avaliaÇÃo do uso de cÉlula a combustÍvel como...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO

CENTRO TECNOLGICO

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

AMANDA LOUREIRO NASCIMENTO

AVALIAO DO USO DE CLULA A COMBUSTVEL

COMO FONTE SECUNDRIA DE ENERGIA EM SISTEMA

HBRIDO COM ARRANJO FOTOVOLTAICO

VITRIA

2017

AMANDA LOUREIRO NASCIMENTO

AVALIAO DO USO DE CLULA A COMBUSTVEL

COMO FONTE SECUNDRIA DE ENERGIA EM SISTEMA

HBRIDO COM ARRANJO FOTOVOLTAICO

Dissertao apresentada ao Programa de

Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do

Centro Tecnolgico da Universidade

Federal do Esprito Santo, como requisito

parcial para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Eltrica.

Orientadora: Profa. Dra. Jussara Farias

Fardin.

Coorientador: Prof. Dr. Lucas Frizera

Encarnao.

VITRIA

2017

Dados Internacionais de Catalogao-na-publicao (CIP)

(Biblioteca Setorial Tecnolgica,

Universidade Federal do Esprito Santo, ES, Brasil)

Nascimento, Amanda Loureiro, 1990-

N244a Avaliao do uso de clula a combustvel como fonte secundria

de energia em sistema hbrido com arranjo fotovoltaico / Amanda

Loureiro Nascimento. 2017.

140 f. : il.

Orientador: Jussara Farias Fardin.

Coorientador: Lucas Frizera Encarnao.

Dissertao (Mestrado em Engenharia Eltrica) Universidade

Federal do Esprito Santo, Centro Tecnolgico.

1. Clulas combustvel. 2. Sistemas hbridos. 3.Clulas a

combustvel a membrana trocadora de prtons (PEMFC). 4.

Sistemas de energia fotovoltaica. 5. PSCAD (Programa de

computador). I. Fardin, Jussara Farias. II. Encarnao, Lucas Frizera.

III. Universidade Federal do Esprito Santo. Centro Tecnolgico. IV.

Ttulo.

CDU: 621.3

AGRADECIMENTOS

A Deus, por sempre estar presente na minha vida, trazendo sempre a calma para o meu

corao nos momentos difceis.

A minha famlia, em especial aos meus pais, Silvano e Regina, por terem me ensinado

a ter coragem e sempre batalhar pelo que quero. A minha irm, Alcia, pela compreenso e

carinho de todos os dias.

A minha orientadora Jussara Farias Fardin e ao meu coorientador Lucas Frizera

Encarnao pelos votos de confiana, por todas as contribuies, pelo tempo disponibilizado e

pela ateno.

Aos professores da graduao e do mestrado, em especial: Domingos Svio Lyrio

Simonetti, Jos Luiz de Freitas Vieira e Evandro Ottoni Teatini Salles, pelos conhecimentos e

conselhos dados a mim.

Aos colegas do mestrado, agradeo pelos momentos de descontrao no LEPAC e

pelas solues apresentadas a mim sempre que surgiu algum problema. Obrigada pelo

companheirismo.

Ao PPGEE, pela oportunidade e FAPES, pelo apoio financeiro, sem os quais a

concluso deste mestrado no seria possvel.

RESUMO

A dissertao prope a modelagem de um sistema hbrido isolado composto por arranjo

fotovoltaico e conjunto de clulas a combustvel do tipo membrana trocadora de prtons

utilizando o software PSCAD. O texto traz a reviso dos principais conceitos relativos

energia fotovoltaica e clula a combustvel, alm de apresentar trabalhos relacionados ao

tema que motivaram a realizao desse estudo. O mdulo fotovoltaico modelado a partir de

folha de dados fornecida pelo fabricante, enquanto que a clula a combustvel tem seu modelo

baseado em estudo realizado anteriormente. Para garantir a potncia do sistema, so feitas

associaes srie-paralelo dos mdulos fotovoltaicos e das clulas a combustvel. A

modelagem do sistema hbrido, que inclui inversores, conversor buck e filtros LCL, assim

como o controle utilizado so apresentados de forma detalhada. As fontes atuam em conjunto

para suprir as cargas no sistema isolado. Entretanto, o conjunto de clulas a combustvel

somente produz potncia ativa quando o arranjo fotovoltaico incapaz de suprir a demanda

total, com exceo da partida do sistema. Por se tratar de sistema isolado e pela fonte solar

fotovoltaica ter a caracterstica de fonte intermitente, a referncia dos sistemas de controle

advm do conjunto de PEMFCs. O objetivo das simulaes verificar a dinmica de

funcionamento do sistema isolado mediante variaes de radiao solar e de carga.

Palavras-chave: Clula a combustvel. Arranjo fotovoltaico. PEMFC. PSCAD. Sistema

hbrido.

ABSTRACT

This dissertation proposes the modeling of a stand-alone hybrid system, composed of

photovoltaic plant and proton exchange membrane fuel cell using PSCAD software. The text

presents a review about key concepts related to photovoltaic energy and fuel cells, besides of

presenting work related that motivates the accomplishment of this study. The photovoltaic

module is modeled from a datasheet provided by the manufacturer, while the fuel cell has its

model based on an earlier study. To guarantee the amount of power necessary to the system,

series-parallel associations of photovoltaic modules and of fuel cells are made. The modeling

of the hybrid system, that include inverters, buck converter and LCL filters, as well the

strategy of control used are presented in details. The sources supply the loads in the stand-

alone hybrid system. However, the fuel cells subsystem only provide power when the

photovoltaic subsystem are not able to supply the energy demand. Because the system is

isolated and the photovoltaic source has the characteristic of being intermittent, the reference

for the control strategy arise from the fuel cells subsystem. The simulations are executed in

order to verify the dynamic functioning of the stand-alone hybrid system through solar

radiation and load changes.

Keywords: Fuel cell. PV system. PEMFC. PSCAD. Hybrid system.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Capacidade instalada acumulada nos dez maiores mercados em 2016 .............. 25

Figura 2.2 Influncia da variao da radiao solar na curva caracterstica de uma clula

fotovoltaica de silcio cristalino a 25C .................................................................................. 28

Figura 2.3 Influncia da variao da temperatura da clula na curva caracterstica de uma

clula fotovoltaica de silcio cristalino a 25C ....................................................................... 28

Figura 2.4 Modelo de circuito equivalente para clula solar com um diodo ....................... 29

Figura 2.5 Funcionamento do algoritmo de P&O na curva PxV de um mdulo genrico .. 32

Figura 2.6 Fluxograma do algoritmo P&O .......................................................................... 33

Figura 2.7 Funcionamento do algoritmo CondInc na curva PxV de um mdulo genrico . 34

Figura 2.8 Fluxograma do algoritmo CondInc .................................................................... 35

Figura 2.9 Bloco de fonte solar fotovoltaica no PSCAD..................................................... 36

Figura 2.10 Curva IxV do mdulo fotovoltaico LDK 230P-20 ........................................... 37

Figura 2.11 Curva PxV do mdulo fotovoltaico LDK 230P-20 .......................................... 37

Figura 2.12 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas

no modelo do PSCAD para irradiao solar igual a 200 W/m e temperatura ambiente igual

a 25 C .................................................................................................................................... 38



a 25 C .................................................................................................................................... 38



a 25 C .................................................................................................................................... 38



a 25 C .................................................................................................................................... 39


no modelo do PSCAD para irradiao solar igual a 1000 W/m e temperatura ambiente

igual a 25 C ........................................................................................................................... 39

Figura 3.1 Esquemtico de uma clula a combustvel a hidrognio .................................... 44

Figura 3.2 Curva caracterstica de uma CaC genrica ......................................................... 50

Figura 3.3 Dupla camada eletroqumica na superfcie do catodo de uma CaC ................... 51

Figura 3.4 Classificao dos sistemas de armazenamento de energia eltrica de acordo

com a forma de energia........................................................................................................... 53

Figura 3.5 Diagrama de blocos do modelo eltrico em PSCAD ......................................... 54

Figura 3.6 Circuito equivalente para o potencial interno E da PEMFC .............................. 55

Figura 3.7 Circuito equivalente para representao das perdas considerando o efeito da

dupla camada eletroqumica ................................................................................................... 56

Figura 3.8 Circuito equivalente para representao do comportamento termodinmico da

PEMFC ................................................................................................................................... 57

Figura 3.9 Comparao entre dados experimentais e modelo em PSCAD/EMTDC para

curva VxI da PEMFC SR-12 500-W ...................................................................................... 59


curva PxI da PEMFC SR-12 500-W ....................................................................................... 59


curva de temperatura da PEMFC SR-12 500-W .................................................................... 60

Figura 3.12 Resposta transitria do modelo em PSCAD/EMTDC em variao de carga

para curtos intervalos de tempo .............................................................................................. 61

Figura 3.13 Resposta transitria do modelo em PSCAD/EMTDC em variao de carga

para longos intervalos de tempo ............................................................................................. 61

Figura 3.14 Variao das resistncias de ativao, hmica e de concentrao ao longo da

simulao ................................................................................................................................ 62

Figura 3.15 Variao do rendimento real do modelo de PEMFC (a) com a corrente e (b)

com a temperatura de operao para os limites adotados de eficincia mxima terica ........ 64

Figura 3.16 Arranjo de clulas a combustvel para simulao com temperatura varivel

em um dos mdulos ............................................................................................................... 65

Figura 3.17 Variao da corrente nos ramos em paralelo do arranjo da Figura 3.16 com a

mudana de temperatura em um dos mdulos do arranjo ...................................................... 66

