Literature review: Open source solar power supply unit for plasma generator/pt

▼Grupo de Pesquisa em Tecnologia de Sustentabilidade Apropriada e Livre (FAST) da Western University

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O Sistema de Descarga de Plasma consiste em um regulador de tensão, uma unidade geradora de plasma e um reator. É tipicamente empregado para conduzir testes de descarga em arco, descarga de barreira dielétrica e descarga luminescente em diversas atmosferas, como ar, oxigênio, nitrogênio e outros gases inertes.

O objetivo deste projeto é construir uma fonte de alimentação para o sistema experimental de descarga de plasma. A fonte de alimentação solar específica para esta aplicação inclui um MPPT (Maximum Power Point Tracker) e um inversor projetados especificamente para esta aplicação. Esses componentes serão integrados em um único pacote compacto, econômico e de código aberto.

Configuração do sistema de descarga de plasma

Composição do produto

1. Fonte de alimentação de plasma CTP 2000K.

• Nome do produto: Fonte de alimentação experimental para plasma de baixa temperatura
• Modelo: CTP 2000K
• Tensão de saída (kV): 0-30
• Frequência (kHz): 5-20
• Potência (W): 0-500

2. TDGC2-1 Regulador de Tensão de Contato (Resistivo).

• Tensão de entrada nominal: 220 V
  
• Capacidade nominal: 1 kVA
  
• Frequência: 50Hz
  
• Faixa de tensão de saída: (0-250) V
  
• Corrente de saída nominal: 4A
  
• Peso: 6,5 kg
  

3. Reator DBD.

Aplicações da descarga de plasma

1. Produção de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos com uso de descargas de plasma sob condições de alta pressão ^{[ 1 ]}

Yasushi Nishida e colaboradores estão desenvolvendo um novo sistema de produção de H₂ _utilizando descargas de plasma, projetado especificamente para condições de alta pressão superiores a 1,5 atm. O sistema, destinado à instalação em veículos em movimento, explora atualmente metano e propano, atingindo um rendimento de H₂ de aproximadamente 60% _em comparação com o CH₄ residual, com um consumo de energia de 138 Wh.

2. Produção de hidrogênio em grande capacidade por plasma de descarga de micro-ondas em combustíveis líquidos etanol ^{[ 2 ]}

Bing Sun e colaboradores investigam a produção de hidrogênio em larga escala por meio de plasma de descarga de micro-ondas em etanol líquido. Seu estudo com um reator de acoplamento direto de ondas estacionárias explora condições otimizadas, alcançando uma vazão de hidrogênio de 72,48 g/h, uma concentração de 58,1% e um rendimento energético de 48,32 g/kWh.

3. Geração de hidrogênio por eletrólise de plasma de descarga de brilho de soluções de metanol ^{[ 3 ]}

Zong Cheng Yan e colaboradores investigam a geração de hidrogênio por meio da eletrólise de plasma por descarga luminescente de soluções de metanol. O estudo destaca a predominância de H2 e HCHO na decomposição do metanol, com maior rendimento de hidrogênio e consumo de energia significativamente menor na eletrólise catódica por descarga luminescente em comparação com a eletrólise anódica por descarga luminescente, particularmente na tensão de descarga de 700 V.

4. Aplicação de uma descarga de plasma de superfície não térmica em condições úmidas para tratamento de gases de escape: remoção de NOx ^{[ 4 ]}

J. Jolibois e colaboradores investigam a aplicação de uma descarga de plasma de superfície não térmica para a remoção de NOx em condições úmidas, estudando sua eficiência no tratamento de gases de escape sob baixas vazões (1 L/min) e 100 ppm de NO.

5. Caracterização da fonte de plasma DBD para aplicações biomédicas ^{[ 5 ]}

M. Kuchenbecker e colaboradores caracterizam uma fonte de plasma de descarga de barreira dielétrica (DBD) para aplicações biomédicas. Essa fonte de plasma DBD, que possui um eletrodo revestido de cerâmica, opera em condições de estado estacionário sem fluxo de gás adicional e está sendo estudada para o potencial tratamento de objetos biológicos.

6. Aplicação de descarga de plasma subaquática de alta frequência na atividade antibacteriana ^{[ 6 ]}

MW Ahmed e colaboradores exploram a atividade antibacteriana da descarga de plasma subaquática de alta frequência. Utilizando um transformador de néon, eles conseguem a inativação eficaz da bactéria Gram-negativa Escherichia coli em sistemas aquosos, sem nenhum reaparecimento significativo da E. coli mesmo após 72 horas de tratamento com plasma.

