Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents a project of a integrated system with distinct energy generating modules using a wind generator, photovoltaic generator, fuel cells stack (FCs) and an accumulator of energy formed by a bank of batteries. This system was implemented in the Center of Studies in Energy and Environment-CEEMA-UFSM. The alternative sources of energy were connected in such a way as to inject current to a common DC bus avoiding so current circulation among sources due to individual voltage differences. The bus voltage is controlled by modulation of a secondary load in parallel with the main load. Along all tests, it was used the algorithm "Hill Climbing Control" (HCC) to maximize the generated power in the wind generator and in the photovoltaic generator. The FC operating principles are shown in more details with respect to their static and dynamic characteristics. In this MSc dissertation a FC simulator was used connected to real electric loads. A DC-DC Boost-type converter connects each primary source to the DC bus, and a Buck-Boost DC-DC converter with an integrated to control the charge and discharge states of the storage system (bank of batteries). Finally, numerical results were presented for all electric simulations so completing the hybrid system. After discussion of these results, a practical implementation was made to verify the numerical simulations with variable loads fed by the maximized generated powers from the sources. / Esta dissertação refere-se ao desenvolvimento de um sistema de integração entre uma pilha de células a combustível (CaCs), e outros módulos geradores de energia alternativa utilizando gerador eólico, gerador fotovoltaico e um acumulador de energia formado por um banco de baterias. Este sistema foi implementado no Centro de Estudos em Energia e Meio Ambiente-CEEMA, no Centro de Tecnologia da UFSM. As fontes alternativas de energia foram conectadas de forma a injetarem corrente CC em um barramento comum de forma a evitar a circulação de corrente entre as fontes devido à diferença de tensão das mesmas. A tensão no barramento é controlada pelo chaveamento de uma carga secundária em paralelo com a carga principal. É utilizado o algoritmo "Hill Climbing Control" (HCC) para maximizar a potência gerada pela associação do gerador eólico com o gerador fotovoltaico. Evidencia-se neste estudo o princípio de funcionamento das CaCs, suas características elétricas estáticas e dinâmicas quando associada a outras fontes de energia. No desenvolvimento dos trabalhos usou-se um simulador de CaC com cargas elétricas reais. Um conversor CC-CC do tipo Boost conecta cada fonte primária ao barramento CC e para o banco de baterias utiliza-se um conversor CCCC do tipo Buck-Boost para controle do estado de carga e descarga. Os resultados obtidos nas simulações do sistema híbrido e em seguida os resultados dos ensaios de laboratório foram obtidos com a implementação prática de um protótipo que permite variações de cargas e variação da potência gerada nas fontes.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Currently, several research groups have been devoted to the production of superconducting films. This interest lies on the facility of their manipulation, on the understanding of basic concepts of the superconductivity and, especially, in the possibility of reducing them to dimensions compatible to their application as devices. Therefore, there is a great technological and academic interest in this issue. The most used material in superconducting devices is the niobium (Nb) and its alloys. Although Nb has been known as superconductor since 1930, the interest in excellent films of this material still remains. In this work, using a DC magnetron sputtering technique, we have developed an experimental method that allows one to produce superconducting Nb films of good quality - transition temperature of 9.1 K and transition width of 0.2 K. Therefore, we performed a systematic study of the setup parameters that influences the structural and superconducting properties of the films. In particular, we have analyzed the evolution of the lattice parameter, average grain size crystalline and critical temperature. Such values have been compared in a diagram. Nb films exhibit flux avalanches at certain values of field and temperature. We have detected and visualized the occurrence of avalanches of magnetic flux in Nb films and, in order to suppress the abrupt flux penetration, we have coupled to the films of thickness of 200 nm, thick metal layers of aluminum, silver and copper of different thicknesses, so called hybrid systems - Superconductor/Normal Metal. In this work piece, two experimental techniques have been employed: magnetometry and magneto-optical imaging. A partial suppression of avalanches in the hybrid systems has been observed. / Atualmente, diversos grupos de pesquisa têm se dedicado à fabricação de filmes supercondutores. O interesse reside na facilidade de manipulação, no entendimento de conceitos básicos do fenômeno da supercondutividade e, principalmente, na possibilidade de reduzi-los a dimensões compatíveis à aplicação como dispositivos. Portanto, há um grande interesse acadêmico e tecnológico nesta área. O material mais utilizado na construção de dispositivos supercondutores é o nióbio (Nb) e suas ligas. Apesar do Nb ser conhecido como supercondutor desde 1930, o interesse em excelentes filmes desse material ainda persiste. Neste trabalho, utilizamos a técnica de magnetron sputtering DC, com a qual estabelecemos uma rotina experimental que possibilitou produzir filmes supercondutores de Nb de boa qualidade - temperatura crítica de 9,1 K e largura de transição de 0,2 K. Para tanto, realizamos um estudo sistemático de como os valores dos parâmetros experimentais influenciam nas propriedades estruturais e supercondutoras dos filmes. Em particular, analisamos a evolução do parâmetro de rede, do tamanho médio dos grãos cristalinos e da temperatura crítica com os valores das variáveis de deposição e, por conseguinte, comparamos esses valores em um diagrama. Filmes de Nb exibem avalanches de fluxo magnético quando submetidos a certos valores de campo e temperatura. Detectamos e visualizamos a ocorrência de avalanches de fluxo magnético nos filmes de Nb produzidos e, com o intuito de suprimir as penetrações abruptas de fluxo, acoplamos a filmes de 200 nm de espessura camadas metálicas de alumínio, prata e cobre de diferentes espessuras, denominados sistemas híbridos - Supercondutor/Metal Normal. Este estudo foi conduzido por meio de duas técnicas experimentais: magnetometria volumétrica e imageameto magneto-ótico. Observamos uma supressão parcial das avalanches de fluxo magnético nos sistemas híbridos.

El Raonament Basat en Casos (CBR) és un paradigma d'aprenentatge basat en establir analogies amb problemes prèviament resolts per resoldre'n de nous. Per tant, l'organització, l'accés i la utilització del coneixement previ són aspectes claus per tenir èxit en aquest procés. No obstant, la majoria dels problemes reals presenten grans volums de dades complexes, incertes i amb coneixement aproximat i, conseqüentment, el rendiment del CBR pot veure's minvat degut a la complexitat de gestionar aquest tipus de coneixement. Això ha fet que en els últims anys hagi sorgit una nova línia de recerca anomenada Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval enfocada en mitigar aquests efectes. D'aquí neix el context d'aquesta tesi.Dins de l'ampli ventall de tècniques Soft-Computing per tractar coneixement complex, els Mapes Autoorganitzatius (SOM) destaquen sobre la resta per la seva capacitat en agrupar les dades en patrons, els quals permeten detectar relacions ocultes entre les dades. Aquesta capacitat ha estat explotada en treballs previs d'altres investigadors, on s'ha organitzat la memòria de casos del CBR amb SOM per tal de millorar la recuperació dels casos.La finalitat de la present tesi és donar un pas més enllà en la simple combinació del CBR i de SOM, de tal manera que aquí s'introdueixen les capacitats de Soft-Computing i de Knowledge Discovery de SOM en totes les fases del CBR per nodrir-les del nou coneixement descobert. A més a més, les mètriques de complexitat apareixen en aquest context com un instrument precís per modelar el funcionament de SOM segons la tipologia de les dades. L'assoliment d'aquesta integració es pot dividir principalment en quatre fites: (1) la definició d'una metodologia per determinar la millor manera de recuperar els casos tenint en compte la complexitat de les dades i els requeriments de l'usuari; (2) la millora de la fiabilitat de la proposta de solucions gràcies a les relacions entre els clústers i els casos; (3) la potenciació de les capacitats explicatives mitjançant la generació d'explicacions simbòliques; (4) el manteniment incremental i semi-supervisat de la memòria de casos organitzada per SOM.Tots aquests punts s'integren sota la plataforma SOMCBR, la qual és extensament avaluada sobre datasets provinents de l'UCI Repository i de dominis mèdics i telemàtics.Addicionalment, la tesi aborda de manera secundària dues línies de recerca fruït dels requeriments dels projectes on ha estat ubicada. D'una banda, s'aborda la definició de funcions de similitud específiques per definir com comparar un cas resolt amb un de nou mitjançant una variant de la Computació Evolutiva anomenada Evolució de Gramàtiques (GE). D'altra banda, s'estudia com definir esquemes de cooperació entre sistemes heterogenis per millorar la fiabilitat de la seva resposta conjunta mitjançant GE. Ambdues línies són integrades en dues plataformes, BRAIN i MGE respectivament, i són també avaluades amb els datasets anteriors. / El Razonamiento Basado en Casos (CBR) es un paradigma de aprendizaje basado en establecer analogías con problemas previamente resueltos para resolver otros nuevos. Por tanto, la organización, el acceso y la utilización del conocimiento previo son aspectos clave para tener éxito. No obstante, la mayoría de los problemas presentan grandes volúmenes de datos complejos, inciertos y con conocimiento aproximado y, por tanto, el rendimiento del CBR puede verse afectado debido a la complejidad de gestionarlos. Esto ha hecho que en los últimos años haya surgido una nueva línea de investigación llamada Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval focalizada en mitigar estos efectos. Es aquí donde nace el contexto de esta tesis.Dentro del amplio abanico de técnicas Soft-Computing para tratar conocimiento complejo, los Mapas Autoorganizativos (SOM) destacan por encima del resto por su capacidad de agrupar los datos en patrones, los cuales permiten detectar relaciones ocultas entre los datos. Esta capacidad ha sido aprovechada en trabajos previos de otros investigadores, donde se ha organizado la memoria de casos del CBR con SOM para mejorar la recuperación de los casos.La finalidad de la presente tesis es dar un paso más en la simple combinación del CBR y de SOM, de tal manera que aquí se introducen las capacidades de Soft-Computing y de Knowledge Discovery de SOM en todas las fases del CBR para alimentarlas del conocimiento nuevo descubierto. Además, las métricas de complejidad aparecen en este contexto como un instrumento preciso para modelar el funcionamiento de SOM en función de la tipología de los datos. La consecución de esta integración se puede dividir principalmente en cuatro hitos: (1) la definición de una metodología para determinar la mejor manera de recuperar los casos teniendo en cuenta la complejidad de los datos y los requerimientos del usuario; (2) la mejora de la fiabilidad en la propuesta de soluciones gracias a las relaciones entre los clusters y los casos; (3) la potenciación de las capacidades explicativas mediante la generación de explicaciones simbólicas; (4) el mantenimiento incremental y semi-supervisado de la memoria de casos organizada por SOM. Todos estos puntos se integran en la plataforma SOMCBR, la cual es ampliamente evaluada sobre datasets procedentes del UCI Repository y de dominios médicos y telemáticos.Adicionalmente, la tesis aborda secundariamente dos líneas de investigación fruto de los requeri-mientos de los proyectos donde ha estado ubicada la tesis. Por un lado, se aborda la definición de funciones de similitud específicas para definir como comparar un caso resuelto con otro nuevo mediante una variante de la Computación Evolutiva denominada Evolución de Gramáticas (GE). Por otro lado, se estudia como definir esquemas de cooperación entre sistemas heterogéneos para mejorar la fiabilidad de su respuesta conjunta mediante GE. Ambas líneas son integradas en dos plataformas, BRAIN y MGE, las cuales también son evaluadas sobre los datasets anteriores. / Case-Based Reasoning (CBR) is an approach of machine learning based on solving new problems by identifying analogies with other previous solved problems. Thus, organization, access and management of this knowledge are crucial issues for achieving successful results. Nevertheless, the major part of real problems presents a huge amount of complex data, which also presents uncertain and partial knowledge. Therefore, CBR performance is influenced by the complex management of this knowledge. For this reason, a new research topic has appeared in the last years for tackling this problem: Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval. This is the point where this thesis was born.Inside the wide variety of Soft-Computing techniques for managing complex data, the Self-Organizing Maps (SOM) highlight from the rest due to their capability for grouping data according to certain patterns using the relations hidden in data. This capability has been used in a wide range of works, where the CBR case memory has been organized with SOM for improving the case retrieval.The goal of this thesis is to take a step up in the simple combination of CBR and SOM. This thesis presents how to introduce the Soft-Computing and Knowledge Discovery capabilities of SOM inside all the steps of CBR to promote them with the discovered knowledge. Furthermore, complexity measures appear in this context as a mechanism to model the performance of SOM according to data topology. The achievement of this goal can be split in the next four points: (1) the definition of a methodology for setting up the best way of retrieving cases taking into account the data complexity and user requirements; (2) the improvement of the classification reliability through the relations between cases and clusters; (3) the promotion of the explaining capabilities by means of the generation of symbolic explanations; (4) the incremental and semi-supervised case-based maintenance. All these points are integrated in the SOMCBR framework, which has been widely tested in datasets from UCI Repository and from medical and telematic domains. Additionally, this thesis secondly tackles two additional research lines due to the requirements of a project in which it has been developed. First, the definition of similarity functions ad hoc a domain is analyzed using a variant of the Evolutionary Computation called Grammar Evolution (GE). Second, the definition of cooperation schemes between heterogeneous systems is also analyzed for improving the reliability from the point of view of GE. Both lines are developed in two frameworks, BRAIN and MGE respectively, which are also evaluated over the last explained datasets.

O interesse mundial e os investimentos em fontes renováveis de energia têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Estas tecnologias têm a vantagem de aproveitar os recursos disponíveis localmente, reduzindo a dependência de fontes externas. Entretanto, um dos principais problemas associados a muitas das tecnologias de energias renováveis é sua imprevisibilidade ou intermitência. O armazenamento de energia é a técnica mais utilizada para moderar estas intermitências. Para aproveitamento em grande escala, os reservatórios hidrelétricos (de usinas hidrelétricas convencionais com reservatório e usinas hidrelétricas reversíveis) representam a tecnologia mais madura e amplamente aproveitada para armazenamento de energia elétrica na forma de energia potencial no volume de água. Isto faz destes uma opção importante a ser incluída no projeto de um sistema autônomo híbrido de geração de energia. Segundo diferentes autores consultados, o software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) é a ferramenta mais amplamente utilizada em pesquisas relacionadas à simulação e configuração ótima deste tipo de sistemas. Esta tese apresenta um conjunto de procedimentos para determinar, em nível de pré-viabilidade, a configuração ótima (em termos do custo presente líquido) e o conjunto de arranjos viáveis de um sistema autônomo de geração de energia incluindo fontes renováveis intermitentes e reservatórios hidrelétricos. O software HOMER é aplicado na simulação e avaliação dos sistemas híbridos dos estudos de caso hipotéticos do presente trabalho, utilizados para validar os métodos propostos. Estes exemplos foram criados a partir de dados reais relacionados ao Estado de Rio Grande do Sul. Os procedimentos descritos são aplicáveis a qualquer região do mundo onde exista um local com potencial para reservatórios hidrelétricos, assim como dados de disponibilidade e custos relacionados a fontes renováveis intermitentes. Além de determinar a configuração ótima e o conjunto de arranjos viáveis, os resultados obtidos indicam que os procedimentos descritos podem ajudar na definição da melhor utilização de um local com potencial hidrelétrico. Igualmente, permitem estimar a quantidade de eletricidade excedente que poderia ser recuperada através de usinas reversíveis. Os resultados mostram que configuração ótima depende de muitos fatores, tais como restrições hidrológicas, a carga a ser atendida e o custo de geração de cada fonte. / Global interest and investments in renewable energy sources has increased considerably in recent years. These technologies have the advantage of using locally available resources, reducing dependence on external energy sources. However, most renewable energy technologies suffer from an intermittent characteristic due to the diurnal and seasonal patterns of the natural resources needed for power generation. Energy Storage is the most used technique to buffer this intermittency. For large-scale applications, hydropower reservoirs (of conventional and pumped storage plants) are the most mature and the most widely employed technology for electricity storage in the form of potential energy. For this reason, a hydropower reservoir is a suitable option to consider including in an autonomous hybrid power system. According to many authors, the HOMER model (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) is the most widely used tool in research studies related to simulation and optimal design of this type of systems. This thesis presents some procedures to define, as a pre-feasibility assessment, the optimal configuration (in terms of Net Present Cost) and set of feasible designs of an autonomous hybrid power system that includes intermittent renewable energy sources and hydropower reservoirs. The HOMER software is used for simulating and evaluating the hybrid power systems of the hypothetical case studies, used to validate the proposed methods. These examples were created based on real data related to the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The procedures described can be adapted to any other region of the world where exists a site suitable for the construction of hydropower reservoirs, along with available data regarding intermittent renewable sources and generation costs. Besides defining the optimal configuration and the set of feasible designs, the results indicate that the procedures explained could help in the definition of the best use of a site with hydropower potential. Likewise, these methods can also be used to estimate how much excess electricity can be recovered by means of pumped storage hydropower. The results show that the optimal system design depends on many factors such as hydrological constraints, average load to serve and energy cost of each source.