Figura 3.18 Tenso medida na sada de cada mdulo conforme Figura 3.16 ..................... 66

Figura 3.19 Variao da tenso de sada do arranjo da Figura 3.16 com a mudana de

temperatura em um dos mdulos ........................................................................................... 67

Figura 4.1 Diagrama de blocos do sistema hbrido implementado em PSCAD .................. 68

Figura 4.2 Histrico de temperaturas mxima e mmima mdias anuais registrado pelo

Incaper com dados medidos na estao de Vitria-ES ........................................................... 69

Figura 4.3 Curvas (a)IxV e (b)PxV do arranjo fotovoltaico para irradincia solar igual a

1.000W/m e temperatura ambiente igual a 25,02C.............................................................. 70

Figura 4.4 Curvas PxI e VxI da PEMFC em temperatura ambiente igual a 25,02C ......... 70

Figura 4.5 Curvas PxI e VxI do conjunto de CaCs atingindo o ponto de operao

escolhido ................................................................................................................................. 71

Figura 4.6 Topologias de conversores CC/CC no isolados ............................................... 72

Figura 4.7 Corrente de carga: (a) MCC (b) MDC ............................................................... 73

Figura 4.8 Sinais de gatilho gerados por PWM ................................................................... 73

Figura 4.9 Sinais de gatilho gerados por SPWM ................................................................. 74

Figura 4.10 Esquemtico do conversor Buck ...................................................................... 75

Figura 4.11 Controle da tenso em funo da razo cclica com frequncia de

chaveamento constante ........................................................................................................... 76

Figura 4.12 Bloco de MPPT e seus parmetros no software PSCAD ................................. 78

Figura 4.13 Malha de controle do conversor buck .............................................................. 78

Figura 4.14 Topologia do inversor de frequncia ................................................................ 79

Figura 4.15 Malha de controle completa aplicada no controle do inversor conectado ao

arranjo fotovoltaico ................................................................................................................. 81

Figura 4.16 Malha de controle completa aplicada no controle do inversor conectado a

PEMFC ................................................................................................................................... 81

Figura 4.17 Circuito para deteco de fase e frequncia das tenses na sada do inversor . 83

Figura 4.18 Circuito elaborado em PSCAD para o PSVD .................................................. 84

Figura 4.19 Sinal de potncia ativa (p_a) para o arranjo fotovoltaico gerado em malha de

controle ................................................................................................................................... 85

Figura 4.20 Malha para clculo da corrente instantnea utilizada no controle do inversor

conectado ao arranjo fotovoltaico ........................................................................................... 85

Figura 4.21 Malha de controle do inversor do subsistema fotovoltaico .............................. 86

Figura 4.22 Malha de controle do inversor do subsistema da PEMFC ............................... 86

Figura 4.23 Estrutura do filtro LCL ..................................................................................... 87

Figura 5.1 Curva de capacidade do sistema hbrido ............................................................ 91

Figura 5.2 Disposio das cargas no barramento do sistema hbrido isolado ..................... 91

Figura 5.3 Comparador hierrquico ..................................................................................... 93

Figura 5.4 Verificao de potncia disponvel .................................................................... 94

Figura 5.5 Acionamento da chave de conexo da carga ao barramento .............................. 94

Figura 5.6 Variao de radiao solar no Cenrio I ............................................................ 96

Figura 5.7 Potncia ativa de sada dos inversores dos subsistemas, potncia consumida

pela carga e potncia excedente do sistema hbrido para o Cenrio I .................................... 97

Figura 5.8 Potncia reativa drenada pelas cargas e potncia reativa sintetizada pelos

inversores dos subsistemas no Cenrio I ............................................................................... 97

Figura 5.9 Potncia produzida pelo arranjo fotovoltaico e potncia entregue na sada do

inversor do subsistema fotovoltaico no Cenrio I .................................................................. 98

Figura 5.10 Tenso de sada do arranjo fotovoltaico no Cenrio I ...................................... 99

Figura 5.11 Funcionamento do MPPT no arranjo fotovoltaico no Cenrio I ...................... 99

Figura 5.12 Corrente de sada do arranjo fotovoltaico no Cenrio I ................................. 100

Figura 5.13 Potncia produzida pelo conjunto de PEMFCs e a potncia na sada do

inversor do subsistema de PEMFCs no Cenrio I ................................................................ 101

Figura 5.14 Tenso de sada do conjunto de PEMFCs no Cenrio I ................................. 101

Figura 5.15 Corrente de sada do conjunto de PEMFCs no Cenrio I .............................. 102

Figura 5.16 Tenso medida no PAC nos instantes de variao de radiao solar no

Cenrio I ............................................................................................................................... 104

Figura 5.17 Corrente medida na sada do inversor do subsistema do arranjo fotovoltaico

no Cenrio I .......................................................................................................................... 105

Figura 5.18 Corrente medida na sada do inversor do subsistema de PEMFCs no Cenrio I106


pela carga e potncia excedente do sistema hbrido para o Cenrio II ................................. 107

Figura 5.20 Potncia reativa fornecida carga pelos inversores dos subsistemas no

Cenrio II .............................................................................................................................. 108

Figura 5.21 Potncia produzida pela arranjo fotovoltaico e potncia na sada do inversor

conectado ao subsistema fotovoltaico no Cenrio II ............................................................ 109

Figura 5.22 Tenso (a) e corrente (b) de sada do arranjo fotovoltaico no Cenrio II ...... 109

Figura 5.23 Potncia produzida pelo conjunto de PEMFCs e potncia na sada do inversor

do subsistema de PEMFCs no Cenrio II ............................................................................. 110

Figura 5.24 Tenso de sada no conjunto de PEMFCs no Cenrio II................................ 111

Figura 5.25 Corrente de sada no conjunto de PEMFCs no Cenrio II ............................. 111

Figura 5.26 Tenso medida no PAC nos instantes de variao de carga no Cenrio II .... 112


nos instantes de variao de carga no Cenrio II .................................................................. 113

Figura 5.28 Corrente medida na sada do inversor do subsistema da PEMFC nos instantes

de variao de carga no Cenrio II ....................................................................................... 114


pela carga e potncia excedente do sistema hbrido para o Cenrio III................................ 117

Figura 5.30 Potncia reativa fornecida a carga pelos inversores dos subsistemas no

Cenrio III ............................................................................................................................. 118

Figura 5.31 Potncia produzida pela arranjo fotovoltaico e potncia entregue na sada do

inversor conectado ao subsistema fotovoltaico no Cenrio III ............................................. 119

Figura 5.32 Tenso (a) e corrente (b) de sada do arranjo fotovoltaico no Cenrio III ..... 120

Figura 5.33 Tenso de sada no conjunto de PEMFCs no Cenrio III .............................. 120

Figura 5.34 Corrente de sada no conjunto de PEMFCs no Cenrio III ............................ 121

Figura 5.35 Potncia produzida pelo conjunto de PEMFCs e potncia na sada do inversor

do subsistema de PEMFCs no Cenrio III ............................................................................ 121

Figura 5.36 Tenso do barramento nos instantes de variao de carga no Cenrio III ..... 122


nos instantes de variao de carga no Cenrio III ................................................................ 123

Figura 5.38 Corrente medida na sada do inversor do subsistema da PEMFC nos instantes

de variao de carga no Cenrio III ..................................................................................... 124

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Caractersticas do mdulo LDK-230P-20 em condies padro de teste (1.000

W/m e 25 C) ......................................................................................................................... 36

Tabela 2.2 Erro relativo mdio entre as curvas obtidas no modelo em PSCAD e as curvas

fornecidas pelo fabricante ....................................................................................................... 40

Tabela 2.3 Valores obtidos a partir da simulao do mdulo LDK-230P-20 em PSCAD

para o ponto de mxima potncia sob diferentes nveis de irradincia solar .......................... 40

Tabela 2.4 Erros relativos entre as curvas reais e as curvas obtidas no software PSCAD

no ponto de mxima potncia ................................................................................................. 40


para a corrente de curto-circuito e a tenso de circuito aberto ............................................... 41

Tabela 3.1 Caractersticas das clulas a combustvel .......................................................... 46

Tabela 3.2 Analogias entre grandezas eltricas e termodinmicas...................................... 57

Tabela 3.3 Parmetros da PEMFC SR-12 500-W para simulao ...................................... 58

Tabela 3.4 Limite mximo de eficincia, mxima tenso reversvel e gf de clulas a

combustvel a hidrognio ........................................................................................................ 63

Tabela 4.1 Histrico de temperaturas mxima e mmima mdias anuais registrado pelo

Incaper com dados medidos na estao de Vitria-ES, com mdia de temperatura anual ..... 69

Tabela 4.2 Conversor buck projetado para o arranjo fotovoltaico....................................... 77

Tabela 4.3 Lgica de conduo das chaves no controle SPWM ......................................... 80

Tabela 4.4 Parmetros dos filtros LCL para cada subsistema ............................................. 89

Tabela 5.1 Lista de cargas do sistema isolado a serem conectadas ao barramento ............. 92

Tabela 5.2 Classificao das Variaes de Tenso de Curta Durao Momentneas ....... 103

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

CaC Clula a Combustvel

CC Corrente Contnua

CondInc Condutncia Incremental

EPE Empresa de Pesquisa Energtica

GD Gerao Distribuda

IxV Corrente versus Tenso

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors

MCC Modo de Conduo Contnua

MCD Modo de Conduo Descontnua

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell - Clula a combustvel de Carbonato Fundido

MME Ministrio de Minas e Energia

MPP Maximum Power Point Ponto de mxima potncia

MPPT Maximum Power Point Tracking Rastreamento do ponto de mxima potncia

P&O Perturbao e Observao

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Clula combustvel de cido fosfrico

