Cláudio Miguel da Silva Gomes
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
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Setembro de 2011UMin
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Setembro de 2011
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita deFreitas
Cláudio Miguel da Silva Gomes
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Aos meus Pais
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho iii
Agradecimentos
A realização deste projecto não seria possível sem a ajuda de todos
aqueles que, de forma directa ou indirecta, contribuíram para a sua
concretização. Desta forma, reservo este espaço para deixar o meu muito
obrigado a todas as pessoas que me auxiliaram na realização desta
dissertação de mestrado.
Agradeço ao professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de
Freitas, meu orientador, por ter aceite o tema por mim proposto, pela
disponibilidade e conselhos dados durante a realização deste trabalho.
Ao professor Doutor José Manuel T. V. Cabral pela cedência do seu
laboratório de investigação numa fase inicial do trabalho.
O meu muito obrigado a todos os meus colegas do laboratório, Luís
Pacheco, Rui Barros, João Brás, Leandro Cruz, Vítor Costa e em especial ao
Pedro Conceição, pelo bom ambiente de trabalho, pela amizade, pelo
companheirismo e pelo apoio disponibilizado ao longo desta dissertação.
Ao Sr. Joel Almeida, técnico do Departamento de Electrónica de Industrial
pelo sua boa disposição, transformando momentos de tensão em momentos de
descontracção, salientando-se a sua prontidão no apoio técnico na realização
deste projecto.
Aos meus pais por toda a confiança que depositaram em mim ao longo de
todo o meu percurso académico, pelo apoio e motivação nos momentos em
que as minhas forças pareciam esgotar-se e pela compreensão nas ocasiões
de maior dificuldade. Obrigado por me proporcionarem a oportunidade de
frequentar o ensino superior e por me transmitirem valores essenciais como a
humildade, a persistência e a importância do saber, contribuindo assim para a
minha realização académica.
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Universidade do Minho v
Resumo
A produção de energia eléctrica a partir de recursos renováveis assume
cada vez mais importância na agenda política dos diversos governos mundiais.
Motivados por razões ambientais, económicas e sociais, são cada vez mais os
programas de incentivo à produção de electricidade recorrendo às energias
renováveis, na tentativa de diminuir a dependência dos recursos fósseis e do
exterior, de criar meios de desenvolvimento económico e social sustentáveis,
através da criação de novos empregos e de reduzir as emissões de gases
poluentes. Deste modo, esta dissertação utiliza a energia solar fotovoltaica
para a produção de energia eléctrica na tentativa de demonstrar a sua
aplicabilidade no processo de produção de electricidade.
A presente dissertação tem como objectivo principal a o estudo, simulação
e implementação de um sistema capaz de realizar a interface entre um painel
fotovoltaico e a rede eléctrica.
Desenvolveu-se um conversor CC-CC (Corrente Contínua – Corrente
Contínua) Step-up capaz de extrair a potência máxima do painel fotovoltaico,
através de um algoritmo de controlo MPPT (Maximum Power Point Tracking)
designado Perturbação & Observação. Para a conversão da tensão contínua
do painel, numa tensão alternada de 230V e 50Hz para injectar na rede,
desenvolveu-se um inversor monofásico em ponte completa. Todo o sistema
de controlo é efectuado pelo microcontrolador PIC 18F4431 da Microchip, que
tem como funções controlar o conversor CC-CC step-up, executando o
algoritmo MPPT, e controlar o inversor de tensão através da técnica de PWM
(Pulse Width Modulation) Unipolar implementada.
Nesta dissertação apresentam-se os resultados das simulações e os
resultados experimentais de todos os circuitos desenvolvidos de forma a validar
todo o sistema implementado.
Palavras Chave: Energia Solar Fotovoltaica, Energias Renováveis, MPPT
(Maximum Power Point Tracking), Step-Up, Conversor CC-CA.
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Universidade do Minho vii
Abstract
The electrical energy production from renewable resources assumes an
increasing importance in political agenda of several world governments.
Motivated for environmental, economic and social reasons, there are
increasingly incentive programs to electricity production from renewable
energies, in attempt to reduce the dependence of fossil resources and the
foreign countries, to create means sustainable economic and social
development, by creating new jobs and reduce greenhouse gas emissions.
The present dissertation has main objective the study, simulation and
implementation a system able to make the interface between a photovoltaic
panel and electricity grid.
Developed a DC-DC (Direct Current – Direct Current) converter step-up
able to extract the power maximum photovoltaic panel, through a MPPT
(Maximum Power Point Trancking) control algorithm designated of Perturbation
and Observation. To convert the continuous voltage of the panel in alternating
voltage of 230V and 50Hz for to inject in the grid, a single-phase full bridge
inverter was developed. All the control system is made by the PIC 18F4431
microcontroller from Microchip, which has the function of controlling DC-DC
converter step-up, running the MPPT algorithm and to controlling the voltage
inverter using the technique PWM (Pulse Width Modulation) Uniploar
implemented.
In this dissertation the simulations results and experimental results of all
developed circuits are presented in order to validate the implemented system.
Keywords: Photovoltaic Solar Energy, Renewable Energy, MPPT
(Maximum Power Point Tracking), Step-Up, DC-AC converter.
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Universidade do Minho ix
Índice
Agradecimentos .................................... .................................................... iii
Resumo ............................................ ........................................................... v
Abstract .......................................... .......................................................... vii
Índice ............................................ ............................................................. ix
Índice de figuras ................................. .................................................... xiii
Índice de tabelas ................................. .................................................... xix
Lista de Símbolos e abreviaturas .................. ........................................ xxi
1. Introdução ........................................ ................................................ 1
1.1. O problema Energético ................................................................... 1
1.2. O Sol como Fonte de Energia ........................................................ 4
1.3. A Energia Solar Fotovoltaica no Mundo ......................................... 6
1.4. A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal ...................................... 9
1.5. Motivações ................................................................................... 12
1.6. Objectivos ..................................................................................... 13
1.7. Estrutura da Dissertação .............................................................. 13
2. Sistema Solar Fotovoltaico ........................ ................................... 15
2.1. Introdução .................................................................................... 15
2.2. Tipos de sistemas fotovoltaicos .................................................... 18
2.2.1. Sistemas Fotovoltaicos Isolados ............................................ 19
2.2.2. Sistemas Fotovoltaicos Híbridos ............................................ 20
2.2.3. Sistemas Fotovoltaicos Ligados à Rede Eléctrica ................. 21
2.3. Células Solares Fotovoltaicas ...................................................... 22
2.3.1. Efeito Fotovoltaico ................................................................. 22
2.3.2. Tipos de Células Solares Fotovoltaicas ................................. 26
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x Universidade do Minho
2.3.3. Modelo Eléctrico e Matemático da Célula Fotovoltaica .......... 29
2.3.1. Curva Característica da Célula Fotovoltaica .......................... 32
2.4. Módulo Solar Fotovoltaico ............................................................ 33
2.5. Conclusões ................................................................................... 39
3. Maximum Power Point Tracking (MPPT) ...................................... 43
3.1. Introdução ..................................................................................... 43
3.2. Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT) .......................... 44
3.3. Aplicações do MPPT ..................................................................... 45
3.4. Métodos de Busca do Ponto de Máxima Potência ........................ 47
3.4.1. Método da Tensão Constante (CV) ........................................ 48
3.4.2. Método da Perturbação e Observação (P&O) ........................ 49
3.4.3. Método da Condutância Incremental (IncCond) ..................... 53
3.4.4. Método da Corrente Constante .............................................. 56
3.5. Conclusões ................................................................................... 57
4. Circuitos Electrónicos de Interface ............... ............................... 61
4.1. Introdução ..................................................................................... 61
4.2. Conversor de Tensão CC/CC ....................................................... 61
4.3. Conversor Elevador de Tensão (Step-Up) CC/CC ........................ 63
4.3.1. Modo de Condução Contínua ................................................. 64
4.3.2. Limite da Condução Contínua ................................................ 67
4.3.3. Modo de Condução Descontínua ........................................... 69
4.3.4. Efeito dos Elementos Parasitas .............................................. 72
4.3.5. Ripple da Tensão de Saída .................................................... 73
4.3.6. Controlo do step-up com PWM .............................................. 74
4.3.7. Dimensionamento do Step-Up ............................................... 76
4.4. Inversor ......................................................................................... 78
4.4.1. Inversor Half-Bridge ............................................................... 79
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4.4.2. Inversor Full-Bridge ................................................................ 80
4.4.3. Tipos de Instalações Conectadas à Rede ............................. 85
4.4.4. Controlo do Inversor com PWM ............................................. 81
4.5. Conclusões ................................................................................... 88
5. Simulações Computacionais ......................... ............................... 91
5.1. Introdução .................................................................................... 91
5.2. Simulação do Painel Solar Fotovoltaico ....................................... 92
5.3. Simulação do circuito Step-Up ..................................................... 94
5.4. Simulação do circuito MPPT ........................................................ 97
5.5. Simulação do circuito Inversor.................................................... 100
5.6. Conclusões ................................................................................. 106
6. Implementação e Resultados Experimentais .......... .................. 109
6.1. Introdução .................................................................................. 109
6.2. Descrição do Sistema Implementado ......................................... 110
6.3. Unidade de Potência .................................................................. 112
6.3.1. Conversor de Tensão CC-CC (Step-Up).............................. 112
6.3.2. Conversor de Tensão CC-CA (Inversor) .............................. 120
6.4. Unidade de Medida .................................................................... 121
6.4.1. Sensor de Tensão de Efeito Hall ......................................... 122
6.4.2. Sensor de Corrente de Efeito Hall ....................................... 124
6.5. Unidade de Controlo ................................................................... 126
6.5.1. Microcontrolador .................................................................. 127
6.5.2. Interface PIC18F4431 com LCD .......................................... 129
6.5.3. Acopladores Ópticos ............................................................ 132
6.5.4. Controlo do Step-Up – MPPT .............................................. 135
6.5.5. Controlo do Inversor ............................................................ 141
6.6. Conclusões ................................................................................. 144
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xii Universidade do Minho
7. Conclusões e Propostas para Trabalhos Futuros ..... ............... 147
7.1. Conclusões ................................................................................. 147
7.2. Propostas para Trabalhos Futuros .............................................. 149
Referências Bibliográficas ........................ ............................................ 151
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho xiii
Índice de figuras
Figura 1.1 – Emissões de CO2 2007-2030 [2] .................................................... 2
Figura 1.2 – Distribuição global da radiação solar [7] ........................................ 4
Figura 1.3 - Aproveitamento da energia solar a) Energia Solar Fotovoltaica b)
Energia Solar Térmica ....................................................................................... 5
Figura 1.4 – Potência acumulada em sistemas fotovoltaicos ligados e
desligados da rede [9] ........................................................................................ 7
Figura 1.5 – Horas de sol e radiação solar em Portugal [10] ............................. 9
Figura 1.6 – Potência fotovoltaica acumulada instalada em Portugal [11] ....... 11
Figura 1.7 - a) Central Fotovoltaica de Serpa b) Central Fotovoltaica da
Amareleja ......................................................................................................... 11
Figura 2.1 - Configuração básica de um sistema fotovoltaico básico ............... 19
Figura 2.2 - Sistema fotovoltaico isolado ......................................................... 20
Figura 2.3 - Exemplo de um sistema fotovoltaico híbrido ................................. 21
Figura 2.4 - Sistema fotovoltaico ligado à rede ................................................ 22
Figura 2.5 - Camada do tipo P e camada do tipo N da célula solar ................. 24
Figura 2.6 - Efeito fotovoltaico na junção P-N [15] ........................................... 25
Figura 2.7 - Esquemático de uma célula fotovoltaica de silício [20] ................. 25
Figura 2.8 - Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocristalino b) silício
policristalino c) película fina ............................................................................. 28
Figura 2.9 – a) Circuito equivalente completo de uma célula fotovoltaica b)
Circuito equivalente simplificado de uma célula fotovoltaica ............................ 30
Figura 2.10 – Curvas Características de uma célula fotovoltaica a) Curva P-V b)
Curva I-V .......................................................................................................... 32
