Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents a project of a integrated system with distinct energy generating modules using a wind generator, photovoltaic generator, fuel cells stack (FCs) and an accumulator of energy formed by a bank of batteries. This system was implemented in the Center of Studies in Energy and Environment-CEEMA-UFSM. The alternative sources of energy were connected in such a way as to inject current to a common DC bus avoiding so current circulation among sources due to individual voltage differences. The bus voltage is controlled by modulation of a secondary load in parallel with the main load. Along all tests, it was used the algorithm "Hill Climbing Control" (HCC) to maximize the generated power in the wind generator and in the photovoltaic generator. The FC operating principles are shown in more details with respect to their static and dynamic characteristics. In this MSc dissertation a FC simulator was used connected to real electric loads. A DC-DC Boost-type converter connects each primary source to the DC bus, and a Buck-Boost DC-DC converter with an integrated to control the charge and discharge states of the storage system (bank of batteries). Finally, numerical results were presented for all electric simulations so completing the hybrid system. After discussion of these results, a practical implementation was made to verify the numerical simulations with variable loads fed by the maximized generated powers from the sources. / Esta dissertação refere-se ao desenvolvimento de um sistema de integração entre uma pilha de células a combustível (CaCs), e outros módulos geradores de energia alternativa utilizando gerador eólico, gerador fotovoltaico e um acumulador de energia formado por um banco de baterias. Este sistema foi implementado no Centro de Estudos em Energia e Meio Ambiente-CEEMA, no Centro de Tecnologia da UFSM. As fontes alternativas de energia foram conectadas de forma a injetarem corrente CC em um barramento comum de forma a evitar a circulação de corrente entre as fontes devido à diferença de tensão das mesmas. A tensão no barramento é controlada pelo chaveamento de uma carga secundária em paralelo com a carga principal. É utilizado o algoritmo "Hill Climbing Control" (HCC) para maximizar a potência gerada pela associação do gerador eólico com o gerador fotovoltaico. Evidencia-se neste estudo o princípio de funcionamento das CaCs, suas características elétricas estáticas e dinâmicas quando associada a outras fontes de energia. No desenvolvimento dos trabalhos usou-se um simulador de CaC com cargas elétricas reais. Um conversor CC-CC do tipo Boost conecta cada fonte primária ao barramento CC e para o banco de baterias utiliza-se um conversor CCCC do tipo Buck-Boost para controle do estado de carga e descarga. Os resultados obtidos nas simulações do sistema híbrido e em seguida os resultados dos ensaios de laboratório foram obtidos com a implementação prática de um protótipo que permite variações de cargas e variação da potência gerada nas fontes.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

The experience of electric energy shortage in 2001 demonstrated that our dependence almost exclusively on hydroelectricity could fetch great problems to Brazil. Thus being, the existence of trustworthy alternatives of energy must exist, at the very least, as a reserve. For this reason, the perspective of decentralizing the energy production as a form of promoting the socioeconomic development of remote communities not connected to the public distribution system as well for mass production of electricity, are the motivations of this work. Such situation justified the analysis of performance and development of the integration of diverse types of alternative primary sources by transforming them into current sources as a means of preventing the circulation of current due to voltage differences across the sources. Control of the load voltage uses the modulation of a secondary load in parallel with a primary load in such a way that current excesses from the current sources are drained only through the secondary load, remaining unchanged the conditions for the primary load. To manage the voltage and current distribution in the main load, a module, dedicated and expandable controller is proposed for hybrid systems of electric energy generation such as those using wind-solar-storage for generation of electric energy in a trustworthy form, unassisted and independent. The proposed integrated system of energy does allow the control and integration of the most usual forms of energy generation such as hydraulic, wind, storage of energy, specially, in batteries. The control program is also adjusted to integrate other forms of generation, independent of its origin. The control as a whole is based on the algorithm "Hill Climbing Control" (HCC) for individual maximization of the generated power and rotation in each source and regulating the voltage across the load, in order to get the best advantage from the installations. In this dissertation is also shown some practical results about the proposed theory on a prototype of control based on the micro controller PIC18F452 for distribution of energy from a power plant of electric energy generation installed and operating in the CEEMA-UFSM campus. Furthermore, the controller module of power as presented in this work is more useful among others because it allows the use of hybrid electronics and microelectronics that are able of concentrating several circuits in a only "chip", including control functions for power conversion, A/D devices, program memory, data memory, modules for capture and comparison, timers and PWM modules. / A experiência do racionamento de energia elétrica no ano de 2001 no Brasil demonstrou que nossa dependência quase que exclusivamente da hidroeletricidade pode nos trazer grandes problemas. Assim sendo, a existência de alternativas de energia confiáveis deve existir, no mínimo, como reserva. Por esse motivo, a perspectiva da descentralização da produção de energia como forma de promoção do desenvolvimento sócio-econômico de comunidades não atendidas pelas formas convencionais de energia bem como para produção em massa de energias alternativas para grandes sistemas de potência, foram as motivações deste trabalho. A necessidade de um conhecimento melhor da integração entre as fontes de energia. Tais temas justificaram a realização da análise do desempenho e o desenvolvimento de tecnologia para a integração de diversos tipos de fontes alternativas transformadas em fontes de corrente como forma de se evitar a circulação de correntes entre as fontes por diferenças individuais de tensão. O controle da tensão de carga usa a modulação de uma carga secundária em paralelo com outra primária tal que os excessos de corrente das fontes sejam drenados apenas para a carga secundária mantendo-se inalteradas as condições da carga primária. Para gerenciar a distribuição das correntes e a tensão na carga principal, utilizou-se um controlador modular, dedicado e expansível para sistemas híbridos de geração de energia elétrica tais como o eólico-solararmazenamento para geração de energia elétrica de forma confiável, desassistida e autônoma. O sistema de energia desenvolvido permite o controle e o acionamento integrados das formas mais conhecidas de geração de energia envolvendo fontes como a hidráulica, a eólica, armazenadores de energia, em especial, as baterias. O programa de controle é adequado para integrar outras formas de geração, independente de sua origem. O controle como um todo, baseia-se no algoritmo "Hill Climbing Control" (HCC) para maximização individual da potência gerada em cada fonte e para o contingenciamento da rotação pela carga, de modo a se obter o melhor proveito das instalações. Por outro lado, a tensão de saída é modulada através da carga secundária de tal forma a compor uma impedância a ser vista pela fonte de corrente resultante das fontes primárias que estabilize em torno da tensão nominal. Esta dissertação mostra os resultados práticos relativos a um protótipo de controle baseado no PIC18F452 para distribuição de energia a partir de uma central de geração de energia elétrica instalado e funcionando no campus da UFSM. O módulo controlador de potência como se apresenta, presta-se para a utilização dos recursos da eletrônica híbrida e da microeletrônica que podem concentrar num único "chip" diversos circuitos, incluindo conversores de potência, conversores A/D, memória de programa, memória de dados, módulos de captura e comparação, temporizadores e módulos PWM, entre outros.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AugustoCFW_DISSERT.pdf: 4069800 bytes, checksum: c488b0f09f064b7a5254eca8a4fff499 (MD5) Previous issue date: 2013-08-30 / The generation of electricity in Brazil is predominantly renewable, with internal hydraulic generation being more than 70% of its energy matrix. The electricity rationing occurred in 2001 due to lack of rain, led the country to increase the participation of alternative energy sources. This need for new sources of energy makes the regional potential to be exploited, which configures the change of generation model from centralized generation to distributed generation. Among the alternative sources of energy, the solar energy is presented as very promising for Brazil, given that most of its territory is located near to the equator line, which implies days with greater number of hours of solar radiation. The state of Rio Grande do Norte (RN) has one of the highest levels of solar irradiation of the Brazilian territory, making it eligible to receive investments for the installation of photovoltaic solar plants. This thesis will present the state-of-the-art in solar photovoltaic power generation and will examine the potential for generation of solar photovoltaic power in Brazil and RN, based on solarimetrics measurements conducted by various institutions and also measurements performed in Natal, the state capital / A gera??o de energia el?trica no Brasil ? predominantemente renov?vel, com a gera??o interna hidr?ulica sendo superior a 70% do total de sua matriz energ?tica. O racionamento de energia el?trica ocorrido em 2001, devido ? falta de chuvas, levou o pa?s a incrementar a participa??o de fontes alternativas de energia. Esta necessidade por novas fontes de energia faz com que as potencialidades regionais sejam aproveitadas, o que configura a mudan?a do modelo de gera??o, passando de gera??o centralizada para gera??o distribu?da. Dentre as fontes alternativas de energia, a solar apresenta-se como uma fonte bastante promissora para o Brasil, tendo em vista que a maior parte do seu territ?rio est? localizada pr?ximo ? linha do equador, o que implica em dias com maior quantidade de horas de radia??o solar. O Estado do Rio Grande do Norte (RN) tem um dos maiores ?ndices de incid?ncia solar do territ?rio brasileiro, o que o torna apto a receber investimentos para a instala??o de usinas solares fotovoltaicas. Esta disserta??o apresentar? o estado da arte em gera??o de energia solar fotovoltaica e analisar? o potencial de gera??o da energia solar fotovoltaica no Brasil e no RN, baseando-se em medi??es solarim?tricas realizadas por diversas institui??es e tamb?m em medi??es realizadas em Natal

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

This diploma thesis deals with the design of a small family house, which construction uses alternative building materials. The first part of the thesis is devoted to the world, European and Czech legislation related to sustainable development. The concept of ecological construction, which focuses on the possibilities of reducing the negative impacts of construction production on the environment at various stages of construction and on energy, material, water and waste management, is also presented. The thesis also describes advantages and disadvantages of particular solutions. In the second part of the thesis, which based on theoretical knowledge, is the design of a family house from alternative materials worked out. The design of the study in the scale of 1:100 consists of measured floor plan drawings of all storeys, characteristic measured section drawings, layout plans with displayed furniture and equipment, elevation drawings of particular facades, roof drawings and situation design. The drawing part is accompanied by a text part. The processed design is compared to the reference building and then evaluated from the point of view of functional, economic, environmental and social requirements.

This thesis is focused on the creation of measuring workplace for remote power supply system. This is the measuring of the workplace, engaged in the processing of measured data, the production of electrical energy made by a photovoltaic panel and wind turbines. In the theoretical part, the reader is familiar with the issue of renewable energy sources. The first chapter is about the energy of the wind. Here is described the emergence of the wind, the basic division of wind power, through the production of electrical energy to the measurement itself. The second chapter deals with the solar energy. This chapter describes the emergence of the solar energy, photoelectric effect, description of characteristic features and related evaluation of the photovoltaic panel. The reader learns the basic distribution photovoltaic panels here and their manufacturing. The third chapter is devoted to measurement methods and specifying the basic conditions for the evaluation of the operation of wind turbines and photovoltaic panel. In the fourth chapter describes the basic data on individual facilities, which have been selected for this thesis and the involvement of the measuring site. There is also included wind power JPT-100 photovoltaic panels A-130 anemometer TX20ETH, pyranometer SG420 and temperature sensor PT100. Measuring software is described in the fifth chapter. In the last chapter, contains the experimental measurements in the selected time interval and the actual evaluation.