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell Clula a combustvel de membrana

trocadora de prtons

PI Proporcional Integral

PID Proporcional Integral Diferencial

ProGD Programa de Desenvolvimento da Gerao Distribuda de Energia Eltrica

PRODIST Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional

PxI Potncia versus Corrente

PxV Potncia versus Tenso

PWM Pulse Width Modulation Modulao por Largura de Pulso

SIN Sistema Interligado Nacional

SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation Modulao por Largura de Pulso Senoidal

SOFC Solid Oxide FuelCell Clula combustvel de xido slido

VSI Voltage Source Inverter Inversor tipo fonte de tenso

VxI Tenso versus Corrente

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ........................................................................................................... I

RESUMO ................................................................................................................................ II

ABSTRACT ......................................................................................................................... III

LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... IV

LISTA DE TABELAS ......................................................................................................... IX

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .......................................................................... X

1 INTRODUO ............................................................................................................... 13

1.1 Trabalhos relacionados ao tema .................................................................................. 17

1.2 Objetivos...................................................................................................................... 22

1.3 Estrutura da Dissertao .............................................................................................. 22

1.4 Consideraes Finais ................................................................................................... 24

2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ........................................................................ 25

2.1 Clulas Fotovoltaicas: funcionamento e modelagem .................................................. 26

2.2 Mdulos fotovoltaicos ................................................................................................. 30

2.3 Algoritmos para rastreamento de mxima potncia .................................................... 31

2.3.1 Perturbao e Observao (P&O) ..................................................................... 31

2.3.2 Condutncia Incremental (CondInc) ................................................................. 33

2.4 Validao do mdulo fotovoltaico em PSCAD/EMTDC ........................................... 35


3 CLULAS A COMBUSTVEL ..................................................................................... 42

3.1 Princpio de Funcionamento ........................................................................................ 43

3.2 Tipos de Clula a Combustvel .................................................................................... 44

3.3 Clula a Combustvel de Membrana Trocadora de Prtons (PEMFC) ....................... 46

3.3.1 Tenso Ideal - Equao de Nernst ..................................................................... 47

3.3.2 Perdas caractersticas das clulas a combustvel ............................................... 49

3.3.2.1 Perdas por ativao .............................................................................. 50

3.3.2.2 Perdas hmicas .................................................................................... 50

3.3.2.3 Perdas por concentrao ...................................................................... 51

3.3.3 Dupla camada eletroqumica ............................................................................. 51

3.3.4 Rendimento Terico Mximo e Rendimento Real ............................................ 52

3.4 Armazenamento de energia baseado em hidrognio ................................................... 52

3.5 Modelagem da PEMFC em PSCAD ........................................................................... 54

3.5.1 Validao do circuito equivalente da PEMFC em PSCAD .............................. 57

3.6 Consideraes finais .................................................................................................... 67

4 MODELAGEM DO SISTEMA HBRIDO NO PSCAD ............................................. 68

4.1 Arranjo Fotovoltaico ................................................................................................... 69

4.2 Conjunto de PEMFCs .................................................................................................. 70

4.3 Conversores Estticos CC-CC ..................................................................................... 71

4.3.1 Conversor Buck ................................................................................................. 74

4.4 Inversores de Frequncia ............................................................................................. 79

4.5 Filtro LCL .................................................................................................................... 87


5 SIMULAES E ANLISE DE DESEMPENHO DO SISTEMA ............................ 90

5.1 Capacidade do Sistema ................................................................................................ 90

5.2 Controle de acesso de cargas: hierarquia de carga e potncia disponvel ................... 91

5.3 Simulaes: desempenho do sistema em diferentes cenrios ...................................... 94

5.3.1 Cenrio I: funcionamento sob variao de radiao solar ................................. 95

5.3.2 Cenrio II: rejeio de carga ........................................................................... 107

5.3.3 Cenrio III: pedido de acesso simultneo ........................................................ 116

5.3.4 Consideraes Finais ....................................................................................... 126

6 CONCLUSES ............................................................................................................. 127

7 REFERNCIAS ............................................................................................................ 131

APENDICE A PRODUO CIENTFICA ................................................................. 135

ANEXO A FOLHA DE DADOS DO MDULO FOTOVOLTAICO ........................ 136

13

1 INTRODUO

O panorama econmico um dos fatores que influencia no aumento ou na diminuio

do consumo de energia eltrica nos meios residencial, comercial e industrial, dentre outros.

Apesar das atuais incertezas polticas e econmicas no contexto em que o Brasil est inserido,

a economia mostra sinais de recuperao. Com a taxa de inflao se aproximando do centro

da meta, que de 4,5%, e a reduo da taxa bsica de juros para 8,25% a.a., espera-se que o

consumo e os investimentos no pas aumentem de forma suave e gradual (BANCO

CENTRAL DO BRASIL, 2017). Se o consumo e os investimentos crescem, tambm h

aumento do consumo de energia eltrica nos setores.

A Empresa de Pesquisa Energtica (EPE) divulgou as previses de carga para o

planejamento anual de operao energtica do ciclo 2017-2021 em abril de 2017. De acordo

com o informe, o consumo no Sistema Interligado Nacional (SIN) em 2016 apresentou

decrscimo de 0,8% em relao a 2015. Entretanto com a retomada gradativa da economia, h

indcios de que haja aumento no consumo de energia eltrica. Ainda segundo as previses da

EPE, o consumo no SIN entre 2017 e 2021 crescer taxa mdia anual igual a 3,6%,

indicando uma expanso mdia anual de aproximadamente 2,5 GWmdio na carga de energia

(EPE, 2017).

Para suprir as previses de aumento de carga, preciso expandir a gerao de energia.

Todavia uma expanso no sistema eltrico de potncia centralizado e regulado implicaria no

s em investimentos para ampliao da produo, mas tambm da transmisso e da

distribuio de energia. Devido ao alto tempo de resposta a esse aumento de demanda e ao

alto custo dos investimentos necessrios para execuo da expanso do sistema centralizado, a

gerao distribuda (GD) surge como soluo alternativa.

Segundo a Resoluo Normativa n 687/2015 que trata dos Procedimentos de

Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional (PRODIST), a Agncia

Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) define a GD como

centrais geradoras de energia eltrica, de qualquer potncia, com instalaes

conectadas diretamente ao sistema eltrico de distribuio ou atravs de instalaes

de consumidores, podendo operar em paralelo ou de forma isolada e despachadas

ou no pelo Operador Nacional do Sistema Eltrico (ANEEL, 2016).

14

Em geral, a GD complementa a gerao de energia centralizada aumentando a

capacidade dos usurios no local de sua instalao, podendo funcionar tanto conectada rede

quanto em modo isolado. Alm disso, tambm pode oferecer a possibilidade de cogerao,

que o aproveitamento do calor residual produzido por algumas fontes, em aplicaes

industriais, residenciais e comerciais, contribuindo para aumentar a eficincia do sistema.

Com pouca ou nenhuma limitao geogrfica e baixa densidade de potncia, a GD se torna

uma alternativa para suprir o aumento de demanda do consumidor.

Em 2012, a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) publicou a

Resoluo n 482 que regulamenta as condies gerais para o acesso de micro e minigerao

distribuda aos sistemas de distribuio de energia eltrica, estimulando a instalao de GD no

pas. Com a aprovao da Resoluo n 482, o consumidor pode no s gerar sua prpria

energia eltrica com fontes renovveis, como tambm fornecer o excedente para a rede de

distribuio. Ao fornecer o excedente para a concessionria de distribuio, o consumidor

acumula crditos de energia (kWh) para serem abatidos nas prximas faturas com validade de

at 60 meses. Isso chamado de sistema de compensao, assunto tambm abordado pela

Resoluo n 482.

So diversas as vantagens relacionadas instalao de microgerao, incluindo

aspectos ambientais, operacionais e econmicos. Como vantagens relacionadas aos aspectos

operacionais, citam-se a reduo do carregamento das redes e a minimizao de perdas nos

alimentadores de transmisso, j que a gerao se d em nvel de distribuio. J do ponto de

vista econmico, est o adiamento de grandes investimentos na expanso do SIN. Alm disso,

acredita-se que a proximidade da gerao com a carga provocaria a melhor utilizao e

gerenciamento da energia por parte dos consumidores, isto , o uso consciente de energia.

Como aspecto ambiental, tem-se o baixo impacto causado pela instalao de unidades de GD

quando comparado instalao de grandes centros geradores. Outro ponto interessante que,

em casos de interrupo de fornecimento, o consumidor poder escolher as cargas prioritrias

que sero alimentadas com a energia eltrica proveniente da GD. importante ressaltar que a

GD traz tambm a possibilidade de fornecimento de energia eltrica para localidades remotas,

em que no existem redes de transmisso ou distribuio.

O incentivo micro e minigerao traz como consequncia a diversificao da matriz

energtica do pas, devido ao uso de fontes renovveis de energia. Nos ltimos anos, a

aplicao de fontes renovveis de energia vem aumentando, no somente devido a fatores

15

econmicos, mas tambm a interesses sociais, polticos e ambientais. Dentre as fontes

renovveis utilizadas, observa-se que as fontes elica e solar esto bem desenvolvidas e

apresentam bom custo-benefcio, sendo amplamente utilizadas atualmente. Outros tipos,

como as clulas a combustvel (CaCs), esto em estgio avanado de desenvolvimento

(AHMED et al., 2011).

