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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
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 .................................................................................................................................... 38
Figura 2.14 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas
no modelo do PSCAD para irradiao solar igual a 600 W/m e temperatura ambiente igual
a 25 C .................................................................................................................................... 38
Figura 2.15 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas
no modelo do PSCAD para irradiao solar igual a 800 W/m e temperatura ambiente igual
a 25 C .................................................................................................................................... 39
Figura 2.16 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas
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
Figura 3.10 Comparao entre dados experimentais e modelo em PSCAD/EMTDC para
curva PxI da PEMFC SR-12 500-W ....................................................................................... 59
Figura 3.11 Comparao entre dados experimentais e modelo em PSCAD/EMTDC para
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
Figura 5.19 Potncia ativa de sada dos inversores dos subsistemas, potncia consumida
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
Figura 5.27 Corrente medida na sada do inversor do subsistema do arranjo fotovoltaico
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
Figura 5.29 Potncia ativa de sada dos inversores dos subsistemas, potncia consumida
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
Figura 5.37 Corrente medida na sada do inversor do subsistema do arranjo fotovoltaico
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
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 ............................................... 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
2.5 Consideraes Finais ................................................................................................... 41
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
4.6 Consideraes Finais ................................................................................................... 89
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
Figura 2.14 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas no modelo do
PSCAD para irradiao solar igual a 600 W/m e temperatura ambiente igual a 25 C
Fonte: produo da prpria autora (2017).
39
Figura 2.15 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas no modelo do
PSCAD para irradiao solar igual a 800 W/m e temperatura ambiente igual a 25 C
Fonte: produo da prpria autora (2017).
Figura 2.16 Comparativo das curvas caractersticas (a) IxV e (b) PxV reais com as obtidas no modelo do
PSCAD para irradiao solar igual a 1000 W/m e temperatura ambiente igual a 25 C
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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
Fonte: produo da prpria autora (2017).
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).
Tabela 2.4 Erros relativos entre as curvas reais e as curvas obtidas no software PSCAD
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).
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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