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Orientador: Cesar José Bonjuani Pagan Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: SCs são dispositivos de armazenamento de energia de alta potência com características de carga/descarga ultrarrápida. SCs com eletrólitos de base aquosa de alta concentração podem funcionar em baixas temperaturas devido às suas propriedades intrínsecas, como maior do ponto de congelamento e robustez. Além disso, a compressão de eletrodos de SCs é essencial para minimizar o deslocamento dos íons, reações faradaicas, resistência ôhmica geral, e melhorar as características de armazenamento de energia. Estudos que abordam a dinâmica de íons em eletrodos de SCs sob compressão e baixa temperatura ainda são raras. Assim, o objetivo da dissertação é apresentar a dinâmica iônica de diferentes eletrólitos em eletrodos sob compressão e baixa temperatura para identificar mudanças eletroquímicas e estruturais sob estresse mecânico e térmico. O efeito de temperatura e compressão foi investigada usando métodos eletroquímicos, físico-químicos, estruturais e de espectroscopia Raman sob condições de polarização. Os resultados demonstraram que a dinâmica iônica é afetada pela compressão e são impulsionados principalmente pelas características do eletrólito, como o raio iônico de Pauling, tamanho do íon, número de moléculas de água na camada de solvatação e condutividade iônica. Quando o eletrodo é comprimido até que os microporos tenham as mesmas dimensões dos íons hidratados do eletrólito, a formação de um estado superiônico é induzida, aumentando a capacitância em mais de 160%. Além disso, a tensão da célula (V) aumentou ? 50%, enquanto a capacitância específica (C) diminuiu ? 20% quando a temperatura foi reduzida de 25°C para -10°C. Como resultado, a energia específica (E = CV 2/2) aumentou ? 100%. Portanto, eletrólitos aquosos em condições de baixa temperatura e eletrodos sob compressão controlada são candidatos promissores para melhorar as características de armazenamento de energia em SCs Abstract: Supercapacitors (SCs) are high-power energy storage devices with ultra-fast charge/discharge properties. SCs using concentrated aqueous-based electrolytes can work at low temperatures due to their intrinsic properties, such as higher freezing point depression and robustness. Besides, compressing supercapacitor (SCs) electrodes is essential for minimizing ions’ distance travel, faradaic reactions, overall ohmic resistance, and improving the energy storage characteristics. Studies that incorporate ion dynamics into SC electrodes under compression and low-temperature are still rare. So, the dissertation goal is to present the ion dynamics of different aqueous electrolytes in electrodes under compression and low-temperature to track electrochemical and structural changes under mechanical and thermal stress. The effect of temperature and compression was investigated using electrochemical, physical-chemical, structural, and Raman spectroscopy under dynamic polarization conditions. The results demonstrated that ion dynamics are affected by the compression and are driven mainly by the electrolytes features, such as Pauling’s ionic radii, hydrated ion size, number of water molecules in the solvation shell, and ionic conductivity. When the electrode is compressed until the micropores match in dimensions with the electrolyte’s hydrated ion sizes, the formation of a superionic state is induced, increasing the capacitance by more than 160%. In addition, the cell voltage (V) increased ? 50%, while the specific capacitance (C) decreased ? 20% when the temperature was reduced from 298 to 263 K. As a result, the specific energy (E = CV 2/2) increased ? 100%. Therefore, aqueous electrolytes at low-temperature conditions and controlled electrode compression are promising candidates to improve the energy-storage characteristics in SCs Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestre em Engenharia Elétrica Funcamp 53336

Orientadores: Ernesto Ruppert Filho, Tárcio André dos Santos Barros Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: O aumento da presença de fontes renováveis de energia nas matrizes energéticas globais está diretamente associado aos aspectos ambientais e ao avanço nos conceitos de redes elétricas inteligentes. Apesar disso, a intermitência de tais fontes é responsável por impactos negativos no fornecimento de energia elétrica, tanto em aspectos de qualidade do produto quanto na confiabilidade do sistema. De modo a superar esses obstáculos, perspectivas futuras indicam os sistemas de armazenamento de energia como soluções promissoras. No contexto de microrredes, o sistema de armazenamento de energia é uma tecnologia crucial para operações em modo autônomo, sendo também importante para melhorar a operação no modo conectado à rede elétrica. A tese proposta tem como objetivo estabelecer estratégias de gerenciamento de potência para aprimorar a qualidade de energia em uma microrrede híbrida CA/CC operando nos modos conectado à rede e autônomo. Para isso, emprega-se uma topologia de conversor de interligação modificada, que atua como um sistema de armazenamento de energia centralizado. Essa topologia é denominada como Conversor de Interligação de Dois Estágios com Dispositivo de Armazenamento de Energia, no inglês, Two Stages Interlinking Converter with Energy Storage Device (TSILC-ESD). Ela é composta por um conversor CC-CC meia ponte bidirecional em conjunto com um conversor CC-CA fonte de tensão, no qual, conecta-se um sistema de armazenamento de energia por baterias no barramento CC de interligação dos estágios dos conversores. Além do TSILC-ESD, um conversor de interligação é utilizado para a formação de microrredes nos dois modos de operação. No gerenciamento de potência em operação conectada à rede, os conversores de interligação atuam na formação da microrrede CC, no compartilhamento de potência, na regulação de tensão, na mitigação de harmônicas e na compensação de reativos, empregando serviços anciliares à rede elétrica. No modo autônomo, os conversores operam de modo a formar as microrredes CA e CC, além de mitigar as harmônicas de tensão, o que permite uma operação satisfatória da microrrede híbrida isolada. Para adicionar aspectos de proteção às baterias, também se propõem um sistema de gerenciamento de baterias com base no estado de carga para cada um dos modos de operação. Quando a microrrede híbrida atua no modo conectado à rede, o dano às baterias é evitado por meio da restrição de operação do TSILC-ESD, enquanto no modo autônomo, tais dispositivos são preservados mediante a seletividade de cargas e fontes do sistema. Assim, o software MatLab/Similink é utilizado para simular a microrrede híbrida com a configuração proposta, de modo a permitir a avaliação da performance dos gerenciamentos de potência e de baterias desenvolvidos nesta tese. Os resultados apresentam uma operação satisfatória nos dois modos de operação, com uma melhora de desempenho na qualidade da energia elétrica nos pontos de acoplamento da microrrede híbrida. Também se verifica uma atuação adequada do sistema de gerenciamento de baterias, evitando condições de operação danosas a esses dispositivos de armazenamento Abstract: The increase of renewable energy sources presence in the global energy matrices is directly associated with environmental aspects and the advances of the smart grid concepts. Despite this, the intermittence of such sources is responsible for negative impacts on the electricity supply, both in terms of product quality and system reliability. In order to overcome these obstacles, future perspectives indicate the energy storage systems as promising solutions. In the microgrids context, the energy storage system is a crucial technology for operations in standalone mode, being also important to improve operation in grid-connected mode. The thesis proposed aims to establish power management strategies (PMS) to improve the power quality of a hybrid AC/DC microgrid operating in grid-connected and standalone modes. For this, a modified interlinking converter topology is used, which acts as a centralized energy storage system. Such topology is called the Two Stages Interlinking Converter with Energy Storage Device (TSILC-ESD), being composed by a bidirectional half-bridge DC-DC converter in cascaded with a voltage source DC-AC converter. Besides, a battery energy storage system is connected in the DC bus between the converter stages. In addition to TSILC-ESD, an Interlinking converter is used to form the microgrids in both operation modes. In the power management of the grid-connected mode, the interlinking converters act in the DC microgrid formation, the power sharing, the voltage regulation, the harmonic mitigation and the reactive compensation, employing ancillary services to the utility grid. In standalone mode, the converters operate act as grid-forming to the AC and DC microgrids, in addition to mitigating voltage harmonics, that allows for satisfactory operation of the standalone hybrid microgrid. To include protection aspects to the batteries, a battery management system (BMS) based on the state of charge is also proposed for each of operation modes. When the hybrid microgrid operates in grid-connected mode, damage to the batteries is avoided by the operation restriction of the TSILC-ESD, while in standalone mode, such devices are preserved by means of the selectivity of loads and sources of the system. Thereby, the MatLab/Similink software is used to simulate the hybrid microgrid with the proposed configuration, in order to allow the evaluation performance of the PMS and BMS developed in this thesis. The results show a satisfactory behave in both operation modes, with an power quality improvement in the point coupling common of the hybrid microgrid. An adequate performance of the battery management system is also verified, avoiding harmful operating conditions for these storage devices Doutorado Energia Elétrica Doutor em Engenharia Elétrica CAPES 88882.329454/2019-01

Orientador: Gilberto de Martino Jannuzzi Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Dentre as diversas opções que contribuem para a flexibilidade de redes elétricas, o armazenamento de energia se mostra factível não apenas para desacoplar a oferta da demanda energética, mas também para desempenhar serviços de regulação da qualidade da energia. Este trabalho apresenta as características técnicas e econômicas das principais tecnologias de armazenamento de energia existentes, suas possíveis aplicações e seu estágio de desenvolvimento atual. Discutem-se possíveis estratégias de armazenamento de energia pelo lado da demanda, e evidenciam-se prospecções para a adoção do armazenamento de eletricidade no contexto brasileiro pelos lados da oferta e da demanda. Por fim, um estudo de caso dividido em duas etapas é apresentado, avaliando-se a viabilidade econômica, primeiramente, da adoção de três diferentes tipos de baterias (lítio-íon, sódio-enxofre e vanádio-redox) selecionados para acoplamento a um gerador fotovoltaico (FV) e, posteriormente, para o deslocamento de carga do edifício sede do Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético (NIPE) da Universidade Estadual de Campinas. Os resultados do estudo de caso mostram que atualmente nenhuma das estratégias de armazenamento consideradas seria economicamente factível e que apenas a adoção de um gerador FV conectado à rede e sem baterias seria viável. A análise de sensibilidade apresentada ao final do trabalho aponta os custos de aquisição baterias como o principal fator condicionando a viabilidade econômica das estratégias de armazenamento consideradas, e sugere que a redução desses custos tende a promover viabilidade mais rapidamente para deslocamento de carga que para acoplamento de baterias ao gerador FV Abstract: Among the several options able to contribute for the flexibility of electrical networks, energy storage proves to be feasible not only to decouple energy supply from demand, but also to perform energy quality regulation services. This work presents technical and economic characteristics of the main existing energy storage technologies, their possible applications and their current state of development. Conceivable strategies of demand-side energy storage are discussed, and prospections to the adoption of electricity storage in the Brazilian context, at both supply and demand side, are highlighted. Finally, a case study divide into two stages is presented, evaluating firstly the economic viability of the adoption of three different battery technologies (lithium-ion, sodium-sulfur and vanadium-redox) selected to be coupled with a photovoltaic (PV) generator and, then, to the load shifting of the headquarters building of the Interdisciplinary Center of Energy Planning (NIPE) of the State University of Campinas. The results show that currently none of the considered strategies would be feasible, and that only the adoption of a grid-connected PV generator would be viable. A sensitivity analysis points out the purchase costs of the batteries as the main factor conditioning the economic viability of the considered storage strategies, and suggests that reductions in those costs tend to promote feasibility to load-shifting faster than to coupling batteries to the PV generator Mestrado Planejamento de Sistemas Energéticos Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos CNPQ

