Processamento de energia em sistemas de células combustíveis

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Processamento da energia em sistemas
de célula a combustível.

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Processamento de energia em sistemas de células combustíveis

  1. 1. Prof. Romero Leandro Andersen, Dr. UFPB/CEAR/DEE
  2. 2. ESTRUTURA DA  APRESENTAÇÃO • • • • • • • INTRODUÇÃO CARACTERÍSTICAS DA CAC VISÃO GERAL DE UM SISTEMA COMPLETO PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA CONVERSÃO CC‐CC CONVERSÃO CC‐CA CONCLUSÕES
  3. 3. INTRODUÇÃO A Célula a Combustível (CaC) é uma célula  eletroquímica que converte energia química  em energia elétrica ao combinar dois átomos  de hidrogênio e um de oxigênio, produzindo  energia elétrica, calor e água. 3
  4. 4. INTRODUÇÃO • São compostas por dois eletrodos, um anodo  e um catodo, separados por um eletrólito. • Normalmente são combinadas em grupos  (pilhas) para obter‐se tensão e potência  apropriadas; • A operação é contínua desde que haja  hidrogênio e oxigênio disponíveis. 4
  5. 5. INTRODUÇÃO 5
  6. 6. INTRODUÇÃO 6
  7. 7. A CAC DO TIPO PEM Funcionamento da PEMFC 7
  8. 8. Tensão (V) CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA  CAC 8
  9. 9. Perdas por  ativação:  Relacionadas  com a velocidade  das reações com  a energia para a  manutenção  delas. Tensão (V) CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA  CAC 9
  10. 10. Perdas por  ativação:  Relacionadas  com a velocidade  das reações com  a energia para a  manutenção  delas. Tensão (V) CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA  CAC Perdas ôhmicas:  Resistência elétrica da CaC e  das conexões entre eletrodos.  (perda resistiva) 10
  11. 11. CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA  CAC Tensão (V) Perdas por  ativação:  Relacionadas  com a velocidade  das reações com  a energia para a  manutenção  delas. Perdas por  transporte de massa  ou perdas por  concentração:  Aumento no  consumo dos  reagentes. Queda da  pressão de H2 e da  concentração de O2. Perdas ôhmicas:  Resistência elétrica da CaC e  das conexões entre eletrodos.  (perda resistiva) 11
  12. 12. CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA  CAC Modelo da CaC Rohm modela as perdas ôhmicas; Ract modela as perdas por ativação; Cact modela a dupla camada de carga; VR representa a tensão de circuito aberto reversível. 12
  13. 13. CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA  CAC Interrupção da corrente da CaC 13
  14. 14. VISÃO GERAL DE UM SISTEMA  COMPLETO ELETRÔNICA DE POTÊNCIA H2O e Calor Processamento da Energia Elétrica H2 Energia Elétrica O2 Controle do processo: Fluxo de entrada Pressão Temperatura… Armazenamento de Energia 14 Cargas
  15. 15. PROCESSAMENTO DA ENERGIA  ELÉTRICA Sistema Típico • Arquitetura dependente da aplicação: custo, volume,  eficiência; 15
  16. 16. PROCESSAMENTO DA ENERGIA  ELÉTRICA Necessidade do Elemento Armazenador de Energia: • Fornecimento de energia à carga durante o pré‐ aquecimento da CaC; • Evitar variações bruscas de corrente na CaC; • Fornecimento de energia acima dos valores nominais  da CaC. 16
  17. 17. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO  DA ENERGIA ELÉTRICA 17
  18. 18. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO  DA ENERGIA ELÉTRICA    Conversor CC‐CC: Elevação de tensão; Efetuar carga das baterias; Drenar corrente no formato adequado para a CaC. 18
  19. 19. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO  DA ENERGIA ELÉTRICA    Conversor CC‐CA (Inversor): Formato correto da tensão para carga; Proporcionar baixa distorção harmônica; Frequência conforme necessidade da carga (60Hz). 19
  20. 20. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO  DA ENERGIA ELÉTRICA Conversor Adicional para Conexão das Baterias Conversor CC‐CC Bidirecional: • Efetuar carga das baterias; • Permitir que a energia seja  fornecida pelas baterias  (sentido inverso da corrente). 20
  21. 21. ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO  DA ENERGIA ELÉTRICA Associação de Conversores CC‐CC: • Divisão da corrente de entrada e  melhor distribuição das perdas; • Soma das tensões de saída; • Menor volume total. 21
  22. 22. MÉTODOS DE CARGA DE  BATERIAS Um dos métodos mais conhecidos: Método de carga com dois níveis de tensão 22
  23. 23. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 1: Conversor Boost  Baixa ondulação na corrente de entrada (entrada  em corrente);  Tensão de saída superior à tensão de entrada.  Não possui isolamento. 23
  24. 24. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 1: Conversor Boost Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação Formas de Onda 24
  25. 25. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 1: Conversor Boost Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação Formas de Onda 25
  26. 26. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 1: Conversor Boost Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação Formas de Onda 26
