Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: See PDF for abstract. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Sien die PDF vir die opsomming.

Fundação Araucária / Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo, desenvolvimento e implementação de uma nova estrutura, composta por um conversor CC-CC bidirecional, conectada em paralelo com o sistema, para busca do ponto de máxima potência em painéis solares fotovoltaicos para aplicações isoladas da rede elétrica. Inicialmente são expostos os principais fatores que levaram à escolha do tema, assim como a problemática que motivou essa dissertação. Na seqüência é realizado um estudo sobre energia fotovoltaica, onde são mencionados os principais tipos de células fotovoltaicas e o comportamento de um módulo fotovoltaico em função da variação climática. Também são apresentados nesta dissertação os resultados do estudo, simulações, implementação e comparação entre os algoritmos de busca automática do ponto de máxima potência (MPPT) de módulos fotovoltaicos, baseados no método da Perturbação & Observação (P&O) e no método fuzzy. A seguir são mostrados os detalhes do funcionamento da nova estrutura proposta para busca do ponto de máxima potência (MPPT), onde se utiliza um conversor bidirecional (buck-boost) conectado em paralelo com o sistema, bem como o resultado das simulações da nova estrutura proposta que foram realizadas. Por fim, são apresentados os resultados experimentais dos ensaios realizados em laboratório e do comportamento de um módulo fotovoltaico real conectado à nova estrutura proposta. Os resultados experimentais comprovam a melhoria no rendimento do sistema fotovoltaico quando comparado com as soluções clássicas para a busca do ponto de máxima potência. / This work presents the analysis, design, and implementation of a new parallel connected structure, composed by a parallel bidirectional DC-DC power convert, for maximum power point tracking of stand-alone photovoltaic power generation systems. At first, the main factors that motivated the choice the topic of this work are presented. In sequence, the main types of photovoltaic cells and the photovoltaic panel characteristics in function of the climatic variation are analyzed. The study, implementation, comparison and simulation results of algorithm of maximum power point tracking (MPPT) also are presented in this work. The algorithm of MPPT are based in the method of Perturbation and Observation (P&O) and in the fuzzy method. Following, the characteristics of the new structure proposal, composed by a parallel connection bidirectional DC-DC converter simulations results. Finally, are presented the laboratorial experimental results and the behavior or a real photovoltaic module connected to the new structure proposal.

Solar cells is one of the cleanest and most environmentally friendly ways to produce electricity. Västerås city has invested in a number of solar systems in public buildings as a step to solve the energy issues of the future and contribute to a sustainable environment. The purpose of this project is to compare the real system yield from Västerås city´s solar plants with simulations. Produces the solar plants as expected or not, and if not, what might be the cause. Data were collected about the solar cell installations, by Mälarenergi Elnät and Västerås city. The real system yield was calculated and then the solar plants were simulated in PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) to obtain the theoretical yield. This project shows that most of Västerås city´s solar plants have a yield that is as expected according to the simulations or higher. However, there are some solar plants with a low or very low yield compared to the simulations. The yield varies considerably during the year. For those plants where the yield has been studied monthly, the real yield is higher in the second half of the year compared with the first half. The self-consumption varies greatly between the different solar plants, but generally it is high. Some solar plants have a very high self-consumption of 100 % and some have a very low of 30-40 %. Some solar plants have a higher yield than expected and it may depends to the fact that the installed power is a few percent higher than what the manufacturer states. The simulations might be unsure, because losses, solar radiation and weather may vary. The solar plants that have a low yield compared to the simulations may have a broken or disconnected component, shading and dirt may also affect. To have as high self-consumption as possible is an economically advantage, as long as the plant is not under-dimensioned because the goal is to produce electricity. There is no clear pattern showing which of the four PVGIS simulations is best matched to reality.

Orientador: Teófilo Miguel de Souza / Resumo: Esta Tese de Doutorado apresentou o estudo dos problemas de tensão originados no ponto comum de conexão de uma rede experimental para fornecer até 1.000 kWh/mês de energia solar com a rede de baixa tensão da Universidade de Ibagué, na Colômbia. Inicialmente foi feita uma introdução, onde destacou-se a importância da geração distribuída, os problemas gerados e os objetivos propostos. Em seguida, foi realizado o estudo da qualidade da energia na rede de baixa tensão, conforme as normas NTC 5001. Foi dimensionada, montada e colocada em operação uma rede experimental, utilizando a metodologia proposta nesta Tese, composta de 30 painéis solares de 260 W marca IBC solar, um inversor marca Fronius de 7,6 kW e um contador bidirecional ligados diretamente à rede através com fio de seção transversal de 6,0 mm2. A energia máxima produzida pela rede experimental foi de 850 kWh/mês, equivalente a 72,65% do total da capacidade instalada. Os painéis solares apresentaram uma eficiência média de 15,7%, a eficiência do inversor foi obtida na faixa de 75 a 94% e o desempenho global, PR, entre 0,83 e 1,30. Depois de avaliar a rede experimental seguiu-se com a análise da qualidade da energia no ponto comum de ligação registrando, em relação às perturbações de longa duração, um aumento de 2%; o desequilíbrio da tensão diminuiu 3,5%, as harmônicas de tensão aumentaram 7% na linha U1, 0,8% na linha U2 e 3% na linha U3. Em relação à corrente harmônica foi evidenciado um incremento de 22% na linha U1.... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

[pt] Medidas do desempenho de quatro diferentes motores, todos operando no modo bicombustível Diesel / gás natural, foram realizadas em dinamômetro de bancada. Selecionaram-se os motores a ensaiar por suas características construtivas e operacionais, representativas das distintas aplicações dos motores Diesel (cilindrada, faixa de rotação, uso ou não da turbo- alimentação e arrefecimento do ar de combustão). Variou-se a razão de substituição de Diesel por gás natural de modo a levantar as regiões por onde a operação bicombustível é possível. Embora o foco do trabalho esteja sobre o desempenho também se tomaram dados relativos às emissões (fumaça / opacidade), tanto durante a operação original Diesel, quanto na bicombustível. Foram propostas correlações empíricas para o rendimento térmico indicado, eficiência volumétrica e atrito em motores Diesel. Podem-se usar, na falta de dados experimentais prévios, tais correlações na estimativa do desempenho de motores diferentes dos testados. Os resultados indicam que, por grande parte dos campos de funcionamento, apenas parte do gás natural efetivamente queima. Em motores operando a baixa carga cerca de 20 - 30 % do gás fornecido passa ao coletor de escape sem reagir. Desenvolveu-se um modelo simples para a queima Diesel / gás. Parâmetros empíricos exigidos por tal modelo foram levantados com base dos pontos experimentais obtidos. Sugere-se usar tal modelo na previsão do desempenho Diesel / gás de motores ainda não testados no modo bicombustível. Os resultados sugerem que, em motores operando com razão ar / gás natural superior a, aproximadamente, 30, a queima do gás ocorre apenas no entorno do Diesel. Em misturas de razão ar / gás inferior a 30 a queima em frentes de chama parece ocorrer. Em tais casos fica-se, também, sujeito ao funcionamento com detonação. As correlações empíricas levantadas foram utilizadas na conversão Diesel / gás natural de três diferentes grupos geradores de eletricidade (motores de 212, 535 e 1.570 hp). De forma distinta das medidas tomadas em laboratório as conversões destes geradores foram feitas em campo, sem oportunidade para a medida cuidadosa e metódica de todos os parâmetros de interesse. Os dados verificados nas conversões de tais grupos geradores, quando considerados adequados, foram incorporados ao presente trabalho. / [en] Four Diesel engines, all running on the Diesel / natural gas dual fuel mode, were dynamometer tested. Engines were selected based on their distinct construction, operating parameters and engine field use. The Diesel / natural gas substitution was varied in order to determine the dual fuel operation limits. Measurements related to particulate emissions (smoke and opacity) were also made. Correlations for indicated thermal efficiency, volumetric efficiency and engine friction were proposed. It`s suggested that those can be used on the performance estimate of engines when little or no previous test data is available. The dual fuel test results indicate that, according to engine load, part of the gas does not burn. In engines running on low load as much as 20 - 30 % of the gas supplied simply reaches exhaust manifold unreacted. A simple model for the dual fuel combustion was proposed. An empirical correlation for a combustion parameter, that arouse in the modeling was, base on test results, proposed. It`s suggested that the semi-empirical dual fuel model can be used for the performance estimate of Diesel engines, when burning natural gas, not previously tested on the dual fuel mode. Results indicate that, for engines running on air / gas ratios above 30, combustion appear to remain limited to Diesel droplets neighborhood. For richer mixtures gas combustion appear to occur on flame fronts. Audible knock was noticed on engines running on air / gas ratios below, approximately, 30. The empirical correlations proposed were used for the dual fuel conversion of three different genset engines (212, 535 and 1.570 bhp). Gensets data, when appropriate, is also reported in the present work.

Success or failure of climate policies in limiting warming to beneath particular thresholds depends on several physical, economic and social uncertainties. Whilst scenario analysis can be informative as to the types of policies that are required to achieve these goals, the complexity of scenario analysis often masks the underlying fundamental choices. This dissertation introduces the concept of the ‘decarbonization identity' to simply and systematically describe the mutually exclusive and collectively exhaustive range of choices available in future climate policy decisions. The simple identity states that the remaining carbon budget [B] for a given level of warming can be partitioned into four areas: the already committed 'baked-in' emissions from existing capital stock [E]; new commitments arising from investments in additional capital stock yet to be made [N]; less the stranding of existing or future capital stock [S]; and the additional atmospheric space created by negative emissions technologies (NETs) [A]. This dissertation finds that currently operating electricity generators [E] would already emit more CO2 (~300 GtCO₂) then is compatible with currently available generation-only carbon budgets [B] for a temperature rise of 1.5-2°C (~240 GtCO₂). In addition, the current pipeline of planned fossil fuel power plants would add almost the same amount [N] of emission commitments (~270 GtCO₂) to this capital stock again. Finally, these carbon budgets are inherently uncertain and depend on future, yet to be achieved, reductions of short-lived climate pollutant (SLCP) emissions. Should those reductions not be achieved today's remaining carbon budgets could be up to 37% smaller. Policymakers have now five choices to achieve the Paris climate goals: (1) protect and enhance carbon budgets by early and decisive action on SLCPs; (2) retrofit existing power generators with carbon capture and storage (3) ensure that no new polluting capital stock is added; (4) strand a considerable amount of global electricity generation capacity; and (5) create additional atmospheric space by scaling up NETs. Over the coming years and decades, the challenge will be to identify the most efficient balance of these options.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les pertes dans un micro-réseau urbain à courant continu ayant comme but principal l’amélioration de l’efficacité énergétique. Sachant qu’un tel micro-réseau multi-source consiste en plusieurs sources dont les natures sont très différentes, les convertisseurs statiques sont indispensables mais ils apportent des pertes de puissance. Ces pertes sont très variables en particulier avec les sources renouvelables comme les panneaux photovoltaïques. Dans la littérature le rendement du convertisseur est souvent traité comme une constante, mais des tests expérimentaux sont effectués pour prouver que le rendement est variable. Afin d’étudier les pertes en détail, un état de l’art sur les convertisseurs statiques a été effectué pour estimer les pertes en fonction de divers paramètres et variables. En considérant la précision d’estimation et la vitesse de calcul, un modèle énergétique moyen basé sur la fiche technique des composants utilisés est établi. Des tests expérimentaux sont effectués pour valider ce modèle sur les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC utilisés dans le micro-réseau. Grâce à la simplicité de ce modèle, il peut s’insérer dans le système du contrôle en temps réel. Par conséquent, des stratégies de pilotage du micro-réseau sont proposées pour prendre en compte le rendement variable dans le contrôle global et local du micro-réseau. Ces stratégies permettent d’avoir un délestage flexible des puissances dans le micro-réseau et d’accélérer la vitesse de convergence du contrôle, avec la connaissance des pertes de chaque convertisseur à chaque instant. Les résultats montrent que ces stratégies conduisent à la réduction du coût énergétique et améliorent légèrement le rendement global du micro-réseau. / The object of the thesis is to study the power losses in an urbain DC microgrid in order to improve the energy efficiency. Noted that such a multi-source microgrid consist of several sources whose nature is different one from another, the static power converters are essential but they brings power losses. The power losses are quite variable in particular with the renewable energy source such as the photovoltaic panels. In the litteral works the converter efficiency is often treated as a constant, but experimental tests are carried out to show its variation. For the sake of study the power loss thoroughly, a state of art of the static converter is studied to develop a simple and fast estimation methode of power losses. Aiming at the tradeoff between the estimation accurancy and the calculation time, an averaged energy model is developped on the basis of the component datasheet. The experimental tests are carried out to validate the application of the model on the DC/DC and DC/AC converters used in the microgrid. Due to its simplicity, the model can be implemented in the real-time system. Thus the energy management strategies are proposed to interact with the variable efficiency on the high and low level control. These strategies are capable of shedding the powers in the microgrid with flexibility and accelerating the the convergency spped of control through the knowledge of power losses of each converter. The results show that the energy cost has decreased and the microgrid global efficiency is slightly improved.

Este trabalho apresenta a análise teórica e experimental do gerador assíncrono de dupla alimentação, denominado GEADA ao longo deste trabalho, operando em regime permanente com velocidade não fixa, mas com freqüência da armadura constante. Compreende o escopo do trabalho a análise teórica a partir do circuito equivalente do gerador, a análise teórica e experimental da curva de magnetização do GEADA operando em freqüência do rotor variável, uma proposta de adaptação da curva de capacidade aplicada na operação dos geradores síncronos para o GEADA e a sua análise considerando-o como máquina síncrona a partir dos seus terminais, os ensaios normalizados e complementares necessários para o levantamento dos parâmetros para este circuito equivalente e ensaios do GEADA operando com carga para verificação de seu desempenho Os resultados obtidos permitem um melhor entendimento desse sistema de geração, de suas condições de operação e utilização em sistemas de geração de velocidade não fixa como, por exemplo, sistemas eólicos e hidrelétricos. / The study presents the theoretical and experimental analysis of the double fed asynchronous generator, called GEADA, operating in steady state with non-fixed speed but with constant armature frequency. It comprehends the theoretical analysis based on the equivalent circuit of this generator, the theoretical and experimental analysis of the curve of magnetization of the GEADA operating with variable rotor frequency. A proposal of adaptation of the capability curve applied in the operation of the synchronous generators for the GEADA is also presented, its analysis considering it as a synchronous machine from its terminals, the standard and complementary tests necessary for the calculation of the parameters for the equivalent circuit and the tests with the GEADA operating under on-load conditions to verify its performance. The achieved results allow a better understanding of this generation system, its operational conditions and applicability to the power generation systems based on variable speed, such as wind and hydroelectric power plants.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz / This PhD thesis context is about energy harvesting in order to have autonomous sensors. The problematic of the coupling of piezoelectric mechanical energy harvesters with the mechanical vibration source has been studied. To be efficient, the harvesters have to work at lower frequencies and on larger frequency ranges. To work at lower frequencies, we designed, fabricated and characterized AlN piezoelectric clamped free beams. We proved that it was possible to harvest 0.6µW for a volume of less than 3mm3. Our devices have very good figures of merit compared to literature. To work on wider frequency ranges, we propose an innovative nonlinear hardening method. It has been proven experimentally, with an adaptability of the resonance frequency of more than 50% under 500Hz.