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Martinho Maurício Gafur Fernando
Conversor Eletrónico de Potênciapara uma Bomba de Água Alimentadapor Painéis Solares Fotovoltaicos
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Outubro de 2012
Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Henrique Nuno Baptista Gonçalves
Martinho Maurício Gafur Fernando
Conversor Eletrónico de Potênciapara uma Bomba de Água Alimentadapor Painéis Solares Fotovoltaicos
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Aos meus pais
Martinho Fernando
Sara Jaime Cuve
E à Sara Adriana Gomes Sanches
Para o meu filho Whesley Gafur Sanches Fernando
Agradecimentos
Expressar o meu especial agradecimento ao meu orientador Doutor Henrique
Nuno Baptista Gonçalves, pela disponibilidade exigência e incentivo demostrados ao
longo da realização deste trabalho da dissertação de mestrado. Agradecer ao Professor
Doutor João Luiz Afonso pela atenção dispensada.
Gratular os investigadores do GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia)
particularmente o Doutor Gabriel Pinto, Eng.º Vítor Monteiro, Eng.º Bruno Exposto,
Eng.º Delfim Pedrosa pelas sugestões e criticas ao longo da dissertação. Sem esquecer
dos colegas e colaboradores do GEPE.
Aos técnicos das oficinas Sr. Joel Almeida e ao Sr. Carlos Torres pelo apoio
técnico, disponibilidade e simpatia.
Agradecer o apoio financeiro durante os 6 anos atribuído pelo Instituto Português
de Apoio ao Desenvolvimento (IPAD).
Agradecer aos meus colegas que me acompanharam ao longo dos anos do curso,
Delfim Pinto, Nuno Manuel, Yazalde Manganhela, Nuno Teixeira, Samira Andrade,
pelos grandes momentos vividos que ficarão guardados para sempre na minha memória.
Expressar a minha sincera gratidão à Sara Adriana Gomes Sanches pelo apoio,
paciência, incentivo e dedicação ao longo destes anos.
Por último, e não menos importante, expressar o meu profundo sentido
agradecimento aos meus pais, meus irmãos e irmãs, e meus amigos próximos. Sem
deixar de lembrar a todos que contribuíram diretamente ou indiretamente no meu
percurso académico incluindo a realização deste trabalho da dissertação de mestrado.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos vii Martinho Maurício Gafur Fernando – Universidade do Minho
Resumo
A água é um dos bens mais precisos para a vida humana. Pode ser classificada em
dois tipos: água doce e água salgada. A água doce é o tipo mais importante para a vida
humana, contudo é a que se encontra em menor quantidade, ou seja, apenas 2,5% do
volume de água do planeta é doce, sendo os restantes 97,5% água salgada. O ser
humano necessita de consumir água que além de doce deve ser potável. Contudo nos
dias de hoje há ainda cerca de 18% da população mundial que carece de água potável.
Vários projetos têm sido implementados com vista a minorar os problemas de falta de
água potável em zonas de difícil acesso, onde não existam redes elétricas para
fornecimento de energia para os sistemas de bombagem de água. Uma das soluções que
tem sido muito utilizada ultimamente é o recurso às energias renováveis.
Este trabalho de dissertação de mestrado tem como objetivo desenvolver uma
alternativa para abastecimento de água em zonas sem acesso à rede elétrica: um sistema
de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. A bomba de água e
os painéis solares serão adquiridos comercialmente, sendo desenvolvido o sistema
eletrónico de interface entre a bomba de água e os painéis solares fotovoltaicos. O
sistema proposto é composto por dois subcircuitos eletrónicos: um conversor elevador
de tensão CC-CC com MPPT (Maximum Power Point Tracker) e um conversor CC-CA
trifásico. O conversor CC-CC permite elevar a tensão disponível à saída dos painéis
solares fotovoltaicos para os níveis necessários ao barramento CC e extrair deles o
máximo de potência disponível. E o conversor CC-CA converte a tensão contínua
gerada pelos painéis, elevada pelo conversor CC-CC, em um sistema trifásico de
tensões alternadas com vista a alimentar o motor de indução trifásico da bomba de água.
Numa primeira fase é feito um estudo bibliográfico sobre o funcionamento dos
sistemas de bombagem de água. Para validar o correto funcionamento do modelo são
apresentados os resultados de simulações computacionais efetuadas e por fim são
apresentados os resultados experimentais do protótipo desenvolvido.
Palavras-Chave: Acionamento de Bomba de Água, Motor de Indução Trifásico,
Inversor Trifásico, MPPT, Energias Renováveis, Painel Solar Fotovoltaico.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos ix Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Abstract
The water is one of the goods most necessary for the human life. It can be found
in two types: freshwater and saltwater. Freshwater is the most important type for human
life, however it is found in lesser amount. Just 2.5% of the water planet is freshwater,
and 97.5% are saltwater. The consumed water by human being beyond being freshwater
it must be potable water also known as drinking water. Currently almost 18% of the
world-wide population lacks safe drinking water. Several projects have been
implemented in order to mitigate the problems of lack of drinking water in areas of
difficult access, where there are not power grids to supply water pumping systems. One
solution that has been used a lot is the renewable energy pumping systems.
The goal of this dissertation work is to develop an alternative water pumping
system for areas without power grid access: feeding the pumping systems from solar
photovoltaic panels. The water pump and the solar photovoltaic panels will be
purchased, the electronic interface system between the water pump and the solar
photovoltaic panels will be developed. The proposed electronic system consists in two
electronic sub-circuits: a boost DC-DC converter with MPPT (Maximum Power Point
Tracker) and a three-phase DC-AC converter. The DC-DC converter extracts the
maximum power available on the photovoltaic solar panels, and increase their voltage
output to the required level on the DC-link. The DC-AC converter converts DC-link
voltage output of the DC-DC converter in an alternating three-phase voltage system in
order to feed the three-phase induction motor of the water pump.
The first phase was to make a bibliographic study on the operation of water
pumping systems. To validate the proper operation of the proposed model are presented
the results of the computer simulations carried out, and finally are presented the
experimental results of the developed prototype.
Keywords: Water Pump Drive, Three-phase Induction Motor, Three-phase
Inverter, MPPT, Renewable Energies, Solar Photovoltaic Panel.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xi Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Índice
Agradecimentos .............................................................................................................. v
Resumo .......................................................................................................................... vii
Abstract .......................................................................................................................... ix
Índice .............................................................................................................................. xi
Lista de Figuras ........................................................................................................... xiii
Lista de Tabelas ......................................................................................................... xviii
Lista de Abreviaturas, Acrónimos, Siglas e Símbolos .............................................. xix
CAPÍTULO 1 Introdução .......................................................................................... 1
1.1. Água ................................................................................................................... 1
1.1.1. Água no Planeta .......................................................................................... 1
1.1.2. Importância da Água .................................................................................. 2
1.1.3. Escassez de Água Potável .......................................................................... 4
1.2. Motivações ......................................................................................................... 6
1.3. Objetivos ............................................................................................................ 7
1.4. Organização da Dissertação ............................................................................... 7
CAPÍTULO 2 Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares
Fotovoltaicos ............................................................................................................. 9
2.1. Introdução .......................................................................................................... 9
2.2. Sistemas de Bombagem de Água ....................................................................... 9
2.2.1. Classificação das Bombas ........................................................................ 14
2.2.2. Bombas Centrífugas ................................................................................. 15
2.2.3. Bombas de Deslocamento Positivo .......................................................... 16
2.2.4. Critérios de Seleção de Bombas de Água ................................................. 18
2.3. Sistemas Solares Fotovoltaicos ........................................................................ 19
2.3.1. Distribuição da Energia Solar ................................................................... 20
2.3.2. Aproveitamento da Energia Solar............................................................. 21
2.3.3. Células Fotovoltaicas ................................................................................ 22
2.3.4. Tipos de Células Fotovoltaicas ................................................................. 25
2.4. Conversores Eletrónicos e MPPT’s para Sistemas Fotovoltaicos ................... 27
2.4.1. Conversor CC-CC do tipo Boost .............................................................. 28
2.4.2. Algoritmos de MPPT ................................................................................ 34
2.4.3. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ................................................. 38
2.4.4. Técnica de Modulação PWM ................................................................... 39
2.4.5. Controlo V/F (V/Hz) Constante ............................................................... 42
2.5. Conclusões ....................................................................................................... 45
CAPÍTULO 3 Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de
Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ....................... 47
Índice
xii Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
3.1. Introdução ........................................................................................................ 47
3.2. PSIM ................................................................................................................ 47
3.3. Painéis solares fotovoltaicos ............................................................................ 49
3.4. Conversor CC-CC do tipo Boost ..................................................................... 52
3.5. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ........................................................ 56
3.6. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 59
3.6.1. Algoritmo de MPPT ................................................................................. 60
3.6.2. Resultados de Simulação do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ........................................................................... 61
3.7. Conclusões ....................................................................................................... 67
CAPÍTULO 4 Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de
Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ....................... 69
4.1. Introdução ........................................................................................................ 69
4.2. Sistema Implementado ..................................................................................... 69
4.3. Conversor CC-CC do tipo Boost ..................................................................... 70
4.3.1. Circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo boost ........................... 71
4.3.2. Sistema de controlo do conversor CC-CC do tipo boost .......................... 74
4.3.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo Boost
77
4.4. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ........................................................ 80
4.4.1. Módulo do conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ............................... 80
4.4.2. Sistema de controlo .................................................................................. 82
4.4.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo VSI Trifásico .................................................................................................................. 82
4.5. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 87
4.5.1. Resultados Experimentais do ensaio do sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos........................................................ 88
4.6. Conclusões ....................................................................................................... 95
CAPÍTULO 5 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro................................. 97
5.1. Conclusões ....................................................................................................... 97
5.2. Sugestões de Trabalho Futuro .......................................................................... 99
Referências Bibliográficas ......................................................................................... 101
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xiii Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Distribuição da água no planeta Terra (adaptada de [2]). ............................ 2
Figura 1.2 – Consumo de água por sector (adaptada de [3]). ........................................... 3
Figura 1.3 – Consumo de água por sector a nível mundial (adaptada de [5]). ................. 3
Figura 1.4 – Panorama mundial no que se refere a escassez de água [8]. ........................ 4
Figura 1.5 – Distribuição da água potável no planeta (adaptada de [9]). ......................... 5
Figura 1.6 – A situação mundial de abastecimento de água (adaptada de [10]). ............. 5
Figura 2.1 – Shaduf (adaptada de [12]). ......................................................................... 10
Figura 2.2 – Roda Persa (adaptada de [12]). .................................................................. 11
Figura 2.3 – Noria (adaptada de [12]). ........................................................................... 11
Figura 2.4 – Sakia (adaptada de [12])............................................................................. 12
Figura 2.5 – Parafuso de Arquimedes (adaptada de [12]). ............................................. 12
Figura 2.6 – Efeito das bombas alternativas ade pistão ou êmbolo (adaptada de [12]). 13
Figura 2.7 – Bomba de Pistão (adaptada de [12]). ......................................................... 13
Figura 2.8 – Diagrama do tipo de bombas hidráulicas. .................................................. 14
Figura 2.9 – Bomba centrífuga (adaptada de [14]). ........................................................ 15
Figura 2.10 – Algumas bombas de água centrífugas superficiais. ................................. 16
Figura 2.11 – Algumas bombas de água centrífugas submersíveis. ............................... 16
Figura 2.12 – Bombas de água de deslocamento positivo rotativas. .............................. 17
Figura 2.13 – Bombas de água de deslocamento positivo alternativas. ......................... 18
Figura 2.14 – Curva característica da bomba. ................................................................ 18
Figura 2.15 – Destino final da radiação solar que incide sobre a Terra [17], [18]. ........ 20
Figura 2.16 – Distribuição da energia solar pelo planeta, marcada com pontos nos locais
com maior taxa de aproveitamento da radiação solar [19]. ............................................ 20
Figura 2.17 – Processos de Conversão da Energia Solar. .............................................. 22
Figura 2.18 – Elementos da célula fotovoltaica (adaptada de [21]). .............................. 23
Figura 2.19 – Sistemas Fotovoltaico (adaptada de [21]). ............................................... 23
Figura 2.20 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da
radiação solar (adaptada de [20]).................................................................................... 24
Figura 2.21 – Curva de potência e o ponto de máxima potência (adaptada de [20]). .... 25
Figura 2.22 – Diagrama de blocos do sistema proposto. ................................................ 28
Figura 2.23 – Esquemático de um conversor CC-CC elevador de tensão Boost. .......... 28
Figura 2.24 – Técnica de comutação PWM. ................................................................... 29
Lista de Figuras
xiv Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.25 – Modo de condução contínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na
indutância; (b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor. ......................... 30
Figura 2.26 – Limite entre os modos de condução contínua e descontínua. .................. 31
Figura 2.27 – Modo de condução descontínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão
na indutância; (b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor; (d) Modo de
condução descontínua. .................................................................................................... 32
Figura 2.28 – Características do conversor boost para a tensão de saída constante
(adaptada de [23]). .......................................................................................................... 33
Figura 2.29 – Ripple da tensão de saída do conversor boost. ......................................... 34
Figura 2.30 – Fluxograma do método de perturbação e observação (P&O). ................. 36
Figura 2.31 – Fluxograma do método de condutância incremental (IC). ....................... 37
Figura 2.32 – Esquemático de um conversor CC-CA inversor trifásico. ....................... 39
Figura 2.33 – Modulação SPWM: (a) SPWM a portadora e os sinais de referência;
(b) Estado do interruptor S1; (c) Estado do interruptor S3 (adaptada de [26]). ............. 40
Figura 2.34 – Tensão entre fases do inversor trifásico: (a) Tensão alternada de saída
; (b) Espectro da tensão alternada de saída (adaptada de [26]). ....................... 41
Figura 2.35 – Corrente no barramento CC: (a) Corrente a entrada do inversor trifásico;
(b) Espectro da corrente a entrada do inversor (adaptada de [26]). ................................ 41
Figura 2.36 – Corrente de saída do inversor trifásico: (a) Corrente alternada de saída na
fase ; (b) Corrente no interruptor S1; (c) Corrente no díodo D1 (adaptada de [26]). .. 42
Figura 2.37 – Curva de binário do motor (adaptada de [27]). ........................................ 43
Figura 2.38 – Relação entre a tensão e a frequência no controlo V/F em malha aberta. 44
Figura 2.39 – Características mecânicas de um motor controlado por V/F constante
(adaptada de [27]). .......................................................................................................... 45
Figura 2.40 – Diagrama de blocos do controlo V/F constante em malha aberta. ........... 45
Figura 3.1 – Ambiente gráfico do software PSIM. ........................................................ 48
Figura 3.2 – Ambiente gráfico da ferramenta Simview do software PSIM. ................... 49
Figura 3.3 – Bloco C do PSIM. ...................................................................................... 49
Figura 3.4 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. ....................................... 50
Figura 3.5 – Parametrização do modelo dos painéis fotovoltaicos. ............................... 51
Figura 3.6 – Modelo de simulação do conversor CC-CC do tipo boost com o conjunto
de painéis como fonte de energia. .................................................................................. 53
Figura 3.7 – Controlo do conversor CC-CC do tipo boost. ............................................ 53
Figura 3.8 – Formas de onda da tensão do conversor boost: (a) Tensão produzida pelos
painéis solares fotovoltaicos; (b) Tensão à saída do conversor. ..................................... 54
Lista de Figuras
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xv Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.9 – Formas de onda da corrente do conversor boost: (a) Corrente produzida
pelos painéis solares fotovoltaicos; (b) Corrente à saída do conversor. ......................... 55
Figura 3.10 – Potências do sistema: (a) Potência produzida pelo conjunto de painéis
solares fotovoltaicos; (b) Potência do conversor CC-CC do tipo boost. ........................ 55
Figura 3.11 – Modelo de simulação do conversor CC-CA do tipo VSI. ........................ 56
Figura 3.12 – Bloco de controlo do conversor CC-CA com o método de controlo V/F. 57
Figura 3.13 – Tensões do conversor CC-CA: (a) Tensão à entrada do conversor CC-CA;
(b) Tensão à saída entre as fases e ; (c) Tensão à saída entre as fases e c;
(d) Tensão à saída entre as fases e . ........................................................................... 58
Figura 3.14 – Frequência e correntes do conversor CC-CA: (a) Frequência de saída do
conversor; (b) Corrente de saída na fase ; (c) Corrente de saída na fase ; (d) Corrente
de saída na fase . ........................................................................................................... 59
Figura 3.15 – Modelo de simulação do sistema de bombagem de água alimentado por
painéis solares fotovoltaicos. .......................................................................................... 60
Figura 3.16 – Boco de controlo do conversor CC-CC com algoritmo MPPT
implementado. ................................................................................................................ 61
Figura 3.17 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares
fotovoltaicos; (b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. ........ 62
Figura 3.18 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis
solares fotovoltaicos; (b) Tensão de saída do conversor CC-CC; (c) Corrente fornecida
pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos. .............................................................. 63
Figura 3.19 – Tensão entre fases filtradas à saída do conversor CC-CA. ...................... 63
Figura 3.20 – Tensão entre fases não filtradas à saída do conversor CC-CA. ............... 64
Figura 3.21 – Corrente nas fases à saída do conversor CC-CA. .................................... 64
Figura 3.22 – Frequência de operação do conversor CC-CA. ........................................ 65
Figura 3.23 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares
fotovoltaicos; (b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. ........ 66
Figura 3.24 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis
solares fotovoltaicos; (b) Tensão a saída do conversor CC-CC e a entrada do conversor
CC-CA; (c) Corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. .............................. 66
Figura 3.25 – Tensões e correntes à saída do conversor CC-CA e a frequência de
operação: (a) Tensão entre fases; (b) Corrente nas fases................................................ 67
Figura 4.1 – Diagrama de blocos do sistema implementado .......................................... 70
Figura 4.2 – Esquemático do conversor CC-CC do tipo boost. ..................................... 71
Figura 4.3 – Indutância desenvolvida. ............................................................................ 73
Lista de Figuras
xvi Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.4 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CC do tipo
boost. .............................................................................................................................. 74
Figura 4.5 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de
controlo do conversor CC-CC do tipo boost. ................................................................. 75
Figura 4.6 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o sensor de corrente........... 77
Figura 4.7 – Tensão de entrada e de saída do conversor CC-CC do tipo boost. ............ 77
Figura 4.8 – Circuito elétrico representativo de uma fonte de tensão não ideal ............. 78
Figura 4.9 – Esquema elétrico da ligação do sistema para o teste de funcionamento do
algoritmo de MPPT. ....................................................................................................... 78
Figura 4.10 – Tensão e potência à saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Instante
com o MPPT desligado; (b) Instante com o MPPT ligado. ............................................ 79
Figura 4.11 – Variação de potência e tensão de saída: (a) Perda de potência; (b) Ganho
de potência. ..................................................................................................................... 79
Figura 4.12 – Smart Power Module FCBS0550 (adaptada de [30]). ............................. 80
Figura 4.13 – Circuito interno do módulo FCBS0550 [30]. ........................................... 81
Figura 4.14 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CA do tipo VSI
trifásico. .......................................................................................................................... 81
Figura 4.15 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de
controlo do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. ..................................................... 82
Figura 4.16 – Sinais de PWM filtrados à saída do microcontrolador: (a) Sinais a 50Hz;
(b) Sinais a 40Hz; (c) Sinais a 25Hz; (d) Sinas a 10Hz. ................................................. 83
Figura 4.17 – Comportamento do sistema para diferentes níveis da variável de
referência: (a) Variável de referência a crescer; (b) Variável de referência a decrescer.