Orientador: Caio Glauco Sánchez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O armazenador de energia térmica (TES) pode ser utilizado em sistemas de refrigeração, ar condicionado e tecnologias com baixas temperaturas e uma das principais aplicações na solidificação e fusão. O TES pode reduzir o custo de energia elétrica, que consequentemente pode ser melhor aproveitada nos horários de pico. Neste trabalho propõe-se uma forma de avaliação do desempenho do TES tanto para a solidificação quanto para a fusão, utilizando a análise exergética. O problema proposto é a solidificação e a fusão do material de mudança de fase encapsulado em esferas, de 75, 105 e 165mm de diâmetro nominal, distribuídas de forma randômica no TES. O modelo matemático é baseado na equação da energia e a solução é obtida com a técnica numérica em diferenças finitas, com o esquema da malha móvel. O acoplamento do fluido de transferência de calor com o material de mudança fase encapsulado em esferas é realizada com o balanço de energia, obtendo-se a temperatura em função do tempo. O modelo desenvolvido tem como parâmetros a temperatura de entrada do HTF no armazenador (VC), a variação da vazão mássica e a variação no diâmetro das cápsulas esféricas para a solidificação e a fusão. Os dados da solidificação e da fusão foram gerados por simulação numérica e o programa utilizado foi "Matemática". Para o processo de solidificação, a maior eficiência exergética média obtida foi de 67,4%, com PCM encapsulado em esferas de 75 mm de diâmetro nominal e a temperatura de entrada do HTF no VC, Te,HTF= -90C. Para o processo de fusão a maior eficiência exergética média obtida foi de 74,5%, com PCM encapsulado em esferas de 105 mm de diâmetro nominal e a temperatura de entrada do HTF no VC, Te,HTF= -10C. Este trabalho mostra que para o projeto de TES, é necessário avaliar o desempenho e a eficiência exergética, as características do PCM, do fluido de transferência de calor e da operação do sistema Abstract: The Thermal Energy Storage (TES) can be used in refrigeration systems, air conditioning and low temperature technologies major application to solidification and melting. The (TES) can reduce the cost of electrical energy that can be best enjoyed during peak hours. In this paper, we propose a way to evaluate the performance of TES both solidification and the fusion using the Exergy analysis. The proposed problem is the solidification and fusion of the phase change material encapsulated in spheres, 75, 105 and 165 mm nominal diameter, distributed at random in TES. The mathematical model is based on the energy equation and the solution is achieved with a numerical technique in finite differences with the mobile mesh scheme. Coupling of the heat transfer fluid with the phase change material encapsulated in beads is carried out with the energy balance to give the temperature versus time. The model has parameters as the inlet temperature of the HTF in the storage (VC), the variation in mass flow and variation in the diameter of the spherical capsules for solidification and melting. Data from the solidification and fusion were generated by numerical simulation and software used was "Mathematics". For the solidification process, the greater mean exergetic efficiency was 67,4% encapsulated PCM into spheres of 75mm nominal diameter and HTF inlet temperature in VC, TeHTF = -9 0C. For the process of fusion greater exergetic efficiency average was 74,5% encapsulated PCM into spheres of 105mm nominal diameter and HTF inlet temperature in VC, Te, HTF = -10C. This work shows that for the TES design, it is necessary to evaluate the performance and exergy efficiency, the characteristics of PCM, the heat transfer fluid and the system operation. OBSERVAÇÃOEstá faltando o arquivo assinado da banca, mando na segunda feira Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Ennio Peres da Silva, Newton Pimenta Neves Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho faz uma análise técnico-econômica do uso do hidrogênio como meio armazenador de energia elétrica proveniente de fonte eólica, cuja natureza imprevisível do vento não pode garantir sua quantidade de energia elétrica ofertada. Para resolver este problema, foram propostos dois sistemas de armazenamento operando de modos diferentes, para os quais foi desenvolvido um modelo matemático para o dimensionamento deles, implementado numa planilha eletrônica, no qual foram consideradas as principais características e eficiências dos equipamentos que compõem os sistemas, bem como a garantia física característica da usina eólica. A seguir, foi realizada uma análise econômica dos sistemas tendo sido verificado que o custo de produção da energia elétrica a partir do primeiro modo de operação proposto foi aproximadamente 47,5% maior que o custo de produção de energia da usina eólica sem armazenamento (130 R$/MWh) e, considerando o segundo modo, a diferença foi 92% maior. No caso da energia elétrica gerada pela célula a combustível o valor obtido foi de 1.180,00 R$/MWh e 1.250,00 R$/MWh considerando, respectivamente, o primeiro e segundo modo de operação Abstract: The current work aims to present a technical-economical analysis of the use of hydrogen as a means to store energy generated by wind power systems, since the wind regime is unpredictable and thus there is no guarantee for the amount of power offered. First of all, two storage systems were proposed and a mathematical model was established considering the main features and efficiencies of the equipment that compose the systems as well as the wind power energy guarantee. Secondly, an economic analysis of those systems was carried out. The cost of power generation for the first mode of operation was approximately 47,5% larger than that of a similar wind power system without storage (130 R$/MWh) and, concerning the second mode, the power cost was 92% larger. Regarding the energy generated by the fuel cell only, the power cost was respectively 1.180,00 R$/MWh and 1.250,00 R$/MWh for each of the operation modes Doutorado Engenharia Mecânica Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientador: José Antenor Pomilio Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Este trabalho propõe um sistema de armazenamento de energia híbrido composto por bateria e ultracapacitor para aplicações em veículos elétricos, baseado em uma estratégia de controle que possui o intuito de combinar especialidades de múltiplas fontes que diferem em termos de densidade de energia e de densidade de potência. O sistema atua gerenciando o fluxo de potência entre os dispositivos de suprimento de energia, permitindo eficiência energética necessária para um bom desempenho do sistema de propulsão do veículo elétrico. O sistema também permite o fluxo bidirecional de potência, possibilitando o veículo atuar com frenagem regenerativa. Um conveniente arranjo entre as fontes, juntamente com o gerenciamento de energia permitiu reduzir os requisitos de dimensionamento da bateria que funciona como fonte de maior densidade de energia. Adicionalmente, a vida útil destas fontes e a imunidade do sistema de suprimento a variações bruscas de demanda de potência são melhoradas. A integração do sistema do sistema de gerenciamento implementado em um conversor de potência de 12 kW a um kart indoor elétrico permitiu validar o sistema e analisar experimentalmente o desempenho do veículo, comprovando a eficácia da estratégia de controle Abstract: This work proposes a hybrid energy storage system for applications on electric vehicles, based on a control strategy that combines multiple power sources with different characteristics in terms of energy density and power density. The system manages energy flow among the storage devices, providing necessary energetic efficiency to guarantee high performance for vehicular propulsion system. In addition, the system permits bidirectional power flow, providing regenerative braking for the vehicle. Convenient organizations among power sources, working with energy management have permitted to reduce requirements for the battery that works as higher energy density power source. At the same time, lifetime for these energy storage devices and immunity for sudden variations are improved. The integration of the power management system implemented in a power converter of 12 kW to an electric indoor kart allowed to validate experimentally and analyze the performance of the vehicle, proving the effectiveness of the control strategy Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Marcelo Gradella Villalva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A melhor forma de associar geração distribuída, sistemas de armazenamento e cargas é utilizando o subsistema chamado Microrrede. Este trabalho estuda e desenvolve estratégias de controle para conversores de potência conectados a uma microrrede em corrente alternada de baixa tensão, que opera isolada da rede elétrica. É desenvolvido o projeto, modelagem e controle dos três tipos básicos de conversores: conversor-formador, conversor-suporte e conversor-alimentador, sendo os dois primeiros alimentados por baterias e o último alimentado por uma fonte primária de energia genérica, exemplificado como painéis fotovoltaicos. É modelada uma microrrede com diferentes valores de impedâncias de linha entre os conversores e a carga, e deseja-se que a microrrede satisfaça três principais condições. Primeiro, que os conversores compartilhem potência ativa e reativa proporcionalmente às suas potências nominais. Segundo, prioriza-se a extração de potência do conversor alimentado por fonte renovável de energia. E, além disso, é necessário que os fluxos de potências internos da microrrede sejam balanceados e, quando há excesso de geração e as baterias já estão carregadas, deve-se reduzir a quantidade de potência gerada, a fim de evitar danos às baterias e garantir suas vidas úteis. Para isso, adota-se a estratégia de controle droop, que realiza o controle da potência ativa relacionado à frequência e da potência reativa à tensão, dispensando, assim, meios físicos de comunicação. São realizadas simulações de várias situações da microrrede para verificar a atuação dos controles desenvolvidos Abstract: The best way to associate distributed generation, storage systems, and loads is by using the subsystem called Microgrid. This work studies and develops control strategies for power converters connected to a microgrid in low voltage alternating current, which operates isolated from the power grid. The design, modeling and control of the three basic types of converters are developed: grid-forming, grid-supporting and grid-providing converters; the first two are fed by batteries and the last one is fed by a primary source of generic energy, exemplified as photovoltaic panels . A microgrid is modeled with different line impedance values between the converters and the load, and it is desired that the microgrid satisfies three main conditions. First, the converters share active and reactive power in proportion to their nominal power. Second, priority is given to the extraction of power from the converter fed by renewable energy source. In addition, it is necessary that the internal power flows of the microgrid are balanced, also, when there is excess of generation and the batteries are already charged, the amount of generated power must be reduced in order to avoid damages to the batteries and to guarantee the life cycle. For this, one adopts the droop control strategy, which performs the control of the active power related to the frequency, and of the reactive power to the voltage, and thus, physical means of communication are dispensed. Simulations of several microgrid situations are executed to verify the performance of the developed controls Mestrado Engenharia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES 1443644

Orientador: Luiz Carlos Pereira da Silva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Este trabalho apresenta uma análise dos efeitos técnicos e econômicos da inserção dos recursos energéticos distribuídos nas redes de energia elétrica considerando a influência de consumidores ativos. Para tanto, um sistema de distribuição de energia em baixa tensão com geradores fotovoltaicos, sistemas de armazenamento de energia e um programa de resposta à demanda disponível é utilizado como modelo. Na avaliação técnica, são realizadas simulações de fluxo de potência para a verificação da variação da tensão em regime permanente, das mudanças no nível de desequilíbrio de tensão e das alterações nas perdas elétricas da rede. A influência do clima, do comprimento da rede, do fator de potência das cargas e da potência dos geradores é ainda verificada. Na avaliação econômica, são analisados como diferentes modelos tarifários impactam no cálculo da conta de energia dos consumidores e, consequentemente, no faturamento das distribuidoras. A Tarifa Convencional, a Tarifa Branca e a Tarifa Feed-In são consideradas na composição dos cenários. Além disso, é realizada uma análise técnica e econômica em conjunto, considerando os atributos que otimizam o custo de energia para cada consumidor Abstract: This work presents an analysis of the technical and economic impacts of the inclusion of distributed energy resources in electricity networks considering the influence of active consumers. For this, a low voltage power distribution system with photovoltaic generators, power storage systems and a demand response program is used as a model. In the technical evaluation, power flow simulations are performed to verify the variation of the steady state voltage, changes in the level of voltage unbalance and alterations in electrical network losses. The influence of the weather, the length of the network, the power factor of the loads and the power of the generators is also verified. In the economic evaluation, it is analyzed how the different tariff models impact the calculation of the energy bills for the consumers and hence the revenue of the distribution utilities. The Conventional Tariff, the Time of Use Tariff and the Feed-In Tariff are considered in the composition of scenarios. In addition, a combined technical and economic analysis is performed considering the attributes that optimize the energy cost for each consumer Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Marcos Julio Rider Flores Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Neste trabalho, é apresentado um modelo de programação estocástica (MPE) para resolver o problema de planejamento da expansão da rede de transmissão multiestágio (PERTM). O MPE proposto considera fontes de energia renovável intermitente (FERIs) e a alocação de sistemas de armazenamento de energia (SAEs). A natureza estocástica da demanda e das FE-RIs é modelada através de períodos representativos (PRs). Os PRs são períodos caraterísticos construídos a partir de séries temporais que permitem representar o comportamento do sistema elétrico de potência (SEP). Variações de curto prazo da demanda e das FERIs, a correlação horária entre essas variáveis aleatórias, e a sua caracterização de acordo com a região do SEP a que pertencem são incluídas nos PRs, fornecendo um aceitável esforço computacional para resolver o problema de PERTM. Com base nos PRs, o MPE proposto é formulado como um modelo equivalente determinístico de programação linear inteira mista (PLIM) para um con-junto de cenários. O modelo de PLIM incorpora perdas de potência ativa e contingências N-1. Investimento em construção de linhas de transmissão (LTs) e novos SAEs são otimizados. Um método eficiente para reduzir o espaço de busca combinatório e lidar com a dimensionalidade do problema de PERTM foi desenvolvido. Os sistemas de teste: Garver de 6 barras e IEEE de 24 barras; e o sistema de transmissão norte-colombiano foram usados para validar o modelo proposto. Os resultados mostram que a otimização simultânea de LTs e SAEs fornece melho-res e mais baratos planes de expansão do que as abordagens tradicionais. A eficácia dos SAEs para deslocar blocos de energia elétrica ao longo dos PRs, adiar investimentos e aliviar o con-gestionamento da rede é evidenciada Abstract: In this work, a stochastic programming model (SPM) to solve the multi-stage transmission network expansion planning (TNEP) problem is presented. The proposed SPM considers re-newable energy sources (RES) and the allocation of energy storage systems (ESSs). The sto-chastic nature of demand and RES is modeled through representative periods (RPs). RPs are characteristic periods selected from time-series that account for the electric power system be-havior. Short-term variations, time correlation between demand and RES and geographical features are included in the RPs, providing an acceptable computational complexity to solve the TNEP problem. Based on the RPs, the proposed SPM is formulated as a deterministic equivalent mixed-integer linear programming (MILP) model for a set of scenarios. The MILP model incorporates active power losses using a piecewise linearization and N?1 security con-straints. Investments in transmission lines (TLs) and ESSs are optimized. An efficient method to reduce the combinational search space were developed to deal with high dimensional prob-lems. Garver¿s 6-bus system, a modified IEEE 24-bus test system and the northern Colombian transmission system were used to validate the proposed model. The results show that the sim-ultaneous optimization of TLs and new ESSs provides better and cheaper TNEPs than tradi-tional approaches. The effectiveness of ESSs to shift electric energy, defer investments, and relieve grid congestion is evidenced Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Ennio Peres da Silva, Demóstenes Barbosa da Silva Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Diversos esforços têm sido feitos para limitar o aumento médio da temperatura da biosfera do planeta observado nas últimas décadas. As tecnologias de energia renovável, notadamente eólica e solar, representam a principal estratégia para frear as mudanças climáticas. Atualmente essas fontes fornecem cerca de 11% da energia elétrica consumida no Brasil, com perspectivas de que aumentem ainda mais a sua participação. Por outro lado, a intermitência característica inerente a elas, afeta a qualidade da energia produzida, além de comprometer o despacho de energia, acarretando problemas quanto à confiabilidade do suprimento energético. Dessa forma, a utilização em larga escala dessas fontes requer a adoção de tecnologias de armazenamento de energia, que permitem minimizar as desvantagens mencionadas. Dentre as tecnologias de armazenamento de eletricidade, as que utilizam o hidrogênio como vetor energético têm recebido interesse especial, dada a facilidade de associação com grandes blocos de geração elétrica. Neste sentido, empresas geradoras de energia de grande relevância nacional, como a Companhia Energética de São Paulo (CESP) e FURNAS Centrais Elétricas S. A. demostram interesse nessas tecnologias, tendo desenvolvido sistemas de armazenamento de energia na forma de hidrogênio, no âmbito da Chamada de Pesquisa e Desenvolvimento Estratégico N° 21/2016 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Esses projetos visam avaliar a eficiência do armazenamento, tanto para redução das intermitências da fonte solar, como para avaliar a aplicabilidade das tecnologias de armazenamento de energia, em suporte à sinergia entre as fontes solar fotovoltaica e hidrelétrica. Essas pesquisas se justificam no contexto de otimização da geração de energia a partir das usinas hidrelétricas (UHE), e almejam avaliar as alternativas que permitem que a parcela da infraestrutura não utilizada para a geração hidráulica seja aproveitada pela fonte solar fotovoltaica a partir de plantas fotovoltaicas flutuantes. Assim, o presente trabalho teve como base os projetos de P&D desenvolvidos pela CESP e por FURNAS, e visou modelar e simular os sistemas contemplados nos projetos, operando em diferentes situações de fornecimento de energia elétrica. Para essas simulações foi utilizado o software PVsyst, para o caso da geração solar fotovoltaica (FV), ao longo de um ano típico. Com os resultados da simulação da geração FV, foi calculada a carga de energia que esse sistema pode atender considerando diferentes cenários com perfis de carga distintos. Dada a diferença entre a produção de energia do sistema piloto e das usinas hidrelétricas, foi estimado o aumento de capacidade dos sistemas que permita aproveitar parte da infraestrutura disponível, resultante da redução da hidrologia no país. Como principais resultados, se obteve que o arranjo hidro-solar auxiliado por sistema de armazenamento de energia considerados nas UHE’s de Porto Primavera e Itumbiara permite incrementar a geração de energia em 4,0 GWh e 8,7 GWh, o que representa 10,7% e 17,4% da capacidade máxima de geração dessas usinas hidrelétricas, respectivamente. Isto é alcançado utilizando plantas fotovoltaicas flutuantes que ocupam áreas equivalentes a 0,5% e2,7% dos reservatórios. Nos dois exemplos analisados, observou-se que o potencial de associação da geração FVF com as UHE de forma híbrida é limitado quando comparado ao possível potencial de aproveitamento da área do reservatório por meio de plantas FVF's, o que ocorre devido a impossibilidade de transmitir maiores quantidades de energia a partir da infraestrutura existente Abstract: Several efforts have been made to limit the average increase in the temperature of the planet's biosphere observed in recent decades. Renewable energy technologies, notably wind and solar, represent the main strategy to curb climate change. Currently, these sources supply around 11% of the electricity consumed in Brazil, with prospects that their share will increase even further. On the other hand, the characteristic intermittence inherent to them affects the quality of the energy produced, in addition to compromising the energy dispatch, causing problems regarding the reliability of the energy supply. Thus, the large-scale use of these sources requires the adoption of energy storage technologies, which allows minimizing the mentioned disadvantages. Among the electricity storage technologies, those that use hydrogen as an energy vector have received special interest, given their ease of association with large blocks of electricity generation. In this sense, energy generating companies of great national importance, such as Companhia Energética de São Paulo (CESP) and FURNAS Centrais Elétricas SA show interest in these technologies, were having developed energy storage systems in the form of hydrogen, within the scope of the Call for Research and Strategic Development No. 21/2016 of the National Agency of Electric Energy (ANEEL). These projects aim to assess the efficiency of the storage, both to reduce the intermittence of solar sources, and to assess the applicability of energy storage technologies, in support of the synergy between photovoltaic and hydroelectric solar sources. These researches are justified in the context of optimizing energy generation from hydropower plants (HPP), and aim to evaluate alternatives that allow the portion of infrastructure not used for hydraulic generation to be used by the photovoltaic solar source from floating photovoltaic plants FPV. Thus, the present work was based on the R&D projects developed by CESP and FURNAS, and aimed to model and simulate the systems included in the projects, operating in different situations of electricity supply. For this simulation, PVsyst software was used, for the case of photovoltaic solar generation, over a typical year. With the results of the simulations of PV generation, the energy load that this system can meet was calculated considering different scenarios with distinct load profiles. Given the difference between the energy production of the pilot system and the hydroelectric plants, the increase in the capacity of the systems that allows for the leverage of part of the available infrastructure, resulting from the reduction of hydrology in the country, was estimated. As main results, it was found that the hydro-solar arrangement aided by an energy storage system considered in the HPPs of Porto Primavera and Itumbiara allows an increase in energy generation of 4,0 GWh and 8,7 GWh, which represents 10,7% and 17,4% of the maximum generation capacity of these hydroelectric plants respectively. This is achieved using floating photovoltaic plants that occupy areas equivalent to 0.5% and 2.7% of the reservoirs In the two analyzed examples, was observed that the potential of association of the FPV generation with the HPPs in a hybrid form is limited when compared to the possible potential of using the reservoir area through FVF's plants, which occurs due to the impossibility of transmitting larger amounts of energy from existing infrastructure Doutorado Planejamento de Sistemas Energéticos Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientador: Fernanda Caseño Trindade Arioli Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Problemas técnicos estão surgindo nos sistemas elétricos de distribuição causados pelo recente crescimento da conexão de novas tecnologias de carga, como os veículos elétricos, e de geração, como os geradores fotovoltaicos. Este fato aumentou o volume de estudos necessários para avaliar os impactos destas tecnologias e buscar soluções para mitigar estes impactos, sejam baseadas em novas tecnologias, em equipamentos já utilizados nas redes ou através do reforço de infraestrutura. Embora as concessionárias prefiram soluções que não envolvam a substituição de linhas e transformadores, em alguns casos somente o emprego das demais soluções pode não ser o suficiente. Neste contexto, este trabalho de doutorado apresenta análises para: (a) avaliar os impactos da alta penetração de veículos elétricos e geradores fotovoltaicos em redes secundárias reais de distribuição, considerando diferentes cenários com estas tecnologias e diferentes redes secundárias; (b) avaliar a eficiência e as limitações de algumas das soluções que poderiam ser utilizadas para mitigar estes impactos, principalmente considerando as violações do módulo da tensão; e (c) propor e testar extensivamente uma metodologia analítica para estimar os valores da tensão em sistemas de distribuição quando transformadores e/ou linhas são substituídas, podendo ser implementado em planilhas para casos mais simples ou integrado a análises mais complexas como métodos de otimização ou o método Monte Carlo Abstract: Technical problems are emerging in electric power distribution systems caused by the recent widespread deployment of new technologies of load, as the plug-in electric vehicles, and generation, as the photovoltaic generators. This fact has increased the volume of studies to evaluate the effectiveness of solutions to mitigate these impacts, whether based on new technologies, on equipment already used in the networks or through the reinforcement of infrastructure. Although utilities prefer solutions that do not involve replacing lines and transformers, in some cases the other solutions may not be enough. In this context, this doctoral work presents analyzes using the Monte Carlo method to: (a) evaluate the impacts of high penetration of electric vehicles and photovoltaic panels in secondary distribution networks, considering different scenarios with these technologies and different real secondary networks; (b) assess the efficiency and limitations of some of the solutions that could be used to mitigate these impacts, especially considering violations of the voltage magnitude; and (c) propose and extensively test an analytical methodology to update values of voltage magnitude in distribution systems when transformers and/or conductors are replaced, which can be implemented in spreadsheets for single-cases or integrated into more complex analyzes such as optimization methods or the Monte Carlo method Doutorado Energia Elétrica Doutor em Engenharia Elétrica CAPES 88882.329404/2019-01

Orientador: Ambrósio Florêncio de Almeida Neto Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Conhecidas pela elevada energia específica teórica, as baterias de lítio-ar compreendem uma tecnologia atrativa para o armazenamento de energia elétrica e podem tornar os veículos elétricos amplamente acessíveis. Adicionalmente, as baterias de Zn ar possuem aplicações no setor médico e de telecomunicações, como aparelhos auditivos em miniatura e dispositivos de mensagens sem fio. Ambas as tecnologias exigem catodos de ar para acelerar as lentas taxas de reações de redução (descarga) e evolução (carga) de O2. Apesar dos esforços dos pesquisadores, os eletrocatalisadores atuais carecem de atividade e estabilidade suficientes. Nesse contexto, esta tese propôs avaliar os parâmetros envolvidos na eletrodeposição de catalisadores bimetálicos e na ciclagem da bateria de Li-O2. No estudo com Co-W foram avaliados a influência da densidade de corrente elétrica e da concentração de W na eletrodeposição em espuma de níquel e malha de aço com posterior aplicação na bateria de Li O2. O estudo com Ag-Co propôs avaliar a influência da densidade de corrente elétrica e pressão de O2 durante a ciclagem na bateria de Li-O2. Para Zn-Co, foi proposto avaliar a influência da temperatura do banho eletrolítico e da velocidade de rotação catódica durante a eletrodeposição e como essa configuração impactava na ciclagem dos eletrodos na células de Li O2. No sistema de Zn-ar foram avaliados como o pH da solução de W-Co e o tempo de eletrodeposição influenciavam a eficiência da bateria. A análise estatística para a eletrodeposição de Co-W demonstrou que maiores concentrações de W e densidade de corrente elétrica aumentaram a eficiência de eletrodeposição, no entanto as quantidades de depósito nos substrato não se mostraram benéficas para o sistema de Li-O2. Para a eletrodeposição de Ag Co, a pressão de O2 de 2 atm e densidade de corrente elétrica de 50 µA cm-2 na bateria de Li-O2 apresentaram os maiores valores de capacidade de descarga, sendo 336 mAh g-1c (malha de aço) e 115 mAh g-1c (espuma de níquel). Os eletrodos contendo Zn-Co apresentaram resultados benéficos para a reação de evolução de oxigênio, de acordo com o valores obtidos por voltametria cíclica de voltametria de varredura linear. Para o substrato de espuma de níquel a temperatura de 70 °C e velocidade de rotação catódica de 100 rpm demonstrou o maior valor de capacidade de carga, sendo de 182 mAh g-1c. Para a malha de aço os parâmetros a 25 °C e 30 rpm forneceu uma capacidade de carga de 399 mAh g-1c. Para o estudo com Co-W em baterias de Zn-ar, o tempo de eletrodeposição de 15 min e pH do banho eletrolítico com valor de 7.5 proporcionou eficiência próxima de 60% a 20 mA cm-2, sendo um excelente eletrocatalisador bifuncional para ambas as reações de O2 com resultado superior ao catalisador comercial de Pt-Ru. A análise de energia dispersiva de raios-X demonstrou que W foi solubilizado durante a ciclagem na bateria de Zn ar e pelo microscópio eletrônico de transmissão foi verificado que houve a formação de uma estrutura de espinélio de ZnCo2O4, devido a presença de Zn na composição do eletrólito Abstract: Known for their high theoretical specific energy, lithium-air batteries comprise an attractive technology for storing electric energy that can make electric vehicles widely accessible. Additionally, Zn-air rechargeable batteries have medical and telecommunication applications such as miniature hearing aids and wireless messaging devices. Both technologies require air cathodes to accelerate slow rates of O2 reduction (discharge) and evolution (charge) reactions. Despite the researchers' efforts, current electrocatalysts lack sufficient activity and stability. In this context, this thesis proposed to evaluate the parameters involved in the electrodeposition of bimetallic catalysts and in the Li-O2 battery cycling. In the Co-W study, the influence of electric current density and W concentration on the electrodeposition in nickel foam and steel mesh was evaluated with subsequent application on the Li-O2 battery. The Ag Co study proposed to evaluate the influence of electric current density and O2 pressure during cycling on the Li-O2 battery. For Zn-Co, it was proposed to evaluate the influence of electrolytic bath temperature and cathodic rotation speed during electrodeposition and how this configuration impacted the cycling in Li-O2 cell. In the Zn-air system were evaluated how the pH of the W Co solution and the electrodeposition time influenced the battery efficiency. Statistical analysis for Co-W electrodeposition demonstrated that higher W concentrations and electric current density increased the electrodeposition efficiency, however the amount of deposition on the substrates was not beneficial for the Li-O2 system. For the electrodeposition of Ag-Co, the O2 pressure of 2 atm and electrical current density of 50 µA cm-2 in the Li-O2 battery presented the highest discharge capacity values, being 336 mAh g-1c (steel mesh) and 115 mAh g-1c (nickel foam). The electrodes containing Zn-Co showed beneficial results for the oxygen evolution reaction, according to the values obtained by linear scanning voltammetry and cyclic voltammetry. For the nickel foam substrate the temperature of 70 °C and cathodic rotation speed of 100 rpm showed the highest load capacity value, being 182 mAh g-1c. For the steel mesh the parameters at 25 °C and 30 rpm provided a charge capacity of 399 mAh g-1c. For the study with Co-W in Zn-air batteries, the electrodeposition time of 15 min and pH of the electrolytic bath with a value of 7.5 provided efficiency close to 60% at 20 mA cm-2, being an excellent bifunctional electrocatalyst for both O2 reactions with better results than the commercial Pt-Ru catalyst. Energy dispersive X-ray showed that W was solubilized during cycling in the Zn-air battery and by transmission electron microscope it was verified that a spinel structure of ZnCo2O4 was formed due to the presence of Zn in the electrolyte composition Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química CAPES 88882.329685/2019-01

Orientador: Hudson Giovani Zanin Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Com o aumento da demanda por energia, um dos maiores problemas da sociedade contemporânea é o manejo e o armazenamento de Energia Elétrica. Sistemas eólicos e solares desconectados da rede (off-grid), veículos elétricos, dispositivos tecnológicos portáteis e muitos outros poderiam ser beneficiados com o desenvolvimento e o subsequente menor custo de sistemas limpos de armazenamento e fornecimento de Energia. Dentro deste contexto as baterias recarregáveis foram responsáveis por uma revolução na mobilidade e comunicação urbana, entretanto, as mesmas ainda são onerosas, levam um grande período de tempo para carregar e ainda podem explodir se exigidas em demasia. Além disso, elas são manufaturadas utilizando diversos componentes tóxicos ao ambiente. Tendo-se em vista essas desvantagens, os chamados Capacitores Eletroquímicos, também conhecidos como Supercapacitores, são ideais para complementá-las quando se deseja realizar processos rápidos de armazenamento e fornecimento de Energia, pois funcionam majoritariamente por processos não faradaicos ou faradaicos ultrarrápidos que ocorrem na interface eletrodo/solução, sendo tais processos imediatos e não destrutivos, permitindo ainda que o dispositivo tenha uma vida útil prolongada (>100 mil ciclos). Frente a esse cenário, este trabalho teve como objetivo estudar a confecção e a caracterização destes armazenadores de energia. Foram desenvolvidos eletrodos empregando-se carvão ativado e um verniz comercial a base de poliéster como material aglutinador. Esses eletrodos foram utilizados na confecção de Capacitores Eletroquímicos com 5 tipos de eletrólitos aquosos, sendo as montagens padronizadas pela utilização de células do tipo moeda CR2032, que foram caracterizadas por análises galvanostáticas de carga-descarga, voltametrias cíclicas e espectroscopias de impedância eletroquímica. Todas as células apresentaram estabilidade eletroquímica dentro de uma "janela" de tensão de 1,1V, tendo-se destacado a célula contendo 2M de H2SO4, com a qual se obteve uma capacitância gravimétrica de 56,90 F/g e resistência série equivalente de 0,23"ômega". Estes resultados consolidam os eletrodos desenvolvidos como promissores para aplicação em Capacitores Eletroquímicos, instigando dessa forma o desenvolvimento de novas tecnologias que possam compor os diversos tipos de sistemas de armazenamento e fornecimento de energia elétrica Abstract: With the increasing demand for energy, one of the major problems of contemporary society is the management and storage of Electric Energy. Off-grid solar and wind systems, electric vehicles, portable technological devices, and many others could benefit from the development and subsequent lower cost of clean storage and power supply systems. In this context, rechargeable batteries have been responsible for a revolution in mobility and urban communication, however, they are still expensive, take a long time to charge and can still explode if excessively required. In addition, they are manufactured using various components that are toxic to the environment. Given these disadvantages, Electrochemical Capacitors, also known as Supercapacitors, are ideal to complement them when it is desired to carry out fast processes of storage and supply of Energy, as they work mainly through non-faradaicos or ultra-fast faradaicos processes in the electrode-solution interface, these processes being immediate and non-destructive, allowing the device to have a long life (> 300 thousand cycles). Against this background, this work had as objective to study the confection and the characterization of these devices. Electrodes were developed using activated carbon and a commercial polyester based varnish as a agglutinator material. These electrodes were used in the manufacture of electrochemical capacitors with 5 types of aqueous electrolytes, the assemblies being standardized through the use of CR2032 coin cells type that were characterized by several types of electrochemical analysis, such as galvanostatic charge-discharge, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. All cells presented electrochemical stability within a voltage window of 1.1V, with emphasis on the cell containing 2M H2SO4, which obtained a gravimetric capacitance of 56.90 F/g and equivalent series resistance of 0,23"ômega". These results consolidate the electrodes developed as promising for application in Electrochemical Capacitors, thus instigating the development of new technologies that can compose the various types of energy storage and supply systems Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES CNPQ FAPESP 2017/03640-1

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os sistemas de energia renovável são, geralmente, intermitentes e precisam de alguma maneira acumular e manter a energia disponível para ser usada quando necessária com o mínimo de perdas e em taxa adequada para o processo. O sistema de armazenamento de energia térmica por calor latente é um dos métodos mais usados devido a: sua alta capacidade térmica; pequena massa; e ao fato de que os processos de carga e descarga podem ser realizados em condições isotérmicas. Estas características tornam esse conceito adequado para acoplamento em sistemas de refrigeração e ar condicionados (domésticos e comerciais), por serem eficiente e de volume reduzido. O presente estudo tem como objetivo principal investigar, numericamente e experimentalmente, o processo de formação de gelo em torno de tubos aletados verticalmente para aplicação em sistemas de armazenamento de calor latente, assim como para fusão do gelo formado. A água foi utilizada como Material de Mudança de Fase (MMF) por motivos de custo, disponibilidade e segurança. Foi desenvolvido um modelo matemático de armazenador de calor latente, com formulação unidimensional e bidimensional de problema de condução de calor pura com mudança de fase, considerando a temperatura constante ao longo do tubo. A solução numérica foi baseada no método de volumes finitos e a abordagem de entalpia foi usada para o tratamento numérico do modelo matemático. Investigou-se experimentalmente o número de aletas, largura da aleta, temperatura da parede do tubo e a vazão mássica do fluido de trabalho, e seus efeitos nos parâmetros de mudança de fase foram discutidos. Verificou-se que a diminuição da temperatura da parede do tubo, o aumento do número de aletas e a largura das aletas aumentam a posição e a velocidade de interface, a massa solidificada e reduzem o tempo de solidificação completa. A variação do fluxo de massa do fluido de trabalho mostrou efeitos relativamente pequenos. O estudo destaca os méritos relativos dos tubos aletados e aponta como novas contribuições o número ideal de aletas e a largura ótima da aleta Abstract: Renewable energy systems are often intermittent and need to accumulate and maintain available energy to be used with minimal loss and at the appropriate rate for the process. The latent heat thermal energy storage system is one of the most used methods due to: its high thermal capacity; small mass; and that loading and unloading processes can be performed under isothermal conditions. These features make this concept suitable for coupling in domestic and commercial refrigeration and air conditioning systems, due to their efficiency and small volume. This research has as main objective investigate, numerically and experimentally, the process of ice formation around vertically finned tubes for application in latent heat storage systems, just as for melting the formed ice. Water was used as Phase Change Material (PCM) because of its cost, availability and safety reasons. A mathematical model of latent heat storage was developed, with one- and two-dimensional formulation of pure heat conduction problem with phase change, considering the constant temperature along the tube. The numerical solution was based on the finite volume method and the enthalpy approach was used for the numerical treatment. The number of fins, fin width, tube wall temperature and working fluid mass flow were investigated experimentally, and their effects on the phase change parameters were discussed. It was found that decreasing tube wall temperature, increasing fin number and fin width increase the position and interface velocity, the solidified mass and reduce the complete solidification time. Variation in working fluid mass flow showed relatively small effects. It was also highlighted the relative merits of finned tubes and pointed out as new contributions the optimal number of fins and optimal fin width Doutorado Térmica e Fluídos Doutora em Engenharia Mecânica

Orientador: Marco Antonio Robert Alves Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Capacitores são dispositivos amplamente utilizados em engenharia. Como sensores capacitivos de proximidade permitem a realização de medidas de distâncias da ordem de nanômetros a milímetros com alta precisão, característica que viabiliza a utilização dos mesmos em diversas aplicações. Nestes dispositivos, a variação na distância entre os eletrodos provoca alteração no campo elétrico entre eles e, consequentemente, na capacitância. Assim, o conhecimento preciso desta grandeza é preponderante para a confiabilidade do sensor. No entanto, as distorções do campo elétrico nas extremidades e entre as faces externas das placas, de comprimento finito e espessura não nula, consistem em não idealidades difíceis de serem contornadas analiticamente para o cálculo preciso da capacitância. Outra não idealidade que pode estar presente corresponde a desvios de paralelismo entre os eletrodos. Diversos modelos matemáticos têm sido propostos buscando considerar essas não idealidades na determinação da capacitância, mas existe carência de trabalhos com resultados experimentais que comprovem o nível de exatidão que esses modelos teóricos podem alcançar. Neste contexto, o presente estudo se propõe a investigar, através de simulações numéricas, utilizando o método de elementos finitos (FEM), o quanto as referidas não idealidades afetam a capacitância de um capacitor constituído por dois eletrodos de geometria planar e paralelos em vácuo. Adotando por referência o erro e a resolução compatíveis com os de interfaces comerciais para a leitura deste tipo de dispositivo, os resultados obtidos com o FEM são comparados com os determinados pelas equações analíticas e semianalíticas disponíveis na literatura, e as limitações destas no projeto de capacitores são apresentadas. Um estudo sobre os menores ângulos de desvio de paralelismo que provocam alteração significativa no comportamento do dispositivo também é realizado Abstract: Capacitors are devices widely used in engineering. As capacitive proximity sensors allow to perform measurements of distances ranging from nanometers to millimeters with high precision, feature that enables to use them in several applications. In these devices, the variation in distance between the electrodes causes changes in the electric field around them and, consequently, in the capacitance. Thus, an accurate knowledge about this property is preponderant for the reliability of the sensor. However, the fringing of the electric field at the edges and between the back sides of the plates, thick and with finite length, constitutes non-idealities difficult to be contoured analytically in the precise calculation of the capacitance. Another non-ideality that may be present corresponds to deviations of parallelism between the electrodes. Many mathematical models have been proposed taking under consideration these non-idealities in the determination of capacitance, but there is a lack of experimental results to certify the level of accuracy that these theoretical models can achieve. In this context, this study proposes to investigate, through numerical simulations, using the finite element method (FEM), how much the referred non-idealities affect the capacitance of a capacitor made up of two parallel planar electrodes in vacuum. Adopting error and resolution references consistent with interfaces available in the market for the reading of this type of