Energy Harvesting Systems for Transport Infrastructures

Abstract

A sociedade está dependente dos sistemas de transporte, não só para satisfazer as suas necessidades quotidianas com viagens curtas, mas também para satisfazer as suas necessidades crescentes com distâncias mais longas. A capacidade de ligar regiões remotas e a duração da viagem fazem do avião um modo de transporte para viagens distantes. No entanto, tem um impacto na produção de gases com efeito de estufa. A procura de novas formas de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa surge com a contribuição dos sistemas de captação de energia. A tecnologia de energy harvesting tem vindo a apresentar soluções e aplicações prósperas nos pavimentos rodoviários. Devido à semelhança entre os pavimentos rodoviários, esta investigação aborda o estado da arte das tecnologias para os pavimentos aeroportuários e rodoviários, com o objetivo de analisar quais as que podem ser desenvolvidas para aplicação em pavimentos aeroportuários. A aeronave é um meio de transporte que opera principalmente no ar, porém, inicia e termina sua viagem no solo. Devido à complexidade estrutural da aeronave, são utilizadas ferramentas de simulação para compreender e prever o seu comportamento nos seus movimentos em terra. As ferramentas de simulação permitem ajustar os parâmetros de observação para recolher mais dados do que nos ensaios reais e explorar as interações da aeronave e dos seus componentes individuais com objetos externos, como as imperfeições do pavimento.Nesta investigação, é apresentada uma análise não só da densidade, da eficiência e da produção de energia, mas também do nível de implementação e de maturidade tecnológica de cada tecnologia de energy harvesting. A tecnologia fotovoltaica a incorporar nos pavimentos aeroportuários permite a produção sustentável de energia, dependendo da localização do aeroporto. A tecnologia hidráulica/pneumática a incorporar nos pavimentos aeroportuários irá gerar energia elétrica com base no movimento das aeronaves. Além disso, foi feita uma revisão para recolher informações sobre a simulação da interação de aeronaves com sistemas de captação de energia dependentes do tráfego. Foram exploradas as especificações e o enquadramento a que deve obedecer um projeto conceptual - as diferentes configurações para simular a configuração da aeronave resultaram na seleção do modelo de two-mass-spring-damper. Para os componentes, em especial o trem de aterragem, elemento destacável para movimentos no solo, são também apresentados vários modelos existentes capazes de traduzir o pneu, resultando na seleção de modelos semi-empíricos de point contact, Fiala e Unificado. Verificou-se quais os softwares que podem abordar a simulação proposta, como o GearSim da SDI-Engineering e o Matlab/Simulink/Simscape Multibody da MathWorks.A transição energética é importante para os países que tentam cumprir as suas metas de emissão de gases com efeito de estufa (GEE). Para conseguir esta redução, o governo português orçamentou, por exemplo, 116 milhões de euros para apoiar a transição energética na Região Autónoma dos Açores até 2029. Esta investigação abordou uma solução para a produção de eletricidade utilizando painéis fotovoltaicos (PV) a instalar no pavimento do aeroporto. Para além da produção de eletricidade sustentável, a implementação de painéis na infraestrutura aeroportuária civil permite abordar a redução de emissões no âmbito do programa CORSIA (Carbon Offsetting and the Reduction Scheme for International Aviation) da OACI (Organização Internacional da Aviação Cívil). Atualmente, os painéis fotovoltaicos não suportam o peso das aeronaves, pelo que a instalação deve ser feita em áreas de pavimento sem tráfego regular de aeronaves. Como resultado, o estudo de caso previu uma produção de cerca de 9 GWh/ano com um LCOE de 143 EUR/MWh, reduzindo as emissões para cerca de 6 toneladas de CO2/ano. Esta investigação também desenvolveu um sistema para produzir energia elétrica para pavimentos aeroportuários dependentes do tráfego de aeronaves. O sistema criado, baseado em Matlab, foi inspirado em componentes reais para fornecer dados de entrada para apoiar os resultados. O sistema foi dividido internamente na simulação da aeronave, baseada em 3DOF, e na recolha de energia, baseada em 1DOF. O sistema de recolha de energia construído, através de simulação, atingiu uma densidade de energia previsível de até 6,80 Wh/(m.veículo), e uma eficiência de conversão de 24%.Esta investigação pretendeu contribuir para a exploração do pavimento aeroportuário para a instalação de sistemas de captação de energia, explorando novas áreas ou designs inovadores.

Society is dependent on transport systems, not only to meet its daily needs with short journeys but also to meet their rising needs with longer distances. The ability to connect remote regions and the trip duration makes the aircraft a mode of transport for distant travel. However, it impacts greenhouse gas production. The survey for new ways to reduce greenhouse gas emissions emerges from the contribution of energy harvesting systems. Energy harvesting technology has been presenting prosperous solutions and applications in road pavements. Due to the similarity between road pavements, this research addresses state-of-the-art technologies for the airport and road pavements, aiming to analyze which ones can be developed for application in airport pavements. The aircraft is a means of transportation that operates mainly in the air. However, it starts and ends its journey on the ground. Due to the aircraft’s structural complexity, simulation tools are used to understand and predict its behavior in its movements on the ground. Simulation tools allow adjusting the observation parameters to gather more data than real tests and explore interactions of the aircraft and their individual components with external objects such as pavement imperfections.In this research, an analysis is presented not only for the density, efficiency, and energy generation but also for each energy harvesting technology’s implementation and technology readiness level. The photovoltaic technology to be incorporated into airport pavements allows sustainable energy generation dependent on the airport location. The hydraulic/pneumatic technology to be incorporated into the airport pavements will generate electrical energy based on aircraft movement. Additionally, a review was done to collect information on simulating aircraft interaction with traffic-dependent energy harvesting systems. The specifications and framework to be met by a conceptual design were explored—the different configurations for simulating the aircraft configuration resulted in the selection of the two-mass-spring-damper model. For the components, especially the landing gear, a deployable element for on-ground movements, several existing models capable of translating the tire are also presented, resulting in a selection of point-contact, Fiala, and Unified semi-empirical models. It is verified which software can address the proposed simulation, such as GearSim from SDI-Engineering and Matlab/Simulink/Simscape Multibody from MathWorks.The energy transition is important for countries trying to meet their greenhouse gas (GHG) emission targets. To achieve this reduction, the Portuguese government has budgeted, for example, EUR 116 M to aid the energy transition in the Autonomous Region of the Azores by 2029. This research addressed a solution for producing electricity using photovoltaic panels (PV) to settle in the airport pavement. In addition to producing sustainable electricity, implementing panels in the civil airport infrastructure allows us to address emissions reduction in the ICAO’s Carbon Offsetting and the Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA) program. Currently, PV panels cannot support aircraft weight, so the installation must be in pavement areas without regular aircraft traffic. As a result, the case study predicted about 9 GWh/year production with an LCOE of 143 EUR/MWh, reducing emissions to about 6 tons of CO2/year. This research also developed a system to produce electric energy for airport pavements dependent on aircraft traffic. The created system, Matlab based, was inspired by real components to provide data inputs to support the results. The system was internally divided into simulating the aircraft simulation, 3DOF based, and the energy harvesting, 1DOF based. The energy harvesting system built, through simulation, achieved a predictable energy density up to 6.80 Wh/(m.vehicle), and 24% conversion efficiency.This research addresses the contribution to exploring the airport pavement for the settlement of energy harvesting systems by exploring new areas or innovative designs.