........................................................................................................................................ 84
Figura 4.18 – Tensão entre fases do conversor CC-CA do tipo VSI: (a) Saída a 50Hz;
(b) Saída a 40Hz; (c) Saída a 30Hz; (d) Saída a 20Hz. .................................................. 84
Figura 4.19 – Motor de indução trifásico usado nos ensaios.......................................... 85
Figura 4.20 – Tensão entre fases filtrada aos terminais do motor: (a) Tensão entre fases
a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 30Hz; (c) Tensão entre fases a 10Hz. ........................ 86
Figura 4.21 – Tensão composta aos terminais do motor: (a) Tensão composta a 50Hz;
(b) Tensão composta a 30Hz; (c) Tensão composta a 10Hz. ......................................... 86
Figura 4.22 – Corrente do motor numa das fases: (a) Corrente a 50Hz; (b) Corrente a
30Hz; (c) Corrente a 10Hz.............................................................................................. 87
Figura 4.23 – Comportamento do algoritmo V/F quando a variável de controlo varia. 87
Figura 4.24 – Bancada de trabalho com o sistema desenvolvido. .................................. 88
Lista de Figuras
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xvii Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.25 – Esquema do teste ao sistema de bombagem com uma carga resistiva. .... 88
Figura 4.26 – Tensões do sistema com o MPPT desligado: (a) Tensão de entrada e saída
do conversor CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA. ................... 89
Figura 4.27 – Tensões do sistema com o MPPT ligado: (a) Tensão de entrada e saída do
conversor CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA. ........................ 89
Figura 4.28 – Comportamento do sistema: (a) Instante em que o MPPT é ligado;
(b) Instante em que o MPPT é deligado. ........................................................................ 90
Figura 4.29 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico:
(a) Tensão entre fases a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 25Hz; (c) Tensão entre fases a
15Hz. .............................................................................................................................. 91
Figura 4.30 – Corrente numa das fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI
trifásico: (a) Corrente na fase a 50Hz; (b) Corrente na fase a 25Hz; (c) Corrente na fase
a 15Hz. ............................................................................................................................ 91
Figura 4.31 – Tensões na entrada e saída do conversor CC-CC do tipo boost:
(a) Frequência da tensão de saída de 50Hz; (b) Frequência da tensão de saída de 25Hz;
(c) Frequência da tensão de saída 15Hz. ........................................................................ 92
Figura 4.32 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico
quando a potência disponível varia. ............................................................................... 92
Figura 4.33 – Resposta do sistema a variação da potência em degrau. .......................... 93
Figura 4.34 – Tensão entre fases filtradas aos terminais do motor de indução trifásico:
(a) Instante inicial MPPT desativado; (b) Instante com o MPPT ativado. ..................... 94
Figura 4.35 – Tensão aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Tensões entre
fases trifásicas; (b) Tensão entre duas fases. .................................................................. 94
Figura 4.36 – Comportamento do sistema para uma variação de potência (tensão entre
fases aos terminais do motor de indução trifásico)......................................................... 95
Figura 4.37 – Efeito da potência na velocidade do motor. ............................................. 95
xviii Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 – Volume da água no planeta (adaptada de [3]). ............................................ 2
Tabela 2.1 – Estados válidos do inversor de tensão trifásico. ........................................ 39
Tabela 3.1 – Características do painel solar fotovoltaico da BP de referência BP 2150S
[28]. ................................................................................................................................ 51
Tabela 3.2 – Valores obtidos nos resultados da simulação. ........................................... 57
Tabela 4.1 – Valores de base admitidos no dimensionamento da indutância. ............... 72
Tabela 4.2 – Principais características do microcontrolador PIC18F4431. ................... 75
Tabela 4.3 – Alguns pontos de funcionamento do motor. .............................................. 85
Tabela 4.4 – Valores de operação do sistema quando este opera com pontos de máxima
potência diferentes. ......................................................................................................... 90
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xix Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Lista de Abreviaturas, Acrónimos, Siglas e Símbolos
ADC Analog to Digital Converter
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CSI Current Source Inverter
DAC Digital to Analog Converter
GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia
H Altura manométrica
IEEE Institute of Electrical and Engineers
ISC Short Circuit Current
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
JMP Joint Monitoring Programme
MOSFET Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor
MPP Maximum Power Point
MPPT Maximum Power Point Tracker
NOTC Nominal Operating Cell Temperature
PV Photovoltaic
PSIM Power Simulator
PWM Pulse Width Modulation
RMS Root Mean Square
SPM Smart Power Module
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation
UNICEF United Nations of International Children’s Emergency Found
UPS Uninterrupted Power Supply
VSI Voltage Source Inverter
VOC Voltage Open Circuit
WHO World Health Organization
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 1 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Água
A água é um recurso essencial para quase todas as formas de vida conhecidas,
pode ser encontrada em três estados distintos: liquido, sólido ou gasoso. Na Terra os
recursos hídricos encontram-se em variadas formas como: água salgada ou doce, água
pura ou mineralizada, água à superfície ou subterrânea, água em gelo ou neve, água em
granizo ou nevoeiro, água em vapor ou chuva e ainda como principal constituinte dos
seres vivos. Devido ao seu ciclo natural ou à constante mudança de estado na natureza
esta apresenta uma distribuição variável, em torno do planeta Terra [1].
Dada a sua importância, a água encontra-se presente em quase todas as atividades
humanas como: agricultura, pecuária, indústria, produção de energia elétrica, higiene,
tratamento de algumas doenças, combate a incêndios, prática de modalidades
desportivas, transporte entre outras. Além da importância nas atividades humanas,
desempenha uma função importante no funcionamento do organismo dos seres vivos,
num ser humano ela representa cerca de 70% do seu peso. Também desempenha um
papel importante na natureza pois as águas subterrâneas, da chuva ou do gelo derretido
são responsáveis pela formação dos rios.
1.1.1. Água no Planeta
Visto do espaço o planeta Terra assemelha-se a uma grande esfera azul, isto deve-
se ao facto de 70%, cerca de 2/3, da superfície do planeta ser composta por água, os
continentes ocupam apenas os restantes 30%.
O volume aproximado de água na Terra é cerca de 1 360 000 000 km³, dos quais
97% é água salgada dos oceanos e mares que é impropria para o consumo humano,
apenas os restantes 3% são água doce. Destes cerca de 90% não está diretamente
acessível ao homem [2].
Como se pode verificar na Figura 1.1 só uma pequena parcela da água do planeta
é doce, tal parcela são cerca de 3% que se encontra dividida da seguinte maneira: 68,7%
de gelo e glaciares, 30,1% de águas subterrâneas, 0,9% em forma de vapor de água e
Capítulo 1 – Introdução
2 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
outras e 0,3% de água à superfície. A água à superfície é a que está mais acessível ao
homem e representa 0,009% de toda água do planeta.
Figura 1.1 – Distribuição da água no planeta Terra (adaptada de [2]).
Na Tabela 1.1 acima se encontram listados os volumes de água e as respetivas
percentagens em relação ao volume total da água no planeta.
Tabela 1.1 – Volume da água no planeta (adaptada de [3]).
Local Volume (km³) Percentagem do total (%)
Oceanos e Mares 1319200000 97
Gelo e Glaciares 28029600 2,061
Subterrânea 12280800 0,903
Vapor de água 367200 0,027
Lagos 106488 0,00783
Pântanos 13464 0,00099
Rios 2448 0,00018
1.1.2. Importância da Água
A maior parte das formas de vida que são conhecidas necessitam de água para
sobreviver, por esse motivo pode-se afirmar que sem água não há vida, ou seja, a água é
a fonte da vida.
Água salgada
(oceanos) 97%
Camadas de gelo
e glaciares 68,7%
Lagos 87%
Água doce 3%
Água subterrânea
30,1%
Pântanos 11%
Outras 0,9%
Rios 2% Água a superfície
0,3%
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 3 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Ela é também é importante para vários sectores nomeadamente o doméstico,
agricultura e indústria. Na Figura 1.2 é possível verificar que a nível global o sector da
agricultura é o que mais água usa, seguido do sector industrial, e por fim o sector
doméstico com menor consumo [3].
Figura 1.2 – Consumo de água por sector (adaptada de [3]).
O consumo de água por sector pode variar consoante o país, ou seja em países
desenvolvidos o sector industrial (58%) destaca-se à agricultura (30%) seguido do
doméstico (11%), nos países em desenvolvimento destaca-se o sector agrícola (82%),
seguido do industrial (10%) e por fim o doméstico (8%). A Figura 1.3 demonstra uma
visão global do consumo de água no mundo por região, nos sectores anteriormente
referidos [4]. Importa ainda salientar que a água desempenha um papel muito
importante no desenvolvimento das sociedades.
Figura 1.3 – Consumo de água por sector a nível mundial (adaptada de [5]).
8%
Consumo
doméstico
22%
Indústria
70%
Agricultura
Capítulo 1 – Introdução
4 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
1.1.3. Escassez de Água Potável
Entende-se como água potável a que pode ser consumida pelo homem sem riscos
para a sua saúde, também conhecida por água tratada pois preenche os requisitos de
natureza física, química e biológica dos padrões das legislações nacionais e
internacionais.
O problema de escassez de água potável afeta cerca de 18% da população
mundial, e se se mantiver os níveis atuais de consumo e de danos ao meio ambiente a
situação pode piorar, em 2025 é provável que afete 2/3 da população e em 2050, 75% da
população mundial segundo a ONU (Organização das Nações Unidas) [6].
Entre vários fatores que originam o problema de escassez de água potável
destacam-se os seguintes: a sua distribuição irregular no planeta, o aumento
populacional, alterações climáticas, a poluição, a má utilização da água potável, razões
socioeconómicas entre outras. Em algumas regiões apesar da abundância de água doce
escasseia água potável, e este problema afeta a maior parte do continente Africano,
continente Asiático, Austrália e algumas zonas do continente Americano [7].
A Figura 1.4 demonstra a situação global dos problemas de escassez de água no
mundo, que vão desde a escassez física ou económica a locais sem nenhuma escassez.
Figura 1.4 – Panorama mundial no que se refere a escassez de água [8].
Na Figura 1.5 é possível verificar a distribuição dos recursos hídricos pelo planeta
Terra [9].
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 5 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 1.5 – Distribuição da água potável no planeta (adaptada de [9]).
Com vista a minorar os problemas de falta de água potável que assolam quase
todo o planeta, têm sido desenvolvidos vários projetos por organizações governamentais
e não-governamentais. Estes projetos visam abastecer populações em bairros urbanos e
zonas rurais de países mais pobres, que não têm acesso à água potável.
A nível mundial houve um aumento de 77% para 87% entre 1990 à 2008 de
pessoas no mundo com acesso a abastecimento de água, segundo o relatório da WHO &
UNICEF (World Health Origanization & United Nations of International Children's
Emergency Fund) – JMP (Joint Monitoring Programme) for Water Supply and
Sanitation. Na Figura 1.6 pode-se observar a atual situação mundial do abastecimento
de água, as percentagens representam a população que em determinada zona têm acesso
ao abastecimento de água [10].
Figura 1.6 – A situação mundial de abastecimento de água (adaptada de [10]).
2%
América
Central
4%
Oceania
9% África
15% Europa
17% América
do Norte 26%
Ásia
27%
América do
Sul
Capítulo 1 – Introdução
6 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Tal como referido anteriormente esta situação tem vindo a melhorar nos últimos
anos, grande parte desta melhoria deve-se aos diversos projetos que são desenvolvidos
em zonas com maiores necessidades. Em certas zonas as populações tinham que
percorrer diariamente maratonas em busca de água, mas graças a sistemas de
bombagem de água, furos artesianos, entre outros, é possível mudar a vida de milhares
de pessoas.
Na sua maioria, as zonas com problemas de escassez de água são locais isolados e
de difícil acesso. O número de habitantes destas zonas é reduzido com o nível de vida
muito baixo, ou seja, populações que vivem no limiar da pobreza. Importa salientar que
a falta de água potável é prejudicial à saúde uma vez que provoca várias doenças, e
aumenta a mortalidade infantil, o que contribui muito para o crescimento do índice de
pobreza. É pelos motivos anteriormente citados que os governos e organizações não-
governamentais estão empenhados em solucionar o problema de carência de água
potável.
Os projetos desenvolvidos por organizações governamentais e não-
governamentais sem fins lucrativos, têm como suporte as energias renováveis. As
energias renováveis são o elemento principal para produção de energia elétrica que
impulsiona o desenvolvimento das zonas isoladas da rede elétrica, e também de
abastecimento de água. Não esquecendo de referir que são uma fonte de energia limpa
que provem de recursos naturais como sol, vento, chuva e marés, que estão disponíveis
nessas regiões.
1.2. Motivações
Os problemas de escassez de água potável têm crescido consideravelmente,
solucionar este problema é prioritário para várias organizações internacionais. A
pesquisa e desenvolvimento de soluções para minorar este problema têm sido de
extrema importância, pois garantir o acesso à água potável ajuda a melhorar e/ou salvar
a vida de milhares de pessoas, esta é a principal motivação deste projeto.
Tal como referido anteriormente muitas comunidades têm dificuldades no
abastecimento de água por questões económicas, principalmente por se encontrarem em
locais isolados da rede elétrica, o que dificulta ainda mais o acesso à água potável. Os
sistemas elétricos com base em fontes de energia renováveis são uma alternativa em
crescimento. Deste modo justifica-se o estudo e desenvolvimento de um sistema de
bombagem de água alimentado por uma fonte de energia renovável. A fonte de energia
renovável escolhida foi o sol, ou seja, a energia solar uma vez que esta se encontra
Capítulo 1 – Introdução
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 7 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
disponível em quantidade, mesmo nas zonas isoladas mais áridas e muito pobres em
recursos naturais. É por estes motivos que se optou pelo desenvolvimento de um
sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos.
A nível académico a motivação é o término do curso de Mestrado Integrado em
Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, com o grau de mestre no ramo de
Sistemas de Energia.
A nível pessoal, a principal motivação passa pelo desenvolvimento de algo útil a
milhares de pessoas, ou seja, saber que com este sistema é possível melhorar e salvar
vidas de milhares de pessoas. Outra motivação é a de adquirir conhecimentos em
sistemas de fontes de Energia Renováveis, sendo uma mais-valia para o futuro na
carreira profissional.
De um modo geral este trabalho é um grande desafio, com imenso significado
pois representa muito para milhares de pessoas e especialmente para mim.
1.3. Objetivos
No âmbito desta Dissertação de Mestrado o principal objetivo é a implementação
de um Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos.
Tal sistema passa pelo desenvolvimento de todo o sistema eletrónico responsável pela
interface entre os painéis solares e a bomba de água. Para que seja alcançado foram
definidos critérios a prior para que sirvam de base ao desenvolvimento do projeto:
Estudo e consolidação do know-how dos sistemas de bombagem de água
alimentados por painéis solares fotovoltaicos.
Criação e validação do modelo do sistema de bombagem com recurso a
ferramentas computacionais.
Desenvolvimento de um sistema otimizado de bombagem de baixo custo, e com o máximo de eficiência.
1.4. Organização da Dissertação
Esta dissertação de mestrado é dividida em cinco capítulos, dos quais o primeiro é
o introdutório que corresponde ao presente capítulo. Neste capítulo é feita uma
descrição dos vários problemas de falta de acesso a água potável no mundo, e que
muitas vezes estão direitamente relacionados com a falta de energia elétrica, sendo que
as energias renováveis figuram como uma alternativa à resolução deste problema.
Capítulo 1 – Introdução
8 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
No Capítulo 2 é feito um estudo teórico sobre os sistemas de bombagem de água
alimentados por painéis solares fotovoltaicos, descriminando os principais elementos
constituintes do sistema, com vista a ser feita uma contextualização do tema da
dissertação, e serve de base para o capítulo seguinte.
O Capítulo 3 apresenta as simulações computacionais do sistema de bombagem
realizadas com recurso à ferramenta PSIM (Power Simulator), com vista a validar os
conceitos teóricos apresentados no capítulo anterior. As simulações são feitas tendo em
conta as condições reais para as quais o projeto vai operar, com vista a prever situações
que podem ocorrer no protótipo prático.
Uma vez validados os conceitos teóricos do sistema de bombagem no capítulo 3
no Capítulo 4 é feita a descrição dos componentes físicos e sua montagem usados na
implementação do sistema, nomeadamente os componentes usados na projeção do andar
de potência e do sistema de controlo. Também são apresentados os testes e os resultados
experimentais do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares
fotovoltaicos.
Por fim no Capítulo 5 são apresentadas a conclusões relevantes retiradas ao longo
da realização deste trabalho, e também apresentadas sugestões de trabalho futuro.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 9 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
CAPÍTULO 2
Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por
Painéis Solares Fotovoltaicos
2.1. Introdução
No capítulo anterior – Introdução, foram abordados aspetos relacionados com a
problemática de escassez de água potável.
Para as povoações residentes em zonas rurais de difícil acesso com problemas de
falta de abastecimento de água potável, sistemas de bombagem de água alimentados por
painéis solares fotovoltaicos têm-se revelado uma alternativa para amenizar este
problema.
O presente capítulo debruçar-se-á sobre a história do abastecimento e bombagem
de água, e apresentará os principais elementos constituintes de um sistema de
bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, nomeadamente as
bombas de água, os painéis solares fotovoltaicos e os conversores eletrónicos de
potência.
2.2. Sistemas de Bombagem de Água
Define-se como bomba de água um dispositivo usado para mover fluídos que
podem ser líquidos, de um ponto para o outro por ação física ou mecânica. As bombas
de água transformam energia mecânica em energia hidráulica que é fornecida aos
fluídos fazendo com que estes se movam.
A necessidade de bombear, ou seja, mover elevar ou puxar a água remonta aos
primórdios da história da humanidade. As primeiras civilizações procuravam se erguer
em zonas privilegiadas de recursos hídricos superficiais ou subterrâneos, ou seja,
próximo dos rios, lagos, canais ou de lençóis subterrâneos com vista a terem acesso a
este bem precioso para as suas atividades diárias nomeadamente para o uso doméstico,
na agricultura e pecuária.
O método usado pelas primeiras civilizações para obter água doce superficial era
utilizando potes e para água subterrânea potes com cordas, até ao surgimento da
primeira bomba de água. As primeiras bombas inventadas eram simples e operavam por
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
10 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
ação da força humana, força animal ou por simples dispositivos que aproveitavam as
forças naturais, tais como as correntes de vento ou da própria água. A bomba de água
foi uma das primeiras invenções da civilização, e considerando a sua importância no
dia-a-dia pode ser uma das mais importantes.
O primeiro engenho de elevação de água foi inventado por volta do ano 2000 a.C.
pelos egípcios e era denominado shaduf (Figura 2.1). Era constituído por um tronco que
possuía um recipiente numa das extremidades e na outra um contrapeso fixo, suspenso
no meio de um tronco perpendicular. O seu modo de operação é simples e pratico, e
consiste em baixar o recipiente para o rio ou poço para encher de água uma vez cheio o
contrapeso ajuda a ergue-lo para ser esvaziado para um canal. O shaduf ainda é usado
nos dias de hoje em certas zonas de África e Ásia [11].
Figura 2.1 – Shaduf (adaptada de [12]).
Por volta do ano 500 a.C. os persas inventaram uma bomba mais eficiente a qual é
atualmente conhecida como “roda Persa” (Figura 2.2). Consiste numa roda grande com
uma corrente à sua volta com inúmeros recipientes uniformemente separados ao longo
do seu comprimento. Estas bombas de água funcionavam por tração animal de forma
contínua, o movimento giratório da roda permite que os recipientes mergulhem na água
e enchendo-se dela que posteriormente sejam esvaziados para um canal quando
chegavam à superfície [11]. Atualmente em certas zonas na Índia o abastecimento de
água é feito por rodas persas, porém com melhor eficiência por serem elétricas.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 11 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.2 – Roda Persa (adaptada de [12]).
Em meados do ano 300 a.C. os gregos inventaram uma bomba de água movida
pelas correntes de água designada por noria (Figura 2.3). A sua estrutura é similar à da
roda persa mas sem a corrente e com uma roda maior submersa na água, com
compartimentos igualmente espaçado. Tem pás montadas junto à roda que fazem com
que esta gire com as correntes da água.
Figura 2.3 – Noria (adaptada de [12]).
À medida que a roda gira os compartimentos são mergulhados na água
consequentemente enchendo-se dela, e em seguida quando atingem a parte superior são
esvaziados para um canal [11]. Desde o período em que foram inventadas até a
atualidade estas bombas sofreram muitas alterações e ainda são usadas em alguns países
como México e Síria.
Posteriormente em meados dos anos 200 a.C. surgiu a bomba sakia (Figura 2.4)
inventada pelos egípcios. Esta é um modelo melhorado da roda persa e da bomba noria.
Consiste numa roda grande oca com inúmeros recipientes uniformemente espaçados. É
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
12 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
montada submersa na água como a bomba noria, mas funciona por tração animal como
as rodas persas. À medida que a roda gira os recipientes no nível mais baixo enchem-se
de água e posteriormente são esvaziados para um canal quando se encontram no nível
mais elevado [11].
Figura 2.4 – Sakia (adaptada de [12]).
O grande matemático grego Arquimedes (287 a.C. à 212 a.C.) é considerado
como o criador da primeira bomba parafuso por volta dos anos 250 a.C., por esse
motivo é conhecida como o parafuso de Arquimedes (Figura 2.5). Basicamente é uma
hélice de grande porte inserida dentro de um cilindro. Opera com força humana ou
animal de modo inclinado com uma das extremidades do cilindro mergulhada na água, e
à medida que a hélice é rodada a água é desloca-se para a outra extremidade fora da
água. Esta bomba apesar de ser de fácil construção apresentava a vantagem de mover
um grande volume de água relativamente às suas dimensões [11].
Figura 2.5 – Parafuso de Arquimedes (adaptada de [12]).
O modelo ancestral da atual bomba manual foi concebido por Ctesibus (285 a.C. à
222 a.C.) em meados do ano 200 a.C. no Egipto, conhecida como a bombas de água
alternativa a pistão ou êmbolo (Figura 2.6) são as primeiras bombas de deslocamento
positivo. Consiste num cilindro na posição vertical e um êmbolo ou pistão na parte
superior, e duas válvulas. Com o cilindro mergulhado no poço de água movendo o
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 13 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
pistão para cima a válvula superior é fechada criando um vácuo, que faz com que a água
seja puxada para dentro do cilindro pela válvula inferior que é aberta, e a água por cima
da válvula superior é movida para a saída da bomba. Movendo o pistão para baixo a
válvula inferior é fechada impedindo que a água volte para o poço e a válvula superior é
aberta permitindo deste modo que o pistão se mova para baixo através da água no
cilindro [11]. Esta bomba é também conhecida como elevador por causa do seu
princípio de funcionamento cima baixo.
Figura 2.6 – Efeito das bombas alternativas ade pistão ou êmbolo (adaptada de [12]).
Na era d.C. (depois de Cristo) as bombas alternativas (Figura 2.7) foram uma
revolução na forma como as pessoas se abasteciam de água subterrânea. Com o mesmo
princípio de funcionamento foram criadas diferentes bombas de modo a adaptarem-se
aos locais onde eram empregues.
Figura 2.7 – Bomba de Pistão (adaptada de [12]).