Geradores de plasma movidos a energia solar

Existem poucas publicações que descrevem o projeto de um sistema completo de geração de plasma movido a energia solar. Esta seção abordará apenas essas publicações:

7. Gerador de potência pulsada de microssegundos compacto acionado por energia solar para aplicações de descarga de barreira dielétrica ^{[ 7 ]}

Zhi Fang e colaboradores projetaram um sistema compacto de gerador de plasma alimentado por energia solar para acionar um reator DBD. A fonte de alimentação pulsada é capaz de fornecer pulsos de alta tensão de até 20 kV, com uma frequência de repetição de pulsos variando de 1 Hz a 2 kHz e uma potência máxima de saída de 150 W.

• O gerador de energia pulsada foi projetado para ter uma potência de saída máxima de 150 W, com uma margem adicional de 100 W para compensar a luz solar insuficiente e a perda de energia no gerador de energia pulsada de microssegundos.
• Nos casos em que a potência de saída do painel solar em condições de baixa luminosidade não atenda aos requisitos da aplicação DBD, o painel solar pode ser substituído por baterias comerciais, fornecendo uma tensão de saída na faixa de 9 a 36 V.
• A faixa de tensão de entrada é de 10 a 60 V, compatível com a faixa de tensão de saída tanto do painel solar quanto da bateria. A tensão de saída do conversor fotovoltaico varia de 3 V a 90 V, e a relação de espiras do enrolamento do transformador é de 1:50.
• No entanto, o sistema utiliza um conversor CC-CC do tipo PWM que não otimiza a potência fotovoltaica, e o circuito de comutação para operação em alta frequência não possui um mecanismo ZVS, resultando em altas perdas de energia e baixa eficiência.

8. Projeto de fonte de alimentação de pulso de alta tensão ajustável acionada por células fotovoltaicas para geração de plasma frio ^{[ 8 ]}

Mengqi Li e colaboradores projetaram um gerador de plasma movido a energia solar que emprega um conversor elevador de múltiplos estágios para aumentar adequadamente a tensão. Eles utilizam um gerador Marx para ajustar a frequência (variando de 500 Hz a 5 kHz) e, posteriormente, um transformador para elevar a tensão até 10 kV para a geração de plasma.

• O conversor boost de primeiro estágio utiliza o algoritmo MPPT para carregar a bateria.
• É utilizado um gerador Marx de seis estágios, juntamente com um transformador com relação de espiras de 1:18 e que adota um método de enrolamento paralelo de fio duplo.
• Eles realizaram testes em seu gerador de plasma usando três tipos de descargas: N-APPJ, DBD e placa de pinos.

9. Uma fonte de plasma portátil alimentada por energia solar para aplicações de descontaminação microbiana. ^{[ 9 ]}

Y Ni, MJ Lynch e outros, juntamente com Mengqi Li e outros, desenvolveram uma fonte de plasma portátil para descontaminação microbiana.

• Um dispositivo notavelmente leve, pesando apenas 750g, alimentado por uma bateria carregada por energia solar.
• A redução no número de microrganismos variou de 2 a 8 log, fortemente influenciada pelas condições de geração do plasma.
• Na unidade SMPS, um conversor boost é empregado para elevar a tensão nominal de 7,4 V da bateria LiPo para 30 V. Em seguida, um circuito MOSFET em meia ponte modula o sinal CC de 30 V em uma onda quadrada de alta frequência, adequada para acionar um transformador de alta tensão em miniatura. A saída do transformador é conectada diretamente aos eletrodos do diodo Schottky.
• Com a bateria totalmente carregada, observou-se que um plasma dissipando 10 W podia ser mantido continuamente por aproximadamente 1 hora, indicando uma eficiência da ordem de 85%, o que é típico para fontes de alimentação comutadas dessa natureza.
• Embora seja adequado para plasma de baixa potência, o aumento de escala representa um desafio para esse tipo de dispositivo.

10. Sistemas descentralizados de água movidos a energia solar: uma solução mais limpa para os desafios do tratamento de águas residuais industriais e do fornecimento de água potável limpa ^{[ 10 ]}

Ainy Hafeez, Zufishan Shamair e outros projetaram o tratamento descentralizado de águas residuais utilizando um sistema de plasma movido a energia solar.

