Prof. Romero Leandro Andersen, Dr.UFPB/CEAR/DEE
ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO
• INTRODUÇÃO• CARACTERÍSTICAS DA CAC• VISÃO GERAL DE UM SISTEMA COMPLETO• PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA• CONVERSÃO CC‐CC• CONVERSÃO CC‐CA• CONCLUSÕES
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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.
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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.
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INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
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A CAC DO TIPO PEM
Funcionamento da PEMFC
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CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Te
nsão
(V)
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CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Tens
ão (V
)
Perdas por ativação:
Relacionadas com a velocidade das reações com a energia para a manutenção
delas.
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CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Tens
ão (V
)
Perdas por ativação:
Relacionadas com a velocidade das reações com a energia para a manutenção
delas.
Perdas ôhmicas: Resistência elétrica da CaC e das conexões entre eletrodos.
(perda resistiva)
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CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Tens
ão (V
)
Perdas por ativação:
Relacionadas com a velocidade das reações com a energia para a manutenção
delas.
Perdas ôhmicas: Resistência elétrica da CaC e das conexões entre eletrodos.
(perda resistiva)
Perdas por transporte de massa
ou perdas por concentração: Aumento no consumo dos
reagentes. Queda da pressão de H2 e da concentração de O2.
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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.
CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA CAC
Modelo da CaC
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Interrupção da corrente da CaC
CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA CAC
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VISÃO GERAL DE UM SISTEMA COMPLETO
H2EnergiaElétrica
Processamentoda EnergiaElétrica
Armazenamentode Energia
Cargas
Controle do processo:Fluxo de entrada
PressãoTemperatura…
O2
H2O e CalorELETRÔNICA DE POTÊNCIA
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• Arquitetura dependente da aplicação: custo, volume, eficiência;
Sistema Típico
PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
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• 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.
Necessidade do Elemento Armazenador de Energia:
PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
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ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
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ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
Conversor CC‐CC: Elevação de tensão; Efetuar carga das baterias; Drenar corrente no formato adequado para a CaC.
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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).
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Conversor CC‐CC Bidirecional:• Efetuar carga das baterias;• Permitir que a energia seja
fornecida pelas baterias (sentido inverso da corrente).
Conversor Adicional para Conexão das Baterias
ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
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Associação de Conversores CC‐CC:• Divisão da corrente de entrada e
melhor distribuição das perdas;• Soma das tensões de saída;• Menor volume total.
ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
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MÉTODOS DE CARGA DE BATERIAS
Um dos métodos mais conhecidos:Método de carga com dois níveis de tensão
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Baixa ondulação na corrente de entrada (entrada em corrente); Tensão de saída superior à tensão de entrada. Não possui isolamento.
Exemplo 1: Conversor Boost
CONVERSÃO CC‐CC
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
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CONVERSÃO CC‐CCConversor Boost – Aplicação
Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a Combustível do Tipo PEM e um Banco de BateriasAutor: Romero Leandro Andersen.Orientador: Prof. Ivo Barbi.
Conexão do Sistema à CaC
Protótipo implementado de 500W
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CONVERSÃO CC‐CCConversor Boost – Aplicação
Sistema de Interligação Entre Módulos Geradores de Energia a Partir de Células a Combustível do Tipo PEM e um Banco de BateriasAutor: Romero Leandro Andersen.Orientador: Prof. Ivo Barbi.
Formas de Onda do Funcionamento Geral do Sistema:Tensão de saída, corrente no banco de baterias e corrente na entrada do conversor
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Necessidade do uso de filtro de entrada (entrada em tensão); Saída em corrente; Possui isolamento.
Exemplo 2: Conversor Forward
CONVERSÃO CC‐CC
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
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CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
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CONVERSÃO CC‐CCConversor Forward – Aplicação
Diagrama de Blocos do Sistema de Integração entre a Célula de Combustível Ballard® e o No‐Break Breakless 610AA – NEW/SD
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CONVERSÃO CC‐CCConversor Forward – Aplicação
Detalhe da associação dos conversores Forward
BANCO DE BATERIASDO NO-BREAK
CÉLULA ACOMBUSTÍVEL
BALLARD 1200W
FORWARD 1
CENTRAL DEHIDROGÊNIO (H2)
22V-50V 72V
FORWARD 2
FORWARD 3
FORWARD 4
+
-VREF
MALHA DETENSÃO
MODULADORPWM
Sinal PWM
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Visa preservar a CaC; Redução de problemas de interferência eletromagnética; Aumento do custo, peso e volume.
Conversão CC‐CC – Uso de Filtros de Entrada
REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE CORRENTE DE ALTA FREQUÊNCIA
CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
a
b
Lo
Co Ro Vo
S2
S4
+
‐Vcc
+
‐
S1
S3
Exemplo 1: Conversor CC‐CA em Ponte Completa
Tensão de pico máxima na saída: Vcc; Pode utilizar modulação 2 níveis ou 3 níveis; Requer 4 chaves ativas (custo).
Modulação PWM Senoidal
CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
2 níveis:Vab assume +Vcc ou –Vcc
Vtri
Vsen
Vab
3 níveis:Vab assume
+Vcc, 0, ou –Vcc
Vtri
Vsen1
Vsen2
Vab
CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)
a
b
Lo
Co Ro Vo
S1
S2
Vcc/2
Vcc/2
+
‐Vcc
+
‐
Exemplo 2: Conversor CC‐CA em Meia Ponte
Tensão de pico máxima na saída: Vcc/2; Utiliza apenas 2 chaves ativas; Requer divisão do barramento CC só permite modulação 2 níveis.
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CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)Inversores em Ponte Completa – Aplicação
Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio Instantâneo da Tensão de SaídaAutor: Allan Pierre Barauna.Orientador: Prof. Ivo Barbi.
Duas unidades de 1kW em paralelo
Diagrama de blocos do sistema
CargaCC-CC/InversorCaC
+-
CC-CC/Inversor
CC-CC/Inversor24-36Vcc
110VCA
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Paralelismo de Inversores de Tensão Controlados Pelo Valor Médio Instantâneo da Tensão de SaídaAutor: Allan Pierre Barauna.Orientador: Prof. Ivo Barbi.
Tensão no barramento da carga Correntes nos indutores de filtragem dos inversores 1 e 2
CONVERSÃO CC‐CA (INVERSORES)Inversores em Ponte Completa – Aplicação
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.
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.
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REDUÇÃO DA ONDULAÇÃO DE CORRENTE DE BAIXA FREQUÊNCIA
Filtro Ativo – Aplicação
Contribuições para Sistemas de Processamento de Energia de Células a CombustívelAutor: Yales Rômulo de Novaes.Orientador: Prof. Ivo Barbi.
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
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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.
Muito Obrigado!
Prof. Romero Leandro Andersen, [email protected]
Universidade Federal da Paraíba – UFPBCentro de Energias Alternativas e Renováveis ‐ CEAR
Departamento de Engenharia Elétrica ‐ DEE