Ainda hoje, estas bombas alternativas são usadas em zonas remotas sem redes de
abastecimento de energia elétrica. Pode-se afirmar que são usadas em todo mundo,
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
14 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
particularmente nos países em via de desenvolvimento onde existem várias zonas sem
rede elétrica e nem sistemas de abastecimento de água.
Os vários dispositivos ancestrais que foram mencionados acima cuja origem data
a milhares de anos atrás foram essenciais para o desenvolvimento de muitas sociedades
antigas, e muitos deles permanecem em operação até hoje. Apesar das várias alterações
para melhorar o seu desempenho os princípios básicos de funcionamento permanecem
os mesmos. Uma das principais alterações é o facto de não serem movidas por força
humana ou animal, mas por motores elétricos.
2.2.1. Classificação das Bombas
As bombas hidráulicas são dispositivos presentes em muitas aplicações
atualmente, que vão desde aplicações domésticas, agrícolas e industriais. Operam em
diferentes condições e com diferentes propósitos por isso são produzidas em diferentes
modelos e tamanhos. No entanto, de entre os vários modelos podem ser divididas em
duas categorias fundamentais, as bombas volumétricas ou de deslocamento positivo e as
bombas hidrodinâmicas ou turbo-bombas [13]. Na Figura 2.8 é possível observar o
diagrama representativo dos diferentes tipos de bombas hidráulicas.
Figura 2.8 – Diagrama do tipo de bombas hidráulicas.
As primeiras bombas de água inventadas eram acionadas por força humana ou
animal, rodas de água ou por moinhos. Embora atualmente muitas bombas de água
Bombas
Hidráulicas
Volumétricas ou de
Deslocamento
Positivo
Hidrodinâmicas ou
Turbo-Bombas
CentrífugasAlternativasRotativas
VerticaisEngrenagens
Parafusos
Pás Rotativas
Êmbolo
Pistão
Diafragma
Dupla Sucção
Multi-estagios
Fluxo Axial
Fluxo Misto
Periféricas ou
Regenerativas
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 15 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
sejam acionadas manualmente, a grande maioria das bombas de água fabricadas
atualmente são acionadas por motores elétricos. O motor elétrico é uma máquina que
transforma a energia elétrica em mecânica, que ao ser acoplado a uma bomba de água
faz o conjunto conhecido como motobomba. Estes motores combinam várias vantagens
entre as quais uma boa relação tamanho potência, uso de energia elétrica, limpeza e
comando simples, construção simples, custo de aquisição e manutenção reduzido e
grande versatilidade na adaptação às diversas cargas com melhores rendimentos. Apesar
de a maior parte das bombas de água que não são acionadas manualmente serem
acionadas eletricamente ainda se encontram em menor número bombas de água
acionadas por motores de combustão interna, turbinas a vapor ou gás e motores
hidráulicos.
O conjunto motobomba pode ser classificado consoante o modo de energia usado
pela unidade motora, que pode ser contínua ou alternada. Apesar de se encontrarem no
mercado bombas acionadas por motores elétricos de corrente contínua, grande parte é
acionada por motores elétricos de corrente alternada.
Nas secções que se seguem serão abordadas com algum pormenor as bombas de
água que são mais usadas nas aplicações de bombagem de água, já que atualmente são
também muito utilizadas para mover outros fluidos.
2.2.2. Bombas Centrífugas
As bombas centrífugas (Figura 2.9) são também conhecidas como bombas roto-
dinâmicas, porque usam a energia cinética da rotação para movimentar o fluido. São
máquinas simples compostas por duas partes básicas, o elemento rotativo ou o rotor e o
elemento estacionário ou a carcaça.
Figura 2.9 – Bomba centrífuga (adaptada de [14]).
A energia para movimentar o fluido é transmitida continuamente quando este
passa pelo interior da bomba. Essa transmissão é conseguida pelo movimento do
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
16 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
principal elemento que é o eixo, que consiste num rotor com pás que impulsionam o
fluido. O processo de transferência de energia é realizado em duas etapas, na primeira a
rotação do rotor faz o crescimento da energia cinética. E por fim, quando fluido passa
pelos vários canais a energia cinética é convertida em energia de pressão [15].
As bombas centrífugas são recomendadas para situações em que seja necessário
mover relativamente grandes volumes de fluido a pequenas alturas. Estas bombas são
comuns no mercado e podem ser encontradas em três diferentes tipos que são: verticais,
multi-estágios e dupla sucção.
As bombas centrífugas podem ser classificadas mediante as condições em que
operam, ou seja podem ser superficiais ou submersas. As bombas superficiais são muito
comuns para bombeamento de água superficial e são apetecíveis pelo baixo custo e pela
facilidade de manutenção. Apesar de serem de longa durabilidade são menos eficientes
quando comparadas com as bombas submersíveis. Na Figura 2.10 é possível visualizar
algumas bombas centrífugas superficiais.
Figura 2.10 – Algumas bombas de água centrífugas superficiais.
As bombas submersíveis são muito comuns no meio industrial, por esse motivo
existe uma grande variedade de modelos no mercado. As bombas submersíveis são mais
eficientes no bombeamento, quando comparadas com as superficiais como foi referido
anteriormente [16]. Na Figura 2.11 é possível visualizar algumas bombas centrífugas
submersíveis. Estas bombas são normalmente usadas para bombear água que se
encontra debaixo da superfície ou num poço.
Figura 2.11 – Algumas bombas de água centrífugas submersíveis.
2.2.3. Bombas de Deslocamento Positivo
Bombas de deslocamento positivo são também conhecidas como bombas
volumétricas, dado que, fazem o fluido movimentar-se isolando um volume deste e à
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 17 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
posteriori aplicando uma força deslocando o volume para a saída. O seu princípio de
funcionamento é completamente diferente das bombas roto-dinâmicas, nomeadamente
no que se refere a velocidade. As bombas de deslocamento positivo funcionam em
velocidades baixas quando comparadas com as centrífugas, e não dependem dela para o
desenvolver a pressão. Ou seja, elas conseguem mover o fluido para a saída a qualquer
velocidade [16].
As bombas de deslocamento consistem em um ou mais cilindros, em que cada um
contém um pistão ou êmbolo. São estes os elementos responsáveis pelo deslocamento
dos fluídos. O seu princípio de funcionamento é baseado no movimento das
engrenagens. A engrenagem interna desloca-se em relação à engrenagem externa o
rotor, isto é, a engrenagem interna gira excentricamente ao eixo da bomba As pressões
desenvolvidas por este tipo de bombas de água tendem a ser muito elevadas quando
comparadas com as dimensões físicas da bomba [16]. Estas bombas de água estão
divididas em dois grandes grupos as de deslocamento positivo rotativas e as
alternativas.
As bombas de deslocamento positivo rotativas (Figura 2.12), como o próprio
nome refere, conseguem movimentar o líquido recorrendo ao princípio da rotação. O
rotor da bomba provoca uma camara de sucção à entrada, deste modo possibilitando a
admissão do fluido que é movido continuamente até a saída pelo movimento de rotação.
Estas bombas são usadas em líquidos de qualquer viscosidade. As bombas de água de
deslocamento positivo rotativas subdividem-se em três grupos: de engrenagens, de
parafuso, e de pás rotativas [16].
Figura 2.12 – Bombas de água de deslocamento positivo rotativas.
Ao contrário das bombas rotativas estas conseguem movimentar o fluido graças
ao movimento oscilante dos pistões ou êmbolos, ou de uma membrana flexível. Estas
bombas são caracterizadas consoante o número de cilindros que variam de um a nove.
Operam a velocidades relativamente baixas e podem ser usadas para líquidos com muita
Bomba de engrenagens Bomba de parafusos Bomba de pás rotativas
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
18 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
viscosidade. As bombas de êmbolo, de diafragma e de pistão (Figura 2.13) são
categorias das bombas de deslocamento positivo alternativas [16].
Figura 2.13 – Bombas de água de deslocamento positivo alternativas.
2.2.4. Critérios de Seleção de Bombas de Água
No mercado é possível encontrar vários modelos e tamanhos de bombas para
diferentes aplicações. Mas antes de escolher uma bomba é necessário ter em
consideração as suas características e as condições de operação. Os principais aspetos a
ter em conta são a altura de elevação, o fluxo de água pretendido e as características da
tensão de alimentação disponível (tensão contínua, alternada monofásica ou trifásica).
Outro critério de seleção é dado pela sua curva característica, que representa a
relação entre a altura manométrica1 e o fluxo de água. Através dela é possível analisar o
funcionamento da bomba para as diferentes alturas e fluxos. Esta curva é fornecida pelo
fabricante. O exemplo de uma curva característica de uma bomba de água pode ser visto
na Figura 2.14.
Figura 2.14 – Curva característica da bomba.
1 Altura manométrica é a energia por unidade de peso que o sistema transfere para o fluido para o
mover de um ponto para o outro com um determinado caudal. Esta energia é fornecida pela bomba e é o parâmetro fundamental para a seleção da mesma.
Bomba de êmbolo Bomba de diafragma Bomba de pistão
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 19 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A maior parte das bombas encontradas no mercado são alimentadas por motores
de corrente alternada. Os motores mais usados são os de indução por várias razões entre
as quais a robustez, o baixo custo e por necessitarem de pouca manutenção. Estas
características vão de acordo com os objetivos do sistema de bombagem proposto, que
passam por uma solução robusta e de baixo custo. Por esses motivos foi escolhida uma
bomba de água alimentada por um motor de indução trifásico (230V/50Hz).
2.3. Sistemas Solares Fotovoltaicos
Atualmente existem muitas povoações espalhadas pelos vários continentes que
residem em locais isolados sem acesso à rede elétrica. Em muitos casos esta situação é
mitigada recorrendo a sistemas de geração de energia com base em fontes de energia
renováveis, nomeadamente solar, eólica, biomassa entre outras formas. Em zonas
desérticas e áridas em que o vento escasseia e com poucos ou nenhuns recursos, a
solução é usar a energia solar como fonte de energia elétrica usando painéis solares
fotovoltaicos.
A captação da energia solar é o processo que visa aproveitar as radiações solares
ou os feixes luminosos e transforma-los em outras formas de energia, geralmente em
energia elétrica ou térmica. A energia solar tem sido usada pelos homens durante
séculos para variados fins. Esta energia também é usada pelas plantas no processo da
fotossíntese das plantas e pelos animais, na obtenção de vitamina D [17].
A energia gerada pelo sol é inesgotável, e convém lembrar que, o sol é a fonte de
luz e de vida na Terra, e de certa forma responsável por outras fontes de energia
renováveis nomeadamente a biomassa (fotossíntese), energia hidráulica (evaporação da
água) e energia eólica (ventos). O sol brilha há mais de 5 biliões de anos e estima-se que
assim continue por mais 6 biliões de anos. Baseando-se em cálculos, os cientistas da
WMO (World Meteorological Organization) preveem que o sol, lançará 4000 vezes
mais energia do que aquela que consumiremos. Com esta realidade seria irracional não
aproveitar esta fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita. O destino da radiação
solar que incide sobre a Terra está representado na Figura 2.15.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
20 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.15 – Destino final da radiação solar que incide sobre a Terra [17], [18].
2.3.1. Distribuição da Energia Solar
A energia solar tem um elevado potencial ao longo do globo e pode ser
aproveitada em diferentes taxas consoante a localização geográfica, logo quanto mais
próximo do equador estiverem os equipamentos de captação maior será a taxa de
aproveitamento da energia. Na Figura 2.16 é apresentada a distribuição da energia solar
pelo planeta.
Figura 2.16 – Distribuição da energia solar pelo planeta, marcada com pontos nos locais com maior taxa
de aproveitamento da radiação solar [19].
Importa realçar que os desertos próximos do equador como o do Sahara, se
encontram em zonas mais favoráveis no que diz respeito a captação da energia solar.
Enquanto as zonas desérticas mais afastadas da linha do equador e próximas de países
como Alemanha ou Estados Unidos de América, é necessário usar técnicas mais
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 21 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
sofisticadas para captar a energia solar, dado que têm menos exposição solar durante o
ano.
As principais zonas com problemas de escassez de água potável devido a falta de
energia elétrica para bombagem de água, encontram-se localizadas em locais com maior
exposição à radiação solar, tal como os países da África subsariana.
Sendo a energia solar é abundante nestas regiões, a maioria dos projetos
implementados para minorar os problemas de acesso a água potável e outros
relacionados com a falta de energia elétrica, recorrem a sistemas de geração de energia
solares fotovoltaicos.
2.3.2. Aproveitamento da Energia Solar
A energia solar pode ser aproveitada de variadas formas que se podem subdividir
em dois grupos, o método direto e o indireto. O método direto converte de forma direta
a energia solar em outra forma de energia ou seja, a energia solar passa por um único
processo de transformação para torna-la noutra forma de energia que pode ser energia
elétrica ou energia térmica. Como exemplo de transformação direta pode-se referir a
transformação da energia solar em energia elétrica, onde a radiação solar que incide
sobre uma célula fotovoltaica é convertida diretamente em energia elétrica. Como
exemplo de transformação indireta pode-se referir os sistemas solares térmicos, onde os
raios solares incidem sobre uma superfície escura gerando calor produzindo assim
energia térmica.
Ao contrário do método direto, no indireto são necessárias mais do que uma
transformação da energia solar para torna-la num modo de energia reutilizável pelo
homem.
Na Figura 2.17 estão representados os diversos métodos ou processos de
conversão de energia solar em outras formas reutilizáveis pelo homem. Pode-se
constatar que a energia solar ativa é a que mais se destaca pois as tecnologias que lhe
estão associadas são mais desenvolvidas, aproveitando de forma mais eficaz a radiação
solar. Enquanto a energia solar passiva aproveita diretamente a energia solar sem
necessitar de um processo intermédio de conversão da energia solar, como acontece na
ventilação e iluminação natural.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
22 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.17 – Processos de Conversão da Energia Solar.
2.3.3. Células Fotovoltaicas
As células fotovoltaicas constituintes dos painéis solares fotovoltaicos são
responsáveis pela transformação da energia solar em eletricidade. Essa transformação só
é conseguida graças a um material semiconductor. O material semicondutor
comummente usado é o silício que é produzido de modo a ter duas camadas, uma
positiva e outra negativa. Quando o material semicondutor está sob efeito da radiação
solar, a energia dos fotões incidentes é transferida para o material libertando eletrões
que dão origem a uma diferença de potencial nas extremidades do semicondutor. A este
efeito dá-se o nome de efeito fotovoltaico. Este efeito foi descoberto por Alexandre-
Edmond Becquerel em 1839, contudo só em 1954 surgiram as primeiras células
fotovoltaicas, quando foram descobertas as propriedades fotovoltaicas dos transístores
de silício nos laboratórios Bell [20].
Na Figura 2.18 pode-se ver a estrutura de uma célula fotovoltaica, elemento mais
pequeno de um sistema solar fotovoltaico. Cada célula tem capacidade de produzir
potências na ordem dos 1,5 W o que corresponde a uma corrente de saída de 3 A e uma
tensão de 0,5 V.
Energia Solar
Activa
Energia Solar
Passiva
Ventilação
NaturalIluminação
Energia Solar
Energia Solar
Térmica
Energia Solar
Eléctrica
Colectores de
Baixa
Temperatura
Sistemas de
Tremofissão
Sistemas de
Circulação
Forçada
Conversão
Termoelectrica
Directa
Conversão
Termoelectrica
Indirecta
Torres de
Energia Solar
Colectrores de
Disco Stirling
Colectores
Concentrados
Parabólicos
Trough
Colectrores
Fresnel
Conversão
Fotoeléctrica
Células
Fotovoltaicas
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 23 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.18 – Elementos da célula fotovoltaica (adaptada de [21]).
As células fotovoltaicas são montadas em conjunto criando um módulo
fotovoltaico, e um conjunto desses módulos gera um painel fotovoltaico que por sua vez
montados em conjunto criam um sistema de painéis solares fotovoltaicos como mostra a
Figura 2.19.
Figura 2.19 – Sistemas Fotovoltaico (adaptada de [21]).
Apesar das vantagens da utilização das energias renováveis, em particular os
sistemas solares fotovoltaicos importa salientar que os painéis fotovoltaicos têm um
rendimento muito baixo. O rendimento ou eficiência de um painel solar é a percentagem
de energia convertida, radiação solar absorvida convertida em energia elétrica, quando
ligada a um circuito elétrico.
Os painéis solares fotovoltaicos disponíveis no mercado apresentam um
rendimento máximo de 23%. Isto significa que 77% da energia que atinge o painel não é
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
24 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
utilizada, e os 23% capturados não são totalmente aproveitados pelo circuito ao qual o
painel está ligado [21].
Para o projeto e dimensionamento dos sistemas elétricos interessam
essencialmente as características elétricas dos painéis solares, que genericamente são: a
potência máxima, a corrente e tensão no ponto de máxima potência, a tensão de circuito
aberto e a corrente de curto-circuito.
A corrente de curto-circuito é a intensidade máxima que se pode obter de um
painel solar com uma resistência nula, sendo assim a diferença de potencial será nula.
Esta corrente é diretamente proporcional à radiação solar, e também é dependente da
temperatura da célula. A tensão de circuito aberto é a tensão máxima que se obtém aos
terminais do painel quando este não está ligado a nenhum circuito elétrico. Também
dependente da temperatura como a corrente-circuito, como se pode verificar na
Figura 2.20.
Figura 2.20 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da radiação solar
(adaptada de [20]).
A potência de um painel resulta do produto entre a corrente e a tensão aos seus
terminais. Se for calculada a potência ponto a ponto obtêm-se a curva de potência
ilustrada na Figura 2.21. Pode-se observar que no ponto de corrente máxima, corrente
de curto-circuito, a potência é nula, o mesmo acontece quando a tensão de circuito está
no ponto máximo, tensão de circuito aberto. Entre os dois pontos de potência zero,
combinando a tensão e a corrente encontra-se o ponto de máxima potência, e a tensão e
corrente correspondente a esse ponto de máxima potência. Importa salientar que a curva
da potência varia consoante as condições atmosféricas uma vez que ela é diretamente
proporcional à corrente e à tensão, ambas dependentes da temperatura.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 25 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.21 – Curva de potência e o ponto de máxima potência (adaptada de [20]).
2.3.4. Tipos de Células Fotovoltaicas
Os painéis solares fotovoltaicos são constituídos na sua maioria de células
fotovoltaicas fabricadas usando o silício na sua maioria, mas existem também células
fotovoltaicas produzidas com outos materiais. De seguida são descritas algumas das
tecnologias de células mais comuns no mercado.
Silício Monocristalino
Representam a primeira geração das células fotovoltaicas pelo facto de terem sido as
primeiras a serem produzidas, e também são as mais usadas e comercializadas atualmente.
As células de silício usam este material semicondutor baseado na junção p-n, que é
responsável pela conversão da radiação solar em eletricidade. As técnicas utilizadas no
processo de produção são complexas, uma vez que é fundamental garantir que os materiais
ficam em estado puro e com uma estrutura cristalina perfeita. Esta técnica é muito
dispendiosa dada a quantidade de energia necessária durante os processos de produção.
Normalmente as células fotovoltaicos são produzidas em grandes folhas que posteriormente
são cortadas no tamanho e forma desejadas para a célula, cada módulo possui várias células
individuais de silício [20].
As células fotovoltaicas de silício monocristalino além do seu rendimento elétrico que
é relativamente elevado (aproximadamente de 15% e de 23% em laboratório), são mais
recomendadas por serem de longa duração dado que degradam-se lentamente.
Silício Policristalino
Tal como as células fotovoltaicas de silício monocristalino, as células de silício
policristalino também pertencem à primeira geração de células fotovoltaicas. O processo de
produção é muito similar ao das células de silício monocristalinas mas menos rigoroso.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
26 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Neste caso não são produzidas células de grandes dimensões mas sim várias células
pequenas. Uma célula policristalina é formada por pequenos cristais de silício com uma
aparência que se assemelha a um material de vidro estilhaçado [20].
Em comparação com as células monocristalinas as células policristalinas são mais
económicas devido ao custo de produção que é relativamente inferior. Porém, apresentam
um rendimento elétrico baixo na ordem dos 11 e 13%. Em laboratório este rendimento pode
chegar até os 18%.
Silício Amorfo
As células de silício amorfo também conhecidas como filmes finos2, fazem parte
das células fotovoltaicas de segunda geração que entraram no mercado na década de 70.
As células de silício amorfo são bastante diferentes das outras duas tecnologias
anteriormente apresentadas, pois nestas células o material não possui estrutura
cristalina. O processo de fabrico é de baixo custo e versátil, segundo os autores do livro
Photovoltaic Solar Energy Generation é possível afirmar que o mesmo é energicamente
mais eficiente em comparação com a produção de células de silício monocristalino e
policristalino [20].
Os filmes finos por sua vez são de baixo custo em comparação com as outras
células de silício, e em contrapartida apresentam um rendimento energético muito baixo
aproximadamente na ordem de 8 a 10%. Porém em laboratório podem chegar aos 13%.
Telureto de Cadmio
As células fotovoltaicas produzidas em telureto de cadmio representam a segunda
geração da tecnologia baseada em filmes finos, e é de salientar que têm sido usadas há
mais de uma década em aplicações de baixa potência. Atualmente são produzidos
módulos solares de grandes áreas utilizando o semicondutor químico telureto de cadmio
cuja fórmula química é descrita pela expressão: CdTe. As células de telureto de cadmio
são concorrentes diretas das células de silício amorfo, e são mais sugeridas pelo facto de
apresentarem uma relação custo-rendimento bastante aceitável do ponto de vista
financeiro. Além da vantagem anteriormente citada existem dois aspetos a considerar, a
toxidade e a pouca abundancia dos elementos envolvidos, são aspetos a ter em conta
quando se pretende quantidades significativas de produção [20].
