M. Tech. (Department of Electronic Engineering, Faculty of Engineering and Technology) --Vaal University of Technology| / Global warming is of increasing concern due to several greenhouse gases. The combustion of fossil fuels is the major contributor to the greenhouse effect. To minimalise this effect, alternative energy sources have to be considered. Alternative energy sources should not only be environmentally friendly, but also renewable and/or sustainable. Two such alternative energy sources are hydrogen and solar energy. The regenerative fuel cell, commonly known as a hydrogen generator, is used to produce hydrogen. The current solar/hydrogen system at the Vaal University of Technology’s Telkom Centre of Excellence makes use of PV array to supply power to an inverter and the inverter is connected to the hydrogen generator. The inverter provides the hydrogen generator with 220VAC. The hydrogen generator has its own power supply unit to convert the AC power back to DC power. This reduces the efficiency of the system because there will be power loss when converting DC power to AC power and back to DC power. The hydrogen generator, however, could be powered directly from a PV array. However, the hydrogen generator needs specific input parameters in order to operate. Three different input voltages with their own current rating are required by the hydrogen generator to operate properly. Thus, a DC-DC power supply unit needs to be designed to be able to output these parameters to the hydrogen generator. It is also important to note that current PV panel efficiency is very low; therefore, the DC-DC power supply unit also needs to extract the maximum available power from the PV array. In order for the DC-DC power supply unit to be able to extract this maximum power, a maximum power point tracking algorithm needs to be implemented into the design. The DC-DC power supply is designed as a switch mode power supply unit. The reason for this is that the efficiency of a switch mode power supply is higher than that of a linear power supply. To reach the objective the following methodology was followed. The first part of the research provided an introduction to PV energy, charge controllers and hydrogen generators. The problem statement is included as well as the purpose of this research and how this research was to be carried out. The second part is the literature review. This includes the background study of algorithms implemented in MPPT’s; it also explains in detail how to design the MPPT DC-DC SMPS. The third part was divided into two sections. The first section is the design, programming and manufacturing of the MPPT DC-DC SMPS. The second section is the simulation of the system as a whole which is the simulation of the PV array connected to the MPPT DC-DC SMPS and the hydrogen generator. The fourth part in the research compared the results obtained in the simulation and practical setup. The last part of the research provided a conclusion along with recommendation made for further research. The simulation results showed that the system works with an efficiency of 40,84%. This is lower than expected but the design can be optimised to increase efficiency. The practical results showed the efficiency to be 38%. The reason for the lower efficiency is the simulation used ideal components and parameters, whereas the practical design has power losses due to the components not being ideal. The design of the DC-DC switch mode power supply, however, indicated that the hydrogen generator could be powered from a PV array without using an inverter, with great success.

O Brasil é um país tropical em desenvolvimento com abundantes recursos em biomassa. A cana-de-açúcar é, primariamente, produzida para a obtenção de álcool e açúcar. Atualmente, os canaviais são queimados como prática de pré-colheita. Abandonando-se essa prática, o palhiço constituído por ponteiros, folhas verdes, palhas e frações de colmos remanescentes após operações de colheita, poderia ser recolhido e utilizado para produção de vapor visando geração de energia elétrica, nas próprias usinas e destilarias. Este estudo teve o objetivo de mapear o palhiço remanescente da colheita mecanizada de cana-de-açúcar, sem queima prévia, resultante do enfardamento do material por meio de duas diferentes enfardadoras (de fardos cilíndricos e prismáticos), utilizando-se os conceitos da Agricultura de Precisão. Essa atividade permitiu quantificar a massa de palhiço recolhido, sua umidade e o seu equivalente energético em barris de petróleo. A área objeto do estudo pertence à Usina Costa Pinto, município de Piracicaba, SP (22º40’30"S, 47º36’38"W). A produtividade foi estimada pela pesagem direta dos fardos, através de célula de carga e pela medição da área de origem do material enfardado. Foram realizadas determinações para os dois tipos de enfardamento resultantes da operação em áreas com três diferentes tipos de enleiramento, que diferiram entre si em relação à massa de palhiço acumulada nas leiras. Os resultados obtidos médios para massa e volume dos fardos foram de 336,4kg e 1,54m 3 para os prismáticos e de 452,9kg e 2,72m 3 para os cilíndricos. Pelos mapas obtidos observou-se que a quantidade de palhiço enfardado, sobre a área, variou de 6,0 a 15,0Mg.ha -1 ; sua umidade variou de 14,68 a 30,50% e o seu equivalente energético estimado foi de 6,33 a 17,80 barris de petróleo por hectare, todos numa distribuição não homogênea. A técnica adotada para geração de mapas para este tipo de matéria-prima mostrou-se adequada. / Brazil is a developing tropical country with abundant potential for production of biomass. The sugar cane is primarily produced to obtain alcohol and sugar. Currently the sugar cane fields are burned as a pre-harvest practice. If such practice is abandoned, the trash (green leaves, tops and straws left after harvesting) could be collected and used for vapor production for electric energy generation in the sugar mills and distilleries. The objective of this study was to map the remaining trash of the mechanically harvested raw sugar cane, not burned, as a result from bailing the material with two different balers (in cylindrical and prismatic packs), using the Precision Agriculture concepts. This activity allowed to measure the sugar cane trash mass bailed, the moisture content and the energetic equivalent, in petroleum barrels. The studied area belongs to Costa Pinto Sugar Mill, in the Piracicaba county, SP (22º40’30"S, 47º36’38"W). The yield was estimated by direct weighing the bails using a load cell and measuring the area of origin of the baled material. Determinations were carried out in two different bailing process that were made from three different raking process that differed in the amount of material taken to produce the desired sugar cane trash row. The average results for mass and volume were 336.4kg with an 1.54m 3 for prismatic bales and 452.9kg and 2.72m 3 for cylindrical bales. Using the obtained maps it was observed that the sugar cane bailed trash yield on the area varied from 6.0 to 15.0Mg.ha -1 , the moisture content varied from 14.68 up to 30.50% and the energetic equivalent was estimated from 6.33 up to 17.80 petroleum barrels per hectare, both in a non homogeneous distribution. The technique adopted to generate the maps for this type of raw material revealed itself adequate.

O Brasil é um país tropical em desenvolvimento com abundantes recursos em biomassa. A cana-de-açúcar é, primariamente, produzida para a obtenção de álcool e açúcar. Atualmente, os canaviais são queimados como prática de pré-colheita. Abandonando-se essa prática, o palhiço constituído por ponteiros, folhas verdes, palhas e frações de colmos remanescentes após operações de colheita, poderia ser recolhido e utilizado para produção de vapor visando geração de energia elétrica, nas próprias usinas e destilarias. Este estudo teve o objetivo de mapear o palhiço remanescente da colheita mecanizada de cana-de-açúcar, sem queima prévia, resultante do enfardamento do material por meio de duas diferentes enfardadoras (de fardos cilíndricos e prismáticos), utilizando-se os conceitos da Agricultura de Precisão. Essa atividade permitiu quantificar a massa de palhiço recolhido, sua umidade e o seu equivalente energético em barris de petróleo. A área objeto do estudo pertence à Usina Costa Pinto, município de Piracicaba, SP (22º40’30”S, 47º36’38”W). A produtividade foi estimada pela pesagem direta dos fardos, através de célula de carga e pela medição da área de origem do material enfardado. Foram realizadas determinações para os dois tipos de enfardamento resultantes da operação em áreas com três diferentes tipos de enleiramento, que diferiram entre si em relação à massa de palhiço acumulada nas leiras. Os resultados obtidos médios para massa e volume dos fardos foram de 336,4kg e 1,54m 3 para os prismáticos e de 452,9kg e 2,72m 3 para os cilíndricos. Pelos mapas obtidos observou-se que a quantidade de palhiço enfardado, sobre a área, variou de 6,0 a 15,0Mg.ha -1 ; sua umidade variou de 14,68 a 30,50% e o seu equivalente energético estimado foi de 6,33 a 17,80 barris de petróleo por hectare, todos numa distribuição não homogênea. A técnica adotada para geração de mapas para este tipo de matéria-prima mostrou-se adequada. / Brazil is a developing tropical country with abundant potential for production of biomass. The sugar cane is primarily produced to obtain alcohol and sugar. Currently the sugar cane fields are burned as a pre-harvest practice. If such practice is abandoned, the trash (green leaves, tops and straws left after harvesting) could be collected and used for vapor production for electric energy generation in the sugar mills and distilleries. The objective of this study was to map the remaining trash of the mechanically harvested raw sugar cane, not burned, as a result from bailing the material with two different balers (in cylindrical and prismatic packs), using the Precision Agriculture concepts. This activity allowed to measure the sugar cane trash mass bailed, the moisture content and the energetic equivalent, in petroleum barrels. The studied area belongs to Costa Pinto Sugar Mill, in the Piracicaba county, SP (22º40’30”S, 47º36’38”W). The yield was estimated by direct weighing the bails using a load cell and measuring the area of origin of the baled material. Determinations were carried out in two different bailing process that were made from three different raking process that differed in the amount of material taken to produce the desired sugar cane trash row. The average results for mass and volume were 336.4kg with an 1.54m 3 for prismatic bales and 452.9kg and 2.72m 3 for cylindrical bales. Using the obtained maps it was observed that the sugar cane bailed trash yield on the area varied from 6.0 to 15.0Mg.ha -1 , the moisture content varied from 14.68 up to 30.50% and the energetic equivalent was estimated from 6.33 up to 17.80 petroleum barrels per hectare, both in a non homogeneous distribution. The technique adopted to generate the maps for this type of raw material revealed itself adequate.

O aprimoramento de técnicas e dispositivos aplicados à conversão de energia provenientes de fontes alternativas de energia, no contexto da geração distribuída, possui um papel importante para o estabelecimento definitivo de um novo paradigma de despacho e consumo de energia elétrica. Neste contexto, esta tese de doutorado aborda uma proposta de gerenciamento de energia e controle de uma microrede com célula a combustível e painel fotovoltaico como fontes primárias, operando juntamente com elementos armazenadores. Nesta proposta, destaca-se o uso de duas principais técnicas: droop k-sharing e Maximum Power Point Tracking with Saturation Technique (MPPT-ST). A técnica droop k-sharing permite associar uma dinâmica preestabelecida à célula a combustível, de forma que as baterias absorvam o espectro complementar. Adicionalmente, o uso da variável k-sharing com a adição da técnica droop permite o compartilhamento de potência entre as duas fontes sem a necessidade de comunicação entre elas. Já a técnica MPPT-ST, permite a operação de painéis fotovoltaicos no Maximum Power Point (MPP) e fora do MPP utilizando um saturador dinâmico. Por fim, propõe-se uma técnica para o acoplamento dos modelos dinâmicos dos conversores CC-CC por meio do equacionamento da tensão do barramento Corrente Contínua (CC) em espaços de estados, tornando possível analisar a estabilidade da microrede com o método indireto de Lyapunov. Para validar as técnicas propostas, são apresentados resultados de simulação e experimentais. / The improvement of techniques and devices applied to the energy conversion of alternative energy sources, in the distributed generation context, has an important role for the definitive establishment of the new paradigm of energy delivery and consumption. In this context, this PhD thesis addresses a proposal of an energy management strategy for microgrids with fuel cells and photovoltaic panels as primary sources, operating with storage devices. In the proposed control scheme, it is possible to highlight two control techniques: droop k-sharing and MPPT-ST. With the droop k-sharing technique, it is possible to design a specific dynamic behavior for the Fuel Cell, while the battery absorbs the complementary (high frequency) spectrum. Additionally, the use of the k-sharing variable with droop technique makes it possible to share the energy between the two sources without the need of a high-speed communication link. On the other hand, with the MPPT-ST technique, the photovoltaic modules can be operated in the MPP or off-MPP by using a simple dynamic anti-windup strategy. For the stability analysis using the Lyapunov Indirect Method, it is proposed a state space technique to couple the DC-DC converters models using the DC-link capacitor. Finally, to evaluate the proposed theoretical algorithm and analysis, simulations and experimental results are presented.

The thesis deals with the problems of alternative energy sources with focus on solar energy sources in present practice. The thesis introduction explains the reasons of the changes in the global fuel-energy balance and their adverse effects, characterizes individual alternative energy sources and their practical applicability. The main focus is on exploitation of solar energy. After explaining the principle of thermonuclear reactions as the source of energy in the Sun, the thesis analyses the question of production of photovoltaic cells and a solar module. It describes the types of commonly used accumulators, charges and voltage transformers. It points out all factors, which must be taken into account when handling solar panels in practice. In the last chapter, it in particular deals with the didactic instructions for teaching the topic of alternative energy sources at elementary schools, as well as the need for introduction of the mentioned topic to teacher colleges.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims at the development of an instrumentation prototype to monitor, control and drive a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and its ancillary equipment. The first stage of this work is related to PEMFC stack modeling and the second is focused on electronic instrumentation to obtain practical data regarding to the stack behavior. Several theoretical models are analyzed. However, more attention is paid to the electronic model. Considering other electronic PEMFC models, changes were made to make it a more accurate. In this way, this modified model was validated by laboratory static and dynamic tests. These tests were compared with real data, available from the manufacturer s manual and other information from literature. To evaluate the variation in the main external parameters (reactant pressures, temperature, humidity of the membranes and coolant fluids, stoichiometric ratio, power, current and voltage) a full fuel cell instrumentation circuitry was developed to monitor and control them. This software is fully implemented in Labview, so as to verify and to control the whole fuel cell efficiency by using only a computer-based terminal. Additionally, the whole instrumentation system is presented and discussed. Finally, experimental tests were carried out to evaluate a by-pass technique (set of controlled shortcircuits) to maximize the stack output power. / Esta dissertação refere-se ao desenvolvimento de um sistema de monitoramento, acionamento