Entre os desafios para ampliao do uso de gerao distribuda est o alto custo de

aquisio e instalao das fontes renovveis. Existem ainda as dificuldades tcnicas

relacionadas ao controle, monitoramento e proteo da rede eltrica quando da presena de

unidades de GD. Quanto a esse ponto, devem ser desenvolvidos infraestrutura e protocolos

especficos de telecomunicao e controle, que sero obtidos apenas por meio de estudos e

pesquisas aprofundados sobre o tema.

O Ministrio de Minas e Energia (MME) lanou em Dezembro de 2015 o Programa de

Desenvolvimento da Gerao Distribuda de Energia Eltrica (ProGD), que inclui aes para

favorecer e estimular a gerao de energia pelos consumidores. Estima-se que at 2030, o

ProGD movimente mais de 100 bilhes em investimentos, podendo representar 2,7 milhes

de unidades consumidoras que produzem sua prpria energia entre residncias, comrcios,

indstrias e at mesmo no setor agrcola. O montante de energia gerado pode chegar a

23,5 GW de potncia instalada, equivalentes a 48 TWh produzidos se igualando metade da

gerao da Usina Hidreltrica de Itaipu. Dessa forma, o Brasil deixaria de emitir 29 milhes

de toneladas de CO2 na atmosfera (MME, 2015).

A iniciativa do MME tem como objetivos a criao e expanso das linhas de fomento

aos projetos de instalao de GD nos segmentos residencial, comercial e industrial. Alm de

promover incentivos fiscais, como a iseno de ICMS e PIS/COFINS sobre a energia gerada

pelo consumidor, injetada na rede de distribuio, tambm foi prevista a reduo no imposto

de importao sobre itens destinados produo de equipamentos de gerao solar

fotovoltaica at o fim de 2016. H ainda o apoio do Banco Nacional de Desenvolvimento

Econmico e Social (BNDES) com a criao de taxas diferenciadas para recursos aplicados a

projetos de eficincia energtica e gerao distribuda (MME, 2015).

A ANEEL registrou at janeiro de 2017 mais de 7,6 mil conexes rede de

distribuio totalizando mais de 73 MW de potncia instalada. A fonte renovvel que mais se

destacou foi a solar fotovoltaica com mais 7,5 mil conexes totalizando 57,6 MW de

16

capacidade instalada, representando assim 98,9% das conexes e 78,3% da potncia instalada

em gerao distribuda (PORTAL BRASIL, 2017).

Como dito anteriormente, os recursos utilizados para gerao distribuda so

idealmente as fontes alternativas de energia, devido baixa emisso de carbono e alta

eficincia de sistemas com a possibilidade de cogerao. Porm, antes da instalao de

qualquer fonte renovvel, necessrio estudar o recurso local disponvel na regio para saber

se o investimento vivel e traz o retorno desejvel.

Vale ressaltar que a gerao distribuda sem algum tipo de controle pode gerar

inconvenientes. Diante disso, surgem as microrredes. O termo microrrede utilizado para

definir a integrao de recursos de energia distribudos e cargas eltricas operando de modo

autnomo em uma rede nica seja em paralelo ou isolado da rede de distribuio existente.

Isso significa que a microrrede deve possuir equipamentos necessrios para garantir o

controle e a proteo dos componentes do sistema, assegurando uma operao estvel e

confivel para o consumidor.

No Brasil j existem instalaes experimentais de microrredes compostas por sistemas

solares fotovoltaicos conectados rede em universidades, institutos de pesquisa e

concessionrias de energia. Dos empreendimentos, destacam-se o CEPEL com um sistema de

16,3 kW, o Centro de Cultura e Eventos da Universidade Federal de Santa Catarina com

10,24 kW e a Fundio Estrela em So Bernardo do Campo/SP de 14,7 kW (CMARA,

2011). A existncia dessas instalaes incentiva as pesquisas sobre uma variedade de assuntos

relacionados ao controle, monitoramento, gerenciamento e armazenamento de energia, dentre

outros.

Em comunidades remotas do Acre e do Amazonas, no interligadas ao SIN, so

realizados estudos relativos gerao distribuda hbrida de energia eltrica, aplicando

geradores a leo diesel e painis fotovoltaicos. A gerao de energia eltrica nessas

localidades costuma ser realizada por geradores a diesel, mas a dificuldade de acesso s

localidades e o alto valor do combustvel incitam pesquisas relacionadas diminuio da

dependncia desse tipo de gerao. Em estudo realizado pela EPE em 2014, constatou-se que

a adoo de sistemas hbridos com energia fotovoltaica para essas localidades poderia

proporcionar a reduo no custo da energia eltrica, a economia de combustveis fsseis

reduzindo a emisso de gases poluentes e o desenvolvimento tecnolgico da regio (EPE,

2014).

17

O aumento do consumo de energia, o esgotamento dos recursos fsseis e a

preocupao ambiental global incitaram as pesquisas e o desenvolvimento de melhores

tecnologias para aproveitamento dos recursos naturais renovveis, como a radiao solar e a

velocidade dos ventos. Essas tecnologias, quando comparadas com as convencionais para

produo de energia, so sustentveis e podem ser instaladas prximas s cargas. Todavia, as

variaes dirias e sazonais dos recursos naturais causam a intermitncia da gerao podendo

abalar a confiabilidade e a disponibilidade de energia em sistemas isolados ou conectados

rede. Assim, os sistemas isolados requerem algum tipo de sistema de armazenamento de

energia para serem mais robustos e confiveis. Outra opo a integrao de fontes

renovveis formando um sistema hbrido, como o que ser discutido nessa dissertao.

A integrao de fontes renovveis em um sistema hbrido interessante e tem sido

abordado em diversos estudos, terica e experimentalmente. Os sistemas hbridos podem

prover energia com maior qualidade e confiabilidade do que sistemas baseados em um nico

recurso renovvel (WANG, 2006). Por sua vez, os sistemas hbridos isolados requerem

controle envolvendo a gerao de energia eltrica e a previso de cargas a serem conectadas

ao sistema.

1.1 Trabalhos relacionados ao tema

O uso de CaCs juntamente com fontes intermitentes atrativo devido alta eficincia,

modularidade e flexibilidade de combustvel (JIANG, 2006). De fato, muitos sistemas

hbridos envolvendo CaCs foram estudados na literatura. Por exemplo, Saiful e Belmans

(2005) apresentam o modelo e a simulao de um sistema hbrido de gerao composto por

painel fotovoltaico, clula a combustvel que emprega um eletrolisador para gerao de

hidrognio e bancos de baterias. Ahmed e outros (2008), por sua vez, propem um sistema

hbrido semelhante com a adio de uma turbina elica.

O desempenho, confiabilidade e problemas de manuteno de uma planta fotovoltaica

associada a armazenamento de hidrognio e CaC so retratados por Lehman e outros (1997).

O Schatz Solar Hydrogen Project teve incio em 1989, com a inteno de demonstrar a

viabilidade do uso de hidrognio como meio de armazenamento de energia. O sistema hbrido

localizado no laboratrio marinho da Universidade Estadual Humboldt, em Trinidad, na

Califrnia, Estados Unidos. A planta foi desenvolvida para suprir ininterruptamente o

18

compressor de ar para aerao do aqurio do laboratrio. O arranjo fotovoltaico possui

9,2 kW, o eletrolisador tem capacidade para entregar 20 slm (standard liters per minute

vazo volumtrica de gs nas condies padro de temperatura e presso) de H2 e a CaC,

1,5 kW. Constatou-se que o eletrolisador funciona em harmonia com o arranjo fotovoltaico,

atingindo 76,7% de eficincia, enquanto que a produo de hidrognio do sistema apresenta

eficincia de 6,2%. A eficincia do eletrolisador calculada pela razo entre a taxa de

hidrognio produzido e a potncia ativa fornecida para o eletrolisador, enquanto que a da

produo de hidrognio o produto da eficincia do arranjo fotovoltaico com a eficincia do

eletrolisador.

Kolhe e outros (2003), no Instituto de Pesquisas em Hidrognio (HRI Hydrogen

Research Institute) localizado na Universidade do Qubec, desenvolveram um sistema hbrido

composto por arranjo fotovoltaico associado a turbina elica com armazenamento de energia

baseado na produo de hidrognio. Isto , quando h excedente de energia produzido pelas

fontes renovveis (FRs), um eletrolisador converte a energia eltrica em hidrognio, que

armazenado em um tanque pressurizado. Se a energia produzida pelas FRs no suficiente, o

hidrognio armazenado convertido em energia eltrica por meio da CaC. O sistema

composto por arranjo fotovoltaico de 1 kWp e gerador elico de 10kW, associados a um

eletrolisador e a uma CaC, ambos de 5 kW. H ainda baterias que so utilizadas para

armazenamento de energia a curto prazo, isto , fornecem energia rapidamente durante

aumento repentino de carga. Para o gerenciamento de energia, aplica-se uma tcnica de

controle baseada no estado de carregamento (state of charge - SOC) dessas baterias,

constituindo parmetro principal no controle do sistema. No estudo, apresentado um modelo

analtico dependente do tempo para prognosticar o desempenho desse sistema. O excesso ou

escassez de energia eltrica, estimados pelo mtodo desenvolvido nesse estudo, controla a

operao do eletrolisador e da clula a combustvel.