Figura 2.11 - Curva I-V no módulo fotovoltaico ................................................ 35
Figura 2.12 - Curva P-V no módulo fotovoltaico............................................... 36
Figura 2.13 - Efeito da radiação solar na curva I-V de um painel fotovoltaico . 37
Figura 2.14 - Efeito da radiação solar na curva P-V de um painel fotovoltaico 37
Figura 2.15 - Efeito da temperatura na curva I-V do modulo fotovoltaico ........ 39
Figura 2.16 - Efeito da temperatura na curva P-V do módulo fotovoltaico ....... 39
Figura 3.1- Ponto de potência máxima ............................................................ 43
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
xiv Universidade do Minho
Figura 3.2 – Diagrama de blocos simplificado de um MPPT ............................ 45
Figura 3.3 - Aplicação do MPPT para carregamento de bateria ....................... 46
Figura 3.4 - Aplicação do MPPT para sistemas ligados à rede e isolados ....... 46
Figura 3.5 - Aplicação do MPPT para sistemas de bombagem de água .......... 47
Figura 3.6 - Fluxograma do método tensão constante ..................................... 49
Figura 3.7 – Evoluções possíveis da potência num painel fotovoltaico ............ 51
Figura 3.8 – Fluxograma do método Perturbação & Observação ..................... 52
Figura 3.9 – Mudança repentina do ponto de operação devido às alterações
climatéricas ....................................................................................................... 53
Figura 3.10 – Método da Condutância Incremental .......................................... 54
Figura 3.11 – Fluxograma do método Condutância Incremental ...................... 55
Figura 3.12 – Fluxograma do método Corrente Constante .............................. 57
Figura 4.1 – Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d)
Full-Bridge ........................................................................................................ 62
Figura 4.2 – Conversor CC/CC step-up ............................................................ 63
Figura 4.3 – Formas de onda da tensão e corrente na indutância no modo de
condução contínuo [32] .................................................................................... 64
Figura 4.4 – Circuito Step-up durante o estado ton [32] ..................................... 65
Figura 4.5 – Circuito step-up durante o estado toff [32] ..................................... 65
Figura 4.6 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do step-up no
limite da condução contínua [32] ...................................................................... 67
Figura 4.7 – Formas de onda de ILB e IoB com Vo constante [32] ...................... 68
Figura 4.8 – Forma de onda da tensão e corrente na indutância em modo de
condução descontínuo [32]............................................................................... 70
Figura 4.9 – Curva característica do conversor step-up com Vo constante [32] 72
Figura 4.10 – Efeito dos elementos parasitas na conversão da tensão [32] .... 73
Figura 4.11 – Ripple da tensão de saída do step-up [32] ................................. 73
Figura 4.13 – Comparação dos sinais Vcontrol e vst [32] ..................................... 75
Figura 4.12 - Diagrama de blocos do controlador PWM [32] ............................ 75
Figura 4.14 – Circuito eléctrico do conversor step-up com controlo PWM ....... 76
Figura 4.15 - Inversor Half-bridge ..................................................................... 80
Figura 4.16 - Estados de operação do inversor de tensão half-bridge: a) T+
ligado; b) T- ligado ............................................................................................ 80
Figura 4.17 - Inversor Full-bridge ..................................................................... 81
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho xv
Figura 4.18 - Estados de operação do inversor de tensão full-bridge: a) TA+ e
TB- ligados; b) TA- e TB+ ligados .................................................................... 81
Figura 4.19 – Inversor Central .......................................................................... 86
Figura 4.20 – Inversor String ............................................................................ 87
Figura 4.21 – Inversor Multi-String ................................................................... 87
Figura 4.22 – Inversor com Módulo Integrado ou Módulo CA .......................... 88
Figura 4.23 – Modelação de largura por impulso [32] ...................................... 82
Figura 4.24 – Comparação de Vtri com Vcontrol na modulação por PWM com
tensão unipolar de comutação [32] .................................................................. 83
Figura 4.25 – Sinais de controlo dos braços A e B do inversor [32] ................. 84
Figura 4.26 – Tensão de saída do inversor [32] ............................................... 84
Figura 4.27 – Modulação PWM com tensão de comutação bipolar [32] .......... 85
Figura 5.1 – Modelo do painel fotovoltaico desenvolvido no Simulink a) modelo
do painel solar b) subsistema do modelo desenvolvido ................................... 93
Figura 5.2 – a) Curva Corrente vs Tensão b) Curva Potência vs Tensão ........ 94
Figura 5.3 - Conversor step-up simulado em Simulink ..................................... 94
Figura 5.4 - Tensão de entrada e saída no step-up ......................................... 95
Figura 5.5 – Corrente na bobine ...................................................................... 96
Figura 5.6 – Tensão e Corrente no Mosfet ...................................................... 96
Figura 5.7 - Modelo do circuito MPPT simulado............................................... 97
Figura 5.8 – Potência do arranjo fotovoltaico e tensão de controlo do controlo
MPPT ............................................................................................................... 98
Figura 5.9 – Tensão de controlo em regime permanente a) ∆V=0,5V b)
∆V=0,2V c) ∆V=0,1V ........................................................................................ 98
Figura 5.10 – Bloco desenvolvido em Simulink para a geração do sinal PWM do
MPPT ............................................................................................................... 99
Figura 5.11 – Comparação da onda dente de serra com a tensão de controlo 99
Figura 5.12 – Sinal PWM resultante do controlo MPPT ................................. 100
Figura 5.13 - Inversor simulado em Simulink ................................................. 100
Figura 5.14 – Simulação do controlo do inversor (PWM unipolar) ................. 101
Figura 5.15 – Sinais de controlo dos mosfets ................................................ 102
Figura 5.16 - Formas de onda da tensão nos mosfets ................................... 102
Figura 5.17 - Forma de onda da corrente nos mosfets .................................. 103
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
xvi Universidade do Minho
Figura 5.18 – Tensão de saída do inversor sem filtro LC ............................... 104
Figura 5.19 – Corrente na carga do inversor sem filtro LC ............................. 104
Figura 5.20 - Tensão de saída do inversor com aplicação de um filtro LC ..... 105
Figura 5.21 - Corrente na carga do inversor com filtro LC .............................. 105
Figura 6.1 – Bancada de trabalho .................................................................. 109
Figura 6.2 – Diagrama de blocos do sistema implementado .......................... 110
Figura 6.3 – Rectificador usado para emular o painel solar ........................... 111
Figura 6.4 – Associação série de condensadores do conversor CC-CC ........ 113
Figura 6.5 – Condensadores no conversor step-up ........................................ 114
Figura 6.6 – Circuito Snubber ......................................................................... 115
Figura 6.7 – Circuito snubber implementado .................................................. 115
Figura 6.8 – Esquema eléctrico do circuito step-up ........................................ 116
Figura 6.9 - Circuito step-up implementado .................................................... 117
Figura 6.10 – Tensão na entrada e na saída do step-up ................................ 118
Figura 6.11 – Corrente na bobina ................................................................... 118
Figura 6.12 – Tensão drain-source no mosfet sem circuito snubber .............. 119
Figura 6.13 – Tensão drain-source no mosfet com circuito snubber .............. 119
Figura 6.14 – Circuito inversor implementado ................................................ 120
Figura 6.15 – Tensão à saída do inversor ...................................................... 121
Figura 6.16 – Placa da unidade de medida .................................................... 122
Figura 6.17 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P .................................. 122
Figura 6.18 – Esquema de ligações do sensor de tensão LV 25-P ................ 123
Figura 6.19 – Medição do valor da tensão no step-up .................................... 124
Figura 6.20 – Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P ............................... 124
Figura 6.21 - Esquema de ligações do sensor de corrente LA 25-P .............. 125
Figura 6.22 – Medição do valor da corrente no step-up ................................. 126
Figura 6.23 – Diagrama de blocos do sistema de controlo ............................. 126
Figura 6.24 – PIC18F4431 ............................................................................. 127
Figura 6.25 – Diagrama de pinos do PIC18F4431 [40] .................................. 128
Figura 6.26 – Programador MPLAB ICD2 ligado ao PIC e computador ......... 129
Figura 6.27 – LCD Nokia 3310 a) vista frontal b) vista traseira c) pinos de
ligação [41] ..................................................................................................... 130
Figura 6.28 – Esquema eléctrico da ligação do LCD ao microcontrolador ..... 131
Figura 6.29 – Ligação do LCD Nokia ao microcontrolador ............................. 132
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Universidade do Minho xvii
Figura 6.30 – Acoplador Óptico VO3120 e respectivo esquema interno [42] . 133
Figura 6.31 – Esquema eléctrico do circuito acoplador óptico [42] ................ 134
Figura 6.32 – Sinal de controlo: a) entrada do acoplador óptico b) saída do
acoplador óptico ............................................................................................. 134
Figura 6.33- Placa da unidade de controlo do circuito step-up ...................... 135
Figura 6.34 – Placa da unidade de controlo do circuito inversor .................... 135
Figura 6.35 – Curva Tensão x Corrente do painel solar e da fonte CC com
resistência ...................................................................................................... 136
Figura 6.37 – Duty-cycle após estabilização do algoritmo MPPT .................. 137
Figura 6.36 – Diagrama de blocos do circuito MPPT ..................................... 137
Figura 6.38 – Formas de onda no ponto de máxima potência a) tensão da fonte
CC b) tensão proporcional ............................................................................. 138
Figura 6.39 – Sinal PWM em malha aberta (duty-cycle = 12,5%) .................. 139
Figura 6.40 – Formas de onda em malha aberta (duty-cycle = 12,5%) a) tensão
da fonte CC b) tensão proporcional ............................................................... 139
Figura 6.41 – Sinal PWM em malha aberta (duty-cycle = 88%) ..................... 140
Figura 6.42 – Formas de onda em malha aberta (duty-cycle = 88%) a) tensão
da fonte CC b) tensão proporcional ............................................................... 140
Figura 6.43 – Modo Continuous Up/Down Count [40] .................................... 142
Figura 6.44 – Esquema de ligação do circuito inversor .................................. 142
Figura 6.45 – Sinais PWM complementares gerados pelo PC ...................... 143
Figura 6.46 – Dead-time de 5µs no sinais PWM ............................................ 143
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Universidade do Minho xix
Índice de tabelas
Tabela 1.1 – Potência fotovoltaica anual instalada (MW) (1995-2009) .............. 8
Tabela 2.1- Características eléctricas do módulo PV KC85T-1 [26] ................ 33
Tabela 3.1 – Resumo do algoritmo Perturbação e Observação ...................... 50
Tabela 3.2 – Comparação entre os métodos MPPT ........................................ 59
Tabela 4.1 - Componentes do step-up ............................................................. 78
Tabela 5.1- Valores dos componentes do step-up nos cálculos e na simulação
......................................................................................................................... 95
Tabela 6.1 – Resumo dos valores dos componentes do step-up................... 116
Tabela 6.2 – Especificações eléctricas dos pinos do LCD [41] ...................... 131
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Universidade do Minho xxi
Lista de Símbolos e abreviaturas
Símbolos
Símbolo Descrição Unidades
I Corrente Ampere (A)
V Tensão Volt (V)
P Potência Watt (W)
Rp Resistência paralela Ohm (Ω)
Rs Resistência série Ohm (Ω)
Iout Corrente fornecida pela célula fotovoltaica Ampere (A)
Iph
Corrente gerada pela célula fotovoltaica em função da
radiação Ampere (A)
Io Corrente inversa máxima de saturação do díodo Ampere (A)
ID Corrente que circula no díodo Ampere (A)
Vt Tensão Volt (V)
Vocc Tensão da célula em circuito aberto Volt (V)
Voc Tensão circuito aberto Volt (V)
Vmpc Tensão célula no ponto de máxima potência Volt (V)
Imp Corrente célula no ponto de máxima potência Ampere (A)
Vmp Tensão no ponto de máxima potência Volt (V)
Ns Número de células
G Radiação incidente W/m2
Gref Radiação nas condições STC W/m2
np Número de células ligadas em paralelo
ns Número de células ligadas em série
Iotemp Corrente máxima de saturação à temperatura ambiente Ampere (A)
Tref Temperatura nas condições STC Kelvin (K)
k1 Factor de tensão
k2 Factor de corrente
Vpv Tensão no painel fotovoltaico Volt (V)
∆P Diferença de potência Watt (W)
∆V Diferença de tensão Volt (V)
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xxii Universidade do Minho
Constantes
Símbolo Descrição Valor aproximado Unidades
q Carga do electrão 1,6*10-19 C
K Constante de Boltzman 1,38*10-23 J/K
Eg Gap de energia 1,11 eV
αT Coeficiente de temperatura da corrente
de curto-circuito
2,12*10-3
Siglas
Sigla Descrição
ADC Analog-to- Digital Converter
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CIS Copper Indium Deselenid
CSI Current Source Inverter
CV Tensão Constante
I/O Input/Output
IEA International Energy Agency
IncCond Condutância Incremental
LCD Liquid Crystal Display
MPP Maximum Power Point
MPPT Maximum Power Point Tracking
OCDE Organização para Cooperação e
Desenvolvimento Económico
P&O Perturbação e Observação
PCB Printed Circuit Board
PIC Programmable Integrated Circuit
PWM Pulse Width Modulation
SPI Serial Peripheral Interface
STC Standard Test Condition
UE União Europeia
VSI Voltage Source Inverter
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Universidade do Minho 1
1. Introdução
1.1. O problema Energético
Desde os primórdios da humanidade que o homem sempre necessitou de
energia para as suas mais básicas e diversas actividades. Aproveitando os
recursos naturais existentes na natureza, o homem através da sua habilidade,
inteligência e engenho procurou transformar esses mesmos bens em recursos,
de forma a saciar as suas necessidades. Contudo, o desenvolvimento social,
industrial e tecnológico, bem como o aumento das carências energéticas
despontou a necessidade de exploração das energias fósseis, como o carvão e
o petróleo.
