Post on 11-Nov-2018
Processamento da Energia Solar
Fotovoltaica
Professor: Marcello Mezaroba Dr.
Email: marcello.mezaroba@udesc.br
Maio de 2016
Sumário
I. Características dos Painéis Fotovoltaicos;
II. Associação de PVs
III. Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência
IV. Sistemas Fotovoltaicos
V. Conversores para Geração Fotovoltaica
VI. Técnicas de controle de inversores
VII.Normas e Legislação
D
If
Rp
Rs
Id
I
V
+
-
Ip
• If = Corrente de fóton
• Id = Corrente do diodo
• Ip = Corrente do resistor em
paralelo
• I = Corrente de saída
• I = If - Id - Ip
Tensão (V)
Corr
ente
(A
)
(VMP, IMP)
Fonte de
corrente
Fonte de
tensãoPMP
(VOC, 0)
(0, ISC)
Tensão (V)
Po
tên
cia
(W)
(VMP, PMP)
Fonte de
corrente
Fonte de
tensãoPMP
(VOC, 0)(0, 0
)
Modelo real de uma célula fotovoltaica
Efeito da Variação da Irradiação sobre os PVs
0
2
4
6
8
Curvas IV a 25°C
0 5 10 15 200
50
100
150
Po
tên
cia
(W)
1000 W/m² @ 25°C
800 W/m² @ 25°C
600 W/m² @ 25°C
400 W/m² @ 25°C
200 W/m² @ 25°C
Co
rren
te (
A)
Tensão (V)
PMP(17,5 ; 130,3)
(16,0 ; 23,7)
1000 W/m² @ 25°C
800 W/m² @ 25°C
600 W/m² @ 25°C
400 W/m² @ 25°C
200 W/m² @ 25°C
PMP(17,5 ; 7,43)
(16,0 ; 1,48)
Curvas I x V e P x V e o efeito da irradiação
Efeito da variação de temperatura sobre os PVs
0
2
4
6
8
Curvas IV a 25°C
0 5 10 15 200
50
100
150
Po
tên
cia
(W)
1000 W/m²
Co
rren
te (
A)
Tensão (V)
PMP(17,5 ; 130,3)
(13,5 ; 98,43)
25 °C
PMP(17,5 ; 7,43)
46 °C
60 °C
80 °C
1000 W/m²
(13,5 ; 7,29)
25 °C
46 °C
60 °C
80 °C
Curvas I x V e P x V e o efeito da temperatura
Associações de painéis fotovoltaicos
I
V
+
-
I
V
+
-
Associação em série
com diodo de by-pass
Associação em paralelo com
diodo de bloqueio
Associações de painéis fotovoltaicos
I
V
+
-
I
V
+
-
Associação mista em
ramosAssociação mista com
redundância
Efeito do sombreamento parcial no MPP
Ia
Va
+
-
I1 I2
V2
+
-
V4
+
-
V1
+
-
V3
+
-
D1 D2
D4D3C
orr
ente
(A
)P
otê
nci
a (W
)
Tensão (V)
Múltiplos pontos de máxima potência
0 5 10 15 20 0
50
100
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
Ponto de inflexão
D3 ativoD3 não ativo
Ia
I2
I1
Pa
P2
P1
Associação mista com
módulo sombreado Curvas I-V e P-V
Técnicas de rastreamento de máxima potência (MPPT)
Principais métodos:
• Tensão Constante (CV)
• Perturba e Observa (P&O)
• Condutância Incremental
(IncCond)
TÉCNICAS DE MPPT
Tensão Constante (CV)
Início
Leitura de Vpv
Cálculo do erro
Erro=Vpv - Vpv(MPP)
D=D+k.Erro
Atualização de D
TÉCNICAS DE MPPT
Perturba e Observa (P&O)
Retorna
Incrementa
Vref
Entradas: V(t), I(t)
P(t)=I(t)·V(t)
P(t)>P(t-Δ)?S
V(t)>V(t-Δ)?
Decrementa
Vref
Decrementa
Vref
Incrementa
Vref
V(t)>V(t-Δ)?
N
S S NN
P(t-Δ)=P(t)
V(t-Δ)=V(t)
• Simples e ocupa poucos recursos
computacionais.
• Versátil e aplicável a maioria dos
sistemas
• Pode resultar em erros de rastreamento
durante mudanças bruscas na
irradiação.
TÉCNICAS DE MPPT
Condutância Incremental (IncCond)
Retorna
Incrementa
Vref
N
S
Entradas: V(t), I(t)
ΔI=I(t)-I(t-Δt)
ΔV=V(t)-V(t-Δt)
ΔV=0?
ΔI=0?ΔI/ΔV=-I/V?
ΔI/ΔV>-I/V? ΔI>0?
Decrementa
Vref
Incrementa
Vref
S
S
S
S
N
NN
N
Decrementa
Vref
Configurações de sistemas fotovoltaicos
Inversor Centralizado
• Faixa de 100kW‐1MW
• Vários ramos de PVs em
paralelo
• Alta eficiência e baixo custo
• Baixa confiabilidade
• Pouca eficiência do MPPT
• Usado em grandes plantas
Configuração String
• Utilizado em aplicações
residenciais (1.5‐15 kW)
• Cada conjunto de painéis em
série (string) tem seu próprio
inversor
• Bom MPPT
• Os conjuntos PV podem operar
em diferentes orientações.
Configurações de sistemas fotovoltaicos
Configuração Multi-string
• Utilizado em aplicações
residenciais (1.5‐15 kW)
• Cada conjunto de painéis em
série (string) tem seu próprio
conversor cc-cc
• MPPT individual por string
• O Link CC pode ser
compartilhado com outras
fontes de energia ou
acumuladores.
Configurações de sistemas fotovoltaicos
Inversores modulares
• Cada modulo opera
independentemente
• Modularidade facilita a
expansão
• Redução do custo de instalação
(instalação CA)
• Permite obter MPPT individual,
melhorando o MPPT global
• Dispensa os diodos de bloqueio
• Custo elevado do inversor.
Configurações de sistemas fotovoltaicos
Inversores para sistemas isolados
Carga
Vcc
D1
D2
S1
S2
Lp1
Lp2
Ls
CargaE
S1
S2
S3
S4
D1
D2
D3
D4
E
C1
C2
Carga
S1
S2
D1
D2 Inversor Push-Pull (isolado)
Inversor Meia Ponte
Inversor Ponte Completa
Conversores para sistemas fotovoltaicos
Conversores para sistemas fotovoltaicos conectados
Conversor CC-CC Elevador + Inversor Ponte Completa isolado em Baixa Frequência
Conversores para sistemas fotovoltaicos conectados
Conversor CC-CC Elevador Isolado em alta frequência + Inversor Ponte Completa
Conversores para sistemas fotovoltaicos conectados
Conversor CC-CC Elevador + Inversor Ponte Completa (sem isolação)
Conversores para sistemas fotovoltaicos conectados
Capacitância parasita de módulos fotovoltaicos• Módulos fotovoltaicos possuem grande superfície;
• Uma capacitância parasite se forma entre o quadro
aterrado e as células fotovoltaicas;
• O valor da capacitância depende:
• Da área da superfície do PV
• Da distância entre as células e o quadro
• De condições atmosféricas e da poeira.
Corrente parasita de módulos fotovoltaicos• A carga e descarga da capacitância parasite cria a
circulação de correntes parasitas;
• A corrente põe em perigo a operação humana e
danifica os painéis.
• A amplitude da corrente depende de:
• Valor da capacitância parasita
• Amplitude e frequência da tensão imposta
• É necessário o monitoramento desta corrente por
questões de segurança.
Requisitos para o controle de Inversores1 - Funções básicas – comuns a todos os inversores conectados:
Controle da corrente injetada na rede
• Limite da distorção harmônica da corrente (THD) de acordo com as normas vigentes
• Estabilidade para grandes variações de impedância de rede
• Capacidade de se manterem conectados durante distúrbios na rede elétrica
Controle do barramento CC
• Adaptação à variações da tensão da rede
Sincronização com a rede
• Operação com Fator de Potência Unitário
2 - Funções específicas – comuns a todos os inversores conectados
Rastreamento da máxima potência (MPPT)
• Alta eficiência do MPPT em regime permanente (tipicamente >99%)
• Rápido rastreamento após mudanças bruscas na irradiação
• Operação estável sob baixos índices de irradiação.
Requisitos para o controle de Inversores
Detecção de anti ilhamento (de acordo com as normas vigentes)
Monitoramento da rede
• Sincronização
• Rápida detecção de tensão e frequência
Monitoramento da planta
• Diagnóstico dos PVs
• Detecção de sombreamento parcial
3 - Funções auxiliaries
Suporte de rede
• Controle local da tensão
• Compensação de reativos
• Compensação de harmônicos
Principais normas para geração fotovoltaica
RESOLUÇÃO NORMATIVA ANEEL Nº 482 - Estabelece as condições gerais para o
acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia
elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências.
• ABNT NBR 16149:2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de
conexão com a rede elétrica de distribuição.
• ABNT NBR 16150:2013 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de
conexão com a rede elétrica de distribuição – Procedimentos de ensaio de
conformidade.
• ABNT NBR IEC 62116:2012 - Procedimento de ensaio de anti-ilhamento para
inversores de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica.
• ABNT NBR 16274:2014 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede — Requisitos
mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de
desempenho
Principais normas para geração fotovoltaica
A norma NBR 16149 caracteriza a corrente a ser injetada na rede elétrica:
Principais normas para geração fotovoltaica
A norma NBR IEC 62116 define como deve ser o teste de detecção de
ilhamento:
Referências:
1) Teodorescu, Remus, Marco Liserre, and Pedro Rodriguez. Grid converters for photovoltaic and wind
power systems. Vol. 29. John Wiley & Sons, 2011.
2) SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICO Prof.Dr. Eng. José Renes Pinheiro. Notas de aula
3) PhotoVoltaic Power Systems – PVPS Course, Aalborg University 14‐May‐12
4) Romero-Cadaval, Enrique, et al. "Grid-connected photovoltaic generation plants: Components and
operation." Industrial Electronics Magazine, IEEE7.3 (2013): 6-20.
5) Prof. Denizar Cruz Martins, Roberto Francisco Coelho, Walbermark Marques dos Santos. “Técnicas
de rastreamento de máxima potência para sistemas fotovoltaicos: revisão e novas propostas”
6) Lucas Vizzotto Bellinaso. Metodologia de projeto de inversores para redução do custo de sistemas
fotovoltaicos. 2014. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de
Santa Maria
7) Levy Ferreira Costa. Sistema Fotovoltaico Autônomo com Três Estágios de Processamento de
Energia. 2010. Trabalho de Conclusão de Curso. (Graduação em Engenharia Elétrica) -
Universidade Federal do Ceará.
8) Lucas Lapolli Brighenti. inversores não autônomos associados a autotransformadores multipulsos
para geração fotovoltaica. 2014. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade do
Estado de Santa Catarina
9) Farret, Felix A., and Marcelo G. Simõees. Integration of alternative sources of energy. John Wiley &
Sons, 2006.
10) ROGERS DEMONTI. Processamento da Energia Elétrica Proveniente de Módulos Fotovoltaicos.
2003. 150 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina