Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Este trabalho descreve o desenvolvimento e análise utilizando simulações digitais de um sistema híbrido de energia renovável para uma pequena usina de dessalinização (menos de 50 m3/dia). Pesquisar na literatura sobre usinas de dessalinização baseadas em fontes de energia renováveis;

M´ etodos de Dessaliniza¸ c˜ ao

Tecnologias Baseadas no Princ´ıpio T´ ermico

• MSF
• MED
• VC

A dessalinização por compressão de vapor refere-se a um processo de destilação onde a evaporação da água do mar é obtida pela aplicação de calor fornecido por um compressor de vapor. O processo MVC inclui duas versões diferentes: Compressão de Vapor (VC) e Compressão de Vapor a Vácuo (VVC).

Processos baseados em filtragem

• Nano filtra¸c˜ ao
• Osmose Reversa

O que acontece com a osmose reversa da água do mar é, como o nome sugere, o oposto deste processo natural. A Figura 10 mostra um diagrama de processo típico da estação de tratamento de água por osmose reversa.

Outras Tecnologias

• Permuta¸c˜ ao Iˆ onica
• Tecnologias futuras - em desenvolvimento

A água passa pela resina, livre de íons, e portanto produz água potável; As diferenças na pressão de vapor perturbam o sistema e apenas o vapor passa através da membrana.

Fontes de Energia Renov´ avel

E´ olica

À medida que a velocidade do vento aumenta, a potência no eixo da máquina aumenta gradativamente até atingir a potência nominal da turbina eólica, que geralmente fica entre 9,5 m/s e 15,0 m/s. É importante lembrar que a potência disponível varia com o cubo da velocidade do vento, portanto, duplicar a velocidade significa um aumento de oito vezes nessa potência.

Solar - Fotovoltaica

Uma camada é um semicondutor do tipo "N" rico em elétrons e com carga negativa. A segunda camada é do tipo “P” com abundância de espaços vazios que possuem carga elétrica positiva.

Energia das Mar´ es, Ondas e Geot´ ermica

Energia das marés: é um processo hidrodinâmico que converte a energia das marés em eletricidade ou outra forma útil de energia. As usinas que utilizam a energia das marés podem ser categorizadas em dois tipos principais: Barragens e Turbinas, que utilizam a energia potencial e cinética das marés, respectivamente[35].

Sistemas de Dessaliniza¸ c˜ ao que se utilizam de fontes renov´ aveis

Aspectos T´ ecnicos

A Figura 16 apresenta o algoritmo a ser considerado no projeto do Sistema de Energia Renovável/Solução de Dessalinização [41]. Do ponto de vista das fontes de energia, a energia eólica pode ser mais atractiva em grande escala, uma vez que não requer muito mais do que grandes proporções de terra. Nos processos de dessalinização com princípios térmicos, os sistemas de grande escala são relativamente mais competitivos, devido às grandes perdas de calor que ocorrem em sistemas pequenos.

Avalia¸c˜ ao Econˆ omica

O PI é usado para calcular o preço de venda esperado com base nos custos descontados da planta de ER/ Dessalinização. A comparação entre combinações alternativas é baseada no preço estimado de venda da água ou no preço geral com desconto. Por outro lado, valores mais baixos de IP levam a valores mais baixos de preços de venda, o que torna o investimento proposto menos atrativo em comparação com outras alternativas de obtenção de água.

Conversores de Eletrˆ onica de Potˆ encia Aplicados aos M´ etodos

O custo descontado da água é uma função do investimento inicial e dos custos de operação e manutenção da ER e da central de dessalinização. Em uma usina de dessalinização de RO movida a energia solar, normalmente apresenta: Um gerador fotovoltaico trabalhando em sua potência máxima por meio de um conversor boost equipado com um rastreador (MPPT). Um sistema híbrido de fonte de energia é proposto em [24], onde uma fonte eólica e fotovoltaica alimentam uma usina de dessalinização de OR.

Considera¸ c˜ oes sobre o Estado da Arte

Contudo, vale a pena notar que o bom funcionamento destes algoritmos é fortemente apoiado pela existência de uma curva de perfil de potência parabólica. O que significa que os algoritmos são projetados para encontrar o ponto de potência máxima, visto que o ponto de potência máxima é único.

Defini¸ c˜ ao da Planta

Uma pessoa necessita de pelo menos 40 litros de água por dia para beber, tomar banho, escovar os dentes, lavar as mãos, cozinhar, etc. No entanto, dados da ONU mostram que um europeu, que consome 8% da água doce mundial no seu território, consumiu uma média de 150 litros de água por dia. Segundo a ONU (Organização das Nações Unidas), 0,11 m3 (110 litros) de água por dia é suficiente para suprir as necessidades.

Sistema E´ olico

Modelagem matem´ atica

Embora a lei de Betz mostre que a eficiência energética máxima teórica é de 59%, na prática a eficiência real da turbina eólica é um pouco menor[30]. O coeficiente de potência Cp depende do projeto específico da turbina eólica, especialmente da estrutura aerodinâmica específica das pás. Cada turbina eólica possui seu próprio coeficiente de potência, que depende principalmente do fator λ, a relação de velocidade de ponta.

