Análise e projeto de uma topologia de rede CC com fonte de alimentação ininterrupta para cargas CC com contribuição de energia solar fotovoltaica

Abstract

O recente estímulo em direção às tecnologias verdes, juntamente com o aumento atual das cargas eletrônicas com alimentação em Corrente Contínua (CC), trazem vantagens potenciais no uso de topologias de Microrrede em CC (MRCC).Entre as vantagens, pode-se citar a possibilidade de uma melhor eficiência energética, de um menor número de conversões e de uma maior atratividade econômica na alimentação de cargas CC com fontes de geração de energia elétrica em CC como, por exemplo, Módulos Fotovoltaicos (MF). No entanto, estas topologias, quando operadas no modo isolado, podem trazer desvantagens como, por exemplo, variações de tensão no barramento de distribuição em momentos de falta do recurso solar. Este problema pode ser contornado ao utilizar-se uma fonte complementar de energia. Ao adicionar a este cenário cargas CC que necessitem de alta disponibilidade, surgem possibilidades para o estudo e desenvolvimento de uma fonte de alimentação interrupta (UPS, do inglês Uninterruptible Power Supply) como uma alternativa de alta eficiência e de menor custo para disponibilizar energia proveniente de fonte de energia renovável (RES, do inglês Renewable Energy Sources) a cargas eletrônicas. Estas cargas, segundo projeções, estarão cada vez mais presentes nas edificações comerciais, cujo setor normalmente apresenta o consumo congruente com a geração fotovoltaica. Neste trabalho, serão apresentados o projeto e os resultados experimentais de dois cenários de uma Topologia de Microrrede Híbrida (TMH) para a alimentação de cargas com necessidade de UPS. Estes cenários foram implementados em uma edificação na qual funciona um Ofício de Registro de Imóveis, localizado no sul de Santa Catarina, e a alimentação utiliza MF. A análise dos resultados experimentais de um dos cenários demonstra que a carga pode ser alimentada 80% do tempo com energia proveniente dos MFs. O estudo verificou que a topologia proposta pode obter uma eficiência de até 91% ao alimentar as cargas CC com energia proveniente dos MFs e possibilitar um aumento na eficiência de até 55% em relação a adoção de uma topologia de Microrredes CA com UPS. A análise financeira indicou que o custo da topologia proposta nesta dissertação possui uma redução de até 54% em comparação ao de uma UPS tradicional em Corrente Alternada (CA). Esta análise considerou 8 horas diárias de utilização, com 245 dias por ano e durante 25 anos. Com essas premissas, os equipamentos e o consumo de energia da topologia proposta apresentaram uma estimativa de custo de R$ 7.813,40, enquanto que da UPS CA foi de R$ 14.897,92. A análise financeira também indicou que a TMH possui uma taxa interna de retorno de 5,6%, um retorno simples de 20,5 anos e de capital próprio de 14,8 anos.

Abstract: The recent green technologies stimulus, together with the ongoing increase in loads using Direct Current (DC), are bringing potential advantages to the use of DC Microgrid (DCMGs). These advantages include better energy efficiency, lower number of conversions and greater economic appeal when of DC loads are supplied by sources of DC electric power generation, such as Photovoltaic Modules (PVMs). However, DCMGs can bring disadvantages when operated in isolated mode, such as voltage oscillations in the distribution bus caused by a lack of the solar resource. This problem can be overcome by using a complementary power source. When high-availability DC loads are added to this scenario, possibilities arise for the study and development of an uninterruptible power supply (UPS), as a higher-efficiency and lower-cost alternative when tapping into renewable energy sources (RES) for electronic loads. According to projections, these loads will be increasingly present in commercial buildings, which usually have its consumption congruent with the photovoltaic generation. In this work, the project and experimental results of two different Hybrid Microgrid Topologies (HMTs) scenarios for supplying high-availability DC loads are presented. These scenarios were implemented in a building housing a Property Registry Office, located in the south of Santa Catarina, in which the power supply is generated by PVMs. The analysis of the experimental results of one scenario shows that the load can be fed 80% of the time with energy from the PVMs. The results showed that the proposed topology can achieve up to 91% efficiency when feeding DC loads with energy from the MFs and can also increase the efficiency of up to 55% in comparison with the adoption of a topology of Alternating Current (AC) Microgrids with UPS. The financial analysis indicated a reduction cost of up to 54% when comparing the proposed topology with a traditional AC UPS. This analysis considered 8 hours of daily use, with 245 days a year and for 25 years. Under these assumptions, the equipment and energy consumption of the proposed topology presented an estimated cost of R$ 7,813.40, while the UPS AC was R$ 14,897.92. The financial analysis also indicated that HMT has an internal rate of return of 5.6%, a simple return of 20.5 years and equity of 14.8 years for the proposed HMT.