Actualmente, o uso abusivo de recursos fósseis coloca em causa a
disponibilidade das reservas naturais, em particular do petróleo, nas próximas
quatro décadas, levando a população mundial a enfrentar um problema
energético complexo [1]. O problema energético está evidente na procura
crescente de energias por parte de todas as economias mundiais, provocando
uma subida global dos preços internacionais, mas também na existência de
cada vez mais correntes científicas de que o modelo energético actual está a
provocar alterações climáticas no planeta, através da libertação de gases de
efeito de estufa como o CO2 (dióxido de carbono), contribuindo assim para o
agravamento do aquecimento global [2].
Na Figura 1.1 pode ver-se a tendência da evolução das emissões de CO2
nos países membros e não membros da OCDE (Organização para Cooperação
e Desenvolvimento Económico), bem como o total mundial. Através da sua
análise verifica-se que os países membros da OCDE irão conseguir estabilizar
os seus níveis de emissão de CO2, fruto do desenvolvimento de tecnologias
para a produção de energia. No entanto, os países não membros da OCDE
irão aumentar cada vez mais a emissão de dióxido de carbono, devido ao
consumo de energia produzida por recursos fósseis. Numa perspectiva mundial
a situação ambiental tende a piorar devido ao crescimento de emissões de
gases poluentes, como ilustra a Figura 1.1.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
2 Universidade do Minho
Figura 1.1 – Emissões de CO 2 2007-2030 [2]
No mundo cada vez mais consumista e onde a escassez de recursos
fósseis é evidente, a racionalização dos consumos de energia é fundamental
para a preservação da vida. Deste modo, a sustentabilidade baseia-se na ideia
de utilização de recursos naturais no presente, de forma a garantir a mesma
disponibilidade para as gerações futuras. Como solução viável para a
resolução destes problemas, têm-se aplicado, de forma gradual, a produção de
electricidade a partir de fontes de energia renovável, como a água, o vento, as
ondas do mar e o sol. As energias renováveis, são assim vistas como forma de
crescimento económico e social e desempenham um papel fundamental no
auxílio dos países a cumprirem as metas impostas pelo Protocolo de Quioto,
criado em 1997 e em vigor desde Fevereiro de 2005.
O Protocolo de Quioto é um tratado internacional que estipula, aos países
signatários, limites rígidos sobre a emissão de gases poluentes que agravam o
efeito de estufa. Introduz também mecanismos inovadores baseados nos
mercados, destinados a manter os custos da redução de emissões tão baixas
quanto possível. Assim os países desenvolvidos são obrigados a reduzir as
emissões de gases de efeito de estufa, como o CO2, metano, óxido nitroso,
hidrofluorocarbonetos, perfluorocarbonetos e hexafluoreto de enxofre, em cerca
de 5% abaixo do nível registado em 1990, durante o período de tempo entre
2008 e 2012. Este protocolo não contempla qualquer objectivo para os países
em desenvolvimento [3].
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 3
A UE (União Europeia), responsável pela emissão de 14% dos gases de
efeito de estufa, adoptou também um conjunto de medidas no sentido de
diminuir e de certa forma controlar os níveis de emissão de gases poluentes
para a atmosfera. No âmbito do Protocolo de Quioto, os 15 países que à época
constituíam a UE assumiram o ambicioso desafio de reduzir, até 2012, as
emissões colectivas de gases de efeito de estufa em 8% abaixo dos níveis de
1990. Desta forma, cada estado-membro da UE tinha as suas metas individuais
de acordo com a sua capacidade de reduzir as emissões. Os 12 países que em
2004 aderiram à UE ficaram sujeitos a objectivos próprios ao abrigo do
Protocolo. No caso concreto de Portugal, este terá de diminuir as emissões de
gases poluentes em 27% relativamente a 1990. No final de 2005, as emissões
correspondentes aos 15 estados-membros da UE encontravam-se 1,5% abaixo
dos níveis de 1990, enquanto que as emissões conjuntas dos 27 actuais
estados-membros situavam-se 7.9% abaixo [4] [5].
Além da cooperação no Protocolo de Quioto, a UE adoptou em 2008, um
pacote de medidas a longo prazo que visavam combater as alterações
climáticas.
Os estados-membros da UE comprometeram-se a reduzir, até 2020, as
emissões de gases de efeito de estufa a nível global em 20% relativamente aos
níveis de 1990 e aumentar 20% a percentagem de energias renováveis no
consumo de energia na União Europeia, sendo que cada país membro da UE
tem um objectivo individual de contribuição, de acordo com o seu potencial de
geração de energias renováveis. No caso de outros países desenvolvidos
assumirem o mesmo objectivo, a percentagem será aumentada para 30%. A
União Europeia pretende também reformar o sector dos transportes, com o
propósito de atingir 10% de utilização de biocombustíveis nos transportes até
2020. As emissões dos edifícios, dos transportes, da agricultura e dos
resíduos, devem ser reduzidas para uma média de 10% abaixo dos níveis de
2005, até ao ano de 2020 [3] [4].
Relativamente à quota de produção de energia recorrendo a fontes
renováveis, Portugal tem como meta aumentar para 31% e não para 20% como
nos restantes membros, devido ao facto de já em 2005 apresentar já uma
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
4 Universidade do Minho
percentagem de 20,5% e também pelo potencial nacional em energias
renováveis [6].
1.2. O Sol como Fonte de Energia
O Sol é uma poderosa fonte de energia que todos os dias irradia na Terra
um potencial energético extremamente elevado, como mostra a Figura 1.2 e
incomparável com qualquer outra fonte de energia, sendo a fonte básica de
vida para o homem e a origem de outras fontes de energia renovável, se não,
vejam-se os seguintes exemplos: a radiação solar evapora a água, que por sua
vez condensa e volta para o solo em forma de chuva, formando os rios que
fazem funcionar os geradores hidroeléctricos, portanto a energia hidroeléctrica
é, indirectamente, de origem solar; os ventos, necessários à produção de
energia eólica, têm origem no desigual aquecimento da superfície do planeta e,
por isso, são também de origem solar.
Figura 1.2 – Distribuição global da radiação solar [7]
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 5
a) b)
A energia proveniente do sol é chamada energia solar, e sendo o sol um
recurso natural, permanente e renovável a cada dia, esta é uma das formas de
energia renovável mais promissoras e atraentes para os desafios energéticos
futuros. A energia solar é gerada directamente pela radiação solar e pode ser
considerada uma das alternativas energéticas mais atractivas para o presente
e para o futuro, uma vez que, para além das suas características não
poluentes, não prejudica o ecossistema e a quantidade de energia disponível
para conversão é imensa. Esta pode ser aproveitada de forma directa em
energia térmica e de forma indirecta em electricidade. Na Figura 1.3 estão
representadas as duas formas de aproveitamento da energia solar.
Figura 1.3 - Aproveitamento da energia solar a) Ener gia Solar Fotovoltaica b) Energia Solar Térmica
O aproveitamento da energia solar para energia térmica pode ser feito de
forma passiva ou de forma activa. No aproveitamento térmico passivo, as
habitações são projectadas e construídas de forma a beneficiar da sua
localização sem recurso a equipamentos especiais, utilizando técnicas para
promover a exposição solar para gerar aquecimento, a utilização de isolamento
para gerar arrefecimento, entre outras. O aproveitamento térmico activo é
efectuado recorrendo a colectores solares que transferem a energia solar para
a água ou para um fluido térmico aquecendo-o. A energia térmica obtida pode
ser utilizada para a produção de águas quentes sanitárias, para uso domestico,
em hospitais, ou aquecimento de piscinas [8].
A energia solar fotovoltaica converte a energia solar em energia eléctrica,
através da utilização de células fotovoltaicas. Esta forma de aproveitamento
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
6 Universidade do Minho
energético assume-se como um dos recursos energéticos renováveis mais em
voga em Portugal, graças aos incentivos governamentais para a sua instalação
doméstica e industrial. A energia solar fotovoltaica apresenta diversas
vantagens, onde importa destacar as mais importantes:
• Elevada fiabilidade
• Portabilidade e modularidade, permitindo fazer chegar a energia
eléctrica a locais remotos
• Custos de operação muito baixos, praticamente não requer
manutenção
• Reduz as emissões de gases de efeito de estufa
• Utiliza uma fonte de energia inesgotável e universal
No entanto, também apresenta algumas desvantagens, tais como:
• O fabrico de módulos requer tecnologia muito sofisticada com custos
de investimento muito elevados
• O rendimento real dos módulos é baixo
• Durante a noite não existe produção de energia
• As quantidades produzidas variam com as condições climatéricas
1.3. A Energia Solar Fotovoltaica no Mundo
A Agência Internacional de Energia (International Energy Agency – IEA) é
um organismo autónomo no âmbito da OCDE, que realiza um programa
abrangente de cooperação energética entre os 26 países membros e com a
participação da Comissão Europeia. Esta organização desenvolveu um
programa corporativo chamado IEA Photovoltaic Power Systems Programme
(IEA PVPS), com o objectivo de melhorar os esforços de colaboração
internacional para acelerar o desenvolvimento e a implementação de energia
solar fotovoltaica como uma opção de energia renovável significativa e
sustentável [9].
Através da Figura 1.4 verifica-se que em 1992 a potência total dos
sistemas fotovoltaicos instalados era muito inferior a 5000MW, valor que se
manteve quase inalterado até 1999. A partir do ano 2000 a aposta instalações
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
solares fotovoltaicas teve um crescimento exponencial, em 2006 a potência
instalada ultrapassava já os 5000MW
barreira dos 20000MW, ilustra
energia.
Figura 1.4 – Potência acumulada em sistemas fotovoltaic
Em 2009 foram instalados 6,2GW de potência
PVPS, onde a maior parcela de contribuição, cerca 93%,
Alemanha, Itália, EUA, Japão e França, que se tra
de 20,4GW. A potência
mais de 7GW [9].
A taxa anual de crescimento da capacidade instalada acumulada nos
países IEA PVPS foi de 44%, ainda assim abaixo do valor recorde de 77%
registado em 2008. Os maiores aumentos registaram
Japão (22%), ambos
transacto.
Apesar da crise económica, houve um crescimento
entre 2008 e 2009. Excluindo a Espanha, q
significativa no mercado fotovoltaico, os restantes 20 países obtiveram uma
taxa de crescimento de 84%. Como se verifica na
mercado anual é evidente em vários países. O
crescimento de 18 vezes em relação ao ano anterior
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
solares fotovoltaicas teve um crescimento exponencial, em 2006 a potência
instalada ultrapassava já os 5000MW e em 2009 a potência total já
os 20000MW, ilustrando assim a evolução deste tipo de produção de
Potência acumulada em sistemas fotovoltaic os ligados e desligados da rede
m instalados 6,2GW de potência fotovoltaica nos países IEA
PVPS, onde a maior parcela de contribuição, cerca 93%,
Alemanha, Itália, EUA, Japão e França, que se traduziu num total acumulado
de 20,4GW. A potência fotovoltaica instalada em 2009 é estimada em pouco
A taxa anual de crescimento da capacidade instalada acumulada nos
países IEA PVPS foi de 44%, ainda assim abaixo do valor recorde de 77%
o em 2008. Os maiores aumentos registaram-se na Alemanha (64%) e
Japão (22%), ambos com valores mais elevados relativamente ao ano
Apesar da crise económica, houve um crescimento do mercado fotovoltaico
entre 2008 e 2009. Excluindo a Espanha, que em 2009 teve uma quebra muito
significativa no mercado fotovoltaico, os restantes 20 países obtiveram uma
ento de 84%. Como se verifica na Tabela 1.1
mercado anual é evidente em vários países. O mercado israelita registou um
crescimento de 18 vezes em relação ao ano anterior, enquanto que o Canadá
7
solares fotovoltaicas teve um crescimento exponencial, em 2006 a potência
e em 2009 a potência total já superava a
deste tipo de produção de
os ligados e desligados da rede [9]
fotovoltaica nos países IEA
PVPS, onde a maior parcela de contribuição, cerca 93%, foi dada pela
duziu num total acumulado
alada em 2009 é estimada em pouco
A taxa anual de crescimento da capacidade instalada acumulada nos
países IEA PVPS foi de 44%, ainda assim abaixo do valor recorde de 77%
se na Alemanha (64%) e
mais elevados relativamente ao ano
do mercado fotovoltaico
teve uma quebra muito
significativa no mercado fotovoltaico, os restantes 20 países obtiveram uma
o crescimento do
mercado israelita registou um
, enquanto que o Canadá
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
8
obteve um mercado 9 vezes superior ao do ano de 2008. Em ambos os casos,
os tarifários apelativos e bonificados foram um forte impulsionador neste
crescimento. Austrália, Áustria, Alemanha, França, Itália, Japão e Holanda
experimentaram um aumento de duas a quatro vezes
anual dos EUA assinalou um aumento de 40%. Porém, os mercados da Coreia
e de Portugal diminuíram face a 2008, em
2008, onde ambos os países regist
mercado espanhol entrou em colapso ao registar, em 2009, cerca de 2% do
mercado de 2008 e ainda menos do que a
2006 [9].