The experience of electric energy shortage in 2001 demonstrated that our dependence almost exclusively on hydroelectricity could fetch great problems to Brazil. Thus being, the existence of trustworthy alternatives of energy must exist, at the very least, as a reserve. For this reason, the perspective of decentralizing the energy production as a form of promoting the socioeconomic development of remote communities not connected to the public distribution system as well for mass production of electricity, are the motivations of this work. Such situation justified the analysis of performance and development of the integration of diverse types of alternative primary sources by transforming them into current sources as a means of preventing the circulation of current due to voltage differences across the sources. Control of the load voltage uses the modulation of a secondary load in parallel with a primary load in such a way that current excesses from the current sources are drained only through the secondary load, remaining unchanged the conditions for the primary load. To manage the voltage and current distribution in the main load, a module, dedicated and expandable controller is proposed for hybrid systems of electric energy generation such as those using wind-solar-storage for generation of electric energy in a trustworthy form, unassisted and independent. The proposed integrated system of energy does allow the control and integration of the most usual forms of energy generation such as hydraulic, wind, storage of energy, specially, in batteries. The control program is also adjusted to integrate other forms of generation, independent of its origin. The control as a whole is based on the algorithm "Hill Climbing Control" (HCC) for individual maximization of the generated power and rotation in each source and regulating the voltage across the load, in order to get the best advantage from the installations. In this dissertation is also shown some practical results about the proposed theory on a prototype of control based on the micro controller PIC18F452 for distribution of energy from a power plant of electric energy generation installed and operating in the CEEMA-UFSM campus. Furthermore, the controller module of power as presented in this work is more useful among others because it allows the use of hybrid electronics and microelectronics that are able of concentrating several circuits in a only "chip", including control functions for power conversion, A/D devices, program memory, data memory, modules for capture and comparison, timers and PWM modules. / A experiência do racionamento de energia elétrica no ano de 2001 no Brasil demonstrou que nossa dependência quase que exclusivamente da hidroeletricidade pode nos trazer grandes problemas. Assim sendo, a existência de alternativas de energia confiáveis deve existir, no mínimo, como reserva. Por esse motivo, a perspectiva da descentralização da produção de energia como forma de promoção do desenvolvimento sócio-econômico de comunidades não atendidas pelas formas convencionais de energia bem como para produção em massa de energias alternativas para grandes sistemas de potência, foram as motivações deste trabalho. A necessidade de um conhecimento melhor da integração entre as fontes de energia. Tais temas justificaram a realização da análise do desempenho e o desenvolvimento de tecnologia para a integração de diversos tipos de fontes alternativas transformadas em fontes de corrente como forma de se evitar a circulação de correntes entre as fontes por diferenças individuais de tensão. O controle da tensão de carga usa a modulação de uma carga secundária em paralelo com outra primária tal que os excessos de corrente das fontes sejam drenados apenas para a carga secundária mantendo-se inalteradas as condições da carga primária. Para gerenciar a distribuição das correntes e a tensão na carga principal, utilizou-se um controlador modular, dedicado e expansível para sistemas híbridos de geração de energia elétrica tais como o eólico-solararmazenamento para geração de energia elétrica de forma confiável, desassistida e autônoma. O sistema de energia desenvolvido permite o controle e o acionamento integrados das formas mais conhecidas de geração de energia envolvendo fontes como a hidráulica, a eólica, armazenadores de energia, em especial, as baterias. O programa de controle é adequado para integrar outras formas de geração, independente de sua origem. O controle como um todo, baseia-se no algoritmo "Hill Climbing Control" (HCC) para maximização individual da potência gerada em cada fonte e para o contingenciamento da rotação pela carga, de modo a se obter o melhor proveito das instalações. Por outro lado, a tensão de saída é modulada através da carga secundária de tal forma a compor uma impedância a ser vista pela fonte de corrente resultante das fontes primárias que estabilize em torno da tensão nominal. Esta dissertação mostra os resultados práticos relativos a um protótipo de controle baseado no PIC18F452 para distribuição de energia a partir de uma central de geração de energia elétrica instalado e funcionando no campus da UFSM. O módulo controlador de potência como se apresenta, presta-se para a utilização dos recursos da eletrônica híbrida e da microeletrônica que podem concentrar num único "chip" diversos circuitos, incluindo conversores de potência, conversores A/D, memória de programa, memória de dados, módulos de captura e comparação, temporizadores e módulos PWM, entre outros.

