O aumento da população e o desenvolvimento da economia criam a necessidade de expansão de mais de quatro mil Megawatts da energia nova por ano no Sistema Interligado Nacional (SIN). O sistema elétrico brasileiro é peculiar, devido a sua grande capacidade, extensão continental e grande dependência na energia renovável hídrica. Outra peculiaridade é a capacidade potencial de inserção de outras formas da energia renováveis “verdes” no sistema. Embora as vantagens ambientais das energias renováveis, elas têm limitações, são variáveis e dependentes das condições climáticas. Para que o setor elétrico brasileiro possa atuar com confiabilidade com mais energia renovável deve haver concomitante mais energia firme de origem térmica disponível. Assim o trabalho analisa, na perspectiva global, o estado da arte e as tendências das fontes de geração elétrica, sob o ponto de vista de disponibilidade, preço e sustentação ambiental. De forma especial, o trabalho analisa as opções de geração térmica no Brasil. Conclui pela necessidade do Brasil priorizar o uso dos recursos disponíveis dentro de suas fronteiras como o carvão mineral para garantir a geração térmica elétrica auto-suficiente. O trabalho demonstra as vantagens sociais e de desenvolvimento de uma indústria do carvão para as regiões produtoras. Aponta também a necessidade de implementação de tecnologias modernas a fim de atender à legislação ambiental, que gradativamente deve aumentar as restrições das emissões poluentes, na medida em que as tecnologias forem desenvolvidas. / The population and economy growth in Brazil generate the necessity of an expansion higher than four thousand Megawatts of new electric energy per year. The Brazilian Electrical System is peculiar because of its continental extension and also its strong dependence in renewable energy (hydro). Another reason for its peculiarity is the potential of inserting other forms of renewable and “green” energy in the system. Although the environmental advantages of the “renewable”, these kinds of energies are variable and dependant of the weather conditions. In order to the electrical system be more reliable, its operation must be combined with a larger addition of thermal energy. Thus this report analyses thermal generation option in Brazil. Looking at the developed countries trends in diversify power generation, the article indicates the advantages and the priority of using, in Brazil, internal resources like coal to guarantee the self-sufficient thermal generation electrical capacity. The dissertation demonstrates the social advantages to develop the coal industry for the producers region, witch are poor areas in Brazil. The proposition points the need of implement modern technologies in order to attend the environmental legislation, which must increase the emissions restrictions as these technologies are developed.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica - Energia Térmica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na BOSCH-Thermotechnik Gmbh, e orientado pelo Eng. Renato Sousa / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Energia Térmica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Este trabalho apresenta a otimização de sistemas de acumulação sensível de energia térmica, submetidos a fontes de energia intermitentes (solar). Este tipo de sistema de acumulação é definido pelo seu material de acumulação e pelo fluido de trabalho, que realiza o transporte da energia. A metodologia empregada consiste em aplicar o modelo da capacitância global para descrever o comportamento dinâmico do material de acumulação, disposto na forma de placas planas paralelas, enquanto que o fluido de trabalho foi modelado via balanço de energia. O material de acumulação foi dividido em diversas seções menores, de modo a satisfazer a condição de validade do modelo da capacitância global, resultando em números de Biot menores ou iguais a 0,1, para cada seção. Os parâmetros identificados para a otimização foram a geometria do material de acumulação (número de placas e volume), propriedades do material de acumulação (massa específica e calor específico) e vazão do fluido de trabalho. Definiu-se a função a ser minimizada como o módulo da diferença entre a taxa de energia de saída do sistema de acumulação e a taxa de energia de saída alvo. Os resultados para duas geometrias e materiais distintos (aço AISI304 e granito), foram comparados com simulações efetuadas com o software comercial COMSOL, e os desvios encontrados ficaram na faixa de 10,16% a 8,88% para o aço e de 1,45% a 0,25% para o granito. A formulação proposta neste trabalho foi implementada no programa Engineering Equation Solver (EES), e otimizada com algoritmos genéticos. Observou-se que a massa específica e o calor específico são parâmetros que podem ser avaliados pelo seu produto (capacidade térmica volumétrica), quando a massa do material de acumulação não foi fixada. Para os casos nos quais a massa foi definida, o calor específico e a massa específica devem ser considerados parâmetros independentes, pois cada um atuou de forma diferente sobre o sistema. Observou-se que aumentando a quantidade de parâmetros de otimização, a diferença entre a taxa de