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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.85.2012.tde-24102012-083711
Documento
Autor
Nome completo
Roque Machado de Senna
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Linardi, Marcelo (Presidente)
Cassiano, Douglas Alves
Cunha, Edgar Ferrari da
Jerônimo, Rosimeire Aparecida
Sartori, Carlos Antonio França
Título em português
Desenvolvimento e demonstração de funcionamento de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, com tecnologia nacional composto por um módulo de células a combustível tipo PEMFC e acumulador chumbo ácido
Palavras-chave em português
célula a combustível e hidrogênio
eficiência de geração elétrica híbrida
propulsão veicular híbrida
Resumo em português
Este trabalho apresenta a contribuição obtida no desenvolvimento de um Gerador de Eletricidade Híbrido (HYBRIDGEN), com tecnologia nacional, focado nos sistemas de terceira geração de energia elétrica híbrido, composto por um módulo de células a combustível tipo PEMFC, associado a um acumulador chumbo ácido. Mostra-se também a sua capacidade de operar em modo contínuo, carga com demanda variável e fator de carga inferior a 50%. Foram abordados quatro temas principais. O primeiro refere-se a um estudo para a melhoria da eficácia na conversão de energia em corrente contínua (cc), ao regular o potencial de saída do conversor cc-cc. A energia é proveniente do módulo de célula a combustível de 1 kWe, equipado com sistema térmico de refrigeração e sistema de alimentação de gases, aqui denominados MCC1. Para tal, foi construído o modelo matemático do sistema conversor de corrente contínua (sistema conversor cc-cc), com solução suportada em equações diferenciais algébricas, ensaios no MCC1, bem como em simulação computacional no programa MATLAB7®. O segundo tema refere-se ao desenvolvimento do projeto e montagem do protótipo do HYBRIDGEN devido à inexistência no mercado brasileiro de um equipamento com as características necessárias tanto para a pesquisa, quanto para uso comercial. Desenvolveu-se uma placa controladora para o acumulador (PCC), os esquemas elétricos, os barramentos e o sistema de relés. Também foi utilizado o MCC1 em desenvolvimento pelo IPEN e ELECTROCELL® com tecnologia 100% nacional. O HYBRIDGEN foi instalado em um sistema móvel. O terceiro tema refere-se à análise de estabilidade do modelo matemático do sistema conversor cc-cc. Utilizou-se de quatro testes de estabilidade, sendo: 1 - pela Resposta em Frequência ao utilizar o Teorema do Mapeamento, de Nyquist; 2 - Lugar das Raízes, de Nyquist; 3 - função de teste Degrau, em pontos de operação e, 4 - função de teste Impulso, em pontos de operação. Por fim, apresentaram-se os resultados dos ensaios de potencial e corrente de uma célula a combustível unitária de 25 cm2, do MCC1, e do HYBRIDGEN. No desenvolvimento dos primeiros testes o MCC1 atingiu 704,55 We, (potência considerada condição predominante de operação). A seguir, demonstrou-se a capacidade do HYBRIDGEN para simultaneamente: alimentar cargas em corrente contínua; carregar o acumulador de 45 Ah; alimentar o inversor de 2 kWe e o autotransformador, para fornecer energia a equipamentos em 12Vcc, 127 Vac e 220Vac, 60 Hz, todos num total de 819,52 We. Esses resultados foram obtidos mesmo com limitações na refrigeração ventilada do MCC1, observadas no decorrer dos testes. Assim, o HYBRIDGEN se mostrou viável tecnicamente, e com grande potencial de uso.
Título em inglês
Hybrid system development and operation for an electric power generation with the brazilian technology composed of a PEMFC fuel cell stack and lead acid battery
Palavras-chave em inglês
fuel cell and hydrogen
hybrid electric power generation efficiency
hybrid vehicle propulsion
Resumo em inglês
This work presents the contribution obtained by the development of the Hybrid Electric Power Generation System (HYBRIDGEN), with Brazilian technology, focused on third generation hybrid system, composed of the fuel cell type PEMFC, associated with a lead acid battery, and shows its variable load demand continuous mode operate ability with load factor below 50%. Four main themes were addressed. The first refers to a study concerning the to direct current (DC) energy converting efficiency improvement to regulate the dc-dc converter output potential. Power comes from the 1 kWe fuel cell stack, equipped with thermal cooling system and gas supply system, here named MCC1. After that a dc-dc converter system mathematical model was built supported on differential algebraic equations solution, the MCC1 trials, as well as in MATLAB7® program computer simulation. The second theme concerns the HYBRIDGEN prototype project and assembly due to lack on equipment on the Brazilian market with the necessary features for both research and for commercial use. Then, a charge controller card (CCC), wiring diagrams, copper bus and relay system were developed. A MCC1 developed by IPEN and ELECTROCELL® with Brazilian technology was use. The HYBRIDGEN can be installed in a mobile system. The third refers to a study concerning the stability analysis of the dc-dc converter system mathematical model. Four stability tests were addressed, namely: 1- The Frequency Response was used the Nyquist Mapping Theorem, 2 - The Nyquist Root Locus , 3 - The Step Test Function on operating points, and 4 - The Impulse Test Function on operating points. Finally, experiments with a 25 cm2 fuel cell unit, the MCC1 module and the HYBRIDGEN were carried out to, potential and current results. In the first MCC1 tests delivered a power output of 704.55 W (considered dominant operation power). Then, it was demonstrated the HYBRIDGEN ability to 819.52 We supply power, simultaneously: direct current loads, charge a 45Ah battery, a 2 kWe inverter and the autotransformer to supply power 12 Vcc, 127Vac, 220Vac, 60 Hz equipment. These results were achieved despite the MCC1 limit in the cooling system observed during the tests. Then, the HYBRIDGEN could be demonstrated technically feasible, and leading to great potential uses.
 
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Data de Publicação
2012-11-09
 
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