O interesse mundial e os investimentos em fontes renováveis de energia têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Estas tecnologias têm a vantagem de aproveitar os recursos disponíveis localmente, reduzindo a dependência de fontes externas. Entretanto, um dos principais problemas associados a muitas das tecnologias de energias renováveis é sua imprevisibilidade ou intermitência. O armazenamento de energia é a técnica mais utilizada para moderar estas intermitências. Para aproveitamento em grande escala, os reservatórios hidrelétricos (de usinas hidrelétricas convencionais com reservatório e usinas hidrelétricas reversíveis) representam a tecnologia mais madura e amplamente aproveitada para armazenamento de energia elétrica na forma de energia potencial no volume de água. Isto faz destes uma opção importante a ser incluída no projeto de um sistema autônomo híbrido de geração de energia. Segundo diferentes autores consultados, o software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) é a ferramenta mais amplamente utilizada em pesquisas relacionadas à simulação e configuração ótima deste tipo de sistemas. Esta tese apresenta um conjunto de procedimentos para determinar, em nível de pré-viabilidade, a configuração ótima (em termos do custo presente líquido) e o conjunto de arranjos viáveis de um sistema autônomo de geração de energia incluindo fontes renováveis intermitentes e reservatórios hidrelétricos. O software HOMER é aplicado na simulação e avaliação dos sistemas híbridos dos estudos de caso hipotéticos do presente trabalho, utilizados para validar os métodos propostos. Estes exemplos foram criados a partir de dados reais relacionados ao Estado de Rio Grande do Sul. Os procedimentos descritos são aplicáveis a qualquer região do mundo onde exista um local com potencial para reservatórios hidrelétricos, assim como dados de disponibilidade e custos relacionados a fontes renováveis intermitentes. Além de determinar a configuração ótima e o conjunto de arranjos viáveis, os resultados obtidos indicam que os procedimentos descritos podem ajudar na definição da melhor utilização de um local com potencial hidrelétrico. Igualmente, permitem estimar a quantidade de eletricidade excedente que poderia ser recuperada através de usinas reversíveis. Os resultados mostram que configuração ótima depende de muitos fatores, tais como restrições hidrológicas, a carga a ser atendida e o custo de geração de cada fonte. / Global interest and investments in renewable energy sources has increased considerably in recent years. These technologies have the advantage of using locally available resources, reducing dependence on external energy sources. However, most renewable energy technologies suffer from an intermittent characteristic due to the diurnal and seasonal patterns of the natural resources needed for power generation. Energy Storage is the most used technique to buffer this intermittency. For large-scale applications, hydropower reservoirs (of conventional and pumped storage plants) are the most mature and the most widely employed technology for electricity storage in the form of potential energy. For this reason, a hydropower reservoir is a suitable option to consider including in an autonomous hybrid power system. According to many authors, the HOMER model (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) is the most widely used tool in research studies related to simulation and optimal design of this type of systems. This thesis presents some procedures to define, as a pre-feasibility assessment, the optimal configuration (in terms of Net Present Cost) and set of feasible designs of an autonomous hybrid power system that includes intermittent renewable energy sources and hydropower reservoirs. The HOMER software is used for simulating and evaluating the hybrid power systems of the hypothetical case studies, used to validate the proposed methods. These examples were created based on real data related to the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The procedures described can be adapted to any other region of the world where exists a site suitable for the construction of hydropower reservoirs, along with available data regarding intermittent renewable sources and generation costs. Besides defining the optimal configuration and the set of feasible designs, the results indicate that the procedures explained could help in the definition of the best use of a site with hydropower potential. Likewise, these methods can also be used to estimate how much excess electricity can be recovered by means of pumped storage hydropower. The results show that the optimal system design depends on many factors such as hydrological constraints, average load to serve and energy cost of each source.

O interesse mundial e os investimentos em fontes renováveis de energia têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Estas tecnologias têm a vantagem de aproveitar os recursos disponíveis localmente, reduzindo a dependência de fontes externas. Entretanto, um dos principais problemas associados a muitas das tecnologias de energias renováveis é sua imprevisibilidade ou intermitência. O armazenamento de energia é a técnica mais utilizada para moderar estas intermitências. Para aproveitamento em grande escala, os reservatórios hidrelétricos (de usinas hidrelétricas convencionais com reservatório e usinas hidrelétricas reversíveis) representam a tecnologia mais madura e amplamente aproveitada para armazenamento de energia elétrica na forma de energia potencial no volume de água. Isto faz destes uma opção importante a ser incluída no projeto de um sistema autônomo híbrido de geração de energia. Segundo diferentes autores consultados, o software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) é a ferramenta mais amplamente utilizada em pesquisas relacionadas à simulação e configuração ótima deste tipo de sistemas. Esta tese apresenta um conjunto de procedimentos para determinar, em nível de pré-viabilidade, a configuração ótima (em termos do custo presente líquido) e o conjunto de arranjos viáveis de um sistema autônomo de geração de energia incluindo fontes renováveis intermitentes e reservatórios hidrelétricos. O software HOMER é aplicado na simulação e avaliação dos sistemas híbridos dos estudos de caso hipotéticos do presente trabalho, utilizados para validar os métodos propostos. Estes exemplos foram criados a partir de dados reais relacionados ao Estado de Rio Grande do Sul. Os procedimentos descritos são aplicáveis a qualquer região do mundo onde exista um local com potencial para reservatórios hidrelétricos, assim como dados de disponibilidade e custos relacionados a fontes renováveis intermitentes. Além de determinar a configuração ótima e o conjunto de arranjos viáveis, os resultados obtidos indicam que os procedimentos descritos podem ajudar na definição da melhor utilização de um local com potencial hidrelétrico. Igualmente, permitem estimar a quantidade de eletricidade excedente que poderia ser recuperada através de usinas reversíveis. Os resultados mostram que configuração ótima depende de muitos fatores, tais como restrições hidrológicas, a carga a ser atendida e o custo de geração de cada fonte. / Global interest and investments in renewable energy sources has increased considerably in recent years. These technologies have the advantage of using locally available resources, reducing dependence on external energy sources. However, most renewable energy technologies suffer from an intermittent characteristic due to the diurnal and seasonal patterns of the natural resources needed for power generation. Energy Storage is the most used technique to buffer this intermittency. For large-scale applications, hydropower reservoirs (of conventional and pumped storage plants) are the most mature and the most widely employed technology for electricity storage in the form of potential energy. For this reason, a hydropower reservoir is a suitable option to consider including in an autonomous hybrid power system. According to many authors, the HOMER model (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) is the most widely used tool in research studies related to simulation and optimal design of this type of systems. This thesis presents some procedures to define, as a pre-feasibility assessment, the optimal configuration (in terms of Net Present Cost) and set of feasible designs of an autonomous hybrid power system that includes intermittent renewable energy sources and hydropower reservoirs. The HOMER software is used for simulating and evaluating the hybrid power systems of the hypothetical case studies, used to validate the proposed methods. These examples were created based on real data related to the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The procedures described can be adapted to any other region of the world where exists a site suitable for the construction of hydropower reservoirs, along with available data regarding intermittent renewable sources and generation costs. Besides defining the optimal configuration and the set of feasible designs, the results indicate that the procedures explained could help in the definition of the best use of a site with hydropower potential. Likewise, these methods can also be used to estimate how much excess electricity can be recovered by means of pumped storage hydropower. The results show that the optimal system design depends on many factors such as hydrological constraints, average load to serve and energy cost of each source.

Submitted by (ana.araujo@ufrpe.br) on 2016-06-28T16:05:18Z No. of bitstreams: 1 David Augusto Silva.pdf: 1453777 bytes, checksum: 4516b869e7e749b770a803eb7e91a084 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T16:05:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 David Augusto Silva.pdf: 1453777 bytes, checksum: 4516b869e7e749b770a803eb7e91a084 (MD5) Previous issue date: 2011-07-01 / The techniques for Time Series Analysis and Forecasting have great presence on the literature over the years. The computational resources combined with statistical techniques are improving the predictive results, and these results have been become increasingly accurate. Computational methods base on Artificial Neural Networks (ANN) and Evolutionary Computing (EC) are presenting a new approach to solve the Time Series Analysis and Forecasting problem. These computational methods are contained in the branch of Artificial Intelligence (AI), and they are biologically inspired, where the ANN models are based on the neural structure of intelligent organism, and the EC uses the concept of nature selection of Charles Darwin. Both methods acquire experience from prior knowledge and example of the given problem. In particular, for the Time Series Forecasting Problem, the objective is to find the predictive model with highest forecast perfomance, where the performance measure are statistical errors. However, there is no universal criterion to identify the best performance measure. Since the ANNs are the predictive models, the EC will constantly evaluate the forecast performance of the ANNs, using a fitness functions to guide the predictive model for an optimal solution. The Data Envelopment Analysis (DEA) was employed to predictive determine the best combination of variables based on the relative efficiency of the best models. Therefore, this work to study the optimization Fitness Function process with Data Envelopment Analysis applied the Intelligence Hybrid System for time series forecasting problem. The data analyzed are composed by financial data series, agribusiness and natural phenomena. The C language program was employed for implementation of the hybrid intelligent system and the R Environment version 2.12 for analysis of DEA models. In general, the perspective of using DEA procedure to evaluate the fitness functions were satisfactory and serves as an additional resource in the branch of time series forecasting. Researchers need to compute the results under different perspectives, whether in the matter of the computational cost of implementing a particular function or which function was more efficient in the aspect of assessing which combinations are unwanted saving time and resources. / As técnicas de análise e previsão de séries temporais alcançaram uma posição de distinção na literatura ao longo dos anos. A utilização de recursos computacionais, combinada com técnicas estatísticas, apresenta resultados mais precisos quando comparados com os recursos separadamente. Em particular, técnicas que usam Redes Neurais Artificiais (RNA) e Computação Evolutiva (CE), apresenta uma posição de destaque na resolução de problemas de previsão na análise de séries temporais. Estas técnicas de Inteligência Artificial (AI) são inspiradas biologicamente, no qual o modelo de RNA é baseado na estrutura neural de organismos inteligentes, que adquirem conhecimento através da experiência. Para o problema de previsão em séries temporais, um fator importante para o maior desempenho na previsão é encontrar um método preditivo com a melhor acurácia possível, tanto quanto possível, no qual o desempenho do método pode ser analisado através de erros de previsão. Entretanto, não existe um critério universal para identificar qual a melhor medida de desempenho a ser utilizada para a caracterização da previsão. Uma vez que as RNAs são os modelos de previsão, a CE constantemente avaliará o desempenho de previsão das RNAs, usando uma função de fitness para guiar o modelo preditivo para uma solução ótima. Desejando verificar quais critérios seriam mais eficientes no momento de escolher o melhor modelo preditivo, a Análise Envoltória de Dados (DEA) é aplicada para fornecer a melhor combinação de variáveis visando a otimização do modelo. Portanto, nesta dissertação, foi estudado o processo de otimização de Funções de Fitness através do uso da Análise Envoltória de Dados utilizando-se de técnicas hibridas de Inteligência Artificial aplicadas a área de previsão de séries temporais. O banco de dados utilizado foi obtido de séries históricas econômico- financeiras, fenômenos naturais e agronegócios obtidos em diferentes órgãos específicos de cada área. Quanto à parte operacional, utilizou-se a linguagem de programação C para implementação do sistema híbrido inteligente e o ambiente R versão 2.12 para a análise dos modelos DEA. Em geral, a perspectiva do uso da DEA para avaliar as Funções de Fitness foi satisfatório e serve como recurso adicional na área de previsão de séries temporais. Cabe ao pesquisador, avaliar os resultados sob diferentes óticas, quer seja sob a questão do custo computacional de implementar uma determinada Função que foi mais eficiente ou sob o aspecto de avaliar quais combinações não são desejadas poupando tempo e recursos.