Na Alemanha, Ghosh e outros (2003) avaliaram a viabilidade tcnica do projeto

PHOEBUS (PHOtovoltaik, Elektrolyseur, Brennstoffzelle Und System Technik) baseado em

energia fotovoltaica, baterias e armazenamento de hidrognio. No projeto, o arranjo

fotovoltaico localizado no telhado da Biblioteca Central no Centro de Pesquisas de Jlich,

composto por mdulos de diferentes tipos e inclinaes. Existem tambm um eletrolisador

alcalino desenvolvido para operar entre 5 e 26 kW, tanques para armazenamento de

hidrognio e oxignio, bancos de baterias e uma CaC alcalina de 5,6 kW. Assim como Kolhe

19

e outros (2003), o gerenciamento de energia tambm foi realizado utilizando o estado de

carregamento das baterias. Muitos problemas tcnicos surgiram durante a implementao do

projeto de 1994 a 1996, de modo que os dados experimentais considerados no estudo so de

1997 a 2001. Os resultados apresentam que o rendimento do sistema varia de 51% a 64% com

base no balano anual de energia, se excluda a eficincia da CaC. Alm disso, comprovou

que o arranjo fotovoltaico supriu diretamente em torno de 20% a 30% da demanda total, os

outros 50 a 52% da demanda foram supridos pela bateria, enquanto que o conjunto

eletrolisador/clula a combustvel supriu entre 20 a 25% da demanda, indicando que a energia

excedente armazenada em forma de hidrognio atrativa.

Wang (2006) aborda a modelagem e controle de um sistema hbrido conectado rede

para uso residencial. O estudo traz uma reviso das principais formas de energia e progressos

na utilizao de fontes de energia alternativas, mantendo o foco nas clulas a combustvel e

nas fontes elica e solar. Alm disso, explica conceitos fundamentais relacionados a essas

fontes de energia. O sistema hbrido proposto para uso em cinco residncias em Montana nos

Estados Unidos contm painis fotovoltaicos, turbina elica, clulas a combustvel,

eletrolisador, unidades de condicionamento de potncia, baterias, entre outros itens. Para

todos os componentes foram desenvolvidos modelos dinmicos em MATLAB/Simulink,

testados sob dados reais de carga, ventos, radiao solar e temperatura locais, para simular o

comportamento e gerenciamento do sistema hbrido em diferentes condies. A demanda

mdia das residncias igual a 9,76 kW e o sistema hbrido conta com uma turbina elica

com capacidade de 50 kW e arranjo fotovoltaico com capacidade de 33 kWp. Tambm h

plantas compostas por arranjos de clulas a combustvel, uma do tipo membrana trocadora de

prtons e outra do tipo xido slido, apresentando 18 kW e 20 kW de capacidade instalada,

respectivamente. O eletrolisador tem 50 kW, enquanto a bateria possui 10kWh de autonomia.

Ressalta-se que nesse sistema as fontes solar e elica so as fontes primrias e o conjunto

eletrolisador-CaC a fonte secundria. O eletrolisador converte a energia excedente do

sistema em forma de hidrognio que armazenado para posterior utilizao na CaC em

longos intervalos de tempo. Esses intervalos acontecem quando as condies de gerao de

energia pelas fontes solar e elica so adversas ou quando h maior demanda de carga nas

residncias atendidas pelo sistema. A bateria utilizada para compensar rpidos transientes de

carga na rede. Os resultados mostram que a estratgia de controle proposta no estudo

eficiente, promovendo o balanceamento do fluxo de potncia entre as diferentes fontes

renovveis.

20

Uma anlise comparativa entre sistemas de armazenamento de energia por bateria e

por hidrognio em localidades isoladas foi proposta por Furlan (2008). O sistema hbrido

analisado formado por arranjo fotovoltaico, eletrolisador e CaC, variando-se apenas o

sistema de armazenamento, por baterias de chumbo-cido ou hidrognio. O estudo inclui um

modelo matemtico para dimensionamento de sistemas hbridos, bem como anlise

econmica dos sistemas propostos.

Silva (2010) props um estudo acerca de um projeto-piloto instalado em rea de

proteo ambiental no Centro de Pesquisa de Canguu, no estado de Tocantins no Brasil, com

o objetivo de caracterizar tcnica e economicamente a iniciativa. O sistema hbrido

composto por arranjo fotovoltaico, CaCs e eletrolisador, sendo utilizado para suprir a

demanda de uma comunidade isolada. O sistema isolado e a fonte primria do sistema o

arranjo fotovoltaico. Quando da existncia de excedente de energia, esse convertido em

hidrognio por eletrlise da gua e posteriormente reconvertido em energia pela CaC nos

perodos de baixa ou ausncia da radiao solar local. O software utilizado para simulao e

otimizao do sistema foi o HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewable)

distribudo pelo NREL (National Renewable Energy Laboratory). Constatou-se que mais de

50% dos custos referem-se ao sistema FV e que se houvesse a reduo de 50% nos custos dos

componentes da CaC e do eletrolisador no mercado internacional, o sistema poderia ser

competitivo com um sistema fotovoltaico com baterias. Alm disso, o estudo destaca a

reduo de problemas ambientais, j que as fontes utilizadas so no poluentes, silenciosas e

livres de custo de combustvel para o seu funcionamento. Destacam-se ainda as sugestes do

autor para o desenvolvimento e instalao de novos sistemas hbridos: maiores incentivos

fiscais e financeiros s indstrias nacionais e a existncia de novos programas de estmulo a

utilizao de fontes renovveis por parte do governo brasileiro.

Hidaka e Kawahara (2012) desenvolveram a modelagem e a simulao de um sistema

fotovoltaico integrado a clula a combustvel para uso em rea residencial. O comportamento

do sistema hbrido simulado em MATLAB/Simulink mediante equacionamento matemtico,

que representam a dinmica de funcionamento de cada componente do sistema. No estudo, a

clula a combustvel complementa a potncia demandada pela carga e o conjunto formado

pela clula a combustvel e eletrolisador utilizado como bateria. Dessa forma, o eletrolisador

produz hidrognio por eletrlise quando o sistema fotovoltaico tem excedente de energia. O

hidrognio armazenado em tanque, sendo utilizado posteriormente pela clula a combustvel

21

quando necessrio ao sistema. O sistema fotovoltaico e a clula a combustvel tem

capacidades de 3 kW e 1 kW, respectivamente, e so conectados a conversores CC-CC a um

barramento CC regulado em 350 V. A conexo do sistema hbrido rede feita por meio de

inversor monofsico. Para a pesquisa, foram utilizados dados reais de irradiao e de

temperatura como entrada para o sistema fotovoltaico. Os resultados das simulaes mostram

que o hidrognio gerado pelo excedente de energia a partir do eletrolisador. Entretanto,

durante a noite, quando no h atuao do sistema fotovoltaico, esse volume de hidrognio

gerado no consegue suprir a demanda de carga. Os autores concluram que o conjunto de

clula a combustvel e eletrolisador deve ser revisado a fim de obter melhor aproveitamento

no sistema hbrido.

Valverde e outros (2016) investigam os modos de operao de sistemas hbridos

associados ao armazenamento de energia por hidrognio. Para o estudo, desenvolveu-se uma

plataforma em laboratrio, localizado na Universidade de Sevilla na Espanha, composta de

um eletrolisador de 1 kW, uma CaC PEM de 1,5 kW, um tanque para armazenamento de

hidrognio e um banco de baterias de 367Ah. Alm disso, uma carga de 2,5 kW e uma fonte

de 6 kW so utilizadas para emular os perfis de demanda e gerao do sistema,

respectivamente. Os seis modos de operao analisados no estudo foram escolhidos de acordo

com as possibilidades de funcionamento a plena carga e carga parcial de cada parte que

compe o sistema, isto , gerao por fontes renovveis, armazenamento de energia e

consumo de energia. Os comportamentos do eletrolisador e da clula a combustvel foram

analisados e comparados entre si, mostrando a compatibilidade de cada um deles quanto a

condies climticas e demanda de cada situao imposta. O estudo conclui que o conjunto

eletrolisador-CaC atinge ndices de eficincia satisfatrios, entretanto a um alto custo.

Diante do exposto, nessa dissertao feito o estudo de um sistema hbrido operando

em modo isolado, composto por fonte solar fotovoltaica e clula a combustvel do tipo

membrana trocadora de prtons (PEMFC). As fontes atuam em conjunto para suprir a

demanda, contudo a clula a combustvel utilizada, principalmente, quando o arranjo

fotovoltaico no conseguir suprir totalmente a potncia ativa solicitada.

22

1.2 Objetivos

No contexto apresentado, esta dissertao tem como objetivo a modelagem e a anlise

do comportamento de um sistema eltrico hbrido operando em modo isolado sob variaes

de carga e de gerao. O sistema hbrido estudado composto por arranjo fotovoltaico,

clulas a combustvel de membrana trocadora de prtons e cargas com determinados nveis de

prioridade. Para controlar o acesso das cargas implementado um controle que verifica a

disponibilidade de potncia das fontes e a prioridade das cargas. Na partida do sistema, a

clula a combustvel tem a funo de produzir a referncia do sistema. Aps a partida, o

arranjo fotovoltaico assume o papel de fonte primria enquanto que a clula a combustvel de

membrana trocadora de prtons somente solicitada quando o arranjo fotovoltaico no foi

capaz de suprir toda a potncia demandada pelas cargas.

Os objetivos especficos a serem atingidos no desenvolvimento deste trabalho so:

Modelagem do arranjo fotovoltaico;

Modelagem da clula a combustvel de membrana trocadora de prtons;

Rastreamento do ponto de mxima potncia do arranjo fotovoltaico;

Desenvolvimento de supervisrio para o sistema hbrido e avaliao do desempenho

do sistema.

1.3 Estrutura da Dissertao

Esta dissertao est estruturada da seguinte forma:

Captulo 1: Introduo

O captulo contm uma breve introduo ao tema do trabalho e os objetivos desta

dissertao. Alm disso, expe os trabalhos relacionados ao tema de forma concisa e

em ordem cronolgica.

