processamento de energia em sistemas de células combustíveis
TRANSCRIPT
![Page 1: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/1.jpg)
Prof. Romero Leandro Andersen, Dr.UFPB/CEAR/DEE
![Page 2: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/2.jpg)
ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO
• INTRODUÇÃO• CARACTERÍSTICAS DA CAC• VISÃO GERAL DE UM SISTEMA COMPLETO• PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA• CONVERSÃO CC‐CC• CONVERSÃO CC‐CA• CONCLUSÕES
![Page 3: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/3.jpg)
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.
![Page 4: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/4.jpg)
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.
![Page 5: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/5.jpg)
5
INTRODUÇÃO
![Page 6: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/6.jpg)
6
INTRODUÇÃO
![Page 7: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/7.jpg)
7
A CAC DO TIPO PEM
Funcionamento da PEMFC
![Page 8: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/8.jpg)
8
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Te
nsão
(V)
![Page 9: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/9.jpg)
9
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DA CAC
Tens
ão (V
)
Perdas por ativação:
Relacionadas com a velocidade das reações com a energia para a manutenção
delas.
![Page 10: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/10.jpg)
10
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)
![Page 11: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/11.jpg)
11
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.
![Page 12: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/12.jpg)
12
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
![Page 13: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Interrupção da corrente da CaC
CARACTERÍSTICA DINÂMICA DA CAC
![Page 14: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/14.jpg)
14
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
![Page 15: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/15.jpg)
15
• Arquitetura dependente da aplicação: custo, volume, eficiência;
Sistema Típico
PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
![Page 16: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/16.jpg)
16
• 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
![Page 17: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/17.jpg)
17
ESTÁGIOS DE PROCESSAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA
![Page 18: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
![Page 19: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/19.jpg)
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).
![Page 20: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/20.jpg)
20
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
![Page 21: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/21.jpg)
21
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
![Page 22: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/22.jpg)
22
MÉTODOS DE CARGA DE BATERIAS
Um dos métodos mais conhecidos:Método de carga com dois níveis de tensão
![Page 23: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/23.jpg)
23
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
![Page 24: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/24.jpg)
24
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
![Page 25: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/25.jpg)
25
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
![Page 26: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/26.jpg)
26
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 1: Conversor Boost
Primeira Etapa de Operação Segunda Etapa de Operação
Formas de Onda
![Page 27: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/27.jpg)
27
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
![Page 28: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/28.jpg)
28
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
![Page 29: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Necessidade do uso de filtro de entrada (entrada em tensão); Saída em corrente; Possui isolamento.
Exemplo 2: Conversor Forward
CONVERSÃO CC‐CC
![Page 30: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/30.jpg)
30
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
![Page 31: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/31.jpg)
31
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
![Page 32: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/32.jpg)
32
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
![Page 33: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/33.jpg)
33
CONVERSÃO CC‐CCExemplo 2: Conversor Forward
Etapas deOperação:
1ª)
2ª)
3ª)
![Page 34: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/34.jpg)
34
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
![Page 35: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/35.jpg)
35
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
![Page 36: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/36.jpg)
36
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
![Page 37: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/37.jpg)
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).
![Page 38: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/39.jpg)
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.
![Page 40: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/40.jpg)
40
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
![Page 41: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/41.jpg)
41
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
![Page 42: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/42.jpg)
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.
![Page 43: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/43.jpg)
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.
![Page 44: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/44.jpg)
44
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
![Page 45: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/45.jpg)
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.
![Page 46: Processamento de energia em sistemas de células combustíveis](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020218/55ac8a991a28abdf588b465c/html5/thumbnails/46.jpg)
Muito Obrigado!
Prof. Romero Leandro Andersen, [email protected]
Universidade Federal da Paraíba – UFPBCentro de Energias Alternativas e Renováveis ‐ CEAR
Departamento de Engenharia Elétrica ‐ DEE