device, the results got with the FEM are compared to the results determined by the analytical and semi-analytical equations found in the literature, and the limitations of these equations in the capacitors design are presented. A study on the smaller angles of parallelism deviation that cause relevant change in the performance of the device is also carried out Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Daniel Dotta Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Nos últimos anos, verifica-se a necessidade de incorporação de novas fontes de geração nos Sistemas de Energia Elétrica (SEE). Nesta conjuntura, devido à crescente preocupação com o meio ambiente, o incentivo para o aumento da produção de energia renovável vem crescendo e as fontes de energia eólica ganham forte impulso. Um dos principais desafios relacionados à geração intermitente é a baixa inércia desse tipo de geração, visto que a baixa inércia deixa o sistema elétrico vulnerável à perdas de geração associadas à transitórios de sub-frequência. Outro desafio importante é o controle de frequência, que é projetado para corrigir os desvios de frequência causados por variações na carga/geração. Neste trabalho é proposto um estudo sobre a aplicabilidade de dispositivos de armazenamento do tipo baterias para a melhoria do desempenho dinâmico de Sistemas de Energia Elétrica com alta penetração de geração eólica, com foco no controle de frequência. O modelo do SEE em estudo neste trabalho é um sistema-teste de 11 barras com duas áreas de operação, constituído de quatro geradores síncronos compostos por turbinas térmicas a vapor. O sistema é implementado no MATLAB/Simulink e, antes de realizar testes com a conexão da bateria, a rede em análise é implementada também no ANAREDE/ANATEM e no Power System Toolbox (PST), e validada com essas duas plataformas de simulação. Posteriormente, o SEE é adaptado com participação da geração eólica no lugar de uma das turbinas térmicas. A bateria e a geração eólica também são implementadas no MATLAB/Simulink. São feitos estudos com diversas configurações de conexão da bateria no sistema, de forma a identificar os melhores resultados para a aplicação do dispositivo no auxílio do controle de frequência. Os estudos são divididos em etapas de análise de estabilidade a pequenas perturbações com autovalores, e realização de simulações não-lineares com aplicação de distúrbios do tipo aumento de carga. Adicionalmente, uma metodologia para a alocação de baterias com foco na melhoria da resposta de frequência do sistema é proposta. As análises de controlabilidade indicam que o melhor barramento para conexão de uma bateria no SEE é a barra 1, e para a alocação de duas baterias são as barras 1 e 4. As simulações não-lineares mostraram coerência com a maioria dos resultados das análises de afundamento de frequência na primeira oscilação (Nadir), em relação às análises de controlabilidade com autovalores para as alocações de baterias, considerando a frequência do COI e a frequência média. As principais contribuições deste trabalho podem ser resumidas em: a) Abordagem sistemática na identificação dos pontos de conexões mais eficazes para uma e duas baterias, visando a resposta de frequência inercial do SEE; b) Diferente de outros trabalhos apresentados na literatura, neste trabalho, os estudos são realizados utilizando modelos completos que melhoram a análise; c) Todos os resultados obtidos são validados usando a simulação não-linear no domínio do tempo Abstract: In recent years, there is a need to incorporate new generation sources into the Electrical Power Systems (EPS). At this juncture, due to the growing concern with the environment, the incentive to increase the sustainable energy production is growing and wind energy sources are gaining momentum. One of the main challenges related to intermittent generation is the low inertial content of this type of generation, since the low inertia leaves the electrical system vulnerable to generation losses associated with the sub-frequency transients. Another important challenge is frequency control, which is designed to correct the frequency deviations caused by variations in load / generation. This work proposes a study on the applicability of battery type storage devices for the improvement of the dynamic performance of Electrical Power Systems with high penetration of wind generation, focusing on frequency control. The ESS model studied in this work is an 11 bar test system with two operating areas, consisting of four synchronous generators composed of steam thermal turbines. The system is implemented in MATLAB / Simulink, and before testing the battery connection, the network under analysis is also implemented in ANAREDE / ANATEM and Power System Toolbox (PST), and validated with these two simulation platforms. Subsequently, the ESS is adapted with the participation of wind generation in place of one of the thermal turbines. The battery and Wind Generation are also implemented in MATLAB/Simulink. Studies are done with several configurations of battery connection in the system, in order to identify the best results for the application of the device in the frequency control assistance. The studies are divided into stages of small-signal stability assessment using eigenvalues, and non-linear simulations with application of disturbances of the type increase of load. In addition, a methodology for the allocation of batteries focused on improving the system frequency response is proposed. The controllability analysis with eigenvalues indicated that the best bus for the connection of one BESS in the system is the bus 1 and, for the connection of two BESS in the system, the best configuration is the allocation of the batteries at buses 1 and 4. The nonlinear simulations showed coherence for most of the results of the frequency Nadir analysis, in relation to the controllability analysis with eigenvalues for the BESS allocations, considering the behavior of the frequency of COI and average frequency. The main contributions of this work can be summarized as follows: a) Systematic approach on identifying of the most effective connection points for one and two batteries aiming the inertial power system frequency response; b) Different from other works presented in the literature, in this paper, the studies are carried out using full models improving the analysis; c) All the obtained results are validated using nonlinear time-domain simulation Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica CNPQ 159673/2015-1

Orientador: Carla Kazue Nakao Cavaliero Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nos últimos anos, importantes mudanças no setor elétrico brasileiro e mundial vêm sendo impulsionadas por uma confluência de fatores, afetando diretamente a forma como a energia elétrica é fornecida e utilizada pela população. Dentre os principais fatores, destaca-se a crescente descentralização dos sistemas de energia e o fomento ao uso de fontes renováveis como parte dos esforços globais de mitigação das mudanças climáticas. A geração distribuída no Brasil, implantada em 2012 pela Resolução Normativa n°482 da ANEEL, vem se mostrando uma alternativa promissora ao atual modelo de planejamento de expansão do sistema elétrico por se tratar de uma solução mais eficiente no uso de recursos energéticos, econômicos e ambientais. A fonte de energia fotovoltaica se destaca atualmente no setor em consequência do vasto território brasileiro e do grande nível de radiação solar disponível ao longo de todo o país. Entretanto, a divergência entre os períodos de geração de energia e os períodos de pico de demanda, principalmente para consumidores residenciais, vem se tornando motivo de preocupação para os sistemas de distribuição e transmissão de energia. À visto disso, a partir de 2018, uma nova modalidade de tarifação, denominada Tarifa Branca, será adotada no Brasil com o objetivo de incentivar os consumidores de baixa tensão a deslocarem o consumo de energia dos horários de ponta para períodos nos quais a rede de distribuição possui menor demanda. Contudo, essa mudança no hábito de consumo de energia, principalmente no setor residencial, muitas vezes é algo impraticável devido à rotina dos moradores, o que faz com que sistemas de gestão de demanda integrado ao armazenamento de carga se tornem uma opção cada vez mais pertinente a fim de reduzir os altos custos da tarifação de energia em horários de ponta. Com o intuito de conciliar a necessidade de fomento às fontes renováveis de energia e a redução dos altos custos da eletricidade, esse trabalho teve como propósito analisar a viabilidade técnica e econômica de um sistema de geração de energia proveniente da fonte solar fotovoltaica, integrado a um sistema de gerenciamento de demanda e armazenamento de energia, instalado em uma residência de porte médio localizada na cidade de Campinas (SP). Esse sistema visa promover um fluxo ótimo entre a geração e a demanda de energia, reduzindo assim os altos custos da energia em horários de ponta através de uma fonte renovável de energia. A análise de viabilidade técnica foi realizada considerando os equipamentos disponíveis e homologados atualmente no mercado brasileiro em conjunto com uma análise de recursos e potenciais energéticos com o auxílio do software PVSyst. Já no âmbito da viabilidade econômica, foi considerado o modelo de tarifação da distribuidora de energia elétrica local a fim de estimar os possíveis cenários pertinentes ao sistema. O custo total do sistema proposto foi estimado a partir de pesquisas com as principais empresas do setor de energia fotovoltaica do pais e totalizou US$ 10.538, gerando uma economia anual de US$ 958 quando comparada com as estimativas de gastos atuais do consumidor. A análise de viabilidade econômica do sistema foi feita através da Taxa Interna de Retorno, adotando como premissas, além do investimento e a economia gerada, os gastos com manutenção e substituição de equipamentos ao longo da vida útil do sistema, obtendo uma TIR de 10% Abstract: Recently, relevant changes in the global and Brazilian power sector have been driven by a confluence of factors. In addition to the new technologies that are making the energy sector smarter and more efficient, there is also a growing incentive to foment renewable sources in the global energy mix, motivated by the decarbonization of the energy system as part of efforts to climate changes mitigate. The distributed generation in Brazil, implemented in 2012 through REN n° 482 by ANEEL, is showing a promising alternative to the current model of expansion of the electric system as it is a more efficient solution in the use of energy and environmental resources. The photovoltaic energy currently stands out in the sector because of the vast Brazilian territory and the great level of solar radiation available throughout the country. However, the asynchrony between periods of energy generation with periods of peak demand, especially for residential consumers, has become a concern for electric power transmission and distribution. As a result, as from 2018, a new modality of tariffs, called Tarifa Branca, will be adopted in Brazil with the objective of encouraging low-voltage consumers to shift energy consumption at peak hours to periods where the distribution network has lower demand. However, this change of energy consumption habits, especially for residential consumers, is often impractical due to the routine of the residents, which makes demand management systems integrated to the energy storage an increasingly relevant option in order to reduce the high costs of energy at peak times. As a way of putting together the need to encourage the renewable sources with the search for reducing electricity cost, this paper proposes a feasibility study of grid connected photovoltaic system, integrated with the battery storage and energy management, installed in a medium-sized residence located in the city of