energia na saída e a mesma taxa alvo diminuiu. Na simulação com dois parâmetros de otimização, a diferença relativa máxima entre estas taxas foi de 50%, enquanto que para quatro parâmetros de otimização, este valor caiu para 24%. / This work presents the optimization of sensible heat storage system, subjected to intermittent energy sources (solar). This type of storage system is defined by its storage material and the working fluid, which transports the energy. The methodology consists of using the global capacitance method to describe the dynamic behavior of the storage material, disposed in the form of parallel flat plates, while the working fluid was modeled via an energy balance. The storage material was divided into several smaller sections in order to satisfy the validity condition of the global capacitance model, resulting in Biot numbers smaller or equal than 0.1 for each section. The optimized parameters were the geometry of the storage material (number of plates and volume), the storage material properties (mass and specific heat) and flow rate of the working fluid. The minimized objective function is the difference between the output energy rate of the storage system and the target output energy rate. The results for two different geometries and materials (steel AISI304 and granite), were compared to simulations performed with the commercial software COMSOL, and the deviations were found in the range of 10.16% to 8.88% for steel and 1,45% to 0.25% for granite. The formulation proposed in this paper is implemented in the Engineering Equation Solver (EES), and optimized with genetic algorithm. It was observed that the density and specific heat are parameters that can be evaluated for its product (volumetric heat capacity) when the mass of the storage material was not defined. For the cases where the mass was defined, the specific heat and the density should be considered independent parameters, as each one act differently in the system. It was observed that increasing the number of optimized parameters, the difference between the output energy rate and the same target rate decreased. In the simulation with two optimized parameters, the maximum relative difference between these rates was 50%, while for four optimized parameters, this value dropped to 24%.

Um método híbrido aplicado é proposto para um problema inverso que trata de uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente. As paredes são assumidas cinza e difusas, e o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. É um caso idealizado, mas que encontra ampla aplicação em sistemas de engenharia. Prescrevem-se duas condições de contorno na base da cavidade – temperatura e fluxo de calor – e, para satisfazêlas, buscam-se o fluxo de calor e a distribuição espacial dos aquecedores. Na superfície superior, que contêm os aquecedores, nenhuma condição de contorno é imposta. Este tipo de problema, quando solucionado através de técnicas convencionais, envolve um procedimento de tentativa e erro, que, além de demandar um elevado tempo computacional, conduz a resultados pouco precisos. Na análise inversa, opta-se por otimização ou pela aplicação de um método de regularização, pois o problema resultante é mal condicionado por envolver a equação integral de Fredholm de primeira espécie. Neste trabalho, optou-se por acoplar otimização e regularização como uma alternativa baseada no emprego distinto dessas duas formas de abordagem. A tarefa de busca por posições para os aquecedores ficou por conta do método da Otimização Extrema Generalizada, enquanto o método de regularização da Decomposição em Valores Singulares Truncada calcula o fluxo de calor dos aquecedores para cada configuração gerada pelo processo de otimização. A aplicação da técnica híbrida conduziu a resultados mais precisos do que aqueles que normalmente se obtêm apenas com regularização, reduzindo consideravelmente o tempo computacional da solução baseada apenas na otimização. / This work considers the inverse analysis in a three-dimensional rectangular enclosure with diffuse-gray surfaces. The locations and powers of the heaters sources are left unconstrained and two conditions are imposed on the design surface – uniform heat flux and temperature distributions. The solution to this kind of problem by conventional techniques is possible only with trial-and-error procedure and in this case, the forward solution will be run oftentimes without guarantee to find out a good answer. The aim is determine the powers and locations of the heaters to attain both uniform heat flux and temperature on the design surface. A new solution procedure – termed hybrid solution – which couples two methods, the Generalized Extremal Optimization (GEO) and the Truncated Singular Value Decomposition (TSVD) is proposed. The search of locations is treated as an optimization problem, by GEO algorithm, whereas the solution of the system equation, that embodies the Fredholm integral equation of first kind and, therefore, is expected to be ill-conditioned, is build up through a TSVD regularization method. The hybrid method provides better results than TSVD and, when compared with GEO, reduces the computational time substantially.