e controle de uma pilha de células a combustível (CaC) do tipo PEM e de seu equipamento auxiliar. A primeira etapa deste trabalho é relacionada à modelagem da CaC e a segunda refere-se à instrumentação eletrônica para obtenção de dados práticos da pilha. Para os estudos teóricos vários modelos matemáticos são estudados, com maior ênfase à modelagem eletrônica de CaC. Para o modelo eletrônico são propostas modificações em relação a sua proposta original e sua validação é realizada através de testes estáticos e dinâmicos, e pela comparação dos dados obtidos com dados de fabricantes e também de outros autores. De modo a avaliar o impacto que a variação das principais grandezas de controle causam na eficiência da CaC é apresentado um sistema de monitoramento e controle baseado no programa Labview. Este sistema foi implementado em um protótipo de laboratório que faz uso de uma placa de aquisição para coleta de dados e geração de sinais PWM de controle. Também é apresentada a instrumentação eletrônica necessária para o mesmo protótipo. A pressão de entrada dos reagentes, a temperatura de operação, a umidade da membrana, o fluxo de ar e a razão estequiométrica são as principais variáveis a serem monitoradas e controladas. Também são realizados ensaios de funcionamento dinâmico da pilha com a aplicação da técnica de by-pass ou curtos-circuitos entre o anodo e o catodo.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodrigoLB_DISSERT.pdf: 2422493 bytes, checksum: d216abfd7470b7951cb5443aaa1b133a (MD5) Previous issue date: 2014-01-22 / The scarcity of natural resources and the search for alternative energy sources promote a rapid change in the energy world. Among the renewable energy sources, solar energy is the most promising, presenting technology of greatest growth rate nowadays. Researchers around the world are seeking ways to facilitate their progress, developing technologies with higher efficiency and lower cost. As a contribution to global progress, this master thesis proposes the development of a strategy of maximum power tracking based on perturbation and observation method for photovoltaic systems. The proposed control strategy is based on active power balance of the system, with a reduced number of sensors. It also allows the PV system to act as a regulator of the power quality at the point of commom coupling (PCC), compensating the harmonic distortion and power factor of the current netw / A escassez dos recursos naturais e a busca por fontes de energia alternativa promovem uma r?pidamudan?a namatriz energ?tica mundial. Dentre as fontes de energia renov?veis a energia solar ? a mais promissora, visto que ela apresenta a maior taxa de crescimento na atualidade. Pesquisadores de todo o mundo t?m buscado formas de viabiliza??o do seu progresso, desenvolvendo tecnologias com maior efici?ncia e menor custo. Como forma de contribuir para o avan?o mundial, neste trabalho ? proposto o desenvolvimento de uma estrat?gia de rastreamento da m?xima pot?ncia, baseado no m?todo perturba??o e observa??o, para sistemas fotovoltaicos. A estrat?gia de controle proposta ? baseada no balan?o de pot?ncia ativa do sistema e utiliza um n?mero reduzido de sensores. Ela tamb?m permite que o sistema fotovoltaico atue como regulador da qualidade de energia no ponto de conex?o, compensando assim a distor??o harm?nica das correntes da rede e corrigindo o fator de pot?ncia. Resultados de simula??o e experimentais s?o apresentados para validar a estrat?gia proposta

Orientadores: Carlos Alberto Favarin Murari, Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-14T09:59:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_LeonardoAlonso_M.pdf: 728816 bytes, checksum: 9e5eca1543746c11368b1c259d45dfa1 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta dissertação é proposta uma metodologia baseada em lógica nebulosa para a obtenção de um índice que classifica as barras mais propícias para a instalação de geradores distribuídos em uma rede de distribuição de energia elétrica. A metodologia foi desenvolvida levando em consideração a dificuldade em se manter um perfil de tensão adequado e, dessa forma, tende a contemplar com os maiores valores de índices, as barras nas quais a conexão de geradores tende a melhorar o perfil de tensão da rede. Outro aspecto considerado no desenvolvimento da metodologia foi o de minimizar as perdas de potência ativa na rede elétrica. De forma geral, a obtenção do índice consiste em associar graus de pertinências para as variáveis magnitude da tensão e potência ativa da carga em cada uma das barras e, a partir de regras nebulosas, definir um valor numérico para o índice. Uma das vantagens dessa metodologia é que tais variáveis podem ser classificadas em conjuntos nebulosos, os quais traduzem lingüisticamente os conhecimentos humanos e, assim, pode-se mais facilmente utilizar a experiência humana adquirida na operação de uma rede de distribuição para a definição das regras nebulosas para a obtenção dos índices a serem empregados na alocação dos geradores. E ao ser comparada a técnicas tradicionais de análise, tem-se uma significativa vantagem que consiste em não necessitar de execuções consecutivas de fluxos de potência, sendo necessário apenas a obtenção do estado de operação da rede através de um único fluxo de potência no caso base. / Abstract: This work consists in proposing a