Captulo 2: Energia Solar Fotovoltaica

Este captulo traz os conceitos inerentes ao estudo da energia solar fotovoltaica.

So explicados o princpio de funcionamento da clula fotovoltaica e os modelos de

circuito equivalente existentes para sua representao. Tambm apresentado o

modelo utilizado no software PSCAD para simulao. Por fim, feita a validao de

23

um mdulo fotovoltaico comercial a partir da incluso dos parmetros de simulao no

PSCAD. So feitos testes a partir da variao da radiao solar e os resultados so

comparados com os dados apresentados pelo fabricante.

Captulo 3: Clulas a Combustvel

Este captulo inclui a reviso dos conceitos relacionados s clulas a combustvel.

So apresentados o princpio de funcionamento e os tipos de clulas a combustvel

disponveis. Tambm explicado o equacionamento qumico e termodinmico das

clulas a combustvel. Finalmente, o captulo traz a validao de um modelo de clula

a combustvel de membrana trocadora de prtons no software PSCAD. So feitos

testes sob variao de carga a fim de comparar os resultados obtidos com dados

experimentais previamente conhecidos.

Captulo 4: Modelagem do Sistema Hbrido no PSCAD

Este captulo descreve a modelagem do sistema hbrido com a utilizao dos

modelos propostos nos Captulos 2 e 3. So escolhidas as potncias totais de cada

subsistema e definidas as unidades de condicionamento de potncia para o

funcionamento do sistema hbrido isolado. Tambm so mostrados os controles

utilizados nessas unidades de condicionamento de potncia.

Captulo 5: Simulaes e Anlise de Desempenho do Sistema

Este captulo apresenta o controle supervisrio proposto para conexo das cargas

ao barramento, bem como resultados e anlises obtidos a partir das simulaes de trs

cenrios de funcionamento do sistema hbrido isolado. Para simulao dos trs

cenrios, foi definida hierarquia entre as cargas a serem conectadas ao barramento. O

primeiro cenrio proposto a simulao com variaes de radiao solar e carga

constante. No segundo cenrio, mostrada a rejeio de carga feita pelo controle

proposto. J o terceiro cenrio exibe o desempenho do controle quando do pedido de

acesso simultneo ao barramento de carga.

Captulo 6: Concluses

Este captulo traz as concluses gerais obtidas no trabalho, com sugestes para

temas futuros a serem desenvolvidos.

24

1.4 Consideraes Finais

Nesse captulo foi apresentada uma breve introduo que explica a motivao para

avaliao do uso de clula a combustvel como fonte secundria em um sistema hbrido com

arranjo fotovoltaico. So apresentados os trabalhos relacionados ao tema, essenciais para a

elaborao dessa dissertao, que expem sistemas hbridos j estudados anteriormente. Por

fim, so expostos os objetivos especficos pretendidos com a realizao do estudo sendo

tambm mostrada brevemente a estrutura da dissertao, composta ao todo por seis captulos,

indicando seu contedo.

25

2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

O uso de energia solar fotovoltaica ganhou importncia na dcada de 60 durante a

corrida espacial, j que o sistema de gerao de energia para os satlites era baseado em

clulas solares. Devido ao alto custo da tecnologia para a poca, no se pensou em aplicaes

terrestres para gerao de energia em larga escala. Contudo, na dcada de 70, a crise do

petrleo impulsionou a utilizao e o desenvolvimento desse tipo de tecnologia, com a

reduo de custos e melhoria na eficincia das clulas (CRESESB, 2004).

A Figura 2.1 resume a capacidade total instalada em gerao solar fotovoltaica por

pas. Em 2016, a capacidade instalada total acumulada atingiu 303 GW. Observa-se que a

China deteve a maior capacidade instalada acumulada por pas, com 78,1 GW, representando

aproximadamente 25,7% do mercado mundial. Em muitos pases, os sistemas fotovoltaicos

respondem por pelo menos 1% da demanda por eletricidade. Na Itlia e em Honduras, por

exemplo, esses sistemas chegam a suprir 7,3% e 12,5% da demanda anual de energia eltrica,

respectivamente. (IEA, 2017).

Figura 2.1 Capacidade instalada acumulada nos dez maiores mercados em 2016

Fonte: Adaptado de IEA (2017).

Atualmente, a energia gerada por sistemas fotovoltaicos responde por grande parte do

total de energia produzida por fontes renovveis no mundo, apesar de pouco utilizada no

Brasil. Os sistemas fotovoltaicos tm ganhado espao em pases como Alemanha, Itlia,

26

Japo, China e Estados Unidos. Ao final de 2016, a sia representava 48% da capacidade

total instalada no mundo, enquanto que a Europa passava a representar 34%. Em 2015, a sia

e a Europa detinham aproximadamente a mesma potncia instalada, em torno de 96 GW.

Tambm em 2015, a regio do Oriente Mdio e frica acumulava apenas 3 GW (SOLAR

POWER EUROPE, 2015). Na Arbia Saudita e em algumas regies da frica, o aumento da

demanda por energia eltrica, a inteno em liberar mais petrleo bruto para exportao e os

altos ndices de radiao solar, tm impulsionado o interesse em energia solar (SAHU, 2014).

No Brasil, o potencial no instalado chega a aproximadamente 40 GW que

corresponderia a gerao de 54 TWh/ano, equivalente a aproximadamente 43% do consumo

residencial de energia do pas (MIRANDA et al., 2015). Apesar do potencial promissor, a

capacidade instalada em 2016 era de apenas 84 MW, sendo 61 MW em gerao distribuda

(MME, 2017).

Neste captulo, so introduzidos os principais conceitos relacionados energia solar

fotovoltaica. So apresentados: o princpio de funcionamento das clulas, os modelos

utilizados para fins de simulao, o comportamento do sistema mediante variaes de

temperatura e radiao solar, bem como os sistemas de rastreamento do ponto de mxima

potncia mais utilizados.

2.1 Clulas Fotovoltaicas: funcionamento e modelagem

O princpio de funcionamento das clulas fotovoltaicas o efeito fotovoltaico,

observado pela primeira vez pelo fsico Alexandre Edmond Becquerel em 1839, em que uma

tenso eltrica em um material semicondutor produzida pela absoro de luz visvel. Isso

significa que na interao da radiao solar com o material, ocorrem a liberao e a

movimentao de eltrons, gerando uma diferena de potencial. Em 1950, foram fabricadas as

primeiras clulas fotovoltaicas a partir de lminas de silcio cristalino com eficincia de at

6%, potncia de 5 mW e rea de 2 cm nos Laboratrios Bell, nos Estados Unidos

(CRESESB, 2004).

As clulas fotovoltaicas so fabricadas com material semicondutor como o silcio, o

telureto de cdmio (CdTe), disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2 ou CIS) ou disseleneto de

cobre, glio e ndio (CuInGaSe2 ou CIGS). O material mais utilizado o silcio, podendo ser

mono ou policristalino. Para utilizao desse material na fabricao, existem etapas de

27

purificao e dopagem s quais esse material submetido. Vale ressaltar que os

semicondutores mais apropriados para a confeco da clula so aqueles que geram o maior

produto tenso versus corrente (GREENPRO, 2004).

Quando exposta luz, a clula fotovoltaica gera energia eltrica em corrente contnua

proporcional radiao solar incidente. Na Figura 2.2, tm-se as curvas IxV de uma clula

fotovoltaica para diferentes nveis de radiao solar. Observa-se que o aumento da radiao

provoca o aumento da corrente eltrica gerada. Ressalta-se que tenso de circuito aberto da

clula cresce de forma logartmica e no depende da rea exposta aos raios solares e sim do

material utilizado na composio da clula.

A temperatura da clula fotovoltaica tambm afeta a caracterstica da curva IxV da

clula fotovoltaica, como pode ser visto na Figura 2.3. O aumento da temperatura ambiente

produz aumento na temperatura de funcionamento da clula, causando a diminuio da tenso

de circuito aberto e, consequentemente, da potncia de sada, j que a corrente aumenta de

modo irrisrio.

Para simulao de um sistema fotovoltaico, necessria a definio de um circuito

equivalente ou uma equao que possa representar o comportamento eltrico da clula

fotovoltaica mediante variaes de radiao solar e temperatura ambiente. Dessa forma, a

modelagem das clulas fotovoltaicas tem sido alvo de estudos durante os ltimos anos e os

modelos existentes podem ser subdivididos em: modelos orientados a equao e modelos

orientados ao circuito. Os modelos orientados a equao propem uma relao analtica e

implcita entre corrente e tenso da clula, j os modelos orientados ao circuito apresentam

um circuito equivalente que possa ser simulado em softwares de circuitos eltricos

(WANG; HSU, 2011).

Dentre os modelos de circuitos eltricos que representam uma clula fotovoltaica, os

mais comuns esto listados a seguir (VILLALVA, 2015):

Modelo simplificado ou modelo ideal que composto por uma fonte de corrente em

paralelo com um diodo;

Modelo de um diodo com resistncia srie que consiste no modelo simplificado em

srie com uma resistncia;

Modelo de um diodo com resistncia srie e paralelo, composto pelo modelo

simplificado em paralelo com uma resistncia (Rsh) e uma resistncia em srie (Rsr);

28

Modelo de dois diodos, que consiste no modelo anterior com dois diodos em paralelo

com a fonte de corrente.

Figura 2.2 Influncia da variao da radiao solar na curva caracterstica de uma clula fotovoltaica de silcio

cristalino a 25C

Fonte: CRESESB (2004).

Figura 2.3 Influncia da variao da temperatura da clula na curva caracterstica de uma clula fotovoltaica de

silcio cristalino a 25C

Fonte: CRESESB (2004).

Dentre eles, destacam-se o modelo de um diodo e o modelo de dois diodos que so os

mais utilizados. O primeiro amplamente utilizado obtendo resposta satisfatria para

simulao de sistemas fotovoltaicos, j o segundo requer mais parmetros de circuito para

simulao gerando melhores resultados.

29

O modelo utilizado para fins de simulao baseado no modelo de um diodo,

Figura 2.4, e as entradas so radiao solar em W/m e temperatura em C, tendo como sadas

a tenso e a corrente do arranjo especificado. O modelo considera as perdas devido

resistncia do material representadas pela resistncia srie e as correntes parasitas que

circulam na clula fotovoltaica que so representadas pela resistncia em paralelo.

Figura 2.4 Modelo de circuito equivalente para clula solar com um diodo

Fonte: Rajapakse e Muthumuni (2009).

Para o modelo escolhido, o equacionamento de uma clula fotovoltaica explicado a

seguir. Na Figura 2.4, a corrente Ig a corrente fotovoltaica gerada pela clula que varia

linearmente com a incidncia de radiao solar. J a corrente Id responsvel por gerar o

comportamento no-linear da caracterstica IxV da clula fotovoltaica. A corrente Ish a

corrente medida na resistncia em paralelo, Rsh, no circuito. Assim, a corrente de sada da

clula Ic dada por:

(2.1)

A Equao (2.2) mostra a definio de Ig, dependente da radiao solar e da

temperatura (RAJAPAKSE; MUTHUMUNI, 2009):

(2.2)

Em que Tc a temperatura da clula e TcR a temperatura de referncia da clula, em K. O

parmetro T o coeficiente de temperatura da corrente fotovoltaica, em A/K. G e Gref ,

ambos em W/m, so as radiaes solares incidente e a de referncia, respectivamente.

30

IscR, em A, a corrente de curto circuito da clula fotovoltaica sob a radiao solar de

referncia. A corrente Id, por sua vez, expressa por:

{ [

] }

(2.3)

Em que Io a corrente de saturao do diodo, que pode ser calculada pela

Equao (2.4), q a carga elementar do eltron (1,6x10-19

C), n o fator de idealidade do

diodo, k a constante de Boltzmann (1,38x10-23

J/K) e Vc a tenso de sada da clula.

(

)

{ [

(

)]}

(2.4)

Sendo IoR a corrente de saturao do diodo na temperatura de referncia, calculada pela

Equao (2.5), e eg, a energia de banda proibida do material de fabricao da clula.

* (

) +

(2.5)

Em que VocR a tenso de circuito aberto e IscR a corrente de curto circuito da clula

fotovoltaica.

2.2 Mdulos fotovoltaicos

Para aumentar a tenso e a corrente de sada, as clulas fotovoltaicas so conectadas

em srie formando o mdulo fotovoltaico. Existem diversos modelos de mdulos

fotovoltaicos no mercado, com diferentes potncias de sada. A folha de dados desses

mdulos contm as caractersticas de desempenho eltrico, tanto nas condies padro (STC

Standard Test Conditions), 1.000 W/m e 25C, quanto nas condies de teste normais em

operao (NOCT Normal Operating Cell Temperature), 800 W/m e 20C. A especificao

pode conter as curvas caractersticas IxV e PxV do modelo. Para cada modelo, so

apresentadas as seguintes caractersticas:

Mxima potncia de sada (Pmp);

Tenso e corrente de mxima de potncia (Vmp e Imp);

Tenso de circuito aberto (Voc);

Corrente de curto-circuito (Isc);

Eficincia;

31

Mxima tenso e corrente reversa s quais o mdulo possa ser submetido;

Coeficientes de temperatura relativos Voc, Isc e Pmp.

A folha de dados tambm apresenta as caractersticas construtivas do mdulo, isto ,

material utilizado para confeco das clulas, nmero de clulas em srie no mdulo, nmero

de diodos bypass, as dimenses e o peso.

2.3 Algoritmos para rastreamento de mxima potncia

O crescimento da utilizao de sistemas fotovoltaicos na gerao de energia encontra

alguns obstculos como o alto custo de fabricao dos mdulos e a baixa eficincia, em mdia

de 13%, na converso de energia. Sendo assim, necessrio extrair a mxima eficincia

possvel do arranjo. Para tanto, so utilizados os algoritmos para rastreamento do ponto de

mxima potncia (MPPT Maximum Power Point Tracking) que conferem o maior

rendimento possvel ao sistema fotovoltaico, dados os valores instantneos de radiao e

temperatura.

Como visto na Seo 2.1, a curva caracterstica IxV do mdulo apresenta caracterstica

no-linear prxima ao ponto de mxima potncia (MPP Maximum Power Point), localizado

no joelho da curva. Rastrear o MPP uma tarefa rdua quando da variao da radiao solar

e/ou temperatura. Contudo, existem diversos algoritmos propostos na literatura, j simulados

e implementados. Todas essas estratgias tm o mesmo objetivo, que extrair mxima

potncia do sistema fotovoltaico em que so aplicadas. Dentre elas, citam-se (LIU et al.,

2016):

Perturbao e Observao;

Condutncia Incremental;

Algoritmos baseados em lgica fuzzy e redes neurais;

Capacitncias parasitas;

2.3.1 Perturbao e Observao (P&O)

Esse algoritmo apresenta estrutura simples de controle e baseado na medio de

tenso e corrente do arranjo fotovoltaico, o que torna fcil a sua implementao. O valor de

32

tenso medido incrementado e observado o comportamento da potncia de sada, isto , se

h aumento ou diminuio da potncia fornecida em relao ao ponto de operao medido.

Quando ocorre um aumento, mantm-se a perturbao no mesmo sentido e se ocorre

diminuio, inverte-se o sentido da perturbao, como pode ser observado na Figura 2.5. A

sada do algoritmo ento comparada com a tenso de referncia e passa por um controlador

proporcional-integral (PI) para ajustar a razo cclica do conversor CC/CC de modo a extrair a

mxima potncia do conjunto. possvel observar o fluxograma do algoritmo na Figura 2.6.

Figura 2.5 Funcionamento do algoritmo de P&O na curva PxV de um mdulo genrico

Fonte: produo da prpria autora (2017).

Como as perturbaes na tenso do arranjo fotovoltaico so constantes nesse

algoritmo, o MPP nunca atingido e o sistema se torna oscilante prximo ao MPP, causando

perdas no sistema. A oscilao pode ser menor ou maior, dependendo do valor do incremento

utilizado. vlido ressaltar que esse valor pode no ser constante, a fim de otimizar o

rastreamento, tornando-o mais rpido.

33

Figura 2.6 Fluxograma do algoritmo P&O


2.3.2 Condutncia Incremental (CondInc)

Uma das desvantagens na escolha do algoritmo P&O para o MPPT que, diante de

grandes variaes de radiao ou temperatura, ocorre falha no rastreamento. Isso no acontece

no mtodo de condutncia incremental, que baseado na inclinao da curva PxV do arranjo

fotovoltaico. Na curva PxV do arranjo fotovoltaico, Figura 2.7, tem-se que:

, esquerda do MPP;

, no MPP; e

, direita do MPP.

Mas

pode ser escrita da seguinte forma:

(2.6)

34

Assim,

, quando o ponto de operao o MPP;

, quando o ponto de operao est esquerda do MPP;

, quando o ponto de operao est direita do MPP.

Figura 2.7 Funcionamento do algoritmo CondInc na curva PxV de um mdulo genrico


O fluxograma do algoritmo mostrado na Figura 2.8. possvel observar que ao

contrrio do algoritmo de P&O, o CondInc detecta se houve mudanas na radiao solar

incidente pela verificao de I. Se I=0, o algoritmo no toma nenhuma ao. Se I for

maior ou menor que zero, isto , se h aumento ou diminuio de radiao solar,

respectivamente, o algoritmo toma as aes necessrias para encontrar o ponto de mxima

potncia. Assim, comparado com o P&O, o CondInc consegue rastrear rapidamente o MPP

quando da variao de radiao solar, contudo, apresenta maior complexidade de

implementao.

35

Figura 2.8 Fluxograma do algoritmo CondInc


2.4 Validao do mdulo fotovoltaico em PSCAD/EMTDC

Para compor o sistema hbrido objeto de estudo desta dissertao, escolheu-se o

mdulo fotovoltaico LDK-230P-20 fabricado pela LDK Solar. Rahman e outros (2013)

utilizaram as informaes contidas nas folhas de dados de vrios mdulos fotovoltaicos

comercializados no mercado e determinaram parmetros como o fator de idealidade do diodo,

a resistncia srie e a resistncia shunt. Para validao, no software PSCAD/EMTDC, foram

utilizados resultados publicados por Rahman e outros (2013), alm das informaes contidas

na folha de dados exposta no Anexo A. Na Tabela 2.1, so mostradas as caractersticas do

mdulo escolhido. Esses parmetros foram substitudos no PSCAD, no bloco mostrado na

Figura 2.9, para gerar as curvas IxV e PxV caractersticas do mdulo fotovoltaico escolhido.

As entradas do bloco so a radiao solar incidente e a temperatura ambiente. Para produzir as

curvas IxV e PxV, foi conectada sada do mdulo uma resistncia varivel (R) com o tempo

de simulao.

36

Tabela 2.1 Caractersticas do mdulo LDK-230P-20 em condies padro de teste (1.000 W/m e 25 C)

Potncia nominal de sada (PMAX) [WP] 230

Tenso na mxima potncia (VMP) [V] 29,3

Corrente na mxima potncia (IMP) [A] 7,88

Tenso de circuito aberto (VOC) [V] 36,9

Corrente de curto-circuito (ISC) [A] 8,43

Coeficiente de temperatura para PMAX -0,45%/C

Coeficiente de temperatura para VOC -0,33%/C

Coeficiente de temperatura para ISC 0,06%/C

Temperatura de operao [C] De -40 a 85

Nmero de clulas em srie no mdulo 60

Eficincia do mdulo [%] 14,09

rea efetiva por clula [m] 0,024336

Fator de idealidade do diodo 1,21328

Resistncia srie [] 0,00527

Resistncia shunt [] 2344,42

Banda de energia do material [eV] 1,12

Fonte: Rahman e outros (2013).

Figura 2.9 Bloco de fonte solar fotovoltaica no PSCAD


Nas Figura 2.10 e 2.11, so mostradas as curvas caractersticas do mdulo fotovoltaico

LDK 230P-20 de corrente versus tenso e potncia versus corrente para diferentes nveis de

irradiao, obtidas a partir da folha de dados. Em seguida, essas curvas foram utilizadas para

comparao com os resultados obtidos a partir da simulao no software PSCAD, a fim de

37

verificar a representatividade do modelo do software com os dados reais do mdulo

fotovoltaico. Os resultados so mostrados nas Figura 2.12 a 2.16.

Figura 2.10 Curva IxV do mdulo fotovoltaico LDK 230P-20

Fonte: LDK SOLAR (2016).

Figura 2.11 Curva PxV do mdulo fotovoltaico LDK 230P-20

Fonte: LDK SOLAR (2016).

38

Figura 2.12 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas no modelo do

PSCAD para irradiao solar igual a 200 W/m e temperatura ambiente igual a 25 C


Figura 2.13 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas no modelo do PSCAD para irradiao solar igual a 400 W/m e temperatura ambiente igual a 25 C





39







A fim de comprovar a adequao do modelo implementado, foram calculados os erros

relativos ponto a ponto para todas as curvas apresentadas. Posteriormente, obteve-se o erro

relativo mdio entre a curva fornecida pelo fabricante e o modelo em PSCAD para cada valor

de radiao solar simulado. Os erros encontrados esto abaixo de 1,5%, sendo mostrados na

Tabela 2.2. Dessa forma, considera-se que modelo escolhido para o mdulo fotovoltaico

satisfatrio para represent-lo, respondendo adequadamente a diferentes nveis de radiao

solar.

A Tabela 2.3 mostra os valores de potncia, tenso e corrente no ponto de mxima

potncia a partir da simulao do modelo obtido para o mdulo LDK-230P-20 da LDK Solar,

enquanto a Tabela 2.4 apresenta os erros relativos entre a curva real e a curva obtida a partir

40

do modelo em PSCAD para o ponto de mxima potncia. Observa-se na Tabela 2.4 que os

erros relativos de tenso, corrente e potncia no MPP so menores que 4%. A medio do erro

relativo no ponto de mxima potncia de extrema importncia, j que com a aplicao do

MPPT, o arranjo fotovoltaico operar de modo a extrair a mxima potncia possvel para a

radiao solar incidente.

Tabela 2.2 Erro relativo mdio entre as curvas obtidas no modelo em PSCAD e as curvas fornecidas pelo

fabricante

Radiao solar

(W/m)

Erro relativo mdio

(%)

200 -1,2026

400 1,2039

600 0,5743

800 1,4263

1000 -0,7681


Tabela 2.3 Valores obtidos a partir da simulao do mdulo LDK-230P-20 em PSCAD para o ponto de

mxima potncia sob diferentes nveis de irradincia solar

Irradiao

(W/m)

Ponto de Mxima Potncia (MPP)

Potncia

(W)

Corrente

(A)

Tenso

(V)

1000 232,348 8,119 28,415

800 186,126 6,425 28,915

600 139,236 4,813 28,881

400 91,882 3,194 28,747

200 44,617 1,574 28,337 Fonte: produo da prpria autora (2017).


no ponto de mxima potncia

Irradiao

(W/m)

Erro Relativo (%) no

Ponto de Mxima Potncia (MPP)

Potncia Corrente Tenso

1000 3,257 0,551 1,743

800 -1,305 -0,904 0,135

600 0,806 3,628 -1,676

400 -0,341 3,342 -0,116

200 2,979 2,393 3,608 Fonte: produo da prpria autora (2017).

41

Na Tabela 2.5, so apresentados os erros relativos para a corrente de curto-circuito e

para a tenso de circuito aberto entre as curvas da folha de dados e as curvas obtidas pelo

modelo em PSCAD. Novamente, os erros encontrados esto abaixo de 5%. Isso significa que

o modelo consistente com o comportamento real do mdulo escolhido para compor o

sistema hbrido.

Tabela 2.5 Erros relativos entre as curvas reais e as curvas obtidas no software PSCAD para a corrente de

curto-circuito e a tenso de circuito aberto

Irradiao

(W/m)

Erro relativo (%)

Corrente de curto

circuito (Isc)

Tenso de circuito

aberto (Voc)

1000 0,099 1,163

800 0,014 1,533

600 0,156 2,009

400 1,699 1,820

200 4,392 3,351 Fonte: produo da prpria autora (2017).

2.5 Consideraes Finais

Neste captulo, foram abordados os conceitos e princpios mais importantes

relacionados energia solar fotovoltaica. Foi apresentada a descrio matemtica da

modelagem da clula fotovoltaica utilizada pelo software PSCAD. Alm disso, explanou-se

de forma geral sobre as caractersticas e modelos de um mdulo fotovoltaico e as estratgias

para o MPPT. Em seguida, o modelo usado para representar o mdulo fotovoltaico escolhido

para compor o sistema hbrido foi validado no PSCAD por meio da insero dos parmetros

necessrios simulao. Ao fim, as curvas obtidas pelo software foram comparadas com as

curvas obtidas a partir da folha de dados fornecida pelo fabricante, para diferentes nveis de

radiao solar incidente.

42

3 CLULAS A COMBUSTVEL

A clula a combustvel (CaC) um dispositivo capaz de converter energia qumica em

energia eltrica e calor, por meio da oxidao do combustvel sem que haja combusto. Em

um sistema baseado em CaCs, a reao acontece na clula eletroqumica, com reagentes

separados, forando a transferncia de eltrons para um circuito externo. J nos sistemas

convencionais de gerao, o combustvel oxidado espontaneamente em reao de

combusto irreversvel, gerando calor, que precisa ser convertido em energia mecnica e

posteriormente em eletricidade.

Atualmente, existem vrios fabricantes de CaCs com foco em diversos setores,

utilizadas tanto em aplicaes estacionrias como em transporte e dispositivos mveis. H

sistemas baseados em CaCs instalados em hospitais, hotis e escolas, alm daqueles

desenvolvidos especificamente para veculos automotivos e eletrnicos portteis.

Em aplicaes estacionrias, tem-se o sistema baseado em CaC conectado rede

provendo energia adicional planta ou funcionando de modo isolado como fonte

independente em localidades remotas. Esse tipo de gerao de energia eltrica pode atingir

eficincia entre 40% e 60% no processo, quando da utilizao de hidrocarboneto como

combustvel. Se for considerada a cogerao, isto , se o calor gerado no processo for

aproveitado, aumenta-se a eficincia para at 85% (ANDJAR; SEGURA, 2009).

Nos sistemas de telecomunicaes instalados em localidades em que no h acesso

rede de distribuio, as CaCs competem com as baterias com potncias entre 1 e 5 kW, sendo

aplicadas a torres de transmisso e/ou recepo. Outra aplicao para as CaCs se d em

estaes de tratamento de esgoto e aterros sanitrios, reduzindo a emisso de gases poluentes

e permitindo gerao de energia a partir do metano (ANDJAR; SEGURA, 2009).

No setor automotivo, esto sendo desenvolvidos e testados novos modelos de veculos

envolvendo a tecnologia de CaC. Alguns modelos j esto disponveis no mercado e so

comercializados por fabricantes como Honda e Toyota desde 2008. So veculos considerados

altamente eficientes, reduzindo a emisso de CO2 e a poluio sonora. Tambm esto sendo

desenvolvidas locomotivas e aeronaves com aplicao de CaCs (ANDJAR; SEGURA,

2009).

43

Os benefcios do uso de CaCs para gerao de energia eltrica incluem alta eficincia,

confiabilidade e qualidade de energia em regime permanente, flexibilidade de combustvel,

pouca manuteno e, nenhum ou pouco rudo de operao, j que existem nenhuma ou poucas

partes mveis. Dessa forma, a CaC possui potencial para competir com os meios

convencionais de gerao de energia, j que no apresentam limitaes geogrficas, podendo

ser instaladas em qualquer local do sistema de distribuio. Entre as desvantagens, tem-se o

custo do investimento para instalao dessa tecnologia, que ainda muito alto para aplicaes

estacionrias.

Neste captulo sero discutidos conceitos relativos s CaCs, seu princpio de

funcionamento e os tipos de clulas existentes. Tambm ser apresentada sua modelagem

matemtica e validao do modelo em PSCAD para composio de um sistema hbrido.

3.1 Princpio de Funcionamento

Os elementos bsicos de uma clula a combustvel a hidrognio so mostrados

na Figura 3.1. O anodo (eletrodo negativo) e catodo (eletrodo positivo) porosos so separados

por um eletrlito ou membrana eletroltica. A injeo de combustvel acontece no anodo, onde

ocorre a oxidao eletroqumica. Enquanto no catodo injetado oxi

avaliaÇÃo do uso de cÉlula a combustÍvel como...

Documents