O aumento da população e o desenvolvimento da economia criam a necessidade de expansão de mais de quatro mil Megawatts da energia nova por ano no Sistema Interligado Nacional (SIN). O sistema elétrico brasileiro é peculiar, devido a sua grande capacidade, extensão continental e grande dependência na energia renovável hídrica. Outra peculiaridade é a capacidade potencial de inserção de outras formas da energia renováveis “verdes” no sistema. Embora as vantagens ambientais das energias renováveis, elas têm limitações, são variáveis e dependentes das condições climáticas. Para que o setor elétrico brasileiro possa atuar com confiabilidade com mais energia renovável deve haver concomitante mais energia firme de origem térmica disponível. Assim o trabalho analisa, na perspectiva global, o estado da arte e as tendências das fontes de geração elétrica, sob o ponto de vista de disponibilidade, preço e sustentação ambiental. De forma especial, o trabalho analisa as opções de geração térmica no Brasil. Conclui pela necessidade do Brasil priorizar o uso dos recursos disponíveis dentro de suas fronteiras como o carvão mineral para garantir a geração térmica elétrica auto-suficiente. O trabalho demonstra as vantagens sociais e de desenvolvimento de uma indústria do carvão para as regiões produtoras. Aponta também a necessidade de implementação de tecnologias modernas a fim de atender à legislação ambiental, que gradativamente deve aumentar as restrições das emissões poluentes, na medida em que as tecnologias forem desenvolvidas. / The population and economy growth in Brazil generate the necessity of an expansion higher than four thousand Megawatts of new electric energy per year. The Brazilian Electrical System is peculiar because of its continental extension and also its strong dependence in renewable energy (hydro). Another reason for its peculiarity is the potential of inserting other forms of renewable and “green” energy in the system. Although the environmental advantages of the “renewable”, these kinds of energies are variable and dependant of the weather conditions. In order to the electrical system be more reliable, its operation must be combined with a larger addition of thermal energy. Thus this report analyses thermal generation option in Brazil. Looking at the developed countries trends in diversify power generation, the article indicates the advantages and the priority of using, in Brazil, internal resources like coal to guarantee the self-sufficient thermal generation electrical capacity. The dissertation demonstrates the social advantages to develop the coal industry for the producers region, witch are poor areas in Brazil. The proposition points the need of implement modern technologies in order to attend the environmental legislation, which must increase the emissions restrictions as these technologies are developed.

Este trabalho apresenta a otimização de sistemas de acumulação sensível de energia térmica, submetidos a fontes de energia intermitentes (solar). Este tipo de sistema de acumulação é definido pelo seu material de acumulação e pelo fluido de trabalho, que realiza o transporte da energia. A metodologia empregada consiste em aplicar o modelo da capacitância global para descrever o comportamento dinâmico do material de acumulação, disposto na forma de placas planas paralelas, enquanto que o fluido de trabalho foi modelado via balanço de energia. O material de acumulação foi dividido em diversas seções menores, de modo a satisfazer a condição de validade do modelo da capacitância global, resultando em números de Biot menores ou iguais a 0,1, para cada seção. Os parâmetros identificados para a otimização foram a geometria do material de acumulação (número de placas e volume), propriedades do material de acumulação (massa específica e calor específico) e vazão do fluido de trabalho. Definiu-se a função a ser minimizada como o módulo da diferença entre a taxa de energia de saída do sistema de acumulação e a taxa de energia de saída alvo. Os resultados para duas geometrias e materiais distintos (aço AISI304 e granito), foram comparados com simulações efetuadas com o software comercial COMSOL, e os desvios encontrados ficaram na faixa de 10,16% a 8,88% para o aço e de 1,45% a 0,25% para o granito. A formulação proposta neste trabalho foi implementada no programa Engineering Equation Solver (EES), e otimizada com algoritmos genéticos. Observou-se que a massa específica e o calor específico são parâmetros que podem ser avaliados pelo seu produto (capacidade térmica volumétrica), quando a massa do material de acumulação não foi fixada. Para os casos nos quais a massa foi definida, o calor específico e a massa específica devem ser considerados parâmetros independentes, pois cada um atuou de forma diferente sobre o sistema. Observou-se que aumentando a quantidade de parâmetros de otimização, a diferença entre a taxa de energia na saída e a mesma taxa alvo diminuiu. Na simulação com dois parâmetros de otimização, a diferença relativa máxima entre estas taxas foi de 50%, enquanto que para quatro parâmetros de otimização, este valor caiu para 24%. / This work presents the optimization of sensible heat storage system, subjected to intermittent energy sources (solar). This type of storage system is defined by its storage material and the working fluid, which transports the energy. The methodology consists of using the global capacitance method to describe the dynamic behavior of the storage material, disposed in the form of parallel flat plates, while the working fluid was modeled via an energy balance. The storage material was divided into several smaller sections in order to satisfy the validity condition of the global capacitance model, resulting in Biot numbers smaller or equal than 0.1 for each section. The optimized parameters were the geometry of the storage material (number of plates and volume), the storage material properties (mass and specific heat) and flow rate of the working fluid. The minimized objective function is the difference between the output energy rate of the storage system and the target output energy rate. The results for two different geometries and materials (steel AISI304 and granite), were compared to simulations performed with the commercial software COMSOL, and the deviations were found in the range of 10.16% to 8.88% for steel and 1,45% to 0.25% for granite. The formulation proposed in this paper is implemented in the Engineering Equation Solver (EES), and optimized with genetic algorithm. It was observed that the density and specific heat are parameters that can be evaluated for its product (volumetric heat capacity) when the mass of the storage material was not defined. For the cases where the mass was defined, the specific heat and the density should be considered independent parameters, as each one act differently in the system. It was observed that increasing the number of optimized parameters, the difference between the output energy rate and the same target rate decreased. In the simulation with two optimized parameters, the maximum relative difference between these rates was 50%, while for four optimized parameters, this value dropped to 24%.