2 Filme fino é um determinado material cuja espessura é muito fina e pode variar entre frações de
nanómetro até vários micrómetros.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 27 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Os painéis solares desenvolvidos com esta tecnologia atualmente
comercializáveis, apresentam um rendimento energético na ordem dos 7 a 9%, já em
ambiente de laboratório foram produzidas células com rendimento na ordem dos
16% [20].
CIGS
Estas células são da terceira geração baseadas na tecnologia dos filmes finos cujo
material semicondutor é composto por cobre, índio, gálio e selénio daí se denominarem
por CIGS.
Ao contrário das células fotovoltaicas de silício que são baseadas numa junção p-n
do mesmo semicondutor o silício, as células CIGS são feitas com camadas ultrafinas de
diferentes semicondutores. O semicondutor é o Selenito de Cobre-Índio-Gálio cuja
fórmula química é Cu(In,Ga)S .
A tecnologia dos filmes finos é economicamente competitiva uma vez que os
materiais usados são comuns e apresentam uma alta eficiência, por este motivo
atualmente é uma tecnologia alvo de investigação e desenvolvimento em diversos
laboratórios. Já foi possível produzir células fotovoltaicas CIGS com um rendimento
energético de 19,9% em laboratório [22].
2.4. Conversores Eletrónicos e MPPT’s para Sistemas Fotovoltaicos
Um sistema de bombagem é composto por três elementos principais, a fonte de
energia, a bomba de água e o conversor eletrónico. Para o sistema em causa foi
escolhida como fonte de energia elétrica para alimentar e bomba, a energia solar
fotovoltaica. A bomba para bombear a água é constituída por um motor de indução
trifásico, assim sendo o conversor eletrónico tem como função adequar a energia
elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos para às condições nominais de operação
da bomba.
O conversor eletrónico tem que possuir um conversor CC-CA para o motor
trifásico (230V/50Hz), visto que a energia elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos
é de corrente contínua. Sendo um dos objetivos ser um sistema de baixa potência
aproximadamente 1000W, associando 7 painéis BP 2150S de (150W e 34V) em série
consegue-se uma potência de 1050W e 238V de tensão.
A saída do gerador fotovoltaico está disponível uma tensão aproximadamente de
238V, sendo necessária à entrada do conversor CC-CA uma tensão cerca de 380V (para
que depois de invertida tenha os níveis nominais para alimentar o motor) é necessário
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
28 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
um conversor do tipo CC-CC elevador de tensão comummente denominados por boost
ou step-up.
O inversor converte a tensão CC à saída do conversor CC-CC num sistema
trifásico de tensões para alimentar o motor da bomba de água.
Na Figura 2.22 é apresentado um diagrama de bolcos representativo da topologia
descrita. É necessário salientar que este sistema é direto, ou seja sem armazenamento
intermédio da energia em baterias.
Figura 2.22 – Diagrama de blocos do sistema proposto.
Nas secções seguintes serão abordados com algum pormenor os conversores
eletrónicos e os respetivos algoritmos de controlo.
2.4.1. Conversor CC-CC do tipo Boost
Como refere o nome deste conversor este circuito eleva a tensão de corrente
contínua de entrada de modo que a tensão à saída é sempre maior que a entrada. Na
Figura 2.23 é apresentado o circuito elétrico deste tipo de conversor.
Figura 2.23 – Esquemático de um conversor CC-CC elevador de tensão Boost.
O seu princípio de funcionamento é simples. Quando o interruptor está ligado o
díodo fica polarizado inversamente e a indutância acumula energia fornecida pela fonte,
quando o interruptor é desligado a carga é alimentada pela energia da fonte e da
indutância. O condensador serve para estabilizar o nível de tensão à saída ao longo do
tempo para que ( ) [23].
O valor da tensão de saída do conversor CC-CC tem que ser controlado para que
esteja nos níveis desejados, isso é conseguido controlando o interruptor (S). Ao ligar e
desligar o interruptor é possível controlar o valor médio da tensão de saída. Aplicando
uma frequência constante e ajustando os tempos em que o interruptor permanece ligado
Gerador
fotovoltaico
CC
CC
CC
CA
Motor
Svd
L
C R
D
vo
-
+id
iD io
ic+ vL -
iL
Legenda
vd -Tensão de entrada
id - Corrente de entrada
vL - Tensão na indutância
iL - Corrente na induntância
iC - Corrente no condensador
vd - Tensão de saída
id - Corrente de saída
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 29 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
ou desligado é possível controlar a tensão de saída, este método é conhecido como
PWM (Pulse-Width Modulation).
O PWM é uma técnica muito usada no controlo digital dos circuitos eletrónicos.
Um método comum de implementação desta técnica de largura de impulsos consiste, na
comparação de um sinal de referência com uma onda triangular (portadora) com uma
frequência elevada, resultando pulsos com duty-cycle variável conforme mostra a
Figura 2.24.
Figura 2.24 – Técnica de comutação PWM.
O conversor step-up tem dois modos de funcionamento que estão diretamente
relacionados com o valor da corrente da indutância (L): o modo de condução contínua e
o modo de condução descontínua. No modo de condução contínua a corrente da
indutância nunca vai a zero, ao contrário do modo de condução descontínua em que a
corrente na indutância vai a zero. De seguida são descritos estes dois modos de
funcionamento do conversor.
Modo de Condução Contínua
No modo de condução contínua a corrente na indutância nunca se anula, ou seja,
flui continuamente. Por cada período ( ) o conversor funciona em dois estados de
funcionamento, o estado ligado ( ) e desligado ( ) do interruptor. A Figura 2.25
mostra as formas de onda da corrente na indutância e os estados de funcionamento do
conversor [23].
Portadora
Duty-cycle
Triangular
Referência
Duty-cycleComparador
+
-
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
30 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.25 – Modo de condução contínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na indutância;
(b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor.
Na figura acima está representada um período ( ) de operação do conversor,
divido por dois estados o ligado ( ) e o desligado ( ).
(2.1) Em regime permanente o integral da tensão na indutância por um período é zero,
observando Figura 2.25 a) logo:
( ) (2.2)
Sabendo que a relação entre o valor da tensão à entrada ( ) e a tensão de saída
( ) é dependente do valor do duty-cycle (D3), cuja expressão pode ser expressa nos
dois estados on e off pelas equações (2.3) e (2.4) respetivamente.
(2.3)
(2.4)
Substituindo as equações do duty-cycle na equação (2.2) e reorganizando os
termos obtém-se a seguinte equação:
(2.5)
Admitindo que não há perdas a potência de entrada é igual à potência de saída
logo:
(2.6)
3 D – este serve para denominar o duty-cycle, não está relacionado com o D que representa o díodo na Figura 2.23.
(vd)
(vd–vo)t
vL
t
iL
Ts
ton toff
Svd
L
C R
D
vo
-
+
iD io
ic+ vL -
iL
Svd
L
C R
D
vo
-
+
iD io
ic+ vL -
iL
(a)
(b)
(c)
id
id
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 31 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Sendo assim a relação entre a corrente de entrada ( ) e a corrente de saída ( ) é
dada pela seguinte equação: ( ) (2.7)
Limite Entre os Modos de Condução Contínua e Descontínua
No ponto limite entre os modos de condução contínua e descontínua, a corrente na
indutância vai a zero no final de cada período de comutação, como ilustra a Figura 2.26.
Figura 2.26 – Limite entre os modos de condução contínua e descontínua.
Observando a Figura 2.26 é possível determinar o valor médio da corrente na
indutância, que é dado por:
(2.8)
Usando a equação (2.5) na equação (2.8) obtêm-se:
( ) (2.9)
Uma vez que a corrente na indutância têm o mesmo valor da corrente da entrada
( ), e usando as equações (2.7) e (2.9), verifica-se que no limite do modo de
condução contínua o valor médio da corrente de saída é dado pela seguinte expressão:
( ) (2.10)
Sabendo que a corrente de saída pode ser expressa pela equação (2.11):
(2.11)
E o período ( ) de operação do conversor pela expressão seguinte:
(2.12)
vL
t
Ts
ton toff
iLmax
iL
IL=ILB
0
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
32 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Substituindo as equações (2.10) e (2.11) na equação (2.12) é possível determinar a
expressão que determina o cálculo do valor mínimo da indutância, que é dado pela
equação (2.13).
( )
(2.13)
Modo de Condução Descontínua
O modo de condução descontínuo diferencia-se do modo contínuo pelo facto de a
corrente na indutância anular-se, ou seja vai a zero durante alguns instantes de tempo.
Como se pode ver na Figura 2.27 neste modo a corrente na indutância possui três
estados, no início quando o interruptor está ligado a corrente cresce até ao valor de pico.
Quando o interruptor é desligado a corrente decresce até zero e fica durante alguns
instantes nesse estado até que volta a crescer quando o interruptor é ligado no próximo
ciclo [23].
Figura 2.27 – Modo de condução descontínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na indutância;
(b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor; (d) Modo de condução descontínua.
A condição de descontinuidade ocorre quando a potência de saída baixa,
consequentemente a corrente na indutância baixa, para uma tensão de entrada constante.
Igualando o integral da tensão na indutância por um período a zero têm-se:
( ) (2.14)
Resolvendo a equação (2.14) determina-se a relação entre a tensão de saída e a
tensão de entrada que é dada pela equação (2.15):
(vd)
(vd–vo)
t
vL
iL
Ts
ΔTs Δ1Ts Δ2Ts
Svd
L
C R
D
vo
-
+
iD io
ic+ vL -
iL
Svd
L
C R
D
vo
-
+
iD io
ic+ vL -
iL
(b)
(c)
id
id
Svd
L
C R
D
vo
-
+
iD io
ic+ vL -
iL
(d)
id
(a)
t
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 33 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
(2.15)
Admitindo que não há perdas, ou seja a potência de entrada é igual a potência de
saída, é possível determinar relação entre a corrente de entrada e saída:
(2.16)
O valor médio da corrente na indutância é igual a corrente de entrada:
( ) (2.17)
Substituindo o valor de (equação (2.17)) na equação (2.16) é possível
simplifica-la para:
(
) (2.18)
Num circuito prático do conversor boost que opera em modo de condução
descontínua, se a tensão de saída ( ) não for controlada por cada período de comutação
é transferida para a carga uma quantidade de energia determinada pela equação (2.19).
Se essa energia não for consumida pela carga a tensão no condensador cresce até que
haja equilíbrio da energia transferida. O crescimento da tensão no condensador pode
danifica-lo, caso a tensão aplicada aos seus terminais crescer demais [23].
( )
(2.19)
Na Figura 2.28 é possível verificar o duty-cycle em função da relação entre a
corrente de entrada e a corrente máxima da indutância (
) para diferentes valores da
relação entre a tensão de entrada e de saída (
). O tracejado representa o limite entre ao
modo de condução descontínua e contínua [23].
Figura 2.28 – Características do conversor boost para a tensão de saída constante (adaptada de [23]).
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
34 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Ripple da Tensão de Saída
A tensão de saída do conversor boost apresenta um ripple de tensão que pode
variar consoante as aplicações, e é dependente do valor do condensador. Na Figura 2.29
está representado o valor da tensão pico-a-pico e a variação da carga ( ) no
condensador (C).
Figura 2.29 – Ripple da tensão de saída do conversor boost.
Deste modo, é possível determinar a equação que determina o valor do ripple da
tensão de saída (equação (2.20)). O valor do condensador é calculado após determinar
se determinar o ripple desejado (equação (2.21)).
(2.20)
( ) (2.21)
2.4.2. Algoritmos de MPPT
Os sistemas solares apresentam duas grandes desvantagens para além da
linearidade quando comparadas com as outras fontes de energia, a baixa taxa de
conversão das células fotovoltaicas e o elevado custo dos painéis fotovoltaicos. Deste
modo para obter o máximo rendimento dos painéis é necessário que eles operem o
maior tempo possível no seu ponto de potência máxima.
A variação das condições atmosféricas ou da carga ligada ao sistema fotovoltaico
têm efeito no ponto de potência máxima, sendo necessário um algoritmo de controlo
t
vo
vo
Δvo
DTs (1-D)Ts
tton toff
id = io
ΔQ
ΔQ
ΔQ
ΔQ
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 35 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
dinâmico que procure sempre o ponto de máxima potência. Esse algoritmo de controlo é
conhecido como Maximum Power Point Tracking (MPPT4).
A quantidade de energia produzida pelos painéis fotovoltaicos é dependente das
condições meteorológicas fazendo com que a saída não seja linear. Esta é conhecida
como a curva I-V. A curva I-V é uma característica dos painéis fotovoltaicos, e a partir
dela é possível determinar a curva P-V como foi explicado em 2.3.3.
O desenvolvimento da indústria fotovoltaica impulsionou o desenvolvimento dos
algoritmos de MPPT. Atualmente existem vários algoritmos que são modificados para
as diferentes situações em que são aplicados. De entre os vários algoritmos conhecidos
os mais utilizados são: tensão constante, corrente constante, perturbação e observação
(P&O) e condutância incremental (IC). De seguida serão apresentados os dois
algoritmos de MPPT que apresentam melhor desempenho [24].
Perturbação e Observação (P&O)
Este é o método de procura do ponto de máxima potência também conhecido
como Hill Climbing, é o mais usado por ser de fácil implementação. Consiste
basicamente num sistema de controlo do tipo tentativa-erro da potência produzida pelos
painéis.
O seu funcionamento consiste em periodicamente perturbar (alterar) o valor da
variável de referência que origina a alteração do duty-cycle que é aplicado ao conversor,
que por sua vez altera a potência produzida pelos painéis fotovoltaicos. Sempre que o
duty-cycle é alterado calcula-se um novo valor de potência que é comparado com o
valor obtido anteriormente. Se a potência aumentar depois da alteração do duty-cycle no
ciclo seguinte será alterado na mesma direção, caso ela diminua o duty-cycle será
alterado em sentido oposto [24]. Na Figura 2.30 apresenta-se o fluxograma que descreve
este algoritmo.
Este método é de fácil implementação porém apresenta algumas desvantagens, a
principal é de não operar no ponto de máxima potência mas sim oscilar em volta dele
devido ao método de tentativa-erro do seu princípio de funcionamento, desse modo não
aproveitando toda a energia produzida pelos painéis. Pode fracassar a busca do ponto de
potência máxima se houverem mudanças bruscas das condições atmosféricas.
Outro aspeto importante a ter em conta no algoritmo de P&O é o valor da
perturbação ( ) que se aplica à variável de referência, pois esta determina a precisão e 4 Os algoritmos de MPPT não só usados em sistemas solares fotovoltaicos, são também usados
para melhorar o desempenho de outras fontes não lineares.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
36 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
a velocidade com que o sistema converge para o ponto de máxima potência. Com uma
maior perturbação o sistema converge rápido para o ponto de máxima potência porém,
origina maiores oscilações em torno dele, o que reduz a eficácia do sistema devido ao
erro que é maior. Uma menor perturbação aumenta a eficácia por ter um erro menor em
relação ao ponto de máxima potência, porém faz com que o sistema seja mais lento.
Deste modo é necessário adequar o algoritmo para o sistema em que vai ser
empregue [24].
Figura 2.30 – Fluxograma do método de perturbação e observação (P&O).
Condutância Incremental (IC)
Este é um método que se baseia na condutância do painel, ou seja, no facto de a
derivada da potência de saída do painel em relação à tensão ser zero no ponto de
máxima potência. A equação (2.22) representa o valor de potência de saída dos painéis
solares [25]:
(2.22)
Igualando
a zero têm-se:
P(k) = V(k) * I(k)
ΔP = P(k) - P(k-1)
ΔV = V(k) - V(k-1)
ΔP > 0
ΔV > 0 ΔV > 0
Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV
V(k-1) = V(k)
P(k-1) = P(k)
Retoma
SimNão
SimNãoSimNão
Inicio
Ler V(k) e I(k)
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 37 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
(2.23)
Logo, sabe-se que:
{
(2.24)
Na Figura 2.31 apresenta-se o fluxograma que descreve este algoritmo.
Figura 2.31 – Fluxograma do método de condutância incremental (IC).
O seu princípio de funcionamento é similar ao método de P&O, pois o método de
procura do ponto de máxima potência é por tentativas, na medida em que é
periodicamente ajustada a variável de referência com vista a encontrar o ponto em que
, como se pode ver na Figura 2.31. A cada instante o sistema pode operar à
esquerda ou à direita do ponto de máxima potência, e alterando o valor da variável de
dI = I(k) - I(k-1)
dV = V(k) - V(k-1)
dV = 0
dI/dV = -I/V dI = 0
Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV
V(k-1) = V(k)
I(k-1) = I(k)
Retoma
SImNão
Inicio
Ler V(k) e I(k)
dI/dV = -I/V dI/dV = -I/V
SimSim
Não Não
Sim Não Não Sim
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
38 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
referência o sistema converge para o ponto de máxima potência. O valor da perturbação
aplicado à variável de referência é um elemento preponderante para o bom
funcionamento do algoritmo e tem que ser cuidadosamente dimensionado [25].
Ao contrário do método P&O este opera no ponto de potência máxima e não
oscila em torno deste, o que se traduz num erro menor em regime permanente. Além
disso com este algoritmo é possível atingir o ponto de máxima potência em condições
climatéricas instáveis. Importa salientar que apesar de se dizer que este método opera no
ponto de máxima potência na prática isso não é exequível, uma vez que este valor
sempre sofre algumas alterações por mais pequenas que sejam. e que fazem com que
oscile em volta do ponto de máxima potência [25].
2.4.3. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico
O inversor trifásico é um conversor CC-CA, é um circuito eletrónico que converte
uma grandeza elétrica contínua numa grandeza elétrica alternada, onde a amplitude e a
frequência são controladas. As grandezas elétricas em corrente alternada são necessárias
em várias aplicações como em filtros ativos de potência, sistemas fotovoltaicos de
ligação à rede elétrica ou ainda em sistemas fotovoltaicos de bombagem de água que é
caso do projeto a ser implementado nesta dissertação. Os inversores podem ser
considerados como VSI (Voltage Source Inverter) ou CSI (Current Source Inverter)
tendo em conta a forma de onda à saída, que podem ser monofásicos ou trifásicos [26].
Um inversor trifásico de tensão é um conversor estático que permite impor na
saída um sistema de tensões variáveis no tempo a partir de uma tensão contínua obtida à
entrada. É constituído por três braços de interruptores em meia ponte que operam
complementarmente. É utilizado em aplicações de média e alta potência ao contrário
dos inversores monofásicos que são usados para aplicações de baixa potência.
O inversor trifásico parte do princípio que cada braço corresponde a um inversor
monofásico como se pode ver na Figura 2.32. Os sinais de comando de cada inversor
monofásico devem estar desfasados 120º um em relação ao outro, para que se obtenha
um sistema trifásico equilibrado à saída. Os interruptores de cada braço operam
complementarmente, e cada interruptor é mantido ligado durante 180º e a cada 60º
ocorre uma comutação.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 39 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.32 – Esquemático de um conversor CC-CA inversor trifásico.
Para gerar um sistema trifásico a saída do inversor são necessários oito estados
que são conseguidos alternando o tempo de operação dos interruptores como se pode
ver na Tabela 2.1. Dos oito estados válidos dois produzem tensão nula a saída, e nos
restantes é produzida uma tensão diferente de zero. Com a finalidade de gerar a tensão
alternada na sua saída o inversor passa de um estado para o outro e os valores da tensão
alternada discretos varia ente , 0 e . A técnica de modulação é a responsável por
assegurar apenas os oito estados válidos e a transição de um para o outro [26].
Tabela 2.1 – Estados válidos do inversor de tensão trifásico.
Estado On Off
1 S1,S2,S6 S3,S4,S5 0
2 S1,S2,S3 S4,S5,S6 0
3 S2,S3,S4 S1,S5,S6 0
4 S3,S4,S5 S1,S2,S6 0
5 S4,S5,S6 S1,S2,S3 0
6 S1,S5,S6 S2,S3,S4 0
7 S1,S3,S5 S2,S4,S6 0 0 0
8 S2,S4,S6 S1,S3,S5 0 0 0
2.4.4. Técnica de Modulação PWM
O algoritmo de controlo usado no comando dos interruptores do inversor de
tensão trifásico é conhecido por técnica de modulação. As técnicas de modulação mais
usadas são a PWM e a SVM (Space Vector Modulation).
S2
S1 S3
S4
S5
S6
Vi
a
bc
D1
D2
D3
D4
D5
D6
ia
Vab
Vbc
Vca
ic
ib
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
40 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A base de funcionamento da modulação PWM foi abordada em 2.4.1, e sabe-se
que com esta técnica é possível modular maior parte dos sinais a partir da série de
impulsos de alta frequência gerados por esta técnica. Para gerar o sistema trifásico
equilibrado são necessários três sinais sinusoidais iguais em amplitude e frequência
desfasados 120º entre si, que são comparados com uma onda triangular de frequência
elevada como se pode ver na Figura 2.33. Esta técnica é denominada SPWM
(Sinusoidal Pulse-Width Modulation) [26].
