pumped hydro cycle. The efficiency of the cycle for modern units is estimated at higher than 90%. Inclusion of pumped hydro losses is relegated to future work. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2014

abstract: With growing concern regarding environmental issues and the need for a more sustainable grid, power systems have seen a fast expansion of renewable resources in the last decade. The uncertainty and variability of renewable resources has posed new challenges on system operators. Due to its energy-shifting and fast-ramping capabilities, energy storage (ES) has been considered as an attractive solution to alleviate the increased renewable uncertainty and variability. In this dissertation, stochastic optimization is utilized to evaluate the benefit of bulk energy storage to facilitate the integration of high levels of renewable resources in transmission systems. A cost-benefit analysis is performed to study the cost-effectiveness of energy storage. A two-step approach is developed to analyze the effectiveness of using energy storage to provide ancillary services. Results show that as renewable penetrations increase, energy storage can effectively compensate for the variability and uncertainty in renewable energy and has increasing benefits to the system. With increased renewable penetrations, enhanced dispatch models are needed to efficiently operate energy storage. As existing approaches do not fully utilize the flexibility of energy storage, two approaches are developed in this dissertation to improve the operational strategy of energy storage. The first approach is developed using stochastic programming techniques. A stochastic unit commitment (UC) is solved to obtain schedules for energy storage with different renewable scenarios. Operating policies are then constructed using the solutions from the stochastic UC to efficiently operate energy storage across multiple time periods. The second approach is a policy function approach. By incorporating an offline analysis stage prior to the actual operating stage, the patterns between the system operating conditions and the optimal actions for energy storage are identified using a data mining model. The obtained data mining model is then used in real-time to provide enhancement to a deterministic economic dispatch model and improve the utilization of energy storage. Results show that the policy function approach outperforms a traditional approach where a schedule determined and fixed at a prior look-ahead stage is used. The policy function approach is also shown to have minimal added computational difficulty to the real-time market. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Engineering 2016