Campinas (SP). The system seeks to promote an optimal flow between the generation and the daily electricity consumption, along with an energy storage system, in order to reduce the high costs of the energy at peak hours through renewable energy sources. The technical feasibility analysis was performed considering the equipment available and currently homologated in the Brazilian market, together with an analysis of energy resources and potentials through the use of PVSyst software. Regarding economic viability, the tariff model of the local electric power distribution company was considered in order to estimate the possible scenarios pertinent to the system. The total cost of the proposed system was estimated from researches in the main companies in the photovoltaic energy sector and totalized US $ 10,538, generating an annual savings of US $ 958 when compared to current consumer spending estimates. The economic feasibility analysis of the system was made through the Internal Rate of Return, adopting as premises, in addition to the investment and the generated economy, expenses with maintenance and replacement of equipment throughout the useful life of the system, obtaining an IRR of 10% Mestrado Planejamento de Sistemas Energéticos Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientadores: Luiz Carlos Pereira da Silva, Marcos Julio Rider Flores (1975) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: O armazenamento de energia é considerado uma alternativa tecnológica para enfrentar a variabilidade da geração intermitente, efetuar a supressão do pico da demanda, estimular os mercados elétricos competitivos, entre outros desafios enfrentados pelos sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEE). Esse trabalho apresenta a modelagem do planejamento da operação de curto prazo de uma rede de distribuição com a presença de armazenamento de energia e geração intermitente eólica e solar. Os armazenadores de energia consistem em baterias e armazenamento de hidrogênio. Nesse sentido, o modelo dos equipamentos busca aproximar-se da operação real a partir das restrições impostas e dos parâmetros comerciais utilizados. Assim, primeiramente propõe-se um modelo de programação não linear inteira mista (PNLIM). Dada a dificuldade em encontrar soluções através desse modelo, o mesmo é relaxado para um modelo de programação cônica de segunda ordem inteira mista (PCSOIM), implementando-o na linguagem de modelagem algébrica AMPL. Uma vez que o novo modelo é convexo, sua solução é encontrada com o auxílio do solver CPLEX®. Posteriormente, um sistema teste de 11 nós é utilizado para testar o modelo. Avaliam-se dois macro casos: o sistema simples (SS) e o sistema híbrido (SH). Um SS consiste em dispositivos de armazenamento em nós distintos, enquanto que um SH incorpora dispositivos de armazenamento diferentes em um mesmo nó. Nota-se que os dispositivos de armazenamento do SS e do SH são capazes de promover a redução dos picos de demanda no horário de ponta. Porém, para o SH, a profundidade de descarga (PDD) da bateria encontra-se limitada em 60, 45 e 40% nas diferentes análises, o que favorece a preservação da vida útil do equipamento Abstract: Energy storage is considered a technological alternative to face the variability of intermittent generation, to realize the peak-shaving, stimulate the competitive electricity markets, among others challenges faced by modern electrical energy distribution systems (EEDS). This work introduces the modeling of short-term distribution network operation in the presence of energy storage, wind and solar intermittent generation. The energy storage devices are batteries and hydrogen storage. In this regard, the model of the devices aims to be close to the real operation based on the restrictions imposed and the commercial parameters used. Thus, firstly it was proposed a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model. Due to the difficulty of the solution of this model was elaborated a mixed-integer second-order cone programming (MISOCP). The model was implemented in an algebraic modeling language AMPL and once this model is convex, the solution is found with the support of CPLEX® solver. Posteriorly, a test system of 11-node is used to test the model. Then, two macro cases was evaluated: the simple system (SS) and the hybrid system (HS). A SS consists of energy storage devices placed in distinct nodes, whereas a HS incorporates different energy storage devices in the same node. It should be noted that SS and HS storage devices are capable of reducing demand peaks at peak times. However, for the HS, the battery depth of discharge (DoD) is limited in 60, 45, 40%, in the different analyzes, which favors the equipment lifespan Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES

Orientadores: Carlos Alberto de Castro Junior, Marina Lavorato de Oliveira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: O armazenamento de energia elétrica é uma questão em pauta há muitos anos e que até o presente momento não foi totalmente resolvida, sobretudo sob a perspectiva econômica. Apesar do alto custo, é importante para as empresas distribuidoras de energia elétrica conhecer políticas de operação desses dispositivos de modo a utilizar essa tecnologia de maneira mais eficaz. Os dispositivos de armazenamento de energia representam importantes elementos para auxiliar na operação de sistemas de distribuição de energia elétrica. Considerando a presença de fontes de energia renováveis, o uso destes dispositivos proporciona serviços auxiliares e aumenta a eficiência e flexibilidade do sistema. Este trabalho apresenta a implementação de um modelo matemático de programação cônica de segunda ordem inteira mista com o objetivo de resolver o problema de alocação e operação ótima de dispositivos de armazenamento de energia em sistemas de distribuição de energia elétrica. O modelo utilizado determina a localização do dispositivo no sistema bem como seu ciclo ótimo de operação. Adicionalmente a solução determina o chaveamento dos bancos de capacitores presentes no sistema. Utilizando ferramentas de otimização clássica existentes, o uso do modelo cônico garante a convergência e otimalidade do ponto de operação encontrado. Para avaliar o modelo matemático proposto são utilizados os sistemas teste de 11 e 42 barras. O modelo matemático de programação foi escrito na linguagem AMPL. O problema foi resolvido usando o "solver" comercial de otimização CPLEX Abstract: The use of electrical energy storage devices has been under study for many years and up until now the problem has not been fully solved, especially from the economic outlook. Despite the high cost, it is important to the power distribution utilities to understand the operating features of these devices so as to use them more effectively. The introduction of energy storage devices is an important element to assist the operation of electricity distribution systems. The presence of renewable energy sources may provide ancillary services and increases the system efficiency and flexibility. This work presents the implementation of a mixed integer second order cone programming in order to solve the problem of allocation and optimal operation of energy storage devices for radial distribution networks. The model provides an optimal loading and discharging cycle of the devices in order to minimize operational system costs considering also the preservation and shelf life of these devices. Using existing classical optimization tools, the use of the conical model ensures convergence and optimality of the operating point. To evaluate the mathematical model, tests systems with 11 and 42 buses are used. The mathematical model was written in the language AMPL. The problem was solved using the commercial optimization solver CPLEX Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Motivated by the current demand of storage devices more energy efficient and sustainable, in this work were manufactured electrodes for supercapacitor based on carbon nanotubes (CNT) and nickel oxide (NiO) nanocomposites supported on indium tin oxide (ITO) substrate. Electrochemical capacitors, knowed as supercapacitors, are energy storage devices characterized by their high energy density, high power density, long life cycle and short charge and discharge time. In this context, nanocomposites based on carbon nanotubes and metal oxides can exhibit excellent electrochemical performance in applications for supercapacitor electrodes. The total capacitance of electrode nanocomposite is the addition of both contributions: the high capacitance of the electric double layer, due to high specific surface area of carbon nanotubes and pseudocapacitance performance of nickel oxide, due stored energy electrochemically by faradaic processes. There are several metal oxides that have pseudocapacitive features, but many are too expensive. The nickel oxide has a comparable performance with other pseudocapacitive oxides and conductive polymers, and have a low cost. To produce the NiO/CNT/ITO electrodes in this work, first nanotube films were prepared by electrophoretic deposition on ITO substrate. Then nickel metallic was electrodeposited on the nanotubes, and finally the electrode passed through a thermal treatment to form the oxide. The NiO/CNT/ITO electrode developed in this study showed a high electrochemical performance for the potential ranging from 0.0 V to 0.8 V, with ~ 35 F/g of maximum capacitance. This nanocomposite showed ~ 15 kJ/kg of maximum power densities and ~ 5 kW/kg of maximum power. These densities are consistent with expected values for supercapacitors according to the Ragone Plot. Moreover, this nanostructured electrode showed higher cyclic stability than oxide without carbon nanotubes. These properties make this nanocomposite a promising material for the development of high energy density and high power density supercapacitors devices. Motivado pela demanda atual de dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes e sustentáveis, nesse trabalho foram fabricados eletrodos de supercapacitor baseado em nanocompósitos de nanotubos de carbono (CNT) e óxido de níquel (NiO) em substrato de óxido de índio-estanho (ITO). Capacitores eletroquímicos ou supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia caracterizados por sua alta densidade de energia, alta densidade de potência, longo ciclo de vida e curto tempo de carga e descarga. Neste contexto, nanocompósitos baseados em CNTs e NiO podem apresentar excelente desempenho eletroquímico para aplicação em eletrodos de supercapacitores. A capacitância total desse tipo de nanocompósito é a soma de duas contribuições: a elevada capacitância da dupla camada elétrica, devido a alta área superficial específica dos CNTs e a pseudocapacitância do NiO, que, por meio de processos faradaicos, contribue para o armazenamento de energia eletroquimicamente. Neste trabalho, para produzir os eletrodos NiO/CNT/ITO, primeiramente foram depositados filmes de nanotubos sobre substrato de ITO através da técnica de deposição eletroforética. Em seguida, níquel metálico foi eletrodepositado sobre os nanotubos, e finalmente o eletrodo passou por tratamento térmico para a formação do óxido. O eletrodo de NiO/CNT/ITO desenvolvido nesse estudo apresentou alto desempenho eletroquímico, sendo dominantemente capacitivo na faixa de potencial de 0,0 V à 0,8 V, com capacitância máxima de ~35 F/g. Tal nanocompósito apresentou densidades de energia máxima de ~15 kJ/kg e potência máxima de ~ 5 kW/kg. Segundo o Diagrama de Ragone, estas densidades são compatíveis com os valores esperados para supercapacitores. Além disso, o eletrodo com nanocompósito apresentou maior estabilidade cíclica que o eletrodo com somente óxido, sem nanotubo. Devido às propriedades apresentadas, esse nanocompósito é um material promissor para o desenvolvimento de dispositivos supercapacitores com alta densidade de energia e alta densidade de potência.