methodology based on Fuzzy Logic to obtain an index, which classifies the buses more suitable to install a distributed generator in an electric power distribution system. Themethodologywas developed taking into consideration the difficulty tomaintain a suitable voltage profile in distribution systems, so the methodology results in large, index values for the buses in which the installation of generators results in a more suitable voltage profile. Another aspect included in the methodology is the minimization of the real power losses. Applying a set of fuzzy rules, the index is calculated by setting membership values to the bus 'voltage' and 'load real power'. The advantages of this methodology are that the classification of the variables into fuzzy sets, which allow the linguistic translation of the system operator knowledge and so his experience of operating the system can be employed in the process of allocating distributed generators in the system and when compared to traditional techniques of analysis, does not need of consecutive runs of power flows, it is necessary only to obtain the state operating of the network through only one power flow in base case. / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Walmir de Freitas Filho, Luiz Carlos Pereira da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T12:47:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Anzai_AlexandreHaruiti_M.pdf: 1115532 bytes, checksum: 8d2da875fae1c7141a82e80bcad115b7 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta um modelo monofásico de fluxo de carga para sistemas de distribuição capaz de representar as tecnologias mais comumente utilizadas em geração distribuída. Tal ferramenta permite a realização de estudos técnicos e de diagnósticos em relação à conexão de um novo gerador nos alimentadores de sistemas de distribuição. Propõe-se um método de cálculo de fluxo de carga expandido, no qual os modelos dos geradores, turbinas e seus controles são levados em conta na resolução das equações do fluxo de carga. O método de fluxo de carga expandido considera que o sistema é modelado através de equações algébricas e diferenciais num ponto de equilíbrio, ao invés da modelagem convencional baseada apenas em equações algébricas de balanço de potência. As tecnologias de geração analisadas são compostas por máquinas síncronas, máquinas de indução e geradores conectados via conversores estáticos de potência. Diferentes fontes primárias de energia são consideradas, incluindo turbinas a vapor, hidráulicas e eólicas, além dos sistemas de controle associados às partes elétrica e mecânica de caqa tecnologia. O método de fluxo de carga proposto é testado usando uma rede de distribuição real do Estado de São Paulo / Abstract: This dissertation presents a monophasic load flow model for distribution systems capable of representing the most common technologies used for distributed generation. The developed computational tool allows the accomplishment of technical studies and diagnosis related to the impacts of connecting new generators on distribution feeders. It is proposed an expanded load flow method, including models for generators, turbines and associated controllers, for the solution of load flow equations. The expanded load flow method represents the system by using algebraic and differential equations in a equilibrium point, instead of the conventional modeling based only on the power balance algebraic equations. The technologies used for generation are composed by synchronous machines, induction machines and inverter based generators. Different prime mover technologies are considered, including steam turbines, hydraulic turbines, wind turbines, and control systems associated with the electric and mechanical operation of each technology. The proposed load flow method is tested by using a real distribution network of the State of São Paulo / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

This work is focused on the power engineering of the Czech Republic, particularly the alternative and its subset, wind power. Introduction acquaints readers with the state of energy in the country. They're the facts of the historical development of energy in Czechoslovakia and its status today. Representation of particular sources which are involved in the so-called. "Big Energy", their description and production. Each of the resources used is briefly described and discussed basic advantages and disadvantages arising from the nature of the source. It is also outlined the possible development of energy and change in the application of these resources in the future. The conclusion is devoted to alternative energy sources. Strives to cover the positive and negative aspects. It also shows the effect of alternative energy sources to power grid stability. The conclusion of this chapter is devoted to draft measures to increase the use of alternative energy sources in the energy mix of the Czech Republic. The second part is devoted to experimental measurements on small wind turbine JPT-100 from Jetpro Technology, Inc. The beginning describes the basic mathematical methods for calculating wind power and wind turbine itself. The text is accompanied by illustrative graphs. Another part deals with the actual wind turbine JPT-100. There are mentioned its characteristics, complete description of measuring workplace and measurement results.