Figura 2.33 – Modulação SPWM: (a) SPWM a portadora e os sinais de referência; (b) Estado do
interruptor S1; (c) Estado do interruptor S3 (adaptada de [26]).
A frequência de comutação dos interruptores do inversor trifásico é definida pela
frequência do sinal da portadora (com amplitude constante e frequência constante
). O sinal de referência ou de controlo ( de amplitude e de frequência) que se
pretende modular à saída do inversor é responsável por modular o duty-cycle aplicado
aos interruptores. A razão da modulação em amplitude é dada pela equação (2.25) e
a razão de modulação em frequência pela equação (2.26) [26].
(2.25)
(2.26)
Usando uma única onda portadora e com vista a preservar as características do
PWM, e necessário que a razão da modulação em frequência seja um múltiplo impar
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 41 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
de três. Deste modo, todas as tensões das fazes ( e )5 serão iguais e
desfasadas 120º, e as harmónicas de frequências múltiplas de três serão idênticas em
amplitude e fase para todas as fases.
Na Figura 2.34 a) esta representada a tensão entre as fases e ( )6, onde é
possível observar a largura dos pulsos, a tensão de entrada , e a tracejado o valor da
tensão alternada à saída . E na Figura 2.34 b) está representado o espectro da tensão
de saída.
Figura 2.34 – Tensão entre fases do inversor trifásico: (a) Tensão alternada de saída ; (b) Espectro da
tensão alternada de saída (adaptada de [26]).
Sabendo que a tensão e corrente são contínuas à entrada do inversor trifásico a
comutação dos interruptores quando este opera, faz com que a corrente na fonte seja
consumida em picos como se pode ver na Figura 2.35.
Figura 2.35 – Corrente no barramento CC: (a) Corrente a entrada do inversor trifásico; (b) Espectro da
corrente a entrada do inversor (adaptada de [26]).
5 e – Tensões trifásicas fase neutro. 6 0,8*0,866 – Representa o valor máximo da amplitude da tensão alternada a saída que é dada
pela fórmula seguinte ̂ √
sabendo que 0 < ≤1.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
42 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Na Figura 2.36 estão representadas as formas de onda da corrente alternada numa
fase à saída do inversor nomeadamente a fase , assim como a corrente no interruptor e
no respetivo díodo. É de salientar que quando o interruptor conduz o díodo não e vice-
versa.
Figura 2.36 – Corrente de saída do inversor trifásico: (a) Corrente alternada de saída na fase ;
(b) Corrente no interruptor S1; (c) Corrente no díodo D1 (adaptada de [26]).
2.4.5. Controlo V/F (V/Hz) Constante
O motor de indução ou assíncrono é uma máquina elétrica construída para
transformar energia elétrica em mecânica. Nos motores de indução a transformação é
conseguida graças à indução eletromagnética. Estes motores são muito usados em
diversas aplicações pois são robustos, de baixo custo. A velocidade é controlada pela
variação da frequência da tensão que é aplicada ao motor. Como estes motores são
largamente usados os conversores eletrónicos associados têm-se desenvolvido
muito [27].
O motor de indução trifásico é constituído por duas partes, uma fixa (o estator) e
outra giratória (o rotor). O estator é composto por três enrolamentos (bobinas)
desfasados 120º fisicamente, e o rotor, que pode ser bobinada ou em gaiola de esquilo é
composto por um núcleo ferromagnético e um conjunto de condutores. Quando as
correntes trifásicas circulam pelas bobinas do estator criam um campo magnético
girante no estator, este campo vai induzir correntes no rotor. As correntes que circulam
nos condutores do rotor imersos no campo magnético do estator dão origem a uma força
no sentido do campo girante criando assim o movimento giratório.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 43 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A velocidade de sincronismo ( ) é a taxa de rotação do campo magnético girante
criado no estator quando lhe é aplicado uma sistema de tensões trifásicas, e é dada pela
equação (2.27) em rpm (rotações por minuto) [27]:
(2.27)
Onde:
– frequência da tensão de alimentação.
– numero de pares de polos.
A velocidade de rotação do rotor ( ) não é a mesma que a de sincronismo ( ), a
razão entre a diferença entre a velocidade de rotação do rotor e a velocidade de rotação
do campo girante designa-se deslizamento ( ). Na equação (2.28) está representada a
expressão do deslizamento [27].
(2.28)
O binário ( ) desenvolvido pelo motor é uma característica mecânica ou seja, é a
força rotacional que o motor disponibiliza no eixo. A curva característica do binário em
relação a velocidade é representada na Figura 2.37, esta curva é importante para se saber
se o motor é adequado às características mecânicas da carga. É possível notar que
quando a velocidade é nula o motor já desenvolve binário, quando a velocidade vai
aumentando o binário cresce até o seu ponto máximo e depois atinge a zona de perda de
binário e vai a zero quando se atinge a velocidade máxima de rotação.
Figura 2.37 – Curva de binário do motor (adaptada de [27]).
Os métodos de controlo dos motores de indução encontram-se divididos em dois
grandes grupos, o controlo escalar e vetorial. O controlo escalar, controla a amplitude da
frequência e/ou da tensão aplicados ao motor de modo a manter o fluxo constante.
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
44 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Enquanto o controlo vetorial é usado em aplicações de alta performance em que além do
controlo da velocidade é necessário controlar o binário produzido pelo motor.
O método de controlo proposto neste trabalho de dissertação é um método escalar
comummente usado em aplicações de controlo de velocidade sem precisão, o controlo
V/F (V/Hz) constante em malha aberta. Este método altera a amplitude da tensão e da
frequência proporcionalmente com vista a manter o fluxo do motor constante. Mantendo
o fluxo do motor constante é possível manter o seu binário, deste modo fazendo com
que ele opere numa ampla faixa de velocidades. A relação entre a tensão e a frequência
no controlo V/F em malha aberta pode ser vista na Figura 2.38.
Figura 2.38 – Relação entre a tensão e a frequência no controlo V/F em malha aberta.
Apesar de ser um controlo em malha aberta, na prática não é exatamente isso que
acontece, pois é necessário monitorizar uma das variáveis para garantir o bom
funcionamento do motor. Por algum motivo pode haver uma sobretensão que pode
originar o aumento da velocidade, devido ao facto da frequência estar acima da
nominal, o que provoca redução do binário produzido pelo motor, passando este a
operar na zona de binário enfraquecido [27].
Na Figura 2.39 é de notar que com este controlo até aos 50Hz todas as curvas de
binário para frequências inferiores são paralelas, pois o valor nominal da frequência do
motor são 50Hz. Para frequências superiores a máquina passa operar na zona de
enfraquecimento de campo e as curvas do binário alteram-se completamente. Neste
exemplo, se o binário de carga mecânica a ser acionada pelo motor fosse de 100N/m o
motor conseguia acionar a carga a velocidades que variam entre 0 e um valor
ligeiramente inferior a 2400rpm, por causa do deslizamento. Mas se o binário da carga
fosse 400N/m só poderia ser acionada até velocidades inferiores a 1200rpm
f (Hz)
V (rms)
220
110
5025
const = V/F
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 45 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 2.39 – Características mecânicas de um motor controlado por V/F constante (adaptada de [27]).
Este é o método é largamente usado em várias aplicações industriais
nomeadamente na bombagem de líquidos ou ventilação, aplicações onde a precisão da
velocidade não é um fator importante. Na Figura 2.40 pode ser visto um diagrama de
blocos do controlo V/F constante em malha aberta. O controlo do motor é feito com
parâmetros que não estão diretamente ligados ao motor, neste caso a variável que
comanda o controlo V/F constante é a tensão do barramento CC, consoante o valor da
tensão no barramento CC calcula-se os novos valores de referência tensão e frequência.
Uma vez calculada a nova referência esta passa pela modulação que pode ser PWM ou
SVM, para depois serem aplicados os pulsos ao inversor VSI que pode ser por
MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) ou IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor).
Figura 2.40 – Diagrama de blocos do controlo V/F constante em malha aberta.
2.5. Conclusões
O objetivo deste capítulo foi o de pormenorizar o sistema de bombagem de água
alimentados por painéis solares fotovoltaicos a ser implementado neste projeto de
Motor de
Indução
Inversor trifásico
V/f constante
Modulção
PWM
SVM
Barramento CC
Controlo do motor de indulção
CC
Va
Vb
Vc
S1
S4
S3
S6
S5
S2
Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
46 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
dissertação. Os sistemas de bombagem de água alimentados por painéis solares
fotovoltaicos são equipamentos de eletrónica de potência constituídos por três principias
elementos, o sistema fotovoltaico gerador de energia, o conversor eletrónico de potência
e o conjunto motor-bomba.
O painel ou painéis solares fotovoltaicos são responsáveis pela produção de
energia que alimenta o sistema de bombagem, ou seja, são a fonte de energia. Os painéis
existentes no mercado apresentam diferentes características de potência, a tensão e
corrente no ponto de máxima potência. Estes podem ser instalados em paralelo ou em
série entre si consoante as necessidades do sistema a alimentar.
O conversor eletrónico de potência é um elemento fundamental no sistema de
bombagem pois é o responsável por interligar os painéis fotovoltaicos e o conjunto
motor-bomba, tem a função de transformar a energia fornecida pelos painéis e adequá-la
de modo a ser transferida para a bomba. As condições nominais de funcionamento do
motor-bomba é que determinam os estágios de transformação da energia entre o
elemento gerador e o motor-bomba. As bombas que funcionam em CC carecem apenas
de um estágio de transformação de modo a adequar o valor da tensão de alimentação.
Nos casos em que o motor da bomba funciona em pode ser necessário um ou mais
estágios para de transformação dessa energia. Se o nível de tensão for adequado para
gerar uma tensão CA de alimentação da bomba só é necessário um estágio, caso isso
não se verifique é necessário um primeiro estágio para elevar a amplitude usando
conversores CC-CC, de seguida será invertida por conversores CC-CA.
Com vista a tornar o sistema mais eficiente é necessário que o rendimento dos
conversores eletrónicos seja elevado. Para aproveitar o máximo de energia produzida
pelos painéis solares é usado um algoritmo MPPT. Este algoritmo foi integrado no
conversor CC-CC. O algoritmo integrado no conversor CC-CA recomendado para o
controlo do motor de indução é o V/F contante, que é muito aplicado no controle de
velocidade de motores, em aplicações precisão da velocidade não é importante.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 47 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
CAPÍTULO 3
Dimensionamento e Simulações Computacionais do
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por
Painéis Solares Fotovoltaicos
3.1. Introdução
Depois de no capítulo anterior ter descrito os principais elementos constituintes do
sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, neste
capítulo será apresentado todo o dimensionamento e as respetivas simulações
computacionais de validação. As simulações servem como auxílio para análise
comportamental do sistema, em regime permanente e transitório, tendo em conta as
características do hardware dimensionado para a montagem prática do projeto.
No desenvolvimento de um projeto de eletrónica de potência as simulações
desempenham um papel preponderante na escolha e dimensionamento dos componentes
do sistema elétrico antes da sua implementação prática. Com as aplicações de simulação
de circuitos eletrónicos é possível poupar tempo e dinheiro na escolha da solução mais
adequada, e garantir segurança do sistema implementado quando se opera com
potências de valores consideráveis.
O presente capítulo inicialmente vai apresentar as simulações individuais dos
circuitos constituintes do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares
fotovoltaicos, nomeadamente o sistema de painéis fotovoltaicos, o conversor CC-CC do
tipo boost e o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. E por fim a simulação de todos
os circuitos a operarem em conjunto.
3.2. PSIM
O desenvolvimento das ferramentas usadas na simulação de circuitos de eletrónica
de potência permitem aos utilizadores escolher qual se adapta melhor às suas
necessidades. Destacam-se no mercado alguns softwares de simulação como: Matlab-
Simulink (Matrix Laboratory), PSCAD/EMTCC (Power System Computer Assisted
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
48 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Design/ Electro-Magnetic Transients for DC), PSIM (Power Simulator) e SPICE
(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis).
O simulador selecionado foi o PSIM, software especialmente dedicado à análise e
controlo de circuitos de eletrónica de potência. Esta ferramenta é bastante abrangente no
que se refere a sistemas de potência, permitindo simular quase todo tipo de sistemas,
tais como: fontes de energias renováveis, conversores CC-CC, conversores CC-CA,
drivers de motores, filtros ativos entre outros. O seu ambiente gráfico é simples e
bastante intuitivo como se pode ver na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Ambiente gráfico do software PSIM.
Outra ferramenta do PSIM é o Simview (Figura 3.2), que permite visualizar as
formas de onda dos sinais elétricos do circuito construído. Permitindo deste modo ao
utilizador poder analisar e obter uma noção aproximada do funcionamento do circuito,
por observação das formas de onda dos sinais selecionados.
Outro aspeto importante que é uma grande vantagem do PSIM quando comparado
aos outros simuladores, é o facto de o sistema de controlo poder ser implementado com
um bloco digital programado em linguagem C (Figura 3.3). Deste modo emulando um
microcontrolador o que aproxima bastante o sistema da realidade, e permite testar o
código que será posteriormente implementado no microcontrolador.
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 49 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.2 – Ambiente gráfico da ferramenta Simview do software PSIM.
Figura 3.3 – Bloco C do PSIM.
3.3. Painéis solares fotovoltaicos
Os painéis solares fotovoltaicos são fontes de energia com características próprias,
por isso não pode ser feita a sua emulação com base numa fonte CC comum. O circuito
equivalente de uma célula fotovoltaica pode ser visto na Figura 3.4. A fonte de corrente
representa a radiação solar diretamente proporcional à corrente da fonte, em paralelo
com um díodo que representa a junção P-N da célula. A resistência ( ) em paralelo
com a fonte representa a corrente de fuga para a terra, e as perdas internas devido ao
fluxo da corrente, a ligação entre as células é representada pela resistência ( ) em
serie. e representam a corrente e a tensão aos terminais da célula fotovoltaica.
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
50 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.4 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica.
Na versão 9,0 do software PSIM foi acrescentada a componente de fontes de
energias renováveis, nas quais é possível emular uma turbina eólica e painéis solares
fotovoltaicos. No último estão disponíveis duas possibilidades o modelo físico e o
modelo funcional. O modelo funcional é limitado, considerando somente algumas
características do painel, enquanto o modelo físico, abrange todas características do
painel fotovoltaico relevantes para aproximar ao máximo o modelo do comportamento
real do painel solar fotovoltaico.
A componente das energias renováveis possui uma ferramenta designada de
“Solar Module (phisical model)” que permite ao utilizador introduzir as características
do painel que vai usar e ajustar as do modelo de modo a que se assemelhem às
características fornecidas. Além de poder introduzir as características do painel, esta
utilidade apresenta de forma gráfica, as curvas do painel fotovoltaico. Nomeadamente a
curva I-V (corrente-tensão) e a curva P-V (potência-tensão).
Considerando as características de aplicação do sistema proposto será necessária
uma baixa potência em painéis solares fotovoltaicos, aproximadamente 1000W. Para
conseguir esta potência foram usados para o modelo de simulação os painéis
fotovoltaicos da BP (British Petroleum) de referência BP 2150S. As principais
características deste painel solar fotovoltaico estão apresentadas na Tabela 3.1.
Associando em série 7 paneis solares fotovoltaicos (BP 2150S) obtêm-se uma
potência máxima do conjunto de 1050W, ao que corresponde um valor de tensão
aproximadamente 238V e uma corrente de 4,45A no ponto de potência máxima.
Na Figura 3.5 pode-se ver o modelo do gerador fotovoltaico composto pelos 7
painéis, usando a ferramenta “Solar Module (phisical model)”.
Rsh
Rs
-
+
vph
idish
iph
i D
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 51 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Tabela 3.1 – Características do painel solar fotovoltaico da BP de referência BP 2150S [28].
Características do módulo Valor
Potência Máxima (W) 150
Tensão MPP (V) 34
Corrente em MPP (A) 4,45
Tensão de sistemas máxima (V) 600
Tensão em circuito aberto (V) 42,8
Corrente em curto-circuito (A) 4,75
Coeficiente de temperatura VOC (V/ºC) -(0,16±0,02)
Potência máxima mínima garantida (W) 130
Coeficiente de temperatura ISC (mA/ºC) (65±15)
NOTC (ºC) 47±2
Figura 3.5 – Parametrização do modelo dos painéis fotovoltaicos.
Do lado direito da Figura 3.5 está representado o utilitário Solar Module (phisical
model) onde á possível ajustar características do modelo dos painéis solares
fotovoltaicos que vão ser usados. Quando as características dos painéis estiverem
ajustadas são transferidas para o modelo do painel fotovoltaico do ambiente de
simulação, à esquerda da figura.
O modelo de simulação dos painéis solares fotovoltaicos é bastante útil, por ser
possível ajustar os parâmetros do painel de modo a que o modelo de simulação se
aproxime o máximo das condições reais de operação. Uma das grandes vantagens é o
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
52 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
facto de se poder simular as condições climatéricas a que os painéis estarão sujeitos. É
possível modificar o valor da radiação solar (S) e a temperatura (T) deste modo
alterando a potência produzida pelos painéis solares fotovoltaicos, o que é uma grande
vantagem para verificar o funcionamento dos algoritmos de MPPT.
3.4. Conversor CC-CC do tipo Boost
A tensão disponível à saída do conjunto de painéis fotovoltaicos é de 238V, e
como à entrada do inversor é necessário no mínimo uma tensão 380V, para obter na
saída se obter os 230V eficazes, é necessário elevar a tensão dos painéis. Para elevar a
tensão optou-se pelo conversor CC-CC do tipo boost descrito no subcapítulo 2.4.
Os valores que serviram de base ao dimensionamento dos componentes foram as
tensões de entrada 238V, tensão de saída 400V, frequência de comutação de 100kHz e
ripple da tensão de saída de 2,5%. Destaca-se o facto de se pretender que o conversor
opere no modo de condução contínua. Usando as equações apresentadas em 2.4.1, pode
obter-se:
Duty-cycle:
[ ]
Resistência de saída:
Indutância:
( )
( )
Condensador:
( )
(
)
Os valores dos componentes acima calculados serviram de base para a simulação
do conversor CC-CC, mas importa salientar que sofreram alterações devido à dinâmica
de funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Além de ser o responsável pela
transferência de energia entre a fonte e carga do conversor boost, a indutância é
determinante no modo de operação do conversor. Ou seja, consoante a dinâmica da
fonte de tensão à entrada do conversor o valor baixo da indutância pode fazer com que
este opere no modo de condução descontínua, e para evitar essa situação é necessário
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 53 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
aumentar o valor da indutância. O modelo do circuito simulado no software PSIM pode
ser visto na Figura 3.6. O interruptor usado foi um MOSFET por este poder operar
numa larga gama de valores de frequência.
Figura 3.6 – Modelo de simulação do conversor CC-CC do tipo boost com o conjunto de painéis como
fonte de energia.
A principal função dos conversores CC-CC é controlar o valor da tensão de saída,
para que esta esteja dentro dos níveis da tensão pretendida. O método usado para
controlar a tensão de saída foi o PWM com um controlador PI (proporcional e integral).
Este é um método muito usado no controlo dos conversores CC-CC e é bastante simples
como se pode ver na Figura 3.7.
Figura 3.7 – Controlo do conversor CC-CC do tipo boost.
Consiste na comparação da tensão de saída ( ) com a tensão de referência ( )
que é a tensão desejada à saída do conversor. O erro resultante da comparação depois de
ajustado pelo controlador PI é comparado com uma onda triangular, cuja frequência
corresponde à frequência de comutação desejada para o conversor. Da comparação
resultam os pulsos que são aplicados ao interruptor ( ). A largura dos pulsos, ou
o duty-cycle não é fixo, vai-se alterando até que se atinja o estado de regime
permanente. A ação de controlo é conseguida por atuação no duty-cycle.
Para o teste do conversor boost foram admitidas as suas condições ideias de
funcionamento, ou seja no ponto de máxima potência do conjunto de painéis solares
fotovoltaicos. Os resultados obtidos são apresentados de seguida.
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
54 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A Figura 3.8 a) representa a forma de onda da tensão produzida pelos painéis, é de
notar que no início o valor da tensão é cerca de 280V vai decrescendo até um valor
médio próximo de 250V (valor de tensão ligeiramente superior ao previsto) quando o
sistema atinge o regime permanente.
Figura 3.8 – Formas de onda da tensão do conversor boost: (a) Tensão produzida pelos painéis solares
fotovoltaicos; (b) Tensão à saída do conversor.
No estado inicial o valor da tensão corresponde à tensão de circuito aberto, baixa
progressivamente até estabilizar no valor da tensão do ponto de máxima potência em
carga. Em sentido contrário o valor da tensão de saída parte de um valor baixo e cresce
até atingir o valor máximo cerca de 390V de valor médio (valor de tensão ligeiramente
inferior ao previsto) como se verifica na Figura 3.8 b). As duas formas de onda
apresentam um ripple provocado pela comutação do semicondutor de potência o
MOSFET.
A corrente produzida pelos painéis solares fotovoltaicos varia entre o seu valor
máximo e o valor mínimo, graças a uma adequando dimensionamento da indutância é
possível atenuar essa variação evitando que o circuito entre no modo de operação
descontínua. A forma de onda da corrente produzida pelos painéis fotovoltaicos ( ) tem
o mesmo aspeto da forma da corrente à saída do conversor ( ) o que difere é a
amplitude que diminui de cerca de 4,1A para 2,6A respetivamente, como se pode
verificar na Figura 3.9.
0 1 2 3Time (s)
0
100
200
300
400
vpainel
0 1 2 3Time (s)
0
100
200
300
400
vo
(V)
(b)(a)
(V)
Tempo (s) Tempo (s)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 55 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.9 – Formas de onda da corrente do conversor boost: (a) Corrente produzida pelos painéis solares
fotovoltaicos; (b) Corrente à saída do conversor.
Uma forma de avaliar os sistemas solares é o rendimento da potência do sistema,
ou seja a relação entre a potência disponível e a potência que é extraída do sistema
solar. Mediante certas condições meteorológicas os painéis produzem uma dada
potência máxima ( ), que pode ou não ser aproveitada na sua totalidade pelo sistema
ao qual se encontram ligados.
A Figura 3.10 a) representa o valor máximo de potência disponível nos painéis
solares fotovoltaicos, que é cerca de 1050W para as condições meteorológicas a que foi
feita a simulação (S=1000W/ e T=25ºC). A Figura 3.10 b) reproduz o valor da
potência aproveitada pelo conversor CC-CC, que são 1014W de valor médio quando o
sistema atinge o estado de regime permanente. Importa referir que esta simulação foi
feita sem o algoritmo de MPPT ativo.
Figura 3.10 – Potências do sistema: (a) Potência produzida pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos;
(b) Potência do conversor CC-CC do tipo boost.
0 1 2 3Time (s)
0
2
4
6
8
10
io
0 1 2 3Time (s)
0
2
4
6
8
10
ipainel
(A)
(b)(a)
(A)
Tempo (s) Tempo (s)
0 1 2 3Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200Pmax
0 1 2 3Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200Ppainel
Tempo (s)
(W)
(b)(a)
(W)
Tempo (s)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
56 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A potência extraída apresenta um ripple, consequência do ripple da tensão e
corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.
3.5. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico
O inversor de tensão trifásico é o responsável por converter a tensão CC à saída
do conversor do tipo boost para um sistema equilibrado de tensões trifásicas para
alimentar o motor da bomba de água. Admitindo que a carga será ligada em triângulo é
necessário que o barramento CC tenha uma tensão superior a 380V para se conseguir
obter uma tensão trifásica de 230V RMS na saída CA do conversor.
O conversor CC-CA VSI simulado é mostrado na Figura 3.11, é composto por
três braços de interruptores de potência que neste caso são do tipo MOSFET, e a carga
trifásica composta por uma resistência e uma indutância em cada fase representa os
enrolamentos do motor ligado em triângulo. A fonte de tensão de entrada foi
configurada para o nível de tensão do barramento CC que será proveniente do conversor
CC-CC do tipo boost.
Figura 3.11 – Modelo de simulação do conversor CC-CA do tipo VSI.
Nos sistemas de bombagem de água a precisão da velocidade do motor não é um
fator preponderante, porém o binário desenvolvido por este é importante para que seja
possível efetuar a bombagem. E o controlo mais comum para este tipo de sistemas é o
escalar também conhecido como V/F cujo princípio de funcionamento foi anteriormente
explicado em 2.4.5. A relação constante entre o valor da tensão e frequência foi
conseguido usando a tensão disponível no barramento CC como referência para o
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 57 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
cálculo da frequência. Deste modo se a tensão no barramento CC baixa a frequência de
saída será ajustada mantendo a mesma proporção.
O intuito das simulações é prever o comportamento da montagem prática dos
circuitos como foi referido, por esse motivo para testar este controlo foram consideradas
as características do hardware disponível para a implementação. Sendo o sistema digital
de 8 bits com capacidade de processamento limitada que consequentemente o número
de patamares de frequência, por isso foram definidos níveis de operação. Em vez de ser
aplicada ao motor a frequência calculada para os diferentes valores da tensão no
barramento CC de forma contínua e linear, a frequência é aplicada para uma gama de
valores previamente definidos. Serve como exemplo a seguinte situação, para valores de
tensão entre 360 e 400V a frequência é de 50Hz, e para tensões entre 320 e 360V a
frequência é de 45Hz e assim em diante.
Os valores calculados pelo sistema de controlo V/F são aplicados aos
interruptores de potência pela modulação PWM que já foi descriminada em 2.4.4 como
se pode observar na Figura 3.12.
Figura 3.12 – Bloco de controlo do conversor CC-CA com o método de controlo V/F.
Este controlo foi implementado usando um bloco C do software PSIM, os
resultados obtidos são apresentados de seguida.
Tabela 3.2 – Valores obtidos nos resultados da simulação.
Frequência (Hz)
Valor médio da
tensão de entrada
CC (V)
Valor RMS da
tensão alternada
composta (A)
Valor RMS da
corrente alternada
da fase a (A)
50 400 230 2,74
45 350 202 2,15
40 315 181 1,72
Na Figura 3.13 estão representados os gráficos com a variação temporal das
principais variáveis que estão diretamente relacionadas com o controlo V/F. A variável
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
58 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
de controlo é a tensão disponível no barramento CC, como se pode verificar na
Figura 3.13 a) inicialmente esta se encontra com o valor de 400V. Este é ponto nominal
de operação do conversor CC-CA, a frequência é de 50Hz, e a tensão composta 230V.
Se o valor da tensão no barramento CC baixar, por diminuição da potência disponível
nos painéis, esta tem efeito sobre a amplitude da tensão e, consequentemente, na
frequência de operação como se pode observar na Figura 3.13 b) c) d).
Figura 3.13 – Tensões do conversor CC-CA: (a) Tensão à entrada do conversor CC-CA; (b) Tensão à
saída entre as fases e ; (c) Tensão à saída entre as fases e c; (d) Tensão à saída entre as fases e .
Na Figura 3.14 estão representados os gráficos com a variação da frequência de
operação do conversor, resultante da variação da tensão de entrada, e as respetivas
correntes de saída do conversor CC-CA.
A validação do funcionamento dois circuitos de forma independentemente, antes
de se prosseguir para a simulação do sistema completo foi a metodologia encontrada
para poder explorar as potencialidades de cada circuito e poder otimizar o
funcionamento dos mesmos. De seguida será abordado o modelo de simulação do
sistema de bombagem de água completo.
2 2.2 2.4Time (s)
280
300
320
340
360
380
400
vi
2 2.2 2.4Time (s)
0
-200
-400
200
400
vab
Tempo (s)
(a)
(b)
2 2.2 2.4Time (s)
0
-200
-400
200
400
vbc
(c)
2 2.2 2.4Time (s)
0
-200
-400
200
400
vca
Tempo (s)
(d)
(V)
(V)
(V)
(V)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 59 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.14 – Frequência e correntes do conversor CC-CA: (a) Frequência de saída do conversor; (b) Corrente de saída na fase ; (c) Corrente de saída na fase ; (d) Corrente de saída na fase .
3.6. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares
Fotovoltaicos
O sistema de bombagem de água é composto pelos três circuitos anteriormente
apresentados, o conjunto de painéis solares fotovoltaicos, o circuito conversor CC-CC
do tipo boost, o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico e pelo conjunto motobomba. O
modelo de simulação do sistema de bombagem pode ser visto na Figura 3.15. É de notar
que a resistência de saída do conversor CC-CC foi retirada, tal como a fonte de entrada
do conversor CC-CA. Pois estes serviam somente para testes dos respetivos conversores
de potência.
2 2.2 2.4Time (s)
0
-2
-4
2
4
ib
2 2.2 2.4Time (s)
40
42
44
46
48
50
frequencia
(a) (c)
(Hz)
2 2.2 2.4Time (s)
0
-2
-4
2
4
ia
(A)
2 2.2 2.4Time (s)
0
-2
-4
2
4
ic
Tempo (s) Tempo (s)
(A)
(A)
(b) (d)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
60 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.15 – Modelo de simulação do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares
fotovoltaicos.
Para a operação do sistema de bombagem de água é necessário que este seja capaz
de controlar todos os circuitos constituintes do sistema. Nomeadamente extrair o
máximo de potência dos painéis, controlar o conversor CC-CC e o conversor CC-CA.
Os controladores do conversor CC-CC e do conversor CC-CA foram abordados nos
subcapítulos 3.4 e 3.5 respetivamente. Para extração da máxima potência dos painéis foi
implementado um algoritmo de MPPT como anteriormente referido.
3.6.1. Algoritmo de MPPT
Como se sabe a radiação solar durante o dia altera, consequentemente a potência
produzida pelos painéis solares fotovoltaicos. Um controlo “cego” do conversor CC-
CC, não tem em consideração a potência disponível à entrada mantendo a tensão de
saída constante o que pode levar a um desperdício de muita da potência que os painéis
produzem. Por esse motivo é necessário um controlo dinâmico que consiga controlar a
tensão de saída em função da potência que temos à entrada. Os algoritmos MPPT
desempenham essa função, e podem ser integrados no controlo do conversor CC-CC ou
no conversor CC-CA.
Neste projeto optou-se por integrar o algoritmo MPPT no controlo do conversor
CC-CC. Inicialmente o algoritmo selecionado foi a condutância incremental por se
saber que este apresenta melhores resultados, como foi referido em 2.4.2. O algoritmo
de controlo foi implementado usando o bloco C disponível no software PSIM, o que
facilita a futura implementação no microcontrolador que também pode ser programado
em linguagem C. O bloco representativo pode ser visto na Figura 3.16, onde estão
representadas as variáveis de entrada: tensões do painel ( ) e de saída do
conversor ( ) e corrente do painel ( ). Na saída ( ) que depois de
modulada por PWM é aplicada ao MOSFET do conversor CC-CC.
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 61 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.16 – Boco de controlo do conversor CC-CC com algoritmo MPPT implementado.
O ajuste dos parâmetros do algoritmo de MPPT requer alguma sensibilidade, por
isso é necessário algum cuidado quando são implementados. Destes destaca-se o ajuste
da variável de perturbação que é muito importante para a otimização do funcionamento
do algoritmo. Esta variável se for mal dimensionada pode provocar variações bruscas na
variável de referência o que pode causar instabilidade ou mau funcionamento do sistema
em causa.
Inicialmente optou-se pela implementação do algoritmo de MPPT de condutância
incremental, porém as características do hardware nomeadamente o microcontrolador
não possuíam capacidade para tal. Como se pretende uma solução de baixo custo, e
dadas as características da aplicação, optou-se por implementar um algoritmo mais
simples, em detrimento da substituição do microcontrolador. Por esse motivo optou-se
pela abordagem mais usada e de simples implementação o algoritmo de controlo
perturbação e observação. O algoritmo P&O exige menos recursos de processamento
quando comparado com o algoritmo de condutância incremental. Ainda pelas limitações
de processamento do hardware escolhido foi necessário implementar em separado o
controlo do conversor CC-CC e do conversor CC-CA.
3.6.2. Resultados de Simulação do Sistema de Bombagem de Água Alimentado
por Painéis Solares Fotovoltaicos
Uma forma de verificar que o sistema opera conforme o desejado, é verificar se a
potência máxima disponível nos painéis ( ) está a ser totalmente aproveitada pelo
sistema de bombagem de água. Para verificar o funcionamento do sistema de
bombagem foram testadas duas situações: a primeira foi para o ponto de operação
nominal do sistema e a segunda quando a potência disponível nos painéis varia.
A potência máxima ( ) disponível nos painéis é de 1050W e o valor médio da
potência extraída dos painéis ( ) é de 1043W quando o sistema atinge o regime
permanente. A Figura 3.17 mostra a evolução temporal destas duas grandezas durante o
arranque do sistema até ao regime permanente.
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
62 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.17 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares fotovoltaicos;
(b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.
O valor da potência máxima é dado pelo modelo dos painéis solares fotovoltaicos
e corresponde ao ponto de máxima potência em função da radiação e temperatura, e o
valor da potência extraída ( ) destes é calculada multiplicando a corrente e a
tensão à saída do conjunto dos painéis solares fotovoltaicos. Observando a escala de
tempo dos gráficos da Figura 3.17 pode-se verificar que este é um sistema lento, leva
cerca de 3,06s para atingir o regime permanente. Quando comparado com outros
sistemas os solares fotovoltaicos são lentos, pois as variações da temperatura ambiente e
da radiação solar são lentas.
Como se pode ver na Figura 3.18 b) a tensão à saída do conversor CC-CC ou seja,
a tensão do barramento CC cresce lentamente até atingir o seu valor máximo de 381V
(valor médio), enquanto a tensão dos painéis Figura 3.18 a) decresce partindo do ponto
de tensão de circuito aberto de 288V até atingir o valor de tensão no ponto de potência
máxima 239V. A corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos cresce até atingir
a corrente do ponto de máxima potência 4,4A (valor médio) como ilustra a
Figura 3.18 c).
No conversor CC-CA foi implementado um controlo V/F em que a tensão no
barramento CC serve como variável de controlo para o ajuste da tensão, e frequência da
saída, esta terá um efeito na amplitude e na frequência da tensão a saída do conversor
CC-CA como ilustrado na Figura 3.19.
0 2 4 6Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200Ppainel
0 2 4 6Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200Pmax
Tempo (s)
(W)
(b)(a)
(W)
Tempo (s)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 63 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 3.18 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis solares fotovoltaicos;
(b) Tensão de saída do conversor CC-CC; (c) Corrente fornecida pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos.
Figura 3.19 – Tensão entre fases filtradas à saída do conversor CC-CA.
No lado esquerdo da Figura 3.19 estão representadas as tensões trifásicas ao longo
de todo o tempo de simulação (7s) para ser visível a variação no tempo da amplitude da
0 2 4 6Time (s)
0
100
200
300
400
vpainel
0 2 4 6Time (s)
0
100
200
300
400
vo
Tempo (s)
(V)
(b)(a)
(V)
Tempo (s)
0 2 4 6Time (s)
0
2
4
6
8
10
ipainel
Tempo (s)
(A)
(c)
0-200-400
200400
vab
0-200-400
200400
vbc
6.8 6.9 7Time (s)
0-200-400
200400
vca
0-200-400
200400
vab
0-200-400
200400
vbc
0 2 4 6Time (s)
0-200-400
200400
vca
(V)
Tempo (s) Tempo (s)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
64 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
tensão. À direita estão representadas as formas de onda num curto tempo para ser
possível verificar a sua forma sinusoidal.
Na Figura 3.20 são representadas as mesmas tensões que na Figura 3.19 porém
sem serem filtradas.
Figura 3.20 – Tensão entre fases não filtradas à saída do conversor CC-CA.
As correntes em cada uma das fases à saída do conversor CC-CA podem ser vistas
na Figura 3.21 (à esquerda), estas crescem até atingir o valor máximo de 2,7A RMS
quando o sistema atinge o ponto de potência máxima. Tal como acontece com as formas
de onda das tensões não é possível distinguir a sua forma sinusoidal. Assim à direita da
Figura 3.21 é possível ver a sua forma quando o sistema se encontra em regime
permanente.
Figura 3.21 – Corrente nas fases à saída do conversor CC-CA.
0-200-400
200400
vab_
0-200-400
200400
vbc_
6.8 6.9 7Time (s)
0-200-400
200400
vca_
0-200-400
200400
vab_
0-200-400
200400
vbc_
0 2 4 6Time (s)
0-200-400
200400
vca_
(V)
(V)
(V)
(V)
(V)
(V)
Tempo (s) Tempo (s)
0-2-4
24
ia
0-2-4
24
ib
6.8 6.9 7Time (s)
0-2-4
24
ic
0-2-4
24
ia
0-2-4
24
ib
0 2 4 6Time (s)
0-2-4
24
ic
Tempo (s)
(A)
(A)
(A)
Tempo (s)
(A)
(A)
(A)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 65 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A frequência de operação do inversor é controlada pela amplitude da tensão
disponível no barramento CC, tal como foi descrito para o controlo V/F (2.4.5). Esta
cresce até atingir o ponto de operação de frequência máxima de 50Hz, quando se atinge
o ponto de máxima potência como ilustra a Figura 2.21.
Figura 3.22 – Frequência de operação do conversor CC-CA.
Como se sabe o sol não brilha ao longo do dia sempre com a mesma intensidade,
logo a radiação que incide sobre os painéis não é constante, o que tem como
consequência a variação da potência produzida por estes. Esta foi a segunda situação
testada, verificar como o sistema se comporta para uma variação da potência produzida
pelos painéis. Esta situação que pode ocorrer por razões naturais como mudança de
radiação, de temperatura, ou por exemplo se os painéis forem expostos a uma sombra.
Na Figura 3.23 estão representadas de forma gráfica as potências do sistema,
partindo inicialmente do ponto de potência máxima 1050W que depois de um tempo
sofre uma perda de potência para 850W, e de seguida volta a ganhar potência
retomando ao ponto inicial. É importante a simulação do comportamento do sistema de
bombagem de água para as diferentes situações que podem ocorrer ao longo do dia
enquanto o sistema se encontra em operação. Quando a potência máxima disponível nos
painéis se altera (Figura 3.23 a)) a potência extraída dos painéis acompanha essa
alteração (Figura 3.23 b)). A alteração da potência produzida pelos painéis tem efeito
direto em todas as grandezas eletrónicas do sistema, na Figura 3.24 estão representadas
as formas de onda da tensão e corrente nos painéis, e a tensão de saída do conversor
CC-CC que acompanham a variação da potência. Quando ocorre a perda de potência a
tensão fornecida pelos conjunto de painéis solares fotovoltaicos baixa de 239 para 227V
(valor médio). A tensão à saída do conversor CC-CC baixa de 381 para 360V (valor
0 2 4 6Time (s)
0
10
20
30
40
50
Frequencia
Tempo (s)
(Hz)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
66 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
médio), e a corrente fornecida pelos painéis solares fotovoltaicos cai de 4,4 para 3,61A
(valor médio).
Figura 3.23 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares fotovoltaicos;
(b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.
Figura 3.24 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis solares fotovoltaicos;
(b) Tensão a saída do conversor CC-CC e a entrada do conversor CC-CA; (c) Corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.
10 20 30Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200
Pmax
10 20 30Time (s)
0
200
400
600
800
1000
1200
Ppainel
Tempo (s)
(W)
(b)(a)
(W)
Tempo (s)
10 20 30Time (s)
0
100
200
300
400
vpainel
10 20 30Time (s)
0
100
200
300
400
vo
10 20 30Time (s)
0
2
4
6
8
10
ipainel
(V)
(b)(a)
(V)
Tempo (s)Tempo (s)
Tempo (s)
(A)
(c)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 67 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
À saída do conversor CC-CA o efeito da variação da potência produzida pelos
painéis também se faz sentir, alterando deste modo a sua amplitude e frequência de
operação. Na Figura 3.25 estão representadas as formas de onda da tensão composta, e
da corrente em cada uma das fases. A tensão composta passa de 225V RMS para 200V
RMS, e a corrente de 2,7A RMS passa para 2,4A RMS.
Figura 3.25 – Tensões e correntes à saída do conversor CC-CA e a frequência de operação: (a) Tensão
entre fases; (b) Corrente nas fases.
3.7. Conclusões
Neste capítulo foram apresentadas as simulações computacionais do sistema de
bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Inicialmente
efetuaram-se simulações dos circuitos constituintes do sistema de bombagem de forma
independente, nomeadamente ao conjunto de painéis solares fotovoltaicos, ao conversor
CC-CC do tipo boost e ao conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Por fim integraram-
se os três circuitos de forma a verificar o seu comportamento a operarem em conjunto.
0-200-400
200400
vab
0-200-400
200400
vbc
17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)
0-200-400
200400
vca
0-200-400
200400
vab
0-200-400
200400
vbc
17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)
0-200-400
200400
vca
0-200-400
200400
vab
0-200-400
200400
vbc
5 10 15 20 25 30Time (s)
0-200-400
200400
vca
(V)
(V)
(V)
Tempo (s)
(V)
(V)
(V)
(A)
(A)
(A)
Tempo (s)
(A)
(A)
(A)
0-2-4
24
ia
0-2-4
24
ib
17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)
0-2-4
24
ic
0-2-4
24
ia
0-2-4
24
ib
5 10 15 20 25 30Time (s)
0-2-4
24
ic
Tempo (s) Tempo (s)
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
(a)
(b)
Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
68 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
O software selecionado para as simulações foi o PSIM. Este software além de ser
dedicado a simulação e análise de circuitos eletrónicos de potência, apresenta uma
grande vantagem que são os modelos de fontes de energias renováveis.
Usando a ferramenta do software PSIM “Solar Module (phisical model)” foi
possível emular o conjunto de painéis solares fotovoltaicos, usando as características do
painel solar BP 2150S. Com esta ferramenta foi possível obter resultados satisfatórios
próximos dos valores calculados, o que garante a sua fiabilidade.
O método de controlo usado para o conversor CC-CC do tipo boost é simples e de
fácil implementação. A tensão de saída do conversor não possui overshoot e tende para
o valor de tensão pretendido, deste modo viabilizando este método de controlo.
Para controlar a velocidade do motor do conjunto motobomba foi aplicado no
conversor CC-CA o método de controlo V/F em malha aberta, que é muito comum em
aplicações de bombagem de água. Deste modo é possível fornecer o binário necessário
para acionar o motor da bomba de água, nas diferentes gamas de frequência de operação
definidas para este controlo.
Os três circuitos operando em conjunto formam o sistema de bombagem de água
alimentado por painéis solares fotovoltaicos. O elemento responsável por interligar
todos estes circuitos de forma que estes operem sincronizados é o algoritmo de controlo.
O algoritmo de controlo tem como função principal extrair o máximo de potência
disponível no conjunto de painéis solares fotovoltaicos. Para tal, foi implementado o
algoritmo de MPPT de perturbação e observação integrado no conversor CC-CC do tipo
boost. Uma vez extraída a potência máxima dos painéis solares fotovoltaicos, esta pode
ser aplicada ao conjunto motobomba que é controlado pelo método V/F que usa a
tensão de saída do conversor CC-CC como referência. Importa destacar o facto do
algoritmo de MPPT ter-se revelado robusto a quando das variações de potência
produzida pelos painéis solares fotovoltaicos, este acompanhando tais variações.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 69 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
CAPÍTULO 4
Implementação e Resultados Experimentais do
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por
Painéis Solares Fotovoltaicos
4.1. Introdução
No capítulo anterior foram apresentadas as simulações do sistema de bombagem
de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, que serviram de base para o
presente capítulo que vai apresentar a implementação do sistema e os resultados
experimentais obtidos.
Um sistema solar de bombagem de água tipicamente é composto por: um conjunto
de painéis solares fotovoltaicos, um conversor CC-CC do tipo boost, um conversor CC-
CA do tipo VSI trifásico, e pelo conjunto motobomba. No âmbito desta dissertação
foram desenvolvidos os conversores eletrónicos e os respetivos sistemas de controlo.
Este capítulo começa por descrever os circuitos eletrónicos desenvolvidos,
nomeadamente, o conversor CC-CC do tipo boost, o conversor CC-CA do tipo VSI
trifásico e o sistema de controlo. Por fim são apresentados os resultados experimentais
obtidos nos diferentes ensaios realizados aos circuitos desenvolvidos.
4.2. Sistema Implementado
O sistema de bombagem implementado é composto por duas unidades principais,
a unidade de potência e a de controlo. A unidade de potência é composta por dois
conversores elétricos, o conversor CC-CC do tipo boost e o conversor CC-CA do tipo
VSI trifásico. A unidade de controlo é constituída por dois microcontroladores
PIC18F44321 da empresa Microchip Technology.
O diagrama simplificado do sistema de bombagem de água desenvolvido pode ser
visto na Figura 4.1. O conjunto de painéis que representa o gerador fotovoltaico foi
emulado usando uma fonte de tensão não linear. Para emular o conjunto motobomba da
bomba de água foi usado um motor de indução trifásico.
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
70 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.1 – Diagrama de blocos do sistema implementado
De seguida serão apresentadas algumas características relevantes da constituição
dos circuitos implementados. Como é de notar na Figura 4.1 no diagrama de blocos
estão representados dois microcontroladores iguais, isto deve-se ao facto de cada um
deles controlar um dos conversores. Esta situação deve-se ao facto deste
microcontrolador ser limitado e não conseguir efetuar em tempo útil os cálculos
necessários para controlar os dois conversores. Destaca-se o facto de que um DSP
(Digital Signal Processor) apresenta um custo superior a dois microcontroladores PIC
(Peripheral Interface Controller), e pretendia-se uma solução de baixo custo.
4.3. Conversor CC-CC do tipo Boost
A implementação prática do conversor CC-CC do tipo boost sofreu algumas
alterações relativamente ao circuito exposto em 2.4.1, foi sobredimensionado com vista
a garantir fiabilidade e segurança deste. As simulações do conversor CC-CC no
subcapítulo 3.4 usam valores teóricos dos componentes, o que e para muitos deles não
têm correspondência nas séries comerciais dos componentes, daí a necessidade de se
fazer um equilíbrio entre os valores teóricos dos componentes e os componentes
existentes comercialmente. Na Figura 4.2 pode ser visto o circuito eletrónico do
conversor CC-CC do tipo boost que foi desenvolvido.
Painéis solares
fotovoltaicos
Conversor CC-
CC do tipo
boost
Conversor
CC-CA do tipo
VSI trifásico
Bomba
de água
Microcontrolador
(PIC18F4431) Controlo
do conversor CC-CC
(MPPT)
Microcontrolador
(PIC18F4431) Controlo do
conversor CC-CA (V/F)
tensão
corrente
Sinal PWM Sinais PWMtensão
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 71 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.2 – Esquemático do conversor CC-CC do tipo boost.
4.3.1. Circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo boost
Na Figura 4.2 está representado o circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo
boost e o respetivo sistema de controlo. Nesta secção será abordado somente o circuito
de potência, o sistema de controlo será versado adiante. Os componentes usados foram
escolhidos com base nos dimensionados no subcapítulo 3.4. Porém os valores destes
foram sobredimensionados de modo a poder garantir segurança do circuito
implementado, e tendo em conta os componentes que se encontravam disponíveis no
laboratório do GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia) da Universidade do
Minho.
Condensador de Entrada
À saída dos painéis solares fotovoltaicos é recomendado o uso de um condensador
para estabilizar a tensão fornecida por estes, neste caso foi usado um condensador de
polipropileno com as seguintes características 20uF/800V, este valor máximo de tensão
é suficiente uma vez que a tensão à saída do conjunto de painéis solares não excede os
300V.
Indutância
O valor da indutância usado nas simulações do conversor CC-CC do tipo boost foi
de 3mH. Para a construção de uma indutância é necessário dimensionar o núcleo
(equação (4.1)), o entreferro do núcleo (equação (4.2)), comprimento do fio condutor a
20uF
10MΩ
150kΩ
3,18mH
1MΩ
1MΩ
470uF
470uF
20uf
10MΩ
100kΩ
U1560
vd vo
IRFP460
Sensor de corrente
(ACS712)
Gate driver
(TC4422)
Microcontrolador
(PIC18F4431)Sinal PWM
corrente
do painel
tensão do
painel
tensão na
sáida
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
72 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
ser usado (equação (4.4)) e o número de voltas (equação (4.3)) [29]. A indutância foi
construída admitindo os valores da Tabela 4.1:
Tabela 4.1 – Valores de base admitidos no dimensionamento da indutância.
Características da indutância Valor
(densidade de fluxo máximo) 200mΤ
(resistência) 0,2Ω
(indutância) 3mH
(corrente máxima) 5A
(resistividade do condutor) 1,724x Ω-cm
(permeabilidade de espaço vazio) 4Πx H/m
(fator de preenchimento do enrolamento) 0,5
(área transversal do núcleo) 12cm
(comprimento médio por volta) 16cm
O núcleo da indutância é dimensionado usando a equação (4.1), porém neste caso
não foi necessário o seu dimensionamento pois foi usado um núcleo existente no
laboratório.
(4.1)
O entreferro do núcleo, que é calculado usando a formulada da equação (4.2).
(4.2)
Logo:
O número das voltas necessárias dar em volta do núcleo, pode ser calculado
usando a equação (4.3).
(4.3)
Assim:
O comprimento do condutor é determinado pela equação (4.4).
( ) (4.4)
Deste modo:
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 73 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A indutância desenvolvida pode ser vista na Figura 4.3.
Figura 4.3 – Indutância desenvolvida.
MOSFET
A frequência de comutação escolhida para o conversor CC-CC foi de 100kHz, e
para frequências elevadas como neste caso, os semicondutores de potência
recomendados são os MOSFET. Estes têm um tempo de comutação muito curto,
permitindo que estes operem em frequência elevadas na ordem das dezenas a centenas
de kHz. O MOSFET selecionado foi o IRFP460 do tipo N. Este MOSFET suporta uma
tensão entre a drain e a source de 500V, e uma corrente de drain de 20A. Estes valores
enquadram-se nas necessidades do projeto, dado que o valor máximo de tensão
esperado é de 400V, e uma corrente máxima de 4,5A fornecida pelo conjunto de painéis
solares fotovoltaicos.
Para interface do sinal de PWM gerado pelo microcontrolador com a gate do
MOSFET optou-se por um circuito de driver TC4422 do tipo high-speed produzido pela
Microchip Technology. Estes circuitos driver são ultrarrápidos com picos de correntes à
saída até 9A e com uma corrente contínua de 2A no máximo à saída.
Díodo
Sendo a frequência de comutação elevada é necessário que o díodo semicondutor
tenha como característica ser rápido, e que seja capaz de suportar os níveis de tensão e
corrente do circuito. O díodo escolhido foi o MUR1560, que suporta valor de tensão
que varia entre 100-600V e uma corrente de 15A. Este díodo é ultrarrápido em que o
tempo de recuperação que varia entre 35-60ns, que é tempo suficiente dado que o
intervalo entre as comutações é de 10µs (1/100kHz).
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
74 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Condensadores de Saída
O condensador de saída é importante para filtrar a tensão de saída, e também tem
que ser capaz de armazenar energia para transferir para carga. A frequência de operação
do conversor CC-CC influencia na escolha do condensador. Para valores de frequência
elevadas os condensadores recomendados para serem usados como filtros de saída são
os de polipropileno. Porém, a capacidade dos condensadores de polipropileno é baixa.
Como solução foram ligados em serie dois condensadores eletrolíticos idênticos, e
estes foram ligados em paralelo com um condensador de polipropileno. Os
condensadores ligados em série de 475µF/385V filtram as baixas frequências e formam
um condensador com uma capacidade de 237µF/770V. E o condensador de 20uF/800V
filtra as frequências elevadas.
Aspeto do Conversor CC-CC do tipo Boost
Usando o software de desenho de circuitos impressos PADS foi possível desenhar
o circuito do conversor CC-CC do tipo boost, apresentado na Figura 4.4.
Figura 4.4 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CC do tipo boost.
4.3.2. Sistema de controlo do conversor CC-CC do tipo boost
Tal como referido anteriormente, para controlar o conversor CC-CC do tipo boost
foi usado um microcontrolador PIC18F4431. As principais características do
microcontrolador usado estão apresentadas na Tabela 4.2.
Entrada
CC
Sinais de
controlo
Alimentação
Condensador
de entrada
Ligação da
indutância
Saída CC
Condensadores
de saída
MOSFETDriver do
MOSFETDíodo
Resistências
de medida
Resistências
de medida
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 75 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Tabela 4.2 – Principais características do microcontrolador PIC18F4431.
Características do microcontrolador Valor
Memória do programa tipo Flash
Memória de programa (kB) 16
Velocidade da CPU (MIPS) 10
Bytes da memória RAM 768
Memória de dados EEPROM (bytes) 256
Comunicações 1-A/E/USART, 1-SSP(SPI/I2C)
Captura/Comparação/PWM 2
Temporizadores 1x8-bit, 3x16-bit
ADC 9 canais, 10-bit
Gama de temperatura -40 à 125
Número de pinos 40
A placa desenvolvida para o microcontrolador pode ser vista na Figura 4.5. Os
elementos principais desta placa são os sinais de controlo que são enviados e recebidos
do conversor CC-CC do tipo boost, e pelos 4 sinais de comando que servem como
interruptores para ativar/desativar partes do código implementado no microcontrolador.
Figura 4.5 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de controlo do conversor
CC-CC do tipo boost.
Alimentação
Sinais do
programador
Sinais de comando
Sinais de
controlo
Microcontrolador
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
76 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Para escrita e depuração do código foi usado o MPLAB X IDE v1.10, e para a
compilação foi usado o compilador MPLAB C40. O programador usado foi o PICkit 3
In-Circuit Debugger, ambas as ferramentas produzidas e recomendadas pela empresa
que desenvolve o microcontrolador PIC18F4431 a Microchip Technology.
O código implementado tem a função de controlar a tensão de saída do conversor
CC-CC do tipo boost a partir da potência disponível a sua entrada. Este método de
controlo é conseguido com recurso aos algoritmos de MPPT como já foi anteriormente
referido. O algoritmo MPPT implementado foi o de perturbação e observação (P&O).
Sensores de tensão e corrente
O microcontrolador para implementar o algoritmo de controlo necessita três
variáveis: a tensão e corrente do conjunto de painéis, e a tensão de saída do conversor
CC-CC do tipo boost. Um dos objetivos do projeto é a implementação de um sistema de
baixo custo, tendo em conta esta especificação os sensores escolhidos foram de baixo
custo.
Para medir os valores de tensão do sistema forma usados sensores resistivos, tanto
para medir a tensão à entrada como à saída.
A solução inicialmente pensada para medir a corrente do foi usar sensores de
corrente amplificadores com saída em tensão. Esta solução consiste em colocar uma
resistência de valor muito baixo em série com o circuito, uma vez passando corrente por
esta provoca uma diferença de potencial aos seus terminais que é amplificada e enviada
para o microcontrolador. Porém esta solução mostrou-se inviável, pois os
amplificadores operacionais selecionados na altura não apresentavam um bom
desempenho para a frequência de operação do conversor CC-CC de 100kHz. A solução
final encontrada para medir a corrente do sistema foi usar o sensor não isolado
produzido pela empresa Alegro, o ACS712, o circuito desenvolvido pode ser visto na
Figura 4.6. Este sensor mede valores de corrente de ±5A, e tem que ser alimentado com
uma alimentação de 5V. O princípio de funcionamento é simples, quando alimentado se
à corrente for nula a saída do sensor aparece uma tensão de 2,5V e para cada ±1A a
saída sofre uma alteração de ±185mV.
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 77 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.6 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o sensor de corrente.
4.3.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo Boost
Como estratégia para testar o funcionamento do conversor CC-CC do tipo boost,
o ensaio foi por partes. Inicialmente testou-se o controlo do conversor CC-CC do tipo
boost a elevar a tensão para um valor fixo pretendido, de seguida testou-se o controlo
com o MPPT.
Não sendo possível usar como fonte de energia o conjunto de painéis solares
fotovoltaicos no ambiente laboratorial, foi usado uma fonte CC para os testes que serão
apresentados de seguida. Nas simulações do CAPÍTULO 3 a relação entre a tensão de
entrada do sistema (238V) e a de saída (400V) é de cerca de 1,68 (400/238) logo,
admitindo uma tensão de entrada da fonte CC de 30V a saída será aproximadamente
50,4V (30*1,68). Na Figura 4.7 pode-se observar as formas de onda da tensão de
entrada e da tensão de saída do conversor CC-CC do tipo boost, que foram obtidas
usando o osciloscópio YOKOGAWA DL708E. Ainda nesta figura pode-se observar que
a tensão de entrada está ligeiramente acima do valor de 30V, o mesmo acontece com o
valor da tensão de saída que se encontra ligeiramente acima dos 50V.
Figura 4.7 – Tensão de entrada e de saída do conversor CC-CC do tipo boost.
ACS712
Sinais de alimentação
e sinal de saídaTerminal +
Terminal -
Tensão de saída
Tensão de entrada
10V/div
20µs/div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
78 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Validado o funcionamento a capacidade de elevar a tensão de entrada, passou-se
para o teste do controlo MPPT. O algoritmo de MPPT implementado foi o de
perturbação e observação como referido anteriormente que foi exposto em 2.4.2.
Com a indisponibilidade de usar um painel solar fotovoltaico, o modelo usado
para validar o controlo de MPPT é usando uma fonte de tensão CC não ideal. Uma fonte
de tensão CC não ideal é composta por fonte de tensão CC ideal em série com a sua
resistência interna como demostra o circuito elétrico da Figura 4.8.
Figura 4.8 – Circuito elétrico representativo de uma fonte de tensão não ideal
Para um sistema como o da Figura 4.8 o ponto de potência máxima fornecido pela
fonte ocorre quando a resistência de carga é igual à resistência interna da fonte
de tensão não ideal. O circuito em que se pretende verificar o funcionamento do MPPT
é um sistema composto por um conversor CC-CC do tipo boost como se pode ver na
Figura 4.9. Deste modo para a fonte o sistema é visto como uma resistência equivalente
que corresponde à relação da equação (4.5).
(4.5)
Para o sistema representado na Figura 4.9 o algoritmo de MPPT vai atuar no
conversor CC-CC por forma a controlar a corrente absorvida da fonte e dessa forma
ajustar o valor da resistência equivalente para o ponto de potência máxima.
Figura 4.9 – Esquema elétrico da ligação do sistema para o teste de funcionamento do algoritmo de
MPPT.
Ri
Vi Rc
+
-
Fonte de tensão não ideal
vf
if Legenda
Vi – Fonte de tensão ideal
Ri – Resistência interna
vf – Tensão da fonte não ideal
if – Corrente da fonte não ideal
Rc – Reistência de carga
Ri
Vi
+
-
Fonte de tensão não ideal
vf
if
Conversor CC-CC do tipo boost
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 79 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A potência na resistência de saída do conversor CC-CC quando o sistema é ligado
sem o algoritmo de MPPT ativo é de 9,83W (Figura 4.10 a)), quando o MPPT é ativado
este ajusta o sistema de modo a que passe a operar no ponto de máxima potência. Na
Figura 4.10 b). É possível verificar o novo valor da potência na resistência de saída. De
referir que na mesma figura é apresentada a tensão de saída do conversor CC-CC.
Figura 4.10 – Tensão e potência à saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Instante com o MPPT
desligado; (b) Instante com o MPPT ligado.
Alterando o valor da resistência em série com a fonte CC a potência disponível à
entrada do conversor CC-CC altera-se, emulando deste modo a perda ou ganho de
potência por parte do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. A variação de potência
disponível tem efeito sobre o ponto de funcionamento do conversor CC-CC do tipo
boost, este acompanhando a variação de potência mantendo o sistema no ponto de
máxima potência. Na Figura 4.11 é possível verificar os resultados obtidos da emulação
do sistema quando este perde potência (Figura 4.11 a)) e quando este ganha potência
(Figura 4.11 b)). Referir que na mesma figura é apresentada a tensão de saída do
conversor CC-CC.
Figura 4.11 – Variação de potência e tensão de saída: (a) Perda de potência; (b) Ganho de potência.
(a) (b)
(a) (b)
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
80 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
4.4. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico
Um dos principais objetivos deste projeto de dissertação de mestrado é a
implementação de um sistema de bombagem de água de baixo custo. Deste modo
optou-se pela compra de um módulo de inversor de tensão trifásico em vez de construir
um inversor de raiz. Assim sendo somente é necessário desenvolver os circuitos de
interface e o respetivo sistema de controlo, que são descritos de seguida.
4.4.1. Módulo do conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico
Existem no mercado atualmente várias empresas do ramo de equipamentos de
eletrónica de potência que têm desenvolvido diferentes topologias de inversor
integradas num módulo compacto. A empresa FAIRCHILD SEMICONDUCTOR
desenvolveu uma variada gama de SPM (Smart Power Modules) que podem ser
módulos monofásicos ou trifásicos, que usam MOSFET ou IGBT como semicondutores
de potência. Estas soluções apresentam várias vantagens, nomeadamente o facto de
serem mais eficientes, de baixo custo, robustas, em relação às soluções tradicionais [30].
Para acionar o motor da bomba de água o módulo selecionado foi o FCBS0550 de
500V-5A desenvolvido pela FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, que pode ser visto na
Figura 4.12.
Figura 4.12 – Smart Power Module FCBS0550 (adaptada de [30]).
Este é um módulo trifásico composto por 6 MOSFET e seus circuitos de drive.
Pode-se dividir em dois lados: o de potência e o de controlo. No lado do controlo têm-se
o nível baixo e o nível alto. O nível baixo é composto um driver para os 3 MOSFET’s, e
o nível alto possui 3 drivers para cada um dos 3 MOSFET’s. O circuito interno pode ser
visto na Figura 4.13. Importa salientar que este módulo possui métodos de proteção
contra anomalias que possam comprometer o seu bom funcionamento, como por
exemplo curto-circuitos entre outros.
Vista de cima Vista de baixo
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 81 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.13 – Circuito interno do módulo FCBS0550 [30].
Os SPM têm baixo consumo, necessitando de uma fonte CC de 15V-60mA para o
alimentar. De frisar que para o nível alto é necessário o circuito bootstrap para gerar os
pulsos para os MOSFET. O circuito bootstrap é composto por um díodo, uma
resistência e um condensador. Este circuito tem como função evitar que a tensão na gate
dos MOSFET não baixe a ponto de ignorar os pulsos que lhe são aplicados. A placa
desenvolvida para o inversor pode ser vista na Figura 4.14.
Figura 4.14 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico.
Sinais de
comando
Circuitos
bootstrapAlimentação
Barramento
CC
Saída
trifásica
Lado de
controlo
Lado de
potênciaDissipador
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
82 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
4.4.2. Sistema de controlo
A placa de controlo do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico desenvolvida pode
ser vista na Figura 4.15. O código implementado nesta placa é do algoritmo V/F que
recebe o valor da tensão no barramento CC à saída do CC-CC, e mediante o valor desta,
regula a tensão e a frequência à saída do conversor CC-CA. Tal como a placa
desenvolvida para o sistema de controlo do conversor CC-CC, também possui 4 sinais
de comando que servem para ativar/desativar partes do código implementado no
microcontrolador.
Figura 4.15 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de controlo do conversor
CC-CA do tipo VSI trifásico.
4.4.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo VSI
Trifásico
Depois de desenvolvido o hardware necessário para o conversor CC-CA do tipo
VSI trifásico, segue-se a fase de testes do próprio. Numa primeira verificou-se o
funcionamento do código implementado, validado o código ligou-se o sistema de
controlo ao conversor CC-CA trifásico com uma carga trifásica resistiva à saída. Por
fim comprovado o seu funcionamento foi ligada à saída do conversor o motor de
indução trifásico.
Para testar o controlo V/F do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, variou-se a
tensão no barramento CC ao longo do tempo, verificando se como consequência a saída
do conversor CC-CA alterava a sua amplitude e frequência como foi explicado
em 2.4.5. Antes de se ligar o sistema de controlo ao conversor CC-CA, foram retiradas
as formas de onda dos sinais de PWM enviados pelo microcontrolador às gates dos
Alimentação
Sinais do
programador
Sinais de comando
Sinais dos
sensores
Microcontrolador
Sinais de
controlo do
inversor
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 83 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
MOSFET, e que podem ser visualizados na Figura 4.16 e Figura 4.17. O controlo V/F
implementado é composto por 10 níveis de amplitude e frequência, na Figura 4.16 estão
representadas os sinais filtrados pelo osciloscópio para 4 níveis de tensão e amplitude à
saída do microcontrolador.
Figura 4.16 – Sinais de PWM filtrados à saída do microcontrolador: (a) Sinais a 50Hz; (b) Sinais a 40Hz;
(c) Sinais a 25Hz; (d) Sinais a 10Hz.
Alterando ao longo do tempo a variável de controlo do algoritmo de controlo V/F
é, necessário que este ajuste os sinais de PWM que são enviados para o conversor CC-
CA do tipo VSI trifásico. Na Figura 4.17 estão representadas o comportamento do
sistema quando a variável de controlo é alterada ao longo do tempo, onde é possível ver
os 10 níveis desde o mais baixo ao mais alto. A frequência varia entre 5 a 50Hz com
patamares de 5Hz e a amplitude da tensão varia entre 0,1 a 1 com patamares de 0,1 da
tensão do barramento CC. Os sinais com forma sinusoidal são resultado do filtro
aplicado pelo osciloscópio.
(a) (b)
(d)(c)
1V/Div
5ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
84 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.17 – Comportamento do sistema para diferentes níveis da variável de referência: (a) Variável de
referência a crescer; (b) Variável de referência a decrescer.
Verificado o funcionamento do código implementado no microcontrolador,
efetuou-se a ligação do sistema de controlo ao conversor CC-CA do tipo VSI trifásico
com uma carga resistiva trifásica à saída. Para o barramento CC de entrada foi usado
uma fonte CC com 30V de tensão e as cargas resistivas eram de 33Ω cada. Na
Figura 4.18 estão representadas algumas formas de onda filtradas da tensão entre fases
obtidas à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico.
Figura 4.18 – Tensão entre fases do conversor CC-CA do tipo VSI: (a) Saída a 50Hz; (b) Saída a 40Hz;
(c) Saída a 30Hz; (d) Saída a 20Hz.
(a) (b)
1V/Div
200ms/Div
(a) (b)
(c) (d)
5V/Div
20ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 85 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Por fim foi ligado à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico o motor de
indução trifásico. O motor usado para emular o motor da bomba de água pode ser visto
na Figura 4.19. Na mesma figura é possível verificar as suas características elétricas.
Figura 4.19 – Motor de indução trifásico usado nos ensaios.
Para o ensaio do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico como driver do motor de
indução, a tensão do barramento CC foi elevada para 120V. E o motor foi alimentado
com os enrolamentos em estrela. Na Tabela 4.3 estão representadas alguns pontos de
funcionamento do motor quando operado com o controlo V/F.
Tabela 4.3 – Alguns pontos de funcionamento do motor.
Frequência (Hz) Velocidade de rotação (rpm)
50 1492
40 1186
30 874
20 564
10 298
As formas de onda da tensão entre fases filtradas aos terminais do motor podem
ser vistas na Figura 4.20. Nesta figura encontram-se representadas formas de onda para
três frequências de operação, nomeadamente 10, 30 e 50Hz.
Na Figura 4.21 estão representadas as formas de onda da tensão entre fases para as
mesmas frequências representadas na Figura 4.20, mas sem a filtragem.
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
86 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.20 – Tensão entre fases filtrada aos terminais do motor: (a) Tensão entre fases a 50Hz;
(b) Tensão entre fases a 30Hz; (c) Tensão entre fases a 10Hz.
Figura 4.21 – Tensão composta aos terminais do motor: (a) Tensão composta a 50Hz; (b) Tensão
composta a 30Hz; (c) Tensão composta a 10Hz.
50V/Div
20ms/Div
(a) (b)
(c)
100V/Div
20ms/Div
(a) (b)
(c)
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 87 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A corrente do motor numa das fases para diferentes frequências pode ser vista na
Figura 4.22.
Figura 4.22 – Corrente do motor numa das fases: (a) Corrente a 50Hz; (b) Corrente a 30Hz; (c) Corrente a
10Hz.
Quando a variável de referência do controlo V/F varia, este ajusta a tensão e a
frequência de saída. Na Figura 4.23 está representado o efeito da variação desta variável
no sistema. Nomeadamente na tensão e frequência de saída.
Figura 4.23 – Comportamento do algoritmo V/F quando a variável de controlo varia.
4.5. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares
Fotovoltaicos
Na Figura 4.24 é possível observar a bancada de laboratório com todos os
componentes constituintes do sistema de bombagem, e os respetivos aparelhos de
medida usados.
(c)
(b)
(a)
200mV/Div
20ms/Div
50V/Div
100ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
88 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.24 – Bancada de trabalho com o sistema desenvolvido.
4.5.1. Resultados Experimentais do ensaio do sistema de Bombagem de Água
Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Depois de desenvolvidos e testados de forma independente os circuitos
constituintes do sistema, era necessário testar os dois circuitos a operarem em conjunto.
De início foram interligados os dois circuitos conversores, e em vez do motor foi
usado como carga uma carga resistiva trifásica à saída do conversor CC-CA do tipo VSI
trifásico. Deste modo a configuração do sistema é a que esta demonstrada na
Figura 4.25.
Figura 4.25 – Esquema do teste ao sistema de bombagem com uma carga resistiva.
Para emular os painéis foi usada uma fonte de tensão CC de 20V em série com um
reóstato que representa a resistência interna da fonte. Como carga foram usadas
resistências com 108Ω cada resistência. Quando o sistema é ligado pode verificar-se que
aparece um ripple de tensão tanto na entrada como na saída (ver Figura 4.26 a)). A
Osciloscópio
YOKOGAWA
DL708E
Fontes
CC
Motor
de
indução
Reóstato
Multímetros IndutânciaPlacas do
Microcontroladores
Placa do
conversor
CC-CC
Placa do
conversor
CC-CA
Wattímetro
WATTMETE
R ISW8000
Pinça
amperimétrica
Ri
Vi
+
-
Fonte de tensão não ideal
vf
if
Conversor CC-
CC do tipo boost
com controlo
MPPT
Conversor CC-CA
do tipo VSI
trifásica com
controlo V/F
Carga
resistiva
trifásica
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 89 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
frequência de operação do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico está representada na
Figura 4.26 b). O valor de potência registrado é de cerca de 2,5W.
Figura 4.26 – Tensões do sistema com o MPPT desligado: (a) Tensão de entrada e saída do conversor
CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA.
Quando o MPPT é ligado este ajusta o sistema de modo a que este opere no ponto
de potência máxima. Deste modo a tensão de entrada do conversor CC-CA baixa e a de
saída sobe, e a frequência de operação do conversor sobe de 30 para a 35Hz, como se
pode verificar na Figura 4.27. O valor da potência consumida pelo sistema passa a
4,65W.
Figura 4.27 – Tensões do sistema com o MPPT ligado: (a) Tensão de entrada e saída do conversor CC-
CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA.
Na Figura 4.28 estão representadas as formas de onda da tensão composta à saída
do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, nos instantes em que o algoritmo de MPPT é
ativado (Figura 4.28 a)), e no instante em que é desativado (Figura 4.28 b)).
(a) (b)
Tensão de entrada
Tensão de saída
5V/Div
20ms/Div
5V/Div
10ms/Div
0
(a) (b)
Tensão de entrada
Tensão de saída
5V/Div
20ms/Div
5V/Div
10ms/Div
0
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
90 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.28 – Comportamento do sistema: (a) Instante em que o MPPT é ligado; (b) Instante em que o
MPPT é deligado.
Na Tabela 4.4 são apresentados os valores de operação do sistema quando se
altera a resistência interna da fonte (reóstato), o que tem como consequência a variação
do ponto de máxima potência.
Tabela 4.4 – Valores de operação do sistema quando este opera com pontos de máxima potência diferentes.
Potência (W) Frequência (Hz) Tensão de entrada (V) Tensão de saída (V)
13,5 50 14,2 31,3
8,3 45 12,9 26,2
6,6 40 11,1 24,6
4,7 35 9,7 21,7
2,8 30 8,4 18,8
1,5 25 6,8 15,3
0,8 20 5,4 12,4
0,3 15 4 9,4
Na Figura 4.29 estão representadas as formas de onda da tensão entre fases, para
alguns pontos de operação. As formas de onda da corrente numa das fases, para as
diferentes frequências pode ser vista na Figura 4.30.
(a) (b)
5V/Div
10ms/Div
5V/Div
10ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 91 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.29 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico: (a) Tensão entre fases
a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 25Hz; (c) Tensão entre fases a 15Hz.
Figura 4.30 – Corrente numa das fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico: (a) Corrente na
fase a 50Hz; (b) Corrente na fase a 25Hz; (c) Corrente na fase a 15Hz.
5V/Div
20ms/Div
(a) (b)
(c)
5V/Div
5ms/Div
5V/Div
10ms/Div
(a) (b)
(c)
20mV/Div
20ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
92 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
A tensão de entrada e à saída do conversor CC-CC do tipo boost estão
representadas na Figura 4.31.
Figura 4.31 – Tensões na entrada e saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Frequência da tensão de
saída de 50Hz; (b) Frequência da tensão de saída de 25Hz; (c) Frequência da tensão de saída 15Hz.
Na Figura 4.32 está representado as formas da onda da tensão entre fases à saída
do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico quando a potência disponível cresce.
Figura 4.32 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico quando a potência
disponível varia.
(a) (b)
(c)
10V/Div
50ms/Div
10V/Div
20ms/Div
10V/Div
50ms/Div
Tensão de entrada
Tensão de saída
10V/Div
50ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 93 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Verificou-se também a resposta do sistema à variação em degrau da potência de
entrada. Para tal colocou-se uma resistência em paralelo com a resistência interna da
fonte (reóstato), e como o MPPT ativo, ligou-se a resistência provocando uma variação
instantânea no ponto de máxima potência do sistema. Na Figura 4.33 estão
representados os resultados obtidos, e que mostram a reação do sistema à variação em
degrau. Nesta mesma figura é possível verificar que a tensão de entrada do conversor
CC-CC do tipo boost baixa quase instantaneamente e a tensão de saída deste vai
crescendo lentamente. E verifica-se também que a frequência e a amplitude da tensão de
saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico adapta-se à nova condição de operação
do sistema.
Figura 4.33 – Resposta do sistema a variação da potência em degrau.
Uma vez validado o funcionamento do sistema no seu todo, o passo seguinte foi
ligar a saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico ao motor de indução trifásico.
Para que deste modo se possa verificar se o sistema era capaz de atuar sobre o motor tal
como foi comprovado no seu funcionamento com uma carga trifásica resistiva.
Para testar o sistema ligado ao motor foi montado o circuito representado na
Figura 4.25. A fonte de tensão não ideal foi composta por uma fonte de tensão CC de
120V com o reóstato em série. No instante em que se liga o sistema somente o
conversor CC-CA do tipo VSI trifásico se encontra ativo, enquanto o MPPT do
conversor CC-CC se encontra desativo. Nestas condições as formas de onda da tensão
entre fases filtrada aos terminas do motor estão representadas na Figura 4.34 a). Quando
o MPPT é ativado a potência do sistema cresce, tal como a tensão aos terminais do
motor e a frequência de operação, como está demonstrado na Figura 4.34 b).
Degrau
Tensão de entrada
Tensão de saída
Tensão entre fases
10V/Div
20ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
94 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.34 – Tensão entre fases filtradas aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Instante inicial
MPPT desativado; (b) Instante com o MPPT ativado.
As tensões entre fases, não filtradas, aos terminais do motor de indução estão
representadas na Figura 4.35.
Figura 4.35 – Tensão aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Tensões entre fases trifásicas;
(b) Tensão entre duas fases.
A estratégia usada para comprovar o funcionamento do sistema de controlo foi
alterando a resistência interna da fonte de tensão não ideal, que consequentemente altera
a potência disponível para o sistema. E verificar o efeito desta variação de potência
sobre o sistema. Na Figura 4.36 é possível verificar como o sistema se adapta a uma
variação de potência. Nesta figura estão representadas as formas de onda das tensões
entre fases quando a potência disponível aumenta.
20V/Div
10ms/Div
(a) (b)
20V/Div
10ms/Div
(a) (b)
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 95 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
Figura 4.36 – Comportamento do sistema para uma variação de potência (tensão entre fases aos terminais
do motor de indução trifásico).
Mais potência disponível significa um aumento da tensão de saída aos terminais
do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico e aumento da frequência, logo mais
velocidade de rotação para o motor de indução trifásico. Menor potência terá o efeito
contrário. Na Figura 4.37 é possível verificar o efeito da variação da potência disponível
sobre a velocidade de rotação do motor. Para a potência de 47,0W a velocidade é de
922,3rpm e para potência de 65W a velocidade é 975,9rpm.
Figura 4.37 – Efeito da potência na velocidade do motor.
4.6. Conclusões
O presente capítulo apresentou o a implementação e os resultados experimentais
do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Como
foi feito nas outras etapas do desenvolvimento do projeto, inicialmente foram
desenvolvidos e ensaiados de forma independente o conversor CC-CC do tipo boost e o
conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Finalmente foram interligados os dois sistemas
e testado o comportamento global.
O conversor CC-CC do tipo boost foi desenvolvido com base em componentes
adquiridos comercialmente, excetuando a indutância que foi desenvolvida pelo autor. À
20V/Div
20ms/Div
Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos
96 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
saída do conversor CC-CC foram usados condensadores com uma capacidade elevada,
para reduzir o ripple da tensão do barramento CC. Para o controlo deste conversor foi
implementado um algoritmo de MPPT que apresentou resultados satisfatórios. Importa
referir que uma das grandes dificuldades na implementação do algoritmo de MPPT foi a
leitura da corrente que é necessária para implementação do algoritmo de perturbação e
observação. A dificuldade encontrada deve-se ao facto de ser necessário encontrar
sensores de corrente de baixo custo que apresentassem um bom desempenho para a
frequência de operação do conversor CC-CC do tipo boost.
A bomba de água foi emulada por um motor de indução trifásico. O driver
desenvolvido para este motor foi o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico com o
controlo V/F. Como um dos objetivos deste trabalho de dissertação é um sistema de
baixo custo optou-se pela compra de um módulo de inversor trifásico também
designados por smart power module. Dado que o microcontrolador escolhido tem
capacidades de cálculo limitadas para implementar o algoritmo de MPPT e o controlo
V/F do conversor CC-CA, este último teve que ser implementado num outro
microcontrolador idêntico. Esta solução é economicamente mais vantajosa do que
utilizar um DSP.
Interligando o conversor CC-CC do tipo boost ao conversor CC-CA do tipo VSI
trifásico forma-se o conversor eletrónico fina. Usando uma fonte não ideal para
representar o conjunto de painéis solares fotovoltaicos e um motor de indução trifásico
para representar a bomba de água foi possível validar o funcionamento global do
sistema conforme o esperado.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 97 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
CAPÍTULO 5
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
5.1. Conclusões
Neste trabalho de dissertação de mestrado foi desenvolvido um sistema de
bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Este tipo de sistemas
desempenha um papel importante na resolução do problema de acesso a água potável.
Problema este que assola 18% da população mundial, que na sua maioria são povoações
que residem em zonas desérticas isoladas da rede de abastecimento de energia elétrica.
Nas zonas de difícil acesso isoladas do abastecimento de energia elétrica, os
sistemas baseados em energias renováveis como fonte de energia têm sido o recurso
para minorar os problemas diretamente relacionados com a falta de energia elétrica. Em
zonas desérticas e áridas em que o vento escasseia, a solução é usar a energia solar
como fonte de energia elétrica.
O estudo bibliográfico sobre os principais componentes do sistema de bombagem
de água alimentados por painéis solares fotovoltaicos, nomeadamente os sistemas de
bombagem, sistemas solares fotovoltaicos e os conversores eletrónicos, permitiu
selecionar uma topologia do sistema de bombagem mais adequada, de modo que esta
seja de baixa potência, custo reduzido e tenha uma elevada eficiência. A topologia
proposta é de baixa potência sendo composta pelo conjunto de painéis solares
fotovoltaicos produtores de energia, ligados a um conversor CC-CC do tipo boost
responsável por elevar a tensão dos painéis solares fotovoltaicos. Uma vez a tensão
elevada é invertida pelo conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, para alimentar o motor
de indução trifásico da bomba de água.
Para validar o sistema de bombagem de água proposto foram feitas simulações
computacionais, que permitiram ajustar os diferentes parâmetros do controlo por forma
a serem obtidos resultados satisfatórios. As simulações serviram para igualmente para
verificar o funcionamento dos componentes dimensionados e testar o algoritmo de
controlo a ser implementado.
Em sistemas elétricos em que são usadas fontes não lineares, como neste caso o
conjunto de painéis solares fotovoltaicos, é recomendado o uso de algoritmos de MPPT
para extração da máxima potência disponível. Ao controlo do conversor CC-CC do tipo
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
98 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
boost foi adicionado o algoritmo de MPPT do tipo perturbação e observação. Em
aplicações de bombagem a precisão da velocidade do motor não é um fator importante,
mas sim o binário desenvolvido pelo motor. Deste modo o motor é acionado por um
conversor CC-CA do tipo VSI trifásico com um controlo do tipo V/F. O elemento
responsável por interligar todos os circuitos constituintes do sistema de bombagem de
água alimentado por painéis solares fotovoltaicos é o sistema de controlo. O sistema de
controlo implementado mostrou-se robusto por ser capaz de operar no ponto nominal,
ou seja, para a potência máxima produzida pelo conjunto de painéis solares
fotovoltaicos para as condições climatéricas ideais (S=1000W/ e T=25ºC), e em
regime transitório, quando ocorrem variação na potência produzida pelos painéis este
acompanhar tais variações.
O sistema de controlo responsável por interligar todos os circuitos foi previsto
para ser implementado num único microcontrolador de baixo custo, porém o
microcontrolador escolhido a quando a implementação do controlo revelou não ter
capacidade de efetuar o controlo para os dois conversores. Por esse motivo optou-se por
usar um microcontrolador para controlar cada conversor, o CC-CC do tipo boost e o
conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Esta opção sobressaiu-se em detrimento do uso
de outro microcontrolador com melhores capacidades por uma questão de custo. Tendo
ainda em mente a que um dos objetivos deste trabalho de dissertação de mestrado seria
o desenvolvimento de um sistema de baixo custo optou-se por adquirir comercialmente
o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, são módulos compactos conhecidos como os
smart power module que integram o circuito do conversor CC-CA. Estes módulos
apresentam as vantagens de serem eficientes, robustos, de baixo custo. O conversor CC-
CC do tipo boost foi desenvolvido com componentes adquiridos comercialmente
excetuando a indutância que foi construída pelo facto de ter características que requere
um desenho específico.
Para o protótipo do sistema de bombagem de água desenvolvido foram feitos
vários testes para verificar o funcionamento do hardware e do software desenvolvido.
Foram realizados testes sobre os conversores CC-CC e o CC-CA individualmente e
posteriormente a operarem em conjunto. O sistema foi capaz de extrair o máximo de
potência disponível na fonte não linear que foi usada para verificar o funcionamento do
algoritmo de MPPT, e transferir essa potência para o motor de indução trifásico que
simula a bomba de água.
De um modo geral é feita uma apreciação positiva da realização deste trabalho de
dissertação de mestrado, pois foi possível conciliar vários conceitos relacionados com
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 99 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
eletrónica de potência, controlo, e microcontroladores que foram abordados ao longo do
curso de mestrado integrado em engenharia eletrónica industrial e de computadores.
Sendo possível também aprofundar conceitos relacionados à pesquisa, uso de softwares
de simulação de circuitos elétricos, softwares de desenvolvimento de placas de circuito
impresso.
5.2. Sugestões de Trabalho Futuro
Como foi demonstrado o sistema de bombagem de água alimentado por painéis
solares fotovoltaicos desenvolvido apresenta uma boa resposta no que se refere a
extração e transferência do máximo de potência disponível na fonte não linear para o
motor de indução trifásico que representa a bomba água. Porém os testes feitos foram
para os valores nominais e não usaram um conjunto de painéis solares fotovoltaicos
como fonte de energia, nem uma bomba de água. Por esse motivo sugere-se como
trabalho futuro usar estes componentes do sistema de bombagem, uma vez que o
hardware desenvolvido está preparado para as potências nominais que foram usadas nas
simulações.
A plataforma PIC onde foi implementado o sistema de controlo mostrou-se não
ser autossuficiente para controlar todo o sistema, sugere-se a pesquisa por um
plataforma que possa conciliar elevado desempenho com baixo custo. Deste modo seria
possível implementar algoritmos de controlo mais eficientes, nomeadamente outros
algoritmo de MPPT e o algoritmo de controlo do motor.
Outra sugestão interessante seria o desenvolvimento de um sistema de bombagem
de água alimentado por painéis solares com armazenamento de energia usando baterias.
Deste modo seria possível bombear água durante o dia em que há sol, e durante a noite a
carga armazenada nas baterias poderia ser usada para iluminação.
Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 101 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho
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