Os valores registados em 2009
maior potência fotovoltaica instalada do mundo, superando qualquer mercado
anual por mais de 3GW. A Alemanha tem ainda o
instalada em termos de capacidade total e, de longe, a maior
per capita (120W per capita)
Tabela 1.1 – Potência fotovoltaica anual instalada (MW) (1995
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
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obteve um mercado 9 vezes superior ao do ano de 2008. Em ambos os casos,
os tarifários apelativos e bonificados foram um forte impulsionador neste
imento. Austrália, Áustria, Alemanha, França, Itália, Japão e Holanda
experimentaram um aumento de duas a quatro vezes, enquanto que o
anual dos EUA assinalou um aumento de 40%. Porém, os mercados da Coreia
e de Portugal diminuíram face a 2008, em contraste com o acontecido em
2008, onde ambos os países registaram grandes picos na potência
mercado espanhol entrou em colapso ao registar, em 2009, cerca de 2% do
nda menos do que a potência fotovoltaico instalada
Os valores registados em 2009 permitem concluir que a Alemanha tem a
fotovoltaica instalada do mundo, superando qualquer mercado
anual por mais de 3GW. A Alemanha tem ainda o maior nível de
instalada em termos de capacidade total e, de longe, a maior potência instalada
capita) [9].
Potência fotovoltaica anual instalada (MW) (1995 -2009)
Universidade do Minho
obteve um mercado 9 vezes superior ao do ano de 2008. Em ambos os casos,
os tarifários apelativos e bonificados foram um forte impulsionador neste
imento. Austrália, Áustria, Alemanha, França, Itália, Japão e Holanda
, enquanto que o mercado
anual dos EUA assinalou um aumento de 40%. Porém, os mercados da Coreia
contraste com o acontecido em
instalada. O
mercado espanhol entrou em colapso ao registar, em 2009, cerca de 2% do
instalada em
permitem concluir que a Alemanha tem a
fotovoltaica instalada do mundo, superando qualquer mercado
maior nível de potência
potência instalada
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
1.4. A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal
Portugal, fruto da sua localização geográfica, é dos países da Europa que
apresenta um recurso
horas de sol, tal como se verifica na
Figura
Desta forma, o cenário
últimos 10 anos. Esta dinâmica foi impulsionada pela ênfase dado aos
problemas energéticos por toda a União Europeia, pela importância das
energias renováveis na resolução desses mesmos problemas e pela
excelentes condições que o país apresenta para a exploração dos recursos
naturais.
Para a análise da situação energética
análise do relatório anual de 2010 da Agência Internacional de Energia.
Em 2010 foi revisto o quad
directivas da União Europeia, de maneira reduzir a dependência de
combustíveis fósseis, garantir o cumprimento dos compromissos com a UE
relativos às alterações climatéricas
sustentável em termos económicos, sociais e energéticos. Deste modo,
Portugal aprovou um programa de energias renováveis de maneira a cumprir
meta de 31% assumida com a UE para a quota global de energia proveniente
de fontes renováveis até 2020. Em p
representa uma capacidade adicional instalada de 9,
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal
fruto da sua localização geográfica, é dos países da Europa que
apresenta um recurso em energia solar mais elevado e um maior número de
l, tal como se verifica na Figura 1.5.
Figura 1.5 – Horas de sol e radiação solar em Portugal [10]
Desta forma, o cenário eléctrico nacional tem sofrido fortes alterações nos
Esta dinâmica foi impulsionada pela ênfase dado aos
problemas energéticos por toda a União Europeia, pela importância das
energias renováveis na resolução desses mesmos problemas e pela
excelentes condições que o país apresenta para a exploração dos recursos
Para a análise da situação energética actual de Portugal recorreu
análise do relatório anual de 2010 da Agência Internacional de Energia.
Em 2010 foi revisto o quadro político energético nacional de acordo com as
directivas da União Europeia, de maneira reduzir a dependência de
combustíveis fósseis, garantir o cumprimento dos compromissos com a UE
relativos às alterações climatéricas e criar condições de desenvolvime
sustentável em termos económicos, sociais e energéticos. Deste modo,
Portugal aprovou um programa de energias renováveis de maneira a cumprir
meta de 31% assumida com a UE para a quota global de energia proveniente
de fontes renováveis até 2020. Em particular para o sector eléctrico, este
cidade adicional instalada de 9,6GW [11]
9
A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal
fruto da sua localização geográfica, é dos países da Europa que
em energia solar mais elevado e um maior número de
[10]
eléctrico nacional tem sofrido fortes alterações nos
Esta dinâmica foi impulsionada pela ênfase dado aos
problemas energéticos por toda a União Europeia, pela importância das
energias renováveis na resolução desses mesmos problemas e pelas
excelentes condições que o país apresenta para a exploração dos recursos
de Portugal recorreu-se à
análise do relatório anual de 2010 da Agência Internacional de Energia.
ro político energético nacional de acordo com as
directivas da União Europeia, de maneira reduzir a dependência de
combustíveis fósseis, garantir o cumprimento dos compromissos com a UE
e criar condições de desenvolvimento
sustentável em termos económicos, sociais e energéticos. Deste modo,
Portugal aprovou um programa de energias renováveis de maneira a cumprir a
meta de 31% assumida com a UE para a quota global de energia proveniente
articular para o sector eléctrico, este
[11].
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
10 Universidade do Minho
O programa nacional contempla um mecanismo de tarifas especiais para a
promoção da energia renovável, aprovando três decretos de lei para o
programa de energia: Decreto de Lei 312/2001 - Produtor Independente de
Energia (IPP), onde não há limite de potência instalada; Decreto de Lei 68/2002
- Produtor-Consumidor, onde a potência máxima instalada é 150kW; Decreto
de Lei 363/2007 - Microgeração que inclui instalações com um potência
máxima de 5,75kW para sistema monofásicos e 10,04kW para sistemas
trifásicos [11].
Face ao significativo número de empresas interessadas na microgeração, o
estado português viu-se na necessidade de criar um novo regime de apoio para
os sistemas fotovoltaicos destinados ao sector terciário, comércio e industria.
Em Dezembro de 2010 lançou então um novo programa de apoio com novas
bonificações para potências instaladas até 250kW, chamado de mini-geração e
que veio substituir o programa produtor-consumidor que não se mostrava
atraente para os produtores [11].
Em 2010, cerca de 10MW de capacidade adicional foram instalados em
Portugal, no âmbito do programa IPP, incluindo três projectos em grande
escala, todos na região sul do país: 6,3MW na central solar de Porteirinhos em
Almodôvar, 1,3MW em Mértola e 1MW em Ferreira do Alentejo. Também neste
ano, fruto de um concurso público, particularmente orientado para escolas e
instituições de solidariedade social, foi instalada uma capacidade de cerca de
670kW [11].
A potência total instalada em 2010 ao abrigo do programa da micro-
geração foi cerca de 32,6MW, dos quais 98% foram instalações fotovoltaicas.
O mercado fotovoltaico português cresceu 22% em 2010, atingindo um
total de capacidade de energia fotovoltaica acumulada de cerca de 131MW, tal
como demonstra a Figura 1.6. O aumento de capacidade deve-se
essencialmente aos sistemas de micro-geração conectados à rede (19MW) e
os geradores IPP (10MW).
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 11
Figura 1.6 – Potência fotovoltaica acumulada instala da em Portugal [11]
Grande parte da produção de energia eléctrica nacional, com recurso à
tecnologia fotovoltaica está situada no Alentejo, onde se situam as maiores
centrais fotovoltaicas, em termos de energia produzida. A Central Fotovoltaica
da Amareleja e a Centra Fotovoltaica de Serpa, são exemplos de duas centrais
que em tempos já foram consideradas as maiores do mundo, com a primeira
produzir um total de 46MW de potência, enquanto que a central de Serpa tem
uma potência total instalada de 11MW de potência. Na Figura 1.7 a) está
representada a Central Fotovoltaica da Amareleja e na Figura 1.7 b) está
representada a Central Fotovoltaica de Serpa.
Figura 1.7 - a) Central Fotovoltaica de Serpa b) Cen tral Fotovoltaica da Amareleja
O novo quadro político introduzido pelo governo em 2010, alinhado com a
estratégia da UE para a problemática clima vs energia, irá permitir uma
implantação muito mais rápida da energia fotovoltaica durante a próxima
década, de forma a atingir o objectivo de produção de 1500MW até 2020 [11].
a) b)
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
12 Universidade do Minho
Dada a difícil situação económica que o país enfrenta e enfrentará nos
próximos tempos, e o facto das energias renováveis representarem um
encargo adicional para os consumidores de electricidade que têm de suportar o
custo extra das mesmas nas suas contas, os principais desafios futuros para
Portugal no que respeita a energia solar fotovoltaica são: manter um quadro
estável suficientemente atraente para o produtores e minimizar os riscos de
investimento; consolidar um cluster industrial [11].
1.5. Motivações
A produção de energia eléctrica com recurso à tecnologia solar fotovoltaica
apresenta um conjunto de vantagens ambientais, económicas e sociais,
relativamente aos recursos fosseis, que possibilita aos países uma redução da
sua pegada ecológica e um crescimento económico sustentável. Portugal
sendo um país privilegiado em termos geográficos, pela forte radiação solar a
que está sujeito, dispõe de óptimas condições para a exploração do mercado
da energia fotovoltaica.
Apesar das centrais fotovoltaicas instaladas em território nacional
produzirem uma potência considerável, há ainda caminho a percorrer na
evolução destes sistemas, onde as universidades podem desempenhar um
papel importante.
Nesse sentido, o interesse pela área das energias renováveis,
nomeadamente a energia solar fotovoltaica, e a possibilidade de desenvolver
todos os circuitos necessários à interface de um painel solar fotovoltaico à rede
eléctrica, tendo por base todo o conhecimento adquirido ao longo do curso,
constituem as grandes motivações que levaram à realização desta dissertação
de Mestrado.
A multidisciplinaridade do trabalho em questão, envolvendo áreas tão
distintas como a electrónica de potência, o controlo e a programação, constitui
outro factor de motivação.
Assim, esta dissertação pretende ser uma contribuição para o estudo e
desenvolvimento da energia solar fotovoltaica, designadamente na interface de
um painel solar fotovoltaico à rede eléctrica.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 13
1.6. Objectivos
Para a implementação prática dos circuitos de potência e de controlo
necessários à interface de um painel fotovoltaico à rede eléctrica,
estabeleceram-se os seguintes objectivos:
• Estudo de diferentes tipologias de ligação de painéis fotovoltaicos à
rede eléctrica.
• Estudo dos circuitos MPPT (Maximum Power Point Tracking).
• Simulações computacionais de circuitos de ligação de painéis
solares à rede eléctrica.
• Simulações computacionais de circuitos MPPT
• Implementação de um inversor electrónico de potência capaz de
converter a saída do painel fotovoltaico num sistema alternado
monofásico 230V, 50Hz.
• Implementação de um circuito MPPT e respectivo sistema de
controlo.
• Testes ao sistema completo e ligação à rede eléctrica.
1.7. Estrutura da Dissertação
A presente dissertação divide-se em sete capítulos, em que cada um
corresponde a uma etapa do trabalho realizado, sendo que este consistiu numa
primeira fase num estudo teórico, seguido pela fase de simulações e culminou
na implementação prática de todo o sistema.
No capítulo introdutório é feita a identificação do problema energético, um
enquadramento nacional e mundial da energia solar fotovoltaica, são
apresentadas as simulações que levaram à proposta desta dissertação e ainda
a enumeração de todos os objectivos da mesma.