Orientador: Ennio Peres da Silva Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Tradicionalmente, a geração de energia elétrica em pequenas comunidades isoladas no Brasil é feita a partir da utilização de conjuntos motores geradores, que exigem uma rotineira manutenção especializada, quase nunca existente nas comunidades; necessitam do suprimento constante de óleo Diesel, que é encarecido pelas longas distâncias que é transportado; além de emitirem gases poluentes e de efeito estufa. Em algumas localidades brasileiras e em diversas partes do mundo, já existem comunidades isoladas das redes de distribuição de eletricidade que são assistidas pela energia solar fotovoltaica e/ou eólica, fontes intermitentes de energia, com armazenamento de energia feito através de baterias. Atualmente, com o desenvolvimento da tecnologia da célula combustível, existe a possibilidade de utilizar o hidrogênio como vetor energético, em substituição às baterias. A originalidade desta tese é a análise conceitual (teórica) da geração de energia através de um sistema híbrido eólico-fotovoltaico com armazenamento por banco de baterias ou hidrogênio na cidade de Fortaleza- CE. A partir das características do sistema proposto no projeto, foi realizado um estudo de caso para um sistema de potência fotovoltaica instalada de 5kWP, potência instalada eólica de 6 kW e célula a combustível de 5 kW, tendo-se estimada a energia elétrica média diária disponibilizada com armazenamento por banco de baterias de 36,4 kWh (131,0 MJ) e para o sistema de hidrogênio de 22,7 kWh (81,7 MJ). Deste modo, pôde-se estimar que aproximadamente 17 famílias poderiam ser atendidas pelo sistema com armazenamento por banco de baterias e 11 famílias com armazenamento pelo sistema de hidrogênio. Por fim, também foi possível calcular que emissões de até 19 toneladas anuais de CO2 poderiam ser evitadas pela substituição dos bancos geradores pelo sistema híbrido eólico-fotovoltaico com armazenamento por banco de baterias e 12 toneladas no caso da produção de hidrogênio e sua reconversão em energia elétrica Abstract: Traditionally, electricity generation in small isolated communities in Brazil is made from the use of generator engine sets, which require a specialized routine maintenance, almost inexistent in communities; need constant supply of diesel which becomes more expensive by the long distances it is transported; and emit greenhouse gases. In some places in Brazil and in several parts of the world, there are communities isolated from electricity distribution networks that are assisted by solar photovoltaic and / or wind power. However, these are intermittent sources of energy which demand power storage through batteries. Nowadays, with the development of fuel cell technology, there is the possibility of using hydrogen as an energy vector, replacing the batteries. The originality of this thesis is the conceptual analysis (theoretical) of power generation through a wind-solar hybrid system with storage by battery bank or hydrogen in the city of Fortaleza. From the characteristics of the system proposed in the project, we conducted a case study for a power system composed of 5kWp of PV, 6 kW of wind power and a 5 kW fuel cell. It was estimated that the average daily electricity supplied with a storage battery bank is 36.4 kWh (131,0 MJ) and for the hydrogen system 22.7 kWh (81,7 MJ). Thus, it could be estimated that approximately 17 families could be supplied by the system for storage battery bank and 11 families with storage system for hydrogen. Finally, it was also possible to calculate emissions of up to 19 tons of CO2 could be avoided by replacing the generators sets with wind-solar hybrid system and storage battery bank and by 12 tons in the case of hydrogen production and its conversion into electricity Doutorado Planejamento de Sistemas Energéticos Doutora em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientadores: José Antenor Pomílio, Paulo Augusto Valente Ferreira Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: O sistema de armazenamento de energia (ESS - Energy-Storage System), em veículos elétricos, constituído por baterias e/ou supercapacitores pode agregar elevado custo ou elevada massa ao veículo caso o número de módulos dessas fontes seja inadequado. Nesta Tese são propostas duas metodologias aplicadas ao dimensionamento da ESS a fim de encontrar configurações de menor massa possível. Essas configurações devem ser capazes de suprir energia para o veículo elétrico em um dado perfil de alto valor de potência requerida. São investigadas ESSs com diferentes tipos de baterias e supercapacitores a fim de se obter um amplo range de escolhas de configurações em relação a peso e custo. Além de uma unidade ESS o veículo possui uma fonte de autonomia que pode ser uma célula a combustível ou uma unidade gerador/motor à combustão interna. A primeira metodologia de dimensionamento investiga configurações de ESS híbridas ou constituídas apenas por baterias ou supercapacitores para um veículo do tipo Sport Utility Vehicle. Esta metodologia utiliza os coeficientes de potência e energia específicas a partir das curvas de Ragone das fontes da ESS. Os resultados mostraram, que, dentre as configurações de ESSs investigadas, que a de menor massa é constituída apenas por supercapacitores de 165 F. A segunda metodologia de dimensionamento investiga configurações de ESSs híbridas para três tipos de veículos: um Sport Utility Vehicle, um micro-ônibus e ônibus de transporte urbano. Esse estudo visa mostrar a viabilidade do emprego da metodologia a veículos com diferentes aspectos físicos. Esta metodologia de dimensionamento destaca-se pela utilização de otimização não Linear na solução do problema cuja função objetivo é a menor massa da ESS. O aspecto inovador desta metodologia está na utilização de otimização na solução do problema referente ao dimensionamento da ESS aplicado ao envelope dos perfis de potência dos ciclos de condução. O envelope é resultante da sobreposição dos perfis de potência relativos aos ciclos de condução de operação dos veículos. O objetivo em utilizar o envelope dos perfis de potência está na abrangência de situações diversas de operação, em eventuais ciclos de condução, nos quais o veículo possa ser conduzido. A metodologia é aplicada a determinados períodos do envelope com alto valor de potência requerida. São propostas duas estratégias de gerenciamento de potência a fim de verificar a atuação entre a ESS, dimensionadas pela metodologia ótima, e a fonte de autonomia no fornecimento da potência requerida pelos veículos. Uma estratégia de gerenciamento é fundamentada em regras e a outra é fundamentada em otimização não Linear. A primeira estratégia foi aplicada para dez repetições de cada ciclo de condução, considerados no dimensionamento da ESS, e apresentou resultados satisfatórios quanto aos limites de operação dos supercapacitores e das baterias. A segunda estratégia de gerenciamento foi aplicada a determinados períodos dos ciclos de condução, nos quais, em relação à estratégia em regras, observou-se a atuação da fonte de autonomia. Os resultados mostraram que é possível obter maior economia de combustível, pois a fonte de autonomia permaneceu desativada com o emprego da estratégia de gerenciamento ótima. As duas estratégias de gerenciamento foram aplicadas aos três tipos de veículos Abstract: The energy-storage system (ESS) of electric vehicles with batteries and/or ultracapacitors can add high cost or high mass to the vehicle if the number of modules of these sources is not appropriate. Two sizing methodologies applied to the ESS are proposed in this Thesis. These methodologies aim ESSs configurations of lowest mass. The obtained configurations must be able to supply power when the electric vehicle is driven in a certain profile of high value of power required. ESSs with different types of batteries and ultracapacitors are studied to achieve a broad range of choices of configurations in relation to weight and cost. Besides an ESS unity the electric vehicle has an autonomy source that can be a fuel cell or a generator/internal combustion engine unity. The first sizing methodology investigates different ESSs configurations for a Sport Utility Vehicle type. This methodology is based on Ragone curves of the sources from which the specific power and specific energy coefficients are obtained. The ESS of lowest mass is found by using these coefficients and the power required that must be constant. Among the ESSs configurations analyzed the results showed that the ESS of lowest mass is formed only by ultracapacitors modules of 165 F. The second methodology investigates configurations of hybrid ESSs for three vehicle models: one Sport Utility Vehicle, one minibus and one urban transit bus. This study aims to show the viability of using the methodology in vehicles with different physical characteristics. This methodology is highlighted by the use of nonlinear optimization to solve the ESS sizing problem whose objective function is the lowest mass of ESS. The innovative aspect of this methodology is the use of optimization to solve the ESS sizing problem applied to the power envelope of the driving cycle profiles. The envelope is resulting of the superposition of the power profiles related to the driving cycles in which the vehicle is driven. The purpose of using the envelope of the power profiles is to comprise different situations, in any driving cycles, in which the vehicle can be driven. The methodology is applied to certain periods of the envelope with high value of power required. Two power management strategies are proposed to manage the ESSs, sized by the optimum methodology, and the autonomy sources to supply continuously the power required by the vehicle. One power management strategy is based on rules and the other one is also based on nonlinear optimization technique. The first one was applied to ten repetitions of each driving cycle and presented good results related to batteries and ultracapacitors operational limits. The second one was applied to certain periods of the driving cycles in which the autonomy source provides nominal power related to the strategy based on rules. The results of the optimum power management strategy showed that it is possible to obtain improved fuel economy, since the autonomy source remained turned off. Both strategies were applied to the three vehicle models Doutorado Automação Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Franco Giuseppe Dedini Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem como objetivo o estudo da tecnologia de veículos híbridos abrangendo os aspectos da propulsão e armazenamento de energia. O desenvolvimento de veículos com maior eficiência energética depende da análise das características de desempenho do veículo, bem como suas condições de utilização. O dimensionamento dos armazenadores de energia é considerado um desafio visto que, o sobredimensionamento da capacidade reduz a eficiência global do veículo, devido ao acréscimo de peso, enquanto que o subdimensionamento resulta numa utilização parcial do potencial de veículos híbridos. Através de um modelo de dinâmica veicular longitudinal serão realizadas simulações em três configurações de veículos e a comparação entre seus resultados. As forças requeridas no movimento de um veículo, resistência ao rolamento, resistência à inclinação e arrasto aerodinâmico, são dependentes do trajeto percorrido pelo usuário. As condições de utilização devem ser representadas em ciclos de condução padrão, utilizados em testes de emissões de poluentes e consumo de combustível, estes serão apresentados e discutidos. A partir das simulações realizadas são analisadas as demandas de potência e energia, provendo uma indicação dos benefícios de um sistema híbrido no desempenho e consumo de combustível. Observa-se uma redução expressiva no consumo energético e conseqüente menor utilização de combustível e menor custo de utilização, embora a tecnologia híbrida agregue um maior custo inicial Abstract: This paper focus on the study of energy storage and management for hybrid electric vehicles. The development of higher efficiency vehicles depends on the analysis of vehicle performance characteristics and driving conditions. Sizing the energy capacity of the storage system, using batteries or other kinds of electric components, can be considered a big challenge once oversizing means inefficiency due to the increase of weight and undersizing results in partial use of hybrid advantages. The forces involved in a vehicle movement such as aerodynamic drag, rolling resistance and grading resistance, are fully dependent on the conditions of every possible course the driver might run, most situations should be represented on the driving pattern cycle, used for emissions and consumption tests, which will be presented and discussed. Modeling vehicle dynamic to analyze power and energy demand of each vehicle during different test cycles provides an indication of the benefits on hybrid system for performance and fuel consumption. . The results show a significant reduction on energy consumption and consequently also on driving costs Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica