Eletrônica de Potência como tecnologia habilitadora em termogeração

INTRODUÇÃO

O atual crescimento populacional e desenvolvimento tecnológico da sociedade exige sustentabilidade energética, o que significa atender as necessidades de produção de energia sem comprometer a capacidade para que as futuras gerações tenham suas carências atendidas. Desta forma, o aumento da eficiência energética na geração, distribuição e consumo de eletricidade, bem como a exploração de fontes alternativas de energia, são pilares desta sustentabilidade.

A eletrônica de potência é a tecnologia habilitadora em diversas fontes alternativas de energia. Os conversores CC-CC (Corrente contínua para corrente contínua) são importantes para o condicionamento de energia entre a fonte geradora e a carga. Destaca-se atualmente no mercado a utilização de geradores termoelétricos (Termoeletric Generator – TEG) como fonte alternativa de energia e, portanto, o artigo tem o objetivo de mostrar a importância da eletrônica de potência neste tipo de geração.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1  GERADOR TERMOELÉTRICO

 O TEG é constituído por semicondutores e produz eletricidade quando submetido ao gradiente (ou diferença) de temperatura, desta forma este dispositivo é classificado como fonte de energia de estado sólido. Portanto, a termoeletricidade é a forma de recuperação do calor perdido em diversos processos, transformando-o em eletricidade.  Diversos autores e pesquisadores afirmam que o interesse em relação à termoeletricidade cresce constantemente e o mercado se beneficia de diversas aplicações como:

• Recuperação de calor em automóveis elétricos e híbridos;
• Recuperação de calor em processos que envolvem combustão;
• Fonte de energia em mecanismos aeroespaciais como a tecnologia Avalanche Termiônica Nuclear (Nuclear Thermionic Avalanche Calls with Termoeletric Generator- NTAC-TE).

 

Figura 1 – Representação do termogerador.

 

2.2  CONVERSORES CC-CC

 Os conversores CC-CC (Choppers) permitem o ajuste da magnitude da tensão contínua gerada pelos termogeradores e desta forma possibilitam a transferência de energia ótima para a carga. A busca do ponto de máxima potência (Maximum power point tracking – MPPT) é a tarefa necessária para a otimização da energia gerada. O sistema baseado em TEG está sempre sujeito a variações de temperatura e impedância de carga. Estas variações alteram o ponto de operação onde pode-se obter a maior transferência de energia. O teorema da máxima transferência de potência explica que a energia ótima transferida para a carga ocorre quando a impedância da fonte é igual a da carga, porém esta condição dificilmente acontece em sistemas práticos. Com a utilização de Choppers CC-CC esta condição é alcançada pela alteração do ciclo de trabalho aplicado ao transistor de potência. A Figura 2 ilustra a modulação por largura de pulso (Pulse Width Modulation – PWM) comumente utilizada para controle de conversores CC-CC.

 

Figura 2 – Modulação por largura de pulso em circuito chaveado.

 

Algoritmos de MPPT são associados ao controle do conversor CC-CC e ao termogerador, auxiliando a regulação da tensão e corrente para que a operação do TEG esteja próximo ao MPP (máximo ponto de potência) correspondente. Existem diversos algoritmos de MPPT, sendo os tradicionais conhecidos como:

• Perturbe e Observe;
• Condutância Incremental.

3. DESENVOLVIMENTO

 3.1    UTILIZAÇÃO DO CONVERSOR BOOST

 Apresenta-se a utilização do conversor Boost, ou elevador de tensão, na aplicação de sistemas MPPT em termogeradores. Desenvolve-se também metodologia para conexão ao sistema termoelétrico.

 

3.1.1 PROJETO DO CONVERSOR BOOST:

As tensões elétricas geradas pelo TEG são de baixa magnitude e necessitam de elevação para maximização da geração de potência, bem como o condicionamento de energia. O Conversor Boost é uma das topologias classificadas como conversores não isolados, o qual abrange ainda as seguintes topologias:

• Buck (abaixador)
• Buck Boost (Abaixador e Elevador).

A Figura 3 ilustra o circuito elétrico do conversor Boost, formado por Indutor, Capacitor, Diodo Schottky e transistor de potência.

 

Figura 3 – Circuito elétrico do conversor Boost

 

Apesar da simplicidade da construção do circuito, este conversor é um dos sistemas com o controle mais complexo dentre as fontes chaveadas. Isto ocorre devido à existência de um zero no semi-plano no lugar geométrico das raízes e, portanto, classificado como sistema de fase não mínima. As estratégias de controle do conversor Boost é um tema com diversas pesquisas acadêmicas em constante desenvolvimento, pois o controle desta fonte chaveada é essencial para diversos processos em energias alternativas. Destaca-se que sem o controle satisfatório desta fonte chaveada a condição do MPPT dificilmente é alcançada.

3.2  CONEXÃO AO SISTEMA

Por meio de simulações computacionais, desenvolve-se os modelos matemáticos do conversor e do termogerador, tornando-se possível avaliar a conexão entre geração e carga. Conforme ilustrado na figura abaixo, o conversor CC-CC desenvolve o elo de ligação, condicionando a energia elétrica gerada, permitindo a conexão ótima à carga.

 

Figura 4 – Diagrama de blocos simplificado da conexão entre TEG, conversor e carga

 

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

 4.1  MÁXIMO PONTO DE POTÊNCIA

 

Figura 5 – Curva característica do termogerador HZ-20

 

A Figura 5 apresenta as curvas características de corrente e tensão elétrica pela potência gerada, em modelo de simulação, do termogerador fabricante HIZ, modelo HZ-20W. Constatou-se que o máximo ponto de potência deste TEG está em aproximadamente 7,95A e 19W. Esta condição só pode ser alcançada, em questões práticas, com a utilização de um conversor CC-CC. Além do projeto, implementação e controle do conversor, é necessário também o desenvolvimento de um sistema de controle satisfatório, bem como o algoritmo para realizar a busca do MPPT. Recomenda-se, para o conversor Boost, que o controle seja desenvolvido em modo de tensão (realimentação de tensão) com a síntese no Diagrama de Bode. Em artigos futuros serão desenvolvidas técnicas para o controle do conversor Boost.

5. CONCLUSÃO

Para o melhor aproveitamento de fontes alternativas de energia como solar, termogeração entre outras, é necessário a utilização de conversores CC-CC. O conversor Boost é o complexo circuito bastante utilizado para a maximização da geração de energia, quando combinado com algoritmos MPPT. O Desenvolvimento do controle automático destes conversores, novos algoritmos de busca da máxima potência e novas topologias de choopers são temas com bastante interesse e desenvolvimento acadêmico. Sem o condicionamento de energia ocasionado pelos conversores CC-CC seria impossível obter o máximo rendimento de energia em diversos processos, tornando-se estes dispositivos essenciais em nosso dia a dia.

6. BIOGRAFIAS / AUTORES

Carlos Daniel de Sousa Bezerra nasceu em Goiânia-GO, Brasil. Obteve seu grau de Mestre pela Universidade Federal de Goiás (UFG) em Engenharia Elétrica e Computação e Bacharelado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica de Goiás (PUC-GO).  Analista de Tecnologia e Inovação do Instituto SENAI de Tecnologia em Automação (Goiânia). Atualmente têm interesse acadêmico na área de sistemas de controle inteligente, aprendizado de máquina e fontes alternativas de energia elétrica.

 

 

 

Carlos Alberto Vasconcelos Bezerra nasceu em Rosalândia-TO, Brasil. Obteve seu grau de Mestre pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU) em Engenharia Elétrica e Bacharelado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de  Goiás (UFG).  Professor Efetivo do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Goiás (IFG) e da Pontifícia Universidade Católica de Goiás (PUC-GO). Atualmente tem interesse acadêmico na área de sistemas de controle e eletrônica de potência.