O capítulo dois apresenta uma breve descrição dos diferentes tipos de
sistemas fotovoltaicos, bem como um estudo acerca de células e módulos
solares fotovoltaicos. São também apresentados os modelos eléctrico e
matemático da célula fotovoltaica, tal como a sua curva característica e ainda o
efeitos da temperatura e radiação solar nos módulos fotovoltaicos.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
14 Universidade do Minho
No capítulo três é apresentado um estudo teórico dos vários algoritmos
seguidores do ponto de máxima potência (MPPT).
O quarto capítulo expõe a análise realizada ao funcionamento dos circuitos
electrónicos de potência implementados, designadamente, o conversor CC-CC
step-up e o conversor CC-CA, vulgarmente denominado por inversor. Foram
também analisados e estudados os respectivos métodos de controlo dos dois
conversores. Ainda neste capítulo foi efectuado o dimensionamento do
conversor step-up.
No capítulo cinco são apresentadas todas as simulações computacionais
realizadas às diferentes partes constituintes do sistema.
O capítulo seis demonstra a implementação prática da unidade de
potência, da unidade de medida e da unidade de controlo, e os respectivos
resultados experimentais.
Por fim, o capítulo sete onde vem as conclusões finais de todo o trabalho e
as propostas de trabalho futuro no âmbito do mesmo projecto
.
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 15
2. Sistema Solar Fotovoltaico
2.1. Introdução
O sistema solar fotovoltaico reúne no seu conjunto vários componentes,
que juntos colaboram num objectivo único de produzir energia eléctrica através
de uma fonte luminosa. Estes elementos podem utilizar diferentes
configurações de ligação, de forma a alimentarem sistemas isolados ou cargas
independentes, ou até mesmo operaram em sintonia com a rede eléctrica
nacional.
A célula solar fotovoltaica assume-se como o elemento básico da
conversão de energia, pois é nela que decorre a transformação da energia
solar em energia eléctrica. Através da associação série ou paralelo de células
solares podem formar-se módulos solares, que por sua vez compõem painéis
solares quando ligados entre si.
Assim, neste capítulo é apresentada uma descrição dos diferentes tipos de
sistemas fotovoltaicos, e uma explicação dos fundamentos teóricos que
ocorrem nas células solares fotovoltaicas, de forma a perceber melhor o
funcionamento da célula e consequentemente do painel fotovoltaico. Com base
no modelo matemático aqui descrito, é também apresentada uma simulação,
feita em Matlab, da curva característica de uma célula de um painel
fotovoltaico, bem como os efeitos provocados pela radiação solar e pela
temperatura no comportamento da célula.
Do ponto de vista da energia fotovoltaica, o aproveitamento da energia
fornecida pelo sol é algo que sempre despertou o interesse da população
mundial desde muito cedo. A complexidade da tecnologia subjacente ao
aproveitamento da radiação solar foi um desafio que começou a ser
solucionado em 1839, e ainda hoje é alvo de melhorias em concordância com o
desenvolvimento tecnológico.
O físico francês Alexandre Edmond Bequerel tinha especial interesse em
fenómenos relacionados com a luz, fotoquímica e fosforescência. Dedicando
quase toda a sua vida ao estudo da teoria da luz, foi o primeiro a observar o
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
16 Universidade do Minho
efeito fotovoltaico, quando detectou o aparecimento de uma tensão no
momento em que um de dois eléctrodos eram iluminados pelo sol numa
solução de fraca condução. Este facto histórico remonta ao ano de 1839 [12]
[13].
Em 1873 Willoughby Smith descobriu a fotocondutividade num material
semi-condutor, o Selénio. Ao verificar que a resistência deste variava em
função da quantidade de luz a que era exposto. Percebeu assim que o Selénio
podia transformar a energia luminosa em impulsos eléctricos [12].
Os ingleses Adams e Day detectaram também o fenómeno da
fotocondutividade no Selénio em 1876 e construíram a primeira célula
fotovoltaica com rendimento estimado entre 1% e 2%. Esta foi de facto a
primeira vez que se observou o efeito fotovoltaico num material sólido. No
entanto, este tipo de células nunca chegou a ser produzido devido aos
elevados custos de produção relativamente ao rendimento obtido [12].
O americano Charles Fritts, em 1883, foi o primeiro a desenvolver uma
célula solar a partir de camadas – wafers, para converter a radiação solar em
energia eléctrica [12] [14].
Heinrich Hertz em 1887 e Hallwachs em 1904 descobriram
respectivamente, que a influência da radiação ultravioleta na descarga eléctrica
provoca uma faísca entre dois eléctrodos do metal e uma combinação de
metais era sensível à luz [12] .
Nos anos seguintes o conhecimento básico do fenómeno fotovoltaico foi
aprofundado e expandido. Nas décadas de 1920 e 1930, a mecânica quântica
forneceu a base teórica para a compreensão actual do efeito fotovoltaico [13].
Um grande passo na evolução da tecnologia de células solares foi o
desenvolvimento, no início dos anos 50, de um método para a produção de
silício cristalino com elevado grau de pureza, sendo o cientista polaco
Czochralski o responsável por este feito. Isto permitiu a produção de células
fotovoltaicas de silício com um rendimento entre 4% e 6% [12].
Em 1951 depois de vários estudos desenvolveu-se uma junção p-n que
possibilitou a produção de células a partir de um único cristal de Germânio. Nos
anos seguintes detectou-se também o fenómeno fotovoltaico em outros
materiais e cristais [12].
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 17
Por esta altura surgiram as primeiras aplicações comerciais de células
fotovoltaicas de silício. Numa fase inicial, estas foram instaladas em locais
geograficamente isolados das linhas de transporte de energia, com o intuito de
providenciar o fornecimento de energia eléctrica nestes locais. Bóias de
sinalização e sistemas de telecomunicação são outros exemplos das primeiras
aplicações de células fotovoltaicas. Em 1963, no Japão, foi instalado um
sistema fotovoltaico de 242 W num farol (a maior aplicação da altura) [14]. No
entanto, este tipo de aplicações não teve o resultado esperado. Foi na área
espacial que as células fotovoltaicas se revelaram extremamente úteis, quando
em 1958 um satélite espacial dos Estados Unidos utilizou um conjunto de
células para alimentar o seu rádio. O funcionamento das células foi de tal forma
eficiente que a comunidade científica de imediato percebeu que estas poderiam
ser uma fonte de energia muito eficaz em muitas missões espaciais. Desde
então a energia solar fotovoltaica tem sido parte integrante do programa
espacial dos Estados Unidos [12].
A partir de 1975 o número de aplicações em terra de sistemas fotovoltaicos
era superior ao número de aplicações no espaço, ou seja, o mercado terrestre
ganhou espaço relativamente ao mercado espacial [13]. Actualmente, os
sistemas fotovoltaicos estão presentes em praticamente todos os mercados
mundiais, em diversos tipos de aplicações. São vários os exemplos práticos
onde é bem visível a aplicabilidade prática da energia solar fotovoltaica, desde
pequenos equipamentos electrónicos, como calculadoras, passando pelos
aparelhos e sistemas eléctricos remotos que não estão ligados à rede eléctrica
pública e que alimentam residências individuais e indústrias.
Foi entre os anos de 1970 e 1990 que o desenvolvimento da tecnologia
fotovoltaica assumiu um comportamento muito activo e dinâmico, sendo os
Estados Unidos, a Alemanha e o Japão os países mais dinamizadores de todo
este processo. Este interesse pelo desenvolvimento da energia solar
fotovoltaica foi impulsionado pelos riscos públicos do aquecimento global e pela
problemática da energia nuclear. Perante este cenário, os países mais
industrializados viram-se na obrigação de criar mecanismos e incentivos para o
progresso da tecnologia fotovoltaica, através da criação de subsídios
governamentais, campanhas de marketing, grupos de investigação e
desenvolvimento, entre outros. Surgiram assim ideias revolucionárias como a
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
18 Universidade do Minho
utilização de novos materiais, tais como o silício multicristalino e métodos de
produção do silício directamente em fita. Estes avanços permitiram uma
redução do custo da electricidade solar [13].
Os elevados custos destes sistemas têm sido o principal obstáculo à
utilização mais ampla de células fotovoltaicas, mas os apoios políticos, os
incentivos à microgeração, bem como a escassez de combustíveis fósseis e a
diminuição dos custos dos dispositivos fotovoltaicos, podem resultar na
expansão destes mercados e consequente redução de custos de produção [12]
[13].
2.2. Tipos de sistemas fotovoltaicos
Os sistemas de energia fotovoltaicos geralmente são classificados de
acordo com as suas exigências funcionais e operacionais, a sua configuração e
a forma de como os equipamentos são ligados a outras fontes de energia e às
cargas eléctricas. Estes podem ser projectados para fornecer corrente contínua
ou funcionar como alimentação de uma instalação de corrente alternada,
podendo operar ligados à rede eléctrica ou de forma independente. Em ambos
os casos estes podem estar conectados com outras fontes de energia e
sistemas de armazenamento de energia.
Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas:
sistemas isolados, sistemas ligados à rede eléctrica e sistemas híbridos. A
opção por qualquer uma das categorias depende da aplicação do sistema e da
disponibilidade de recursos energéticos. A presente dissertação enquadra-se
no grupo de sistemas ligados à rede eléctrica.
Os sistemas fotovoltaicos obedecem a uma configuração básica,
constituída pelos painéis fotovoltaicos, unidade de controlo, unidade de
armazenamento e utilizador [15], tal como mostra a Figura 2.1.componentes e
fontes geradoras.
No entanto, a complexidade de cada sistema é variável podendo usar
diferentes números de componentes e fontes geradoras.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 19
2.2.1. Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Os sistemas fotovoltaicos isolados funcionam de forma independente da
rede eléctrica.
Este tipo de sistemas é utilizado para alimentar cargas isoladas, situadas
em zonas remotas, onde a chegada de energia através do sistema
convencional ou através de qualquer outra forma de geração de energia não é
viável do ponto de vista económico ou técnico. Os sistemas de vigilância nas
auto estradas, o fornecimento de energia a pequenas embarcações, os
sistemas de iluminação pública e os sistemas de telecomunicações, entre
outros, são alguns exemplos de aplicação de sistemas isolados fotovoltaicos.
Os sistemas fotovoltaicos isolados podem dividir-se em quatro grupos, de
acordo com o tipo de carga a ser alimentada (carga CC ou carga CA) e a
utilização ou não de uma unidade de armazenamento de energia. Na Figura
2.2 podem observar-se os tipos de ligações de sistemas fotovoltaicos isolados.
O banco de baterias é utilizado para armazenar energia, muito útil para
alimentar a carga nas situações em que a radiação solar é nula ou insuficiente
para a produção de energia [16].
O controlador de carga monitoriza a carga e descarga das baterias, não
permitindo que estas sejam danificadas por sobrecargas ou descargas
profundas, aumentando assim o tempo de vida útil das baterias [15] [16].
Para alimentar cargas de corrente alternada utiliza-se um inversor, uma vez
que os painéis solares fotovoltaicos produzem corrente contínua.
Figura 2.1 - Configuração básica de um sistema foto voltaico básico
Unidade de
Controlo
Unidade de
Armazenamento
Receptor/Rede
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
20 Universidade do Minho
Inversor
CC/CA Carga CA
Banco
de Baterias
Controlador
de Carga
Banco
de Baterias
Carga CC
Carga CC
Controlador
de Carga
Conversor
CC/CC Carga CA
Inversor
CC/CA
2.2.2. Sistemas Fotovoltaicos Híbridos
Os sistemas fotovoltaicos híbridos, representado na Figura 2.3, são
aqueles que de forma independente da rede eléctrica, integram várias fontes
de energia renovável, como por exemplo, sistemas fotovoltaicos e sistemas
eólicos, entre outros. Fontes de produção convencionais, tais como geradores
diesel, são integradas com as fontes de energia renovável, com o objectivo de
auxiliar na produção de energia nas alturas em que o consumo eléctrico é
elevado, ou quando a produção eléctrica é insuficiente para satisfazer o
consumo eléctrico.
O facto de ter que gerir energia proveniente de várias fontes, bem como a
necessidade de entregar ao utilizador energia de forma eficiente, faz com que o
processo de optimização do sistema de controlo seja complexo [16] [15].
Figura 2.2 - Sistema fotovoltaico isolado
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 21
Unidade de Controlo
Unidade de
Armazenamento Utilizador
2.2.3. Sistemas Fotovoltaicos Ligados à Rede
Eléctrica
Os sistemas fotovoltaicos ligados à rede eléctrica são concebidos para
operarem em paralelo com a rede e têm vindo a ganhar cada vez mais
aderentes nos últimos tempos. Este crescimento deve-se em grande parte aos
incentivos financeiros que os governos oferecem a quem opta por este tipo de
instalação eléctrica. A energia gerada por este sistema pode ser consumida
pelo próprio utilizador, reduzindo assim a dependência face ao sistema
eléctrico convencional, ou então pode ser vendida e injectada na rede eléctrica
nacional a preços muito atractivos e rentáveis, amortizando assim o
investimento inicial.