  27. 27. CONVERSÃO CC‐CC Conversor Boost – Aplicação Conexão do Sistema à CaC Protótipo implementado de 500W Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a  Combustível do Tipo PEM e um Banco de Baterias Autor: Romero Leandro Andersen. Orientador: Prof. Ivo Barbi. 27
  28. 28. CONVERSÃO CC‐CC Conversor Boost – Aplicação Formas de Onda do  Funcionamento Geral do  Sistema: Tensão de saída, corrente no  banco de baterias e corrente  na entrada do conversor Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a  Combustível do Tipo PEM e um Banco de Baterias Autor: Romero Leandro Andersen. Orientador: Prof. Ivo Barbi. 28
  29. 29. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 2: Conversor Forward  Necessidade do uso de filtro de entrada (entrada  em tensão);  Saída em corrente;  Possui isolamento. 29
  30. 30. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 2: Conversor Forward Etapas de Operação: 1ª) 2ª) 3ª) 30
  31. 31. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 2: Conversor Forward Etapas de Operação: 1ª) 2ª) 3ª) 31
  32. 32. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 2: Conversor Forward Etapas de Operação: 1ª) 2ª) 3ª) 32
  33. 33. CONVERSÃO CC‐CC Exemplo 2: Conversor Forward Etapas de Operação: 1ª) 2ª) 3ª) 33
  34. 34. CONVERSÃO CC‐CC Conversor Forward – Aplicação Diagrama de Blocos do Sistema de Integração entre a Célula de  Combustível Ballard® e o No‐Break Breakless 610AA – NEW/SD 34
  35. 35. CONVERSÃO CC‐CC Conversor Forward – Aplicação CÉLULA A COMBUSTÍVEL BALLARD 1200W 22V-50V FORWARD 1 72V BANCO DE BATERIAS DO NO-BREAK FORWARD 2 CENTRAL DE HIDROGÊNIO (H2) FORWARD 3 FORWARD 4 Sinal PWM MODULADOR PWM MALHA DE TENSÃO + VREF Detalhe da associação dos conversores Forward 35
  36. 36. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE  CORRENTE DE ALTA FREQUÊNCIA Conversão CC‐CC – Uso de Filtros de Entrada  Visa preservar a CaC;  Redução de problemas de interferência eletromagnética;  Aumento do custo, peso e volume. 36
  37. 37. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES) Exemplo 1: Conversor CC‐CA em Ponte Completa + S1 S2 Lo a Vcc Co b ‐ S3 Ro + Vo ‐ S4  Tensão de pico máxima na saída: Vcc;  Pode utilizar modulação 2 níveis ou 3 níveis;  Requer 4 chaves ativas (custo).
  38. 38. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES) Vsen Vtri Vab Modulação PWM Senoidal 2 níveis: Vab assume  +Vcc ou –Vcc Vsen1 Vtri Vsen2 Vab 3 níveis: Vab assume  +Vcc, 0, ou –Vcc
  39. 39. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES) Exemplo 2: Conversor CC‐CA em Meia Ponte S1 + Vcc/2 Lo a Vcc Co b Vcc/2 ‐ Ro + Vo ‐ S2  Tensão de pico máxima na saída: Vcc/2;  Utiliza apenas 2 chaves ativas;  Requer divisão do barramento CC só permite  modulação 2 níveis.
  40. 40. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES) Inversores em Ponte Completa – Aplicação 24-36Vcc CC-CC/Inversor 110VCA CaC - + CC-CC/Inversor Carga CC-CC/Inversor Diagrama de blocos do sistema Duas unidades de 1kW em paralelo Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio  Instantâneo da Tensão de Saída Autor: Allan Pierre Barauna. Orientador: Prof. Ivo Barbi. 40
  41. 41. CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES) Inversores em Ponte Completa – Aplicação Correntes nos indutores de  filtragem dos inversores 1 e 2 Tensão no barramento da carga Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio  Instantâneo da Tensão de Saída Autor: Allan Pierre Barauna. Orientador: Prof. Ivo Barbi. 41
  42. 42. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE  CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA • Com o inversor no sistema, ondulação em 120Hz na  entrada (para 60Hz na saída). • A filtragem dessa ondulação requer capacitores grandes.
  43. 43. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE  CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA Considerações sobre a ondulação em baixa frequência  (120Hz): • Aumenta o esforço de corrente na CaC; • Provoca maiores perdas e maior consumo de  combustível; Tentativas de minimizá‐la incluem: • Adição de capacitores; • Inclusão de filtros ativos.
  44. 44. REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE  CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA Filtro Ativo – Aplicação Filtro ativo para redução da  circulação da energia reativa na CaC. (a) Corrente do filtro ativo e corrente  drenada pelo conversor (b) Corrente do filtro ativo e corrente  drenada da CaC e das baterias Contribuições para Sistemas de Processamento de Energia de Células a  Combustível Autor: Yales Rômulo de Novaes. Orientador: Prof. Ivo Barbi. 44
  45. 45. CONCLUSÕES • • • • A energia proveniente de CaC é limpa; Normalmente utilizam‐se dois estágios  principais de processamento: um CC‐CC e  um CC‐CA; Ainda não existe topologia padrão; O conhecimento das características da fonte  e da carga são fundamentais nos projetos. 45
  46. 46. Muito Obrigado! Prof. Romero Leandro Andersen, Dr. romero@cear.ufpb.br Universidade Federal da Paraíba – UFPB Centro de Energias Alternativas e Renováveis ‐ CEAR  Departamento de Engenharia Elétrica ‐ DEE

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