Uma equipe de pesquisa liderada pela UNSW propôs duas estratégias de baixo consumo de energia para sistemas de eletrolisadores fotovoltaicos autônomos, visando manter a estabilidade durante flutuações repentinas de energia solar sem a necessidade de armazenamento em baterias.
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) de Sydney, na Austrália, propôs duas novas configurações de projeto de condução de baixa potência (LRPT, na sigla em inglês para low-power ride-through) para sistemas autônomos de eletrolisadores fotovoltaicos (PVEC).
LPRT é um recurso de controle para equipamentos elétricos que permite que eles permaneçam conectados e continuem operando, com potência reduzida, durante breves perturbações na rede elétrica, como quedas de tensão, desvios de frequência ou perda parcial de energia. Quando usado em eletrolisadores alimentados por energia fotovoltaica, ele pode manter a estabilidade do sistema durante quedas na produção de energia solar, ajustando a demanda de energia do eletrolisador à oferta reduzida de eletricidade.
“A novidade desta pesquisa reside na comparação sistemática de arquiteturas de conversores de estágio único e de dois estágios para sistemas de eletrolisadores fotovoltaicos autônomos”, disse o autor correspondente Kaiwen Sun à pv magazine. “Além disso, incluímos a proposta e a validação experimental de duas estratégias LPRT, como a redução da referência de corrente e a comutação do modo de controle, que evitam o colapso do barramento CC durante déficits repentinos de energia solar sem a necessidade de armazenamento em baterias.”
O estudo começou com uma análise comparativa de arquiteturas de interface de potência de estágio único e duplo. Como os módulos fotovoltaicos e os eletrolisadores operam em faixas de tensão e corrente significativamente diferentes, foi necessária uma interface de potência (conversor CC/CC) que fosse compatível com os dois sistemas. Em uma configuração de estágio único, um único conversor conectava diretamente o conjunto fotovoltaico ao eletrolisador, oferecendo simplicidade, mas flexibilidade de controle limitada. Em contraste, uma arquitetura de estágio duplo introduziu um link CC intermediário com dois conversores, permitindo um controle mais independente dos painéis fotovoltaicos e do eletrolisador, além de melhorar a flexibilidade e a estabilidade do sistema sob condições solares variáveis.
O sistema de dois estágios operava em dois modos. No modo 1, o conjunto fotovoltaico operava com rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT), enquanto o barramento CC era regulado, permitindo que o eletrolisador acompanhasse a potência solar disponível. No modo 2, o barramento CC era regulado e a corrente do eletrolisador era mantida constante, possibilitando o controle preciso da produção de hidrogênio. Contudo, nesse modo, quedas repentinas na potência solar podem criar uma discrepância entre a geração e a demanda, potencialmente levando à instabilidade da tensão do barramento CC. O mecanismo de resposta a quedas de potência (LPRT) solucionava esse problema reduzindo a corrente do eletrolisador para corresponder à potência fotovoltaica disponível ou retornando ao modo 1, mantendo assim a operação estável.
A abordagem proposta foi avaliada por meio de simulação e validação experimental. Na simulação, foi desenvolvido um modelo detalhado de um sistema de 5 kW, incluindo o conjunto fotovoltaico, o eletrolisador e os conversores eletrônicos de potência. O sistema foi testado sob condições operacionais dinâmicas, incluindo reduções repentinas na irradiação solar. A validação experimental foi realizada utilizando um protótipo de laboratório de 200 W baseado em um conversor de nitreto de gálio (GaN), confirmando os resultados da simulação em condições reais de operação.
“Os resultados mais surpreendentes incluem o conversor de dois estágios, que mantém a produção de hidrogênio de 0,58 a 1,01 Nm³/h com uma eficiência do sistema de eletrolisador de até 96,75% a 97,12% sob uma redução de irradiação de 50%, a estratégia de comutação em modo de controle que estabiliza o sistema em menos de 0,5 segundos e a descoberta contra-intuitiva de que a eficiência do eletrolisador aumenta à medida que a potência de entrada diminui (por exemplo, de 81,42% a 5 kW para 97,18% a 2,04 kW)”, disse Sun.
Em conclusão, os pesquisadores observaram que seus resultados mostram claramente que, embora um conversor de estágio único seja suficiente para sistemas de pequena escala, uma arquitetura de dois estágios torna-se essencial para ampliar as aplicações de eletrolisadores fotovoltaicos (PVEC) para níveis industriais. Nessas escalas maiores, as significativas discrepâncias de tensão tornam a conversão de energia em estágios e os recursos avançados de controle críticos para uma operação confiável e eficiente.
“Vamos nos concentrar no projeto conjunto e na gestão energética otimizada de sistemas híbridos de armazenamento de energia integrados no link CC intermediário, juntamente com algoritmos de controle avançados para permitir a produção de hidrogênio verde totalmente despachável e sob demanda, além de explorar topologias de conversores isolados, como DAB e TAB, para melhor tolerância a falhas e escalabilidade em sistemas de centenas de quilowatts”, disse Sun, referindo-se à direção futura do trabalho da equipe.
O trabalho de pesquisa foi apresentado em “Aprimorando a resiliência operacional de sistemas fotovoltaicos-eletrolisadores autônomos: uma análise comparativa de arquiteturas de interface de potência de estágio único e duplo”, publicado na revista Applied Energy. Cientistas da UNSW Sydney , na Austrália, da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda , e da Universidade de Bath, no Reino Unido, contribuíram para o estudo.
