Processamento de energia em sistemas de células combustíveis

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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Tens

ão (V

)

Perdas por ativação:

Relacionadas com a velocidade das reações com a energia para a manutenção

delas.

10


Tens

ão (V

)



delas.

Perdas ôhmicas: Resistência elétrica da CaC e das conexões entre eletrodos.

(perda resistiva)

11


Tens

ão (V

)



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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Conversor CC‐CC: Elevação de tensão; Efetuar carga das baterias; Drenar corrente no formato adequado para a CaC.

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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


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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.


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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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Formas de Onda

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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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1ª)

2ª)

3ª)

32



1ª)

2ª)

3ª)

33



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


2 níveis:Vab assume +Vcc ou –Vcc

Vtri

Vsen

Vab

3 níveis:Vab assume

+Vcc, 0, ou –Vcc

Vtri

Vsen1

Vsen2

Vab


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.


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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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

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Processamento de energia em sistemas de células combustíveis