Tratam-se de sistemas que utilizam um elevado número de painéis solares
fotovoltaicos para poderem produzir grandes quantidades de energia e
tipicamente não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois
toda a energia produzida é injectada na rede.
Este sistema implica a utilização de inversores, uma vez que, os painéis
solares fotovoltaicos produzem corrente contínua e a rede consome corrente
alternada. Para além de efectuar a conversão CC/CA, o inversor também é
Figura 2.3 - Exemplo de um sistema fotovoltaico híbr ido
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
22 Universidade do Minho
responsável por sincronizar a corrente de saída do painel fotovoltaico com a
corrente da rede de forma a reduzir o consumo a partir da rede. Assim, o
inversor assume-se como elemento fundamental neste tipo de sistemas,
devendo por isso, o seu dimensionamento ser feito com muito cuidado para
que as exigências de qualidade e segurança da rede sejam satisfeitas. A
Figura 2.4 representa o esquemático de um sistema fotovoltaico ligado à rede
eléctrica.
2.3. Células Solares Fotovoltaicas
A célula solar fotovoltaica, é o elemento básico do sistema solar
fotovoltaico, com o qual se constroem módulos e painéis solares. A sua função
é converter a energia solar em energia eléctrica através do efeito fotovoltaico,
explicado no subcapítulo seguinte. As células podem ser ligadas em série ou
em paralelo para formarem módulos, sendo que na ligação série obtém-se um
aumento do valor da corrente, enquanto que na ligação paralelo aumenta-se o
valor da tensão.
Estas células são constituídas por um material semicondutor, normalmente
o silício, ao qual são adicionadas substâncias dopantes de forma a criar um
meio adequado para o estabelecimento do efeito fotovoltaico.
2.3.1. Efeito Fotovoltaico
Através da análise semântica da palavra fotovoltaico, é possível perceber
que este termo surge da junção de “foto”, que significa luz, com “voltaico”, que
se refere ao aparecimento de uma diferença de potencial através de uma
CC
CA
Figura 2.4 - Sistema fotovoltaico ligado à rede
Rede Eléctrica
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 23
reacção química. Esta divisão permite ter uma noção, ainda que intuitiva, do
significado do fenómeno efeito fotovoltaico.
O efeito fotovoltaico é o fenómeno responsável pela conversão da energia
solar em energia eléctrica. Este realiza-se em materiais semicondutores, que
tal como o próprio nome indica, possuem características intermédias entre um
condutor e um isolante. Os semicondutores caracterizam-se pela presença de
bandas de energia onde é permitida a presença de electrões (zona de valência)
e de outra zona chamada banda de condução. O semicondutor mais utilizado é
o silício, cujo símbolo químico é Si [17] [18] [19].
O silício normalmente apresenta-se como areia, obtendo-se na sua forma
pura através de métodos adequados. Os elementos do grupo IV da tabela
periódica, como o silício, caracterizam-se por possuírem quatro electrões de
valência que se ligam aos átomos vizinhos através de ligações covalentes,
formando uma rede cristalina. O cristal de silício puro não apresenta electrões
livres e portanto é um mau condutor eléctrico. Para inverter esta situação é
necessário adicionar outros elementos químicos ao sistema. Quando átomos
que possuem cinco electrões de valência, como o fósforo ou o arsénio, são
adicionados ao sistema, há um electrão em excesso que fica livre para
estabelecer ligações covalentes, enfraquecendo a sua ligação com átomo de
origem. Por outro lado, quando átomos que possuem três electrões de
valência, como o boro ou o índio, são adicionados ao sistema, há falta de um
electrão para estabelecer as ligações covalentes com os átomos de silício,
formando uma lacuna. Desta forma, é necessária uma pequena quantidade de
energia para que, no primeiro caso, o electrão livre seja libertado para a banda
de condução, e no segundo caso, um electrão de um local vizinho se desloque
e preencha a lacuna. Assim, o fósforo ou o arsénio são doadores de electrões
do tipo N (silício tipo N) e o boro ou o índio, são aceitadores de electrões do
tipo P (silício do tipo P) [17] [18] [19].
Cada célula solar é constituída por uma camada fina de material do tipo N
e outra com maior espessura de material do tipo P, como se pode observar
Figura 2.5
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
24
Figura 2.5 - Camada do tipo P e camada do tipo N da célula solar
Separadamente, as camadas do tipo N e do tipo P são elect
neutras, no entanto, ao serem ligadas, através da junção P
campo eléctrico. Na zona da junção dá
livres, do lado N para o lado P, que irão preencher as lacunas. Esta deslocação
de electrões provoca um défice de electrões do lado N, tornando
positivamente e uma concentração de electrões do lado P, ficando carregado
negativamente. Surge assim um campo eléctrico na zona da junção. Este
processo atinge um ponto de equilíbrio quando o campo elé
impedir a passagem dos electrões livres do lado N para o lado P. A tensão total
desta junção é cerca de 1V e é chamada tensão de difusão
A luz solar ao incidir sobre a junção P
com os electrões da camada de silício, fornecendo
transformando-os em condutores.
deslocam-se para a banda de
electrões das ligações covalentes formando pares electrões
acelerados por efeito do campo eléctrico em sentidos opostos. Como resultado
do deslocamento das cargas obtém
superfícies opostas da célula
tensão de circuito aberto. Na
numa célula.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
Camada do tipo P e camada do tipo N da célula solar
Separadamente, as camadas do tipo N e do tipo P são elect
neutras, no entanto, ao serem ligadas, através da junção P-N gera
campo eléctrico. Na zona da junção dá-se uma transferência de electrões
livres, do lado N para o lado P, que irão preencher as lacunas. Esta deslocação
m défice de electrões do lado N, tornando-
positivamente e uma concentração de electrões do lado P, ficando carregado
negativamente. Surge assim um campo eléctrico na zona da junção. Este
processo atinge um ponto de equilíbrio quando o campo eléctrico é capaz de
impedir a passagem dos electrões livres do lado N para o lado P. A tensão total
desta junção é cerca de 1V e é chamada tensão de difusão [17] [19]
A luz solar ao incidir sobre a junção P-N faz com que os fotões choquem
com os electrões da camada de silício, fornecendo-lhes energia e
os em condutores. Os electrões da zona de valência
se para a banda de condução, ou seja, os fotões arrancam os
electrões das ligações covalentes formando pares electrões – lacunas, que são
acelerados por efeito do campo eléctrico em sentidos opostos. Como resultado
do deslocamento das cargas obtém-se uma diferença de potenc
superfícies opostas da célula – efeito fotovoltaico. Esta tensão é chamada
tensão de circuito aberto. Na Figura 2.6 pode observar-se o efeito fotovoltaico
Universidade do Minho
Separadamente, as camadas do tipo N e do tipo P são electricamente
N gera-se um
se uma transferência de electrões
livres, do lado N para o lado P, que irão preencher as lacunas. Esta deslocação
-o carregado
positivamente e uma concentração de electrões do lado P, ficando carregado
negativamente. Surge assim um campo eléctrico na zona da junção. Este
ctrico é capaz de
impedir a passagem dos electrões livres do lado N para o lado P. A tensão total
[19].
os fotões choquem
lhes energia e
Os electrões da zona de valência
condução, ou seja, os fotões arrancam os
lacunas, que são
acelerados por efeito do campo eléctrico em sentidos opostos. Como resultado
se uma diferença de potencial entre as
efeito fotovoltaico. Esta tensão é chamada
se o efeito fotovoltaico
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
Através de um condutor externo liga
camada positiva (silício tipo N
corrente eléctrica na ligação, enquanto a luz solar incidir na célula, sendo que a
intensidade dessa corrente é proporcional à intensidade de luz incidente
corrente de curto-circuito. A
fotovoltaica. [17].
Figura 2.7
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Figura 2.6 - Efeito fotovoltaico na junção P-N [15]
Através de um condutor externo liga-se a camada negativa (silício tipo P
camada positiva (silício tipo N). Desta forma, cria-se um caminho para a
corrente eléctrica na ligação, enquanto a luz solar incidir na célula, sendo que a
intensidade dessa corrente é proporcional à intensidade de luz incidente
circuito. A Figura 2.7 mostra a estrutura básica da célula
- Esquemático de um a célula fotovoltaica de silício
25
camada negativa (silício tipo P) à
se um caminho para a
corrente eléctrica na ligação, enquanto a luz solar incidir na célula, sendo que a
intensidade dessa corrente é proporcional à intensidade de luz incidente –
mostra a estrutura básica da célula
a célula fotovoltaica de silício [20]
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
26 Universidade do Minho
O efeito fotovoltaico envolve três efeitos físicos que se relacionam entre si,
sendo eles a absorção, transferência de energia e energia eléctrica [20].
A luz é composta por fotões que podem penetrar em determinados
materiais e até atravessá-los. Um raio luminoso ao incidir sobre um material
pode ser reflectido, absorvido ou refractado. Quando um raio solar incide sobre
uma célula fotovoltaica, este é absorvido e restituído sob a forma de outra
energia – absorção [20].
Todos os materiais são formados por átomos que possuem um núcleo e
um conjunto de electrões que gravitam em redor do núcleo. Os electrões ao
absorverem a energia dos fotões libertam-se da influência do núcleo, ficando
livres – transferência de energia dos fotões para as cargas eléctricas. Estes
electrões livres constituem a corrente eléctrica [20].
Para que os electrões libertados possam ser uma fonte de energia
eléctrica, estes têm de circular no exterior do semicondutor. Isto é conseguido
com uma junção P-N, cujo objectivo é criar um campo eléctrico no interior do
material de forma a separar as cargas negativas das cargas positivas – criação
de corrente eléctrica [20].
2.3.2. Tipos de Células Solares Fotovoltaicas
Actualmente podem encontrar-se no mercado vários tipos de células
solares fotovoltaicas, estando estas divididas em três categorias segundo o seu
tipo. As células de primeira geração, feitas a partir de silício cristalino, que
englobam as células monocristalinas e policristalinas. As de película fina
pertencem ao grupo das células de segunda geração, onde novos materiais
semicondutores são explorados. Por último, as de terceira geração, que
engloba vários conceitos novos de células solares, na sua maioria ainda na
fase de desenvolvimento, tais como as soluções microcristalinas,
nanocristalinas ou híbridas [21].
As células de silício cristalino têm dominado a indústria fotovoltaica desde o
seu início, sendo uma tecnologia bastante conhecida e fiável é com
naturalidade que se apresentam como líderes mundiais de mercado [22].
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 27
a) Células de silício monocristalino
As células solares de silício monocristalino, ilustradas na Figura 2.8 a)
representam a primeira geração de células solares, sendo estas, as mais
usadas e comercializadas para painéis fotovoltaicos. Estas células são
cortadas a partir de um único cristal de silício de grandes dimensões e elevada
pureza. Apresentam um rendimento de cerca de 24% em laboratório, o que na
prática se traduz numa eficiência entre 15% e 20% [16] [21] [23]. As técnicas
utilizadas para a sua produção são caras e complexas, o que se reflecte no
preço final para o consumidor. Este custo elevado deve-se ao facto de o
processo de fabrico exigir uma grande quantidade de energia bem como
materiais no seu estado puro e com uma estrutura cristalina perfeita [20].
b) Células de silício policristalino
As células solares de silício policristalino, mostradas na Figura 2.8 b) são
constituídas por um grande número de pequenos cristais de silício e também
pertencem ao grupo de células de primeira geração. O seu processo de fabrico
é mais simples e necessita de menos energia, comparado com as células
monocristalinas, o que reduz o seu custo de produção. Contudo, estas
apresentam um rendimento inferior, entre 12% e 15% [16] [21] [23], devido ao
facto de o silício conter imperfeições resultantes do seu processo de fabrico.
São as células que apresentam uma melhor relação preço/rendimento sendo
por isso bastante utilizadas [20].
c) Células de película fina
As células solares de película fina ou filme fino, representadas na Figura
2.8 c) constituem o grupo de células de segunda geração. Esta geração surgiu
como resposta à necessidade de encontrar uma alternativa às células de
primeira geração, muito dispendiosas no seu processo de produção, por
requererem elevadas temperaturas na sua produção e elevados graus de
pureza.
Este tipo de células é constituído por películas finas de silício, permitindo
assim reduzir a espessura da célula e quantidade de silício usada. O seu
processo de fabrico apresenta um baixo consumo de energia.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
28
As grandes desvantagens
rendimento, tipicamente entre 5% e 10%
de degradação nos primeir
longo da vida útil.
A principal tecnologia é o silício amorfo (a
profissional, em relógios
películas muito finas o que permite que sejam utilizadas como material de
construção, tal como em fachadas ou telhados de edifícios. Isto possibilita o
seu uso em grande escala, atenuando o problema do baixo rendimento
energético [21].
As células de arseniato de gálio (GaAs)
filme fino. Apresentam um rendimento que pode chegar aos 25%, mas a sua
utilização está ainda muito limitada, devido aos elevados custos de produção
[20].
Figura 2.8 - Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocris talino b) silício policristalino c)
d) Outros tipos de células
Para além das células fo
que têm por base outros materiais, estando para já a serem alvo de testes e
desenvolvimentos laboratoriais. Prometem
custos mais reduzidos, mas não devem aparecer no mercado no
a 15 anos, uma vez que, ainda se encontram em fase de estudo.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
s desvantagens destas células são apresentarem
tipicamente entre 5% e 10% [16] [21] [23] e sofrerem um processo
primeiros meses de vida, reduzindo assim a eficiência ao
A principal tecnologia é o silício amorfo (a-Si), muito usada na electrónica
e calculadoras. As células de silício amorfo são
ue permite que sejam utilizadas como material de
construção, tal como em fachadas ou telhados de edifícios. Isto possibilita o
seu uso em grande escala, atenuando o problema do baixo rendimento
As células de arseniato de gálio (GaAs) são outro exemplo de células de
filme fino. Apresentam um rendimento que pode chegar aos 25%, mas a sua
utilização está ainda muito limitada, devido aos elevados custos de produção
Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocris talino b) silício policristalino c) película fina
Outros tipos de células
Para além das células fotovoltaicas baseadas em silício, existem outras
que têm por base outros materiais, estando para já a serem alvo de testes e
desenvolvimentos laboratoriais. Prometem ter rendimentos mais elevados e
custos mais reduzidos, mas não devem aparecer no mercado nos próximos 10
a 15 anos, uma vez que, ainda se encontram em fase de estudo.
Universidade do Minho
apresentarem um baixo
e sofrerem um processo
assim a eficiência ao
Si), muito usada na electrónica
e calculadoras. As células de silício amorfo são
ue permite que sejam utilizadas como material de
construção, tal como em fachadas ou telhados de edifícios. Isto possibilita o
seu uso em grande escala, atenuando o problema do baixo rendimento
são outro exemplo de células de
filme fino. Apresentam um rendimento que pode chegar aos 25%, mas a sua
utilização está ainda muito limitada, devido aos elevados custos de produção
Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocris talino b) silício policristalino c)
tovoltaicas baseadas em silício, existem outras
que têm por base outros materiais, estando para já a serem alvo de testes e
rendimentos mais elevados e
s próximos 10
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 29
De entre essas novas tecnologias destacam-se as tecnologias
nanocristalinas sensibilizadas com corantes, microcristalinas, micromorfas e
híbridas. As células Copper Indium Deselenid (CIS) e Cadmium Telluride
(CdTe), Dye-sensitized são outros exemplos de tipos de células [16] [21].
2.3.3. Modelo Eléctrico e Matemático da Célula
Fotovoltaica
O conhecimento do modelo de uma célula fotovoltaica, e
consequentemente, de um módulo solar é importante para perceber o
comportamento de um arranjo de painéis fotovoltaicos sob diferentes condições
de operação. Desta forma, neste capítulo é apresentado o modelo eléctrico e
matemático da célula fotovoltaica.
O circuito equivalente de uma célula fotovoltaica normalmente é
representado pelo esquema da Figura 2.9 a). No entanto, devido à
complexidade de análise e determinação dos parâmetros deste circuito,
optou-se por um circuito simplificado em que a resistência paralela (Rp) é
eliminada. A exclusão de Rp justifica-se pelo facto de esta apresentar valores
grandes e, portanto, não influenciar no cálculo do valor da corrente [24] [25].
Deste modo, toda a análise efectuada ao longo desta dissertação é baseada no
circuito da Figura 2.9 b).
O modelo da célula solar, consiste numa fonte de corrente Iph, que
representa a corrente gerada pela célula fotovoltaica quando atingida pelos
raios solares, um díodo D, que simboliza a junção P-N da célula e é
atravessado por uma corrente ID, que depende da tensão nos terminais da
célula. Rs representa a resistência de cada célula e da conexão em série com
outras células, e as correspondentes perdas do material semicondutor nos
contactos metálicos. A corrente fornecida pela célula fotovoltaica a uma dada
carga e a tensão aplicada aos terminais da célula são representados por Iout e
V respectivamente.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
30 Universidade do Minho
Figura 2.9 – a) Circuito equivalente completo de um a célula fotovoltaica b) Circuito equivalente simplificado de uma célula fotovoltaica
Analisando a Figura 2.9 b) e com base na 1ª Lei de Kirchhoff verifica-se
que:
= − (2.1)
A corrente ID que circula no díodo é:
= ∗ ( ∗ − 1) (2.2)
Em que Vt é definido por:
= (2.3)
Para o cálculo da corrente inversa máxima de saturação do díodo, Io,
iguala-se a corrente fornecida pela célula a zero, Iout = 0.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 31
0 = − (2.4)
0 = − ∗ ( − 1) (2.5)
= − 1 (2.6)
O valor da resistência Rs é calculado através da expressão 2.7.
= ( − !) ! (2.7)
= "# (2.8)
! = !"# (2.9)
Onde Vocc é a tensão de cada célula em circuito aberto e Vmpc representa a
tensão da célula no ponto de máxima potência. A corrente da célula para o
ponto de máxima potência é representada por Imp. Os valores de Voc, Vmp e Ns
serão explicados posteriormente.
Substituindo (2.2) e (2.3) em (2.1), obtém-se a equação 2.10 que permite
calcular o valor da corrente fornecida pela célula à carga.
= − ∗ ( $∗(%&∗)'∗(∗) − 1) (2.10)
Em que:
• Iout é a corrente fornecida pela célula à carga.
• Iph é a corrente gerada pela célula em função da radiação solar.
• Io é a corrente inversa máxima de saturação do díodo.
• V é a tensão aos terminais da célula.
• q é carga do electrão (q = 1,6*10-19 C).
• K é a constante de Boltzman (K = 1,38*10-23 J/K).
• T é a temperatura de funcionamento da célula em Kelvin.
• n é o factor de idealidade do díodo (díodo ideal n=1, díodo real n>1).
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
32 Universidade do Minho
a) b)
A corrente Iph depende da radiação incidente na célula, tal como mostra a
equação 2.11.
= **+,- ∗ (./01) (2.11)
Na qual G representa a radiação solar incidente em W/m2, Gref a radiação
solar incidente nas condições standard test condition (STC), ou seja, radiação
igual a 1000 W/m2 e temperatura igual a 25ºC. Assim, para diferentes valores
de radiação solar obtêm-se diferentes valores de Iph.
2.3.1. Curva Característica da Célula Fotovoltaica
A curva característica corrente vs tensão pode ser definida como a
representação dos valores da corrente de saída da célula fotovoltaica num
dado instante de tempo, em função da tensão e em condições de operação
específicas, radiação solar incidente e temperatura. A interpretação desta curva
permite apurar a aplicabilidade e o desempenho do painel solar num
determinado projecto.
Os gráficos a seguir apresentados na Figura 2.10 a) e b) simulam,
respectivamente, as curvas características, potência vs tensão e corrente vs
tensão, de uma célula fotovoltaica do painel solar Kyocera KC 85T-1, em
condições STC.
Figura 2.10 – Curvas Características de uma célula fotovoltaica a) Curva P-V b) Curva I-V
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 33
2.4. Módulo Solar Fotovoltaico
As células solares podem ser ligadas em série ou em paralelo, dependendo
das necessidades de tensão ou corrente, formando os módulos solares
fotovoltaicos. O efeito da ligação série ou paralelo reflecte-se ao nível das
tensões ou correntes.
A ligação em série permite obter um valor de corrente mais elevado na
saída do módulo fotovoltaico, uma vez que o valor de corrente gerada pelo
painel é o resultado do somatório da corrente fornecida por cada célula.
Por sua vez, na ligação paralelo a tensão disponibilizada na saída do
módulo fotovoltaico é o resultado da soma da tensão de cada célula
constituinte do módulo.
Todas as simulações, referentes à célula fotovoltaica e módulo fotovoltaico
apresentadas neste capítulo, são relativas ao módulo solar fotovoltaico Kyocera
KC 85T-1. Neste módulo as células estão ligadas em série.
O fabricante deste módulo fotovoltaico, através do seu datasheet, fornece
as suas características eléctricas, importantes para a simulação do próprio
módulo e para a compreensão do seu funcionamento, como mostrado na
Tabela 2.1. Estes dados são obtidos através de testes realizados em condições
STC.
Tabela 2.1- Características eléctricas do módulo PV K C85T-1 [26]
Características El éctricas Módulo PV KC85T -1
Potência nominal 87 W
Tensão nominal (V mp) 17,4 V
Corrente nominal (I mp) 5,02 A
Tensão de circuito aberto (V oc) 21,7 V
Corrente de curto -circuito (I sc) 5,34 A
Número de células (N s) 36
Coeficiente de temperatura da corrent e
de curto-circuito
2,12*10-3
• Corrente de curto-circuito (I sc): é a máxima corrente que circula por
uma célula quando os seus terminais estão curto-circuitados. Nesta
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34 Universidade do Minho
situação a tensão na carga é zero, o que corresponde a uma resistência
de carga igual a zero, e a corrente que atravessa a carga é igual ao valor
do parâmetro Isc.
• Tensão de circuito aberto (V oc): é a máxima tensão entre os terminais
de uma célula quando estes estão em circuito aberto. Neste caso a
intensidade de corrente que atravessa a carga é zero, o que corresponde
a uma resistência de carga infinita, e a tensão em vazio, é o valor do
parâmetro Voc.
• Tensão nominal ( Vmp): é o valor da tensão disponibilizada pelo painel
para o ponto em que o painel fornece a máxima potência.
• Corrente nominal (I mp): é o valor da corrente gerada pelo painel quando
o painel fornece a máxima potência.
• Potência nominal: valor máximo de potência que o painel é capaz de
fornecer, resultante do produto de Imp por Vmp.
• Número de células (N s): é o número de células que estão ligadas em
série e formam o módulo solar.
A modelização do módulo fotovoltaico é feita com base nas equações
apresentadas no capítulo “Modelo eléctrico e matemático da célula
fotovoltaica”, mas tendo em atenção o número de células ligadas em série e/ou
paralelo. Assim, a corrente de saída é calculada pela expressão 2.12.
= ∗ 2 − ∗ 3 4∗5 '∗'6 789: ; − 1< (2.12)
Onde:
é o número de células ligadas em série no módulo fotovoltaico. é o número de células ligadas em paralelo no módulo fotovoltaico.
Como o módulo solar fotovoltaico em estudo apenas apresenta 36 células
ligadas em série a equação 2.12 pode ser simplificada, resultando a equação
2.13.
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Universidade do Minho 35
= − ∗ 5 $∗(∗)''() − 17 (2.13)
Na Figura 2.11 e Figura 2.12 podem observar-se, respectivamente, as
curvas I-V e P-V do módulo solar fotovoltaico, para as condições STC. Através
da figura, pode visualizar-se os três principais pontos de funcionamento do
módulo, que são: circuito aberto, curto-circuito e o ponto de máxima potência.
A curva I-V fornece o ponto de máxima potência (MPP), e através da sua
análise verifica-se que a corrente máxima fornecida pelo módulo corresponde à
corrente de curto-circuito (Isc). Neste ponto a potência é zero pelo facto de a
tensão nos terminais do módulo ser também 0V. O mesmo valor de potência é
obtido no ponto em que a tensão é máxima, tensão de circuito aberto - Voc,
onde a corrente é 0A.
Analisando a curva característica P-V e percorrendo esta no sentido
crescente da tensão, nota-se um aumento linear da potência fornecida pelo
módulo, tendo este, o comportamento de uma fonte de corrente. Inicialmente a
corrente permanece praticamente constante até ao ponto de máxima potência,
a partir do qual a diminuição exponencial da corrente pesa mais que o aumento
linear da tensão, fazendo com que a potência diminua rapidamente, e o módulo
passa a comportar-se como uma fonte de tensão.
Assim, o estudo das curvas características acima referidas, permitem
verificar a dualidade de comportamentos do módulo fotovoltaico, uma vez que,
pode afirmar-se que o módulo comporta-se como fonte de corrente à esquerda
do valor de MPP, e como fonte de tensão à direita do mesmo.
