Gerenciamento da climatização de células a combustível do tipo PEM para integração com a rede de energia elétrica visando à eficiência energética
| Ano de defesa: | 2010 |
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| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Elétrica UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/27332 |
Resumo: | Fuel cells (FCs) offer a friendly environmental way to generate energy. Specifically, these devices require only a fuel (generally, hydrogen) and an oxidizer (pure oxygen or air) to produce electricity, water and heat. It is a result of the electrochemical reactions occurring in a polymeric solid membrane. The Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are calling attention by special characteristics: low operational temperature, simplicity, modularity, portability and efficiency. However, its energetic performance is highly susceptible to external influences: reactants pressure (or flux), operational temperature, membrane water content, weather and load conditions. This sensitivity makes the FC efficiency highly variable. Thus, this thesis proposes a FC management within specific efficient operating conditions. It is accomplished by simultaneous coordinating the main variables affecting generator’s efficiency: temperature, pressure and humidity. The proposed algorithm maintains the FC working within its linear operating region. Here, the losses are limited by rational fuel utilization. Considering the intrinsic and relative complexity of the relationships to stabilize the PEMFC membrane electrode assembly (MEA) this thesis uses intelligent algorithms, such as neural networks and fuzzy logic to emulate the FC behavior and to promote an efficient operation. These effects are checked with practical results obtained with simultaneous occurrence of the above mentioned external factors. The isolated treatment of these variables does not allow to reach higher efficiency levels. With the obtained data analysis it is possible to develop a control algorithm by using a neuro-fuzzy inference system (ANFIS) to simplify the FC modeling task. One of the main FC generator applications relies on the wide range of power source integration. Also, it is considered the main grid connection, assuming that the generator is subjected to load variations as a result of islanding events. It is a critical situation, mainly when there is load sharing between the local generator and the main grid, which is used as a reference to justify the control algorithm ability to track the operational FC efficiency after any load variation. FC simulated and practical results show that it is possible to reach ranges between 5 to 20% of higher efficiency levels without adversely affecting fuel consumption and membrane integrity. |
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Gerenciamento da climatização de células a combustível do tipo PEM para integração com a rede de energia elétrica visando à eficiência energéticaPEM fuel cells management to integration with the power grid aiming at the operational efficiencyEficiência de células a combustívelMembrana de troca protônicaControle fuzzyModelagem ANFISIlhamentoFuel cells efficiencyProton exchange membraneFuzzy logic controlANFIS modelingIslandingCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAFuel cells (FCs) offer a friendly environmental way to generate energy. Specifically, these devices require only a fuel (generally, hydrogen) and an oxidizer (pure oxygen or air) to produce electricity, water and heat. It is a result of the electrochemical reactions occurring in a polymeric solid membrane. The Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are calling attention by special characteristics: low operational temperature, simplicity, modularity, portability and efficiency. However, its energetic performance is highly susceptible to external influences: reactants pressure (or flux), operational temperature, membrane water content, weather and load conditions. This sensitivity makes the FC efficiency highly variable. Thus, this thesis proposes a FC management within specific efficient operating conditions. It is accomplished by simultaneous coordinating the main variables affecting generator’s efficiency: temperature, pressure and humidity. The proposed algorithm maintains the FC working within its linear operating region. Here, the losses are limited by rational fuel utilization. Considering the intrinsic and relative complexity of the relationships to stabilize the PEMFC membrane electrode assembly (MEA) this thesis uses intelligent algorithms, such as neural networks and fuzzy logic to emulate the FC behavior and to promote an efficient operation. These effects are checked with practical results obtained with simultaneous occurrence of the above mentioned external factors. The isolated treatment of these variables does not allow to reach higher efficiency levels. With the obtained data analysis it is possible to develop a control algorithm by using a neuro-fuzzy inference system (ANFIS) to simplify the FC modeling task. One of the main FC generator applications relies on the wide range of power source integration. Also, it is considered the main grid connection, assuming that the generator is subjected to load variations as a result of islanding events. It is a critical situation, mainly when there is load sharing between the local generator and the main grid, which is used as a reference to justify the control algorithm ability to track the operational FC efficiency after any load variation. FC simulated and practical results show that it is possible to reach ranges between 5 to 20% of higher efficiency levels without adversely affecting fuel consumption and membrane integrity.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESAs células a combustível (CaCs) representam uma alternativa para gerar energia de forma ambientalmente amigável. Especificamente, estes equipamentos requerem apenas um combustível (em geral, hidrogênio) e um oxidante (oxigênio ou ar) para gerar eletricidade, água e calor como resultado de reações eletroquímicas promovidas através de uma membrana polimérica sólida – o eletrólito da reação. As CaCs com membrana de troca protônica (Proton Exchange Membrane - PEM) têm recebido maior atenção da indústria. Isso se deve por suas características de funcionamento: baixa temperatura de operação, simplicidade construtiva, modularidade, portabilidade e eficiência. Entretanto, o desempenho destes dispositivos é suscetível a influências externas, tais como a pressão (ou fluxo) dos reagentes, temperatura de operação, conteúdo de água acumulado na membrana, carga demandada e condições climáticas. Esta sensibilidade torna a eficiência da CaC altamente variável. Para contornar este problema esta tese propõe o gerenciamento da CaC dentro de condições específicas para uma operação eficiente. Faz-se isso pela coordenação simultânea das principais variáveis que afetam a eficiência do gerador: temperatura, pressão e umidade em relação à sua característica VxI . O algoritmo de controle proposto mantém a CaC em sua região linear de operação, onde as perdas são balanceadas, resultando em um aproveitamento mais racional do combustível. Considerando-se a complexidade relativa aos processos intrínsecos de climatização da montagem membrana-eletrodo (MEA) de uma CaC, adotam-se algoritmos inteligentes baseados em redes neurais e lógica fuzzy para simular o comportamento da CaC e controlar sua operação de forma eficiente. Estes efeitos são mostrados por resultados práticos causados pela ocorrência simultânea dos fatores externos mencionados. O tratamento isolado destas variáveis não permite atingirem-se níveis mais altos de eficiência. Com a análise dos dados pode-se desenvolver um algoritmo de controle usando inferência fuzzy. Estes dados também permitem a simulação usando um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS), que simplifica a modelagem. Um dos principais focos de interesse para o uso de CaCs refere-se à integração com múltiplas fontes alternativas. Também se considera a possibilidade de conexão com uma rede principal. Para realizar esta conexão supõe-se que o gerador esteja sujeito às variações de carga decorrentes de um ilhamento. Isto é usado como justificativa para desenvolver o algoritmo de controle, que busca manter condições eficientes de operação da CaC após a mudança de carga. Os resultados simulados e práticos com CaCs mostram que é possível atingirem-se aumentos de níveis de eficiência na faixa de 5 a 20%, sem comprometer o consumo de combustível e a integridade da membrana.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaFarret, Felix Albertohttp://lattes.cnpq.br/5783619992936443Gomes , Natanael RodriguesReis, Lineu Belico dosSilva, Luiz Eduardo Borges daCanha, Luciane NevesCardoso, GhendyRamos, Diego Berlezi2022-12-13T19:04:43Z2022-12-13T19:04:43Z2010-03-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/27332ark:/26339/001300000rp79porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2022-12-13T19:04:43Zoai:repositorio.ufsm.br:1/27332Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2022-12-13T19:04:43Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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