Submitted by MARCELO RAMSDORF (marceloramsdorf@gmail.com) on 2016-04-07T18:09:06Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Marcelo_Ramsdorf.pdf: 3773711 bytes, checksum: 2740d7feeceb5938048e38e5ea25595e (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-04-08T11:53:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ramsdorf_ma_me_guara.pdf: 3773711 bytes, checksum: 2740d7feeceb5938048e38e5ea25595e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-08T11:53:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ramsdorf_ma_me_guara.pdf: 3773711 bytes, checksum: 2740d7feeceb5938048e38e5ea25595e (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Não recebi financiamento / O uso de células combustível de baixa temperatura embarcadas em aeronaves pode favorecer a geração de energia elétrica sem maiores impactos ambientais. Se, por um lado, o projeto de aeronaves atuais requer o uso de sistemas dedicados, por outro há uma maior demanda de energia elétrica a bordo. Isto significa que a pressurização da cabine, o sistema anti-gelo e a hidráulica da aeronave não devem depender da extração de ar do compressor das turbinas ou da potência de eixo. Entretanto, células combustível a hidrogênio apresentam dificuldades aos projetistas devido aos tanques de armazenamento, componentes em alta pressão e altas temperaturas para a reforma. Neste contexto, as células-combustível a etanol direto são uma tecnologia promissora. Publicações recentes mostram que, devido à baixa eficiência, células a etanol líquido em eletrólitos de membrana polimérica produzem calor residual. Conforme o Diagrama de Sankey obtido neste trabalho, 68% da energia total do combustível é convertida em calor, que deve ser gerenciado para evitar o ressecamento da membrana e o colapso do sistema. No presente trabalho um arranjo teórico de células a etanol direto é estudado. A metodologia leva em conta as demandas de energia de uma aeronave a jato de transporte regional em cada etapa do voo (táxi, decolagem, cruzeiro, descida e pouso). O trabalho apresenta uma contribuição inédita pela análise exergética do arranjo, que fornece um bom critério para a melhor escolha entre um sistema de cogeração ou recuperação de calor a bordo. Em um sistema otimizado, o calor residual pode ser utilizado no aquecimento de cabine ou aquecimento do combustível da aeronave. São apresentadas algumas estimativas de capacidade de aquecimento do combustível e da produção de água aquecida. A metodologia pode auxiliar o projetista a escolher entre duas configurações possíveis (com recuperação de calor no aquecimento de cabine ou puramente elétrico) dependendo da missão proposta para a aeronave. / The use of low temperature fuel cell stacks onboard aircrafts may provide a good way to generate electricity with less environment impact. Nowadays, the design of jet aircrafts requires embedded systems, which demand more electric power. This means that cabin air pressure, anti-icing and hydraulics should not depend on the engine bleed air or shaft power. However, hydrogen fuel cells pose difficulties for aircraft designers due to the storage tanks, high pressure systems and high temperatures for reforming. In this context, direct ethanol polimeric fuel cells are a promising technology. Recent publications show that the low efficiency of liquid ethanol in polymeric electrolyte produces waste heat. According to the Sankey Diagram obtained, 68% of the total input energy is heat that must be managed to avoid electrolyte drying and system collapse. In this article, a theoretical direct ethanol fuel cell stack is studied. The methodology takes into account the energy demands of a regional jet for each flight regime (start up, taxi, take off, cruise, descend and landing). It provides an unprecedented exergetic analysis that points out a good hint to choose between cogeneration or heat recovery onboard aircraft. The waste heat may be recovered for cabin and aircraft fuel heating in an optimized system. Some predictions for aircraft fuel heating capacity and water production are also presented. The methodology may help designers to decide which configuration is more appropriate (whether use heat recovery for cabin heating or a pure electric fuel cell stack) for the aircraft mission sought.

O aumento da população e o desenvolvimento da economia criam a necessidade de expansão de mais de quatro mil Megawatts da energia nova por ano no Sistema Interligado Nacional (SIN). O sistema elétrico brasileiro é peculiar, devido a sua grande capacidade, extensão continental e grande dependência na energia renovável hídrica. Outra peculiaridade é a capacidade potencial de inserção de outras formas da energia renováveis “verdes” no sistema. Embora as vantagens ambientais das energias renováveis, elas têm limitações, são variáveis e dependentes das condições climáticas. Para que o setor elétrico brasileiro possa atuar com confiabilidade com mais energia renovável deve haver concomitante mais energia firme de origem térmica disponível. Assim o trabalho analisa, na perspectiva global, o estado da arte e as tendências das fontes de geração elétrica, sob o ponto de vista de disponibilidade, preço e sustentação ambiental. De forma especial, o trabalho analisa as opções de geração térmica no Brasil. Conclui pela necessidade do Brasil priorizar o uso dos recursos disponíveis dentro de suas fronteiras como o carvão mineral para garantir a geração térmica elétrica auto-suficiente. O trabalho demonstra as vantagens sociais e de desenvolvimento de uma indústria do carvão para as regiões produtoras. Aponta também a necessidade de implementação de tecnologias modernas a fim de atender à legislação ambiental, que gradativamente deve aumentar as restrições das emissões poluentes, na medida em que as tecnologias forem desenvolvidas. / The population and economy growth in Brazil generate the necessity of an expansion higher than four thousand Megawatts of new electric energy per year. The Brazilian Electrical System is peculiar because of its continental extension and also its strong dependence in renewable energy (hydro). Another reason for its peculiarity is the potential of inserting other forms of renewable and “green” energy in the system. Although the environmental advantages of the “renewable”, these kinds of energies are variable and dependant of the weather conditions. In order to the electrical system be more reliable, its operation must be combined with a larger addition of thermal energy. Thus this report analyses thermal generation option in Brazil. Looking at the developed countries trends in diversify power generation, the article indicates the advantages and the priority of using, in Brazil, internal resources like coal to guarantee the self-sufficient thermal generation electrical capacity. The dissertation demonstrates the social advantages to develop the coal industry for the producers region, witch are poor areas in Brazil. The proposition points the need of implement modern technologies in order to attend the environmental legislation, which must increase the emissions restrictions as these technologies are developed.

Um método híbrido aplicado é proposto para um problema inverso que trata de uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente. As paredes são assumidas cinza e difusas, e o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. É um caso idealizado, mas que encontra ampla aplicação em sistemas de engenharia. Prescrevem-se duas condições de contorno na base da cavidade – temperatura e fluxo de calor – e, para satisfazêlas, buscam-se o fluxo de calor e a distribuição espacial dos aquecedores. Na superfície superior, que contêm os aquecedores, nenhuma condição de contorno é imposta. Este tipo de problema, quando solucionado através de técnicas convencionais, envolve um procedimento de tentativa e erro, que, além de demandar um elevado tempo computacional, conduz a resultados pouco precisos. Na análise inversa, opta-se por otimização ou pela aplicação de um método de regularização, pois o problema resultante é mal condicionado por envolver a equação integral de Fredholm de primeira espécie. Neste trabalho, optou-se por acoplar otimização e regularização como uma alternativa baseada no emprego distinto dessas duas formas de abordagem. A tarefa de busca por posições para os aquecedores ficou por conta do método da Otimização Extrema Generalizada, enquanto o método de regularização da Decomposição em Valores Singulares Truncada calcula o fluxo de calor dos aquecedores para cada configuração gerada pelo processo de otimização. A aplicação da técnica híbrida conduziu a resultados mais precisos do que aqueles que normalmente se obtêm apenas com regularização, reduzindo consideravelmente o tempo computacional da solução baseada apenas na otimização. / This work considers the inverse analysis in a three-dimensional rectangular enclosure with diffuse-gray surfaces. The locations and powers of the heaters sources are left unconstrained and two conditions are imposed on the design surface – uniform heat flux and temperature distributions. The solution to this kind of problem by conventional techniques is possible only with trial-and-error procedure and in this case, the forward solution will be run oftentimes without guarantee to find out a good answer. The aim is determine the powers and locations of the heaters to attain both uniform heat flux and temperature on the design surface. A new solution procedure – termed hybrid solution – which couples two methods, the Generalized Extremal Optimization (GEO) and the Truncated Singular Value Decomposition (TSVD) is proposed. The search of locations is treated as an optimization problem, by GEO algorithm, whereas the solution of the system equation, that embodies the Fredholm integral equation of first kind and, therefore, is expected to be ill-conditioned, is build up through a TSVD regularization method. The hybrid method provides better results than TSVD and, when compared with GEO, reduces the computational time substantially.