[ES] En el presente trabajo se explora posibles soluciones a dos hechos correlacionados que podrían comprometer hasta cierto punto nuestro futuro. Por un lado, el crecimiento de la flota de aeronaves pequeñas en los próximos años, ya sean tripuladas o no, es una realidad. El acceso a estas aeronaves por parte de un público cada vez más mayoritario crece año a año y, al mismo tiempo, los fabricantes adaptan sus aeronaves a misiones que hace unos años no éramos capaces de contemplar. Por otro lado, y por desgracia, el cambio climático también es una realidad que no solo compromete nuestro futuro, sino también nuestro presente. Hoy en día la alerta climática es y debe ser elevada, y si no encontramos soluciones que ayuden a paliar este problema, la vida en el planeta podría cambiar irremediablemente para peor. Ambos hechos se encuentran implícitamente relacionados. La fabricación y operación de vehículos contribuye notablemente a aumentar la huella de carbono. Por lo tanto, el aumento de flota en los próximos años puede tener un impacto notablemente negativo en las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero globales. Es por ello por lo que organismos oficiales y sectores de desarrollo científico y tecnológico impulsan la investigación de posibles soluciones. Este trabajo intenta poner su grano de arena para minimizar este problema común. Se propone la utilización de múltiples tecnologías con el objetivo de disminuir el combustible requerido por aeronaves de 25kg al despegue, y de esta forma, disminuir las emisiones asociadas a su operación. Las tecnologías aplicadas son la hibridación eléctrica en serie, la propulsión eléctrica distribuida y la ingestión de capa límite. Por separado, estas tecnologías han demostrado múltiples ventajas, especialmente en términos de mejora propulsiva y aerodinámica de las aeronaves, lo que repercute directamente en el consumo de combustible. Sin embargo, este trabajo propone la utilización simultánea de todas ellas con el objetivo de disminuir aún más el consumo de combustible y, por tanto, las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero. Para ello, tras estas páginas se eligen los parámetros principales de esta aeronave y se acompaña de un exhaustivo análisis del comportamiento fluidodinámico. Con la comprensión de su comportamiento, es posible optimizar la selección de sus componentes, de forma que se obtienen mejoras importantes en el consumo de combustible. Este ahorro de combustible se muestra en comparación con aeronaves similares en tamaño y peso, pero que no incluyen estas tecnologías, logrando para un mismo alcance un ahorro del 16% del peso del combustible. La realización de este trabajo se centra en el empleo de herramientas computacionales apoyándose sobre todo en la dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta herramienta principal se verá complementada con el uso de descomposición modal para realizar los análisis y de la creación de una base de datos que ayude a crear modelos rápidos útiles en futuros diseños preliminares y conceptuales de aeronaves de este tipo. / [CA] En aquest treball s'exploren possibles solucions a dos fets correlacionats que podrien comprometre d'alguna manera el nostre futur. Per un costat, el creixement de la flota d'aeronaus de xicoteta dimensió en el futur, tant tripulades com no tripulades, és una realitat. L'accés a aquestes aeronaus per part d'un públic cada cop més majoritari creix any rere any i, al mateix temps, els fabricants adapten les aeronaus a feines que anys enrere no eren capaços d'assolir. Per l'altre costat, malauradament, el canvi climàtic és un fet que compromet tant el nostre futur com el nostre present. Hui en dia l'alerta climàtica és elevada i, si no trobem solucions per a pal·liar aquest problema la vida al nostre planeta, podria canviar irremeiablement a pitjor. Ambdós fets es troben implícitament relacionats. La fabricació i l'operació de vehicles contribueix notablement a augmentar l'empremta de carboni. Per tant, l'increment de flota en els pròxims anys pot tindre un efecte negatiu molt notable en les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle globals. És per això que organismes oficials i sectors de desenvolupament científic i tecnològic impulsen la investigació de possibles solucions. Aquest treball intenta aportar el seu granet de sorra per minimitzar aquest problema comú. Es proposa la utilització de múltiples tecnologies amb l'objectiu de reduir el combustible emprat per aeronaus de fins a 25kg i, per tant, disminuir les emissions associades a la seua operació. Les tecnologies aplicades són la hibridació elèctrica en sèrie, la propulsió elèctrica distribuïda i la ingestió de capa límit. Separadament, aquestes tecnologies han demostrat múltiples avantatges, especialment en termes de millora propulsiva i aerodinàmica de les aeronaus, repercutint directament en el consum de combustible. No obstant, aquest treball proposa la utilització simultània de totes elles amb l'objectiu de reduir encara més el consum de combustible i, per tant, les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle. Per fer-ho, en les darreres pàgines es trien els paràmetres principals de l'aeronau i s'acompanyen d'una exhaustiva anàlisi del comportament de la dinàmica de fluids. Comprenent el seu comportament, és possible optimitzar la selecció dels seus components, de manera que s'obtenen millores importants en el consum de combustible. L'estalvi de combustible es mostra en comparació