• A energia CA é fornecida ao reator para gerar plasma entre os eletrodos energizados e aterrados à pressão atmosférica (Liu et al., 2017a). A ruptura do ar ocorre a 3,8 kV com uma frequência de corrente de 37 kHz.
• A possível solução para alcançar um abastecimento de água potável limpa pode estar em um sistema descentralizado de água potável que incorpore um reator de oxidação avançado alimentado por energia solar. Em sua instalação, foi empregado um gerador de plasma, alimentado por um sistema inversor solar.
• Embora tenham fornecido um esquema do processo, a implementação experimental não foi realizada.

Sistema de energia solar para uso individual.

11. Usina de energia solar autônoma portátil para uso individual ^{[ 11 ]}
Javoxir Toshov et al. projetaram uma usina de energia solar portátil baseada em bateria solar.

• O painel solar gera 20 watts de potência e o inversor suporta até 300 watts com uma tensão de saída de 220V e uma frequência de 50Hz. A bateria tem uma capacidade de 14Ah, que pode alimentar uma TV e a iluminação do ambiente por até 4 horas, ou apenas a iluminação do ambiente por 20 horas.
• Os algoritmos de rastreamento de potência máxima não foram implementados e nenhuma metodologia adequada de carregamento de bateria foi seguida.

12. Unidade de condicionamento de energia solar online híbrida fora da rede para fins domésticos ^{[ 12 ]}
Mohit Chaudhari et al. projetaram um UPS que fornece energia à rede a partir da bateria e usa um controlador de carga MPPT para utilizar a energia solar.

• Um conversor buck com implementação MPPT foi utilizado para carregar um banco de baterias de 48V.
• É utilizado um controlador DSPic, que é uma combinação híbrida de processador DSP e microcontrolador.
• É utilizado um inversor baseado em IGBT. Além disso, um driver IGBT híbrido isola e amplifica o sinal PWM do gate. Um optoacoplador é utilizado para fornecer isolamento elétrico entre o driver e o controlador.
• A eficiência do sistema é muito alta, ultrapassando os 85% em plena carga.

13. Inversores de energia solar ^{[ 13 ]}
Regine Mallwitz et al. da SMA Solar Technology AG, que é líder global atuante no mercado de inversores solares com mais de 4 GW de potência instalada em todo o mundo, classificaram os inversores conectados à rede em três gerações e discutiram suas embalagens e configurações neste artigo.

• Eles descobriram que o crescimento do mercado de inversores se concentra principalmente em inversores conectados à rede, enquanto, por outro lado, o número de inversores solares para instalações isoladas ou uso individual é muito menor.
• A eficiência dos inversores de primeira geração era de cerca de 90%, enquanto a dos inversores de segunda geração ficava em torno de 96-98%, e a mais recente, de terceira geração, atinge 99% de eficiência devido ao desenvolvimento de dispositivos semicondutores baseados em SiC.
• Devido à potência máxima de injeção permitida para redes monofásicas de 5 kW, a maioria dos inversores são projetados nessa faixa de potência.
  

14. Pesquisa e projeto de inversor aplicado em sistemas fotovoltaicos solares conectados à rede de distribuição ^{[ 14 ]}
Nguyen Duc Minh et. simularam e projetaram um protótipo experimental de um inversor fotovoltaico inteligente de 5kW conectado à rede.

• Eles incorporaram o algoritmo P&O MPPT no conversor boost para rastrear a potência máxima antes da conversão de CC para CA.
• Eles utilizaram a estrutura dq para controlar as correntes do inversor inteligente trifásico, que regula a potência reativa para zero no ponto de conexão comum (PCC).
• Eles descobriram que a eficiência do inversor, após três casos de carga diferentes, era de cerca de 89,15%, e a distorção harmônica total (THD) era de 4,14% (<5%).

15. Projeto e Validação de uma Plataforma de Controle Modular para um Inversor de Fonte de Tensão ^{[ 15 ]}
Hernan Lezcano et al. apresentaram um projeto modular para aquisição de sinal e projeto de hardware de controle para conversor VSI comercial baseado em IGBT para sistema isolado e conectado à rede.

• O sistema é capaz de fornecer energia trifásica para uma carga de aproximadamente 10 kW.
• Eles realizaram três tipos de teste no sistema: teste em malha aberta, teste em malha fechada e análise de distorção harmônica total. Constataram um nível de THD de 5,3%.
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