Filtro LC e Conversor Boost

Do estado definido como alcance mínimo (velocidade do vento de 9m/s), como estado nominal (velocidade do vento de 12m/s). A decisão de considerar o alcance mínimo como 9m/s vem do fato de que para 9m/s a tensão retificada é de 76V. Com 76 V, o ciclo de trabalho necessário para atingir a tensão desejada no barramento CC será de 0,83.

Controle MPPT

Em outras palavras, o sistema funciona aumentando e diminuindo a tensão de operação e observando seu efeito na potência de saída [56]. Pode-se concluir que a utilização do MPPT promove um aumento na extração de energia na ordem de 19% a 55%, dependendo da faixa de operação (condições de vento). A Figura 35 mostra em sequência: Resposta dinâmica da potência a uma variação na velocidade do vento; a variação da velocidade do vento (de 12 m/s a 10 m/s); variação do ciclo de trabalho para rastreamento de energia.

Sistema Fotovoltaico

• Modelo Matem´ atico e Caracter´ıstica I-V
• Painel Solar
• Arranjo e Dimensionamento de Pain´ eis
• Projeto conversor Boost
• MPPT

Espera-se que o sistema solar nesta planta seja capaz de fornecer uma produção de cerca de 5,5 kW. Como os valores de D (Duty Cycle) devem levar em consideração que os disjuntores não são instantâneos, portanto necessitam de tempo para ligar e desligar. O método INC baseia-se no fato de que a inclinação da curva de potência do conjunto de painéis fotovoltaicos é zero no MPP (Maximum Power Point).

Sistema de Baterias

Modelagem

Na parte inferior da figura você pode ver uma lógica que foi criada que impede que o sistema de bateria seja carregado caso já esteja carregado. Além disso, existe uma lógica para acionar o sistema de bateria, ou seja, ele só ficará ativo se necessário. Há também um sistema de controle de comutação boost que leva em consideração o nível de tensão no barramento CC que você deseja manter.

O Inversor

Vd= VLL1(linha−linha,rms). onde Vd é a tensão no barramento CC. ˆVAN)1, a amplitude da fundamental da tensão de saída. Para controlar a tensão de alimentação do motor, o controle foi implementado variando o índice de modulação. Mesmo para oscilações da ordem de 160 V pico a pico, a tensão de saída se comportou bem.

Osmose Reversa - Conjunto Motor-Bomba

Diferentes níveis de tensão de saída são obtidos ligando corretamente os interruptores de alimentação. Conclui-se que mesmo com o aumento da potência requerida pela carga, o nível desejado do barramento CC e a tensão nominal no motor são mantidos. Observe que a tensão na saída do conjunto de painéis está dentro da faixa máxima de potência de saída.

Conclui-se que estes valores de tensão, conforme estudo realizado nos capítulos anteriores, estão dentro das faixas esperadas para extrair a maior potência. Quantitativamente, a tensão no barramento CC e os valores de carga exibidos estão mais próximos do valor desejado, mesmo em condições adversas.

Circuito Completo - Topologia Sistema 1

Apresenta¸ c˜ ao da Topologia

A topologia proposta inclui uma combinação de um boost clássico, com um booster de tensão baseado em um multiplicador Cockcroft-Walton. Os circuitos multiplicadores de tensão foram originalmente projetados para retificação, mas recentemente não foram usados ​​com fontes DC [70].

Sistema E´ olico

Sistema Fotovoltaico

Inversor NPC

A tensão nos dispositivos semicondutores é a tensão no capacitor de entrada, V cc/(n−1), onde n é o número de níveis de tensão. O balanceamento dos capacitores torna-se mais difícil à medida que o número de níveis aumenta. A Figura 75 mostra um circuito de comutação NPC que recebeu o mesmo controle de índice de modulação usado na Topologia 1.

Circuito Completo - Topologia 2

Cen´ ario 1

Deve-se observar que a potência nominal exigida pelo motor é fornecida pelo sistema de geração. Observe que a corrente no motor é constante, sem o pico de corrente de partida típico de um motor de indução. A Figura 81 mostra em azul a corrente no motor para uma partida normal, ou seja, sem realizar uma partida suave.

Cen´ ario 2

Cen´ ario 3

A Figura 87 apresenta a Potência de Saída (motor) e a Potência de Entrada do Sistema (Gerador Eólico e Fotovoltaico). A Figura 91 mostra a potência de saída (motor) e a potência de entrada do gerador eólico e do sistema fotovoltaico. A Figura 95 mostra a potência de saída na carga resistiva e a potência de entrada do gerador eólico e do sistema fotovoltaico.

Cen´ ario 1

O primeiro cenário é considerado a situação nominal, tanto do vento como da radiação solar. Como parte do procedimento de partida, o sistema de bateria é inibido durante os primeiros segundos. Após os primeiros segundos, com o sistema funcionando, a bateria não é necessária, pois o conjunto – Gerador Eólico e Fotovoltaico – é capaz de atender a demanda da carga.

Cen´ ario 2

Isto, por sua vez, contribui para manter a tensão esperada no barramento CC, garantindo assim a potência total da carga. Haveria também uma discussão mais profunda sobre o papel do sistema de baterias neste trabalho. Seleção de membranas de nanofiltração como pré-tratamento para prevenção de incrustações em swro utilizando água do mar real. Dessalinização e Tratamento de Água, Taylor & Francis, v.