amb aeronaus similars en mida i pes, però que no inclouen aquestes tecnologies, aconseguint per a un mínim abast un estalvi del 16% del pes del combustible. La realització d'aquest treball es centra en l'ús d'eines computacionals recolzant-se sobretot en la dinàmica de fluids computacional (CFD). Aquesta eina principal es veurà complementada amb l'ús de descomposició modal per a elaborar les anàlisis i de la creació d'una base de dades que ajude a crear models ràpids i útils en futurs dissenys conceptuals i preliminars d'aeronaus d'aquest tipus. / [EN] The present work explores possible solutions to two correlated events that could compromise our future to some extent. On the one hand, the growth of the fleet of small aircraft in the coming years, whether manned or not, is a reality. Access to these aircraft by an increasing majority of the public grows year after year and at the same time, manufacturers adapt their aircraft to missions that we could not contemplate a few years ago. On the other hand, and unfortunately, climate change is also a reality that compromises not only our future but also our present. Today the climate alert is and must be elevated. If we do not find solutions that help alleviate this problem, life on the planet could irremediably change for the worse. Both facts are implicitly related. The manufacture and operation of vehicles contribute significantly to increasing the carbon footprint, so the increase in the fleet in the coming years may have an extremely negative impact on global polluting and greenhouse gas emissions. That is why official organizations and scientific and technological development sectors promote research for possible solutions. This work tries to do its bit to minimize this common problem. Multiple technologies are proposed to reduce the fuel required by 25kg aircraft at takeoff and, thus, reduce the emissions associated with their operation. The applied technologies are electric series hybridization, distributed electric propulsion, and boundary layer ingestion. Separately, these technologies have shown multiple advantages, especially in terms of improving aircraft propulsion and aerodynamics, which directly affects fuel consumption. Nevertheless, this work proposes the simultaneous use of all of them to reduce fuel consumption further and, therefore, polluting and greenhouse gas emissions. To do this, after these pages, the main parameters of this aircraft are chosen and accompanied by an exhaustive analysis of the fluid dynamic behavior. With an understanding of its behavior, it is possible to optimize its components' selection so that significant fuel consumption improvements are obtained. This fuel saving is shown in comparison with similar aircraft in size and weight, but that does not include these technologies, achieving a saving of 16% of fuel weight for the same range. This work's conduction focuses on employing computational tools mainly based on computational fluid dynamics (CFD). This primary tool will be complemented by the use of modal decomposition to carry out the analyses, and the creation of a database that will help create quick models useful in future conceptual and preliminary designs of this type of aircraft. / The respondent would like to acknowledge the financial support received through contract FPI-UPV PREDOCFD/19 of Subprograma 2 of Universitat Politècnica de València / Varela Martínez, P. (2023). On the Analysis and Design of Series Hybrid Distributed Electric Propulsion with Boundary Layer Ingestion of Remotely Piloted Aircraft [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192805

Com a crescente complexidade das aplicações e sistemas computacionais, atualmente tem se tornado importante o uso de formalismos de várias naturezas na representação e modelagem de problemas complexos, como os sistemas reativos e concorrentes. Este trabalho apresenta uma contribuição na Tecnologia Adaptativa e uma nova técnica no desenvolvimento de uma aplicação para execução de alguns tipos de jogos, (General Game Playing), cuja característica está associada à capacidade de o sistema tomar conhecimento das regras do jogo apenas em tempo de execução. Com esse trabalho, amplia-se a classe de problemas que podem ser estudados e analisados sob a perspectiva da Tecnologia Adaptativa, através dos Dispositivos Adaptativos Cooperantes. A aplicação desenvolvida como exemplo neste trabalho introduz uma nova ótica no desenvolvimento de aplicações para jogos gerais (GGP) e abre novos horizontes para a aplicação da Tecnologia Adaptativa, como a utilização das regras para extração de informação e inferência. / The complexity of computer applications has grown so much that several formalisms of different kinds became important nowadays. Many systems (e.g. reactive and concurrent ones) employ such formalisms to represent and model actual complex problems. This work contributes to the field of Adaptive Technology, and proposes a new approach for developing general game playing system, whose feature is the capability to play a game by acknowledging the game rules only at run time. This work expands the set of problems that can be studied and analyzed under the Adaptive Technology perspective, by means of cooperating adaptive devices. The developed application used a new approach for general game playing development bringing and widens the application field of Adaptive Technology with subjects related to information extraction and inference based in the devices rules.