Figura 2.11 - Curva I-V no módulo fotovoltaico
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36 Universidade do Minho
Figura 2.12 - Curva P-V no módulo fotovoltaico
As características eléctricas das células solares e, portanto, de uma painel
solar fotovoltaico, alteram-se devido aos factores meteorológicos, como a
intensidade da radiação solar e a temperatura das células. Deste modo, é
importante que o modelo matemático tenha em conta o efeito da variação
destes parâmetros, de maneira a prever o comportamento do painel quando
sujeito a condições de operação diferente das condições STC.
a) Radiação Solar
A radiação solar incidente e a corrente gerada pelo painel fotovoltaico
variam de forma proporcional, ou seja, um aumento da radiação incidente,
provoca um aumento da corrente produzida pelo painel, conforme o mostrado
na equação 2.14. Por sua vez, a tensão de circuito aberto (Voc) não sofre
alterações muito significativas com a variação da radiação. A Figura 2.13 e
Figura 2.14 mostram, respectivamente, um exemplo da evolução das curvas
corrente vs tensão e potência vs tensão para diferentes valores de radiação
solar incidente.
= = ∗ ../01 (2.14)
Em que:
Isc é a corrente de curto-circuito nas condições STC
G é a radiação solar incidente no painel
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Universidade do Minho 37
Gref é a radiação solar nas condições STC
Figura 2.13 - Efeito da radiação solar na curva I-V d e um painel fotovoltaico
Figura 2.14 - Efeito da radiação solar na curva P-V d e um painel fotovoltaico
a) Temperatura
A corrente gerada pelo painel solar fotovoltaico varia em função da
temperatura a que o painel está sujeito, de acordo com a equação 2.15.
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38 Universidade do Minho
= − 0> ∗ ? $∗(∗)'() − 1@ (2.15)
Em que 0>, representa a corrente máxima de saturação à temperatura
a que o módulo solar está sujeito e é dada pela equação 2.16.
0> = ∗ ( A B)C ∗ ?$∗DE'∗( ∗F G:/01HG:I@ (2.16)
Por sua vez, a corrente de curto-circuito depende da temperatura do
módulo, tal como mostrado na equação 2.17.
= = + K:( − A B) (2.17)
Onde:
T é a temperatura ambiente à qual o painel está sujeito
Tref é a temperatura STC (25ºC)
αT é o coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito
Eg é a energia necessária para que o electrão efectue a transição da zona
de valência para a zona de condução.
Através da análise do gráfico da Figura 2.15, verifica-se que a temperatura
provoca modificações ao nível da corrente gerada pelo módulo fotovoltaico e
também na tensão de circuito aberto do módulo.
A corrente de saída do painel é menos afectada pela temperatura, quando
comparado com o efeito da radiação solar, uma vez que esta não sofre
alterações muito significativas. Em relação à tensão de circuito aberto acontece
o contrário, esta é mais influenciada pela temperatura, já que apresenta
modificações mais acentuadas.
O ponto de máxima potência também diminui ligeiramente com o aumento
da temperatura como se pode ver na Figura 2.16.
A corrente de curto-circuito aumenta com a variação da temperatura, sendo
que esta variação é muito pouco significativa.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 39
Figura 2.15 - Efeito da temperatura na curva I-V do m odulo fotovoltaico
Figura 2.16 - Efeito da temperatura na curva P-V do m ódulo fotovoltaico
2.5. Conclusões
A escassez de recursos fósseis para a produção de energia eléctrica e os
efeitos subjacentes provocados pela queima desses mesmos recursos, leva a
que a energia solar fotovoltaica e em particular os sistemas fotovoltaicos
ligados à rede eléctrica, sejam cada vez mais utilizados na produção de
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
40 Universidade do Minho
energia eléctrica. As pesquisas e os trabalhos efectuados neste âmbito são
essenciais para tornar estes sistemas mais eficientes, mais confiáveis em
termos tecnológicos, e mais acessíveis do ponto de vista económico. Deste
modo, conhecer as principais características do sistema fotovoltaico é
essencial para o desenvolvimento e aprimoramento dos elementos que
compõe o sistema.
Neste capítulo, foram apresentados a célula solar fotovoltaica e o módulo
fotovoltaico, do ponto de vista dos objectivos deste trabalho.
O modelo eléctrico simplificado da célula fotovoltaica adoptado para o
desenvolvimento deste trabalho, em detrimento do modelo eléctrico completo
da célula, justifica-se pelo facto de a complexidade de análise e tratamento de
dados do modelo completo não resultar numa melhoria significativa dos
resultados finais. Foram deduzidas as expressões matemáticas da célula e
módulo fotovoltaico bem como as curvas características I-V e P-V resultantes.
O resultado da simulação das curvas em Matlab foi satisfatório e o esperado,
uma vez que estão muito próximas das curvas características apresentadas
pelo fabricante do módulo fotovoltaico simulado.
Os efeitos dos factores climatéricos, como a radiação solar e a temperatura
também foram mostrados neste capítulo.
A potência que o módulo fotovoltaico gera é proporcional à quantidade de
luz solar que incide sobre o mesmo, por isso, qualquer interferência na
chegada dos raios solares ao módulo, como céu nublado ou poluição
atmosférica, vão influenciar o rendimento deste. O efeito da radiação solar no
comportamento do módulo é apresentada através das curvas I-V e P-V,
mantendo a temperatura a 25ºC (condições STC) e variando a radiação solar
de 200 W/m2 a 1000 W/m2.
A temperatura de funcionamento de um módulo fotovoltaico e a potência
gerada por este estão interligadas. No que respeita ao efeito da temperatura
são mostradas as mesmas curvas, mas mantendo a radiação constante no
valor de 1000 W/m2 (condições STC) e alterando o valor da temperatura entre
25ºC e 75ºC. Da análise das curvas corrente vs tensão e potência vs tensão
conclui-se que o comportamento da curva I-V depende fundamentalmente da
radiação incidente e em menor grau da temperatura. Por outro lado os módulos
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Universidade do Minho 41
fotovoltaicos perdem eficiência quando expostos a elevadas temperaturas,
trabalhando melhor a temperaturas mais baixas.
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Universidade do Minho 43
3. Maximum Power Point Tracking (MPPT)
3.1. Introdução
O baixo rendimento das células solares e os custos elevados da instalação
de um sistema solar fotovoltaico, são os maiores entraves para uma aposta,
em maior escala, neste tipo de tecnologia.
Como forma de contornar estes obstáculos, é essencial conseguir extrair a
máxima potência gerada pelo painel para, desta forma, aumentar a eficiência
do sistema e reduzir os custos da energia gerada. Para isso, é fundamental
que o sistema opere o maior tempo possível sobre o ponto de máxima
potência.
O ponto de máxima potência (MPP – Maximum Power Point) de um painel
solar fotovoltaico corresponde ao ponto da curva corrente vs tensão em que se
obtém a potência máxima gerada pelo painel. Na Figura 3.1 está representada
a curva característica I-V, onde se verifica que para a potência máxima
fornecida pelo painel existe apenas um valor de tensão e somente a um valor
de corrente.
Figura 3.1- Ponto de potência máxima
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44 Universidade do Minho
Idealmente o painel solar fotovoltaico devia funcionar sempre à sua
potência nominal, mas tal não acontece porque as condições ambientais,
temperatura e radiação solar, alteram o ponto de funcionamento do painel,
como mostrado no capítulo anterior. A poluição atmosférica, a posição do sol, a
alteração dos níveis de radiação, as variações da temperatura e o próprio
envelhecimento do painel, são factores que contribuem para que o painel não
funcione sempre no seu ponto de potência máximo. Uma vez que o ponto de
máxima potência tem tendência a deslocar-se, é necessário um sistema capaz
de detectar e acompanhar o deslocamento desse ponto, de forma a extrair
sempre a potência máxima do painel – Maximum Power Point Tracking
(MPPT).
Neste capítulo são apresentados os principais métodos de busca do ponto
de máxima potência utilizados em sistemas fotovoltaicos e as suas diversas
aplicações.
3.2. Seguidor do Ponto de Máxima Potência
(MPPT)
O seguidor do ponto de máxima potência, vulgarmente designado por
MPPT (Maximum Power Point Tracking) é um sistema electrónico que opera no
painel fotovoltaico, de maneira que este produza a máxima potência num
determinado instante. O MPPT é um sistema electrónico que altera o ponto de
funcionamento electrónico dos painéis, para que estes sejam capazes de
fornecer a potência máxima, optimizando assim a extracção da energia
produzida pelos painéis.
Para além da dificuldade imposta pelas modificações das condições
climatéricas, a necessidade de alterar a tensão do painel, para o processo de
busca do ponto de máxima potência e, simultaneamente conseguir fornecer
uma tensão constante à carga, constituem as principais complicações para se
obter o ponto de máxima potência.
A solução para estes problemas passa por utilizar um conversor de tensão
CC/CC que faz a interface entre o painel fotovoltaico e a carga. O MPPT
consiste num conversor CC/CC que, de acordo com as condições impostas
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Universidade do Minho 45
pela rede, ajusta a tensão de saída do módulo de modo a que o funcionamento
decorra no ponto correspondente à potência máxima. Deste modo, o MPPT,
através do seu algoritmo de controlo, altera o valor do duty-cycle do conversor,
operando assim em conjunto, com o objectivo de encontrar e manter o painel a
operar no ponto de máxima potência. A Figura 3.2 mostra o diagrama de
blocos simplificado de um circuito MPPT.
Figura 3.2 – Diagrama de blocos simplificado de um MPPT
3.3. Aplicações do MPPT
Os seguidores do ponto de máxima potência (MPPT) são utilizados
maioritariamente em sistemas onde as fontes de energias são não lineares
[27], como exemplo são os painéis fotovoltaicos e os geradores eólicos. Os
circuitos MPPT são utilizados em aplicações solares, tais como carregadores
de baterias, sistemas isolados, sistemas ligados à rede eléctrica e sistemas de
bombagem de água.
a) Carregamento de baterias: O MPPT permite controlar o carregamento
das baterias com a energia disponibilizada pelo sistema fotovoltaico. O
seguidor do ponto de máxima potência evita que as baterias tenham
descarregamentos rápidos e protegem-nas das sobrecargas,
Sinal PWM
Painel
Fotovoltaico Carga
Microcontrolador
Cálculo da potência PV e ajuste do duty-cycle usando diferentes
algoritmos MPPT
Conversor
CC/CC
(Step-Up, Step-Down, Buck Boost)
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46 Universidade do Minho
Painel
Fotovoltaico
Conversor
CC/CC com
MPPT
CC
CA
Rede
Eléctrica
Ou
Cargas
prolongando assim a sua vida útil. Este controlo é efectuado por um
controlador de carga que existe na grande parte dos MPPT. Na Figura
3.3 pode observar-se um diagrama de blocos desta aplicação.
b) Sistemas ligados à rede e sistemas isolados: nos sistemas
ligados à rede eléctrica, o painel fotovoltaico fornece energia à rede,
enquanto nos sistemas isolados o painel solar alimenta uma carga
independente. Em ambos os sistemas é utilizado um conversor
CC/CC de forma a transformar os níveis de tensão nos desejados.
Para converter a corrente contínua em corrente alternada é utilizado
um conversor CC/CA, de forma a poder-se efectuar a ligação à rede
ou alimentar uma carga CA. Na Figura 3.4 está representado um
diagrama de blocos deste tipo de aplicação.
c) Sistemas de bombagem de água: os painéis solares fotovoltaicos
podem ser usados para alimentarem motores eléctricos, por
exemplo em aplicações agrícolas que ficam distantes da rede
eléctrica, nomeadamente em sistemas de bombagem de água para
irrigação. Usando um MPPT, para fazer a interface entre os painéis
solares e o motor consegue-se obter um aumento do fluxo de água
bombeada, melhorando assim o rendimento do sistema. Na Figura
Figura 3.3 - Aplicação do MPPT para carregamento de bateria
Banco de
Baterias
Painel
Fotovoltaico MPPT
Figura 3.4 - Aplicação do MPPT para sistemas ligados à rede e isolados
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 47
3.5 pode ver-se uma representação esquemática da aplicação de
um MPPT para sistemas de bombagem de água.
3.4. Métodos de Busca do Ponto de Máxima
Potência
As variações do clima e da carga fazem com que nem sempre o painel
solar fotovoltaico opere sobre o seu ponto de máxima potência. Deste modo, é
necessário um método de controlo dinâmico capaz de garantir a potência
máxima do painel. Assim, surgem os algoritmos de MPPT que têm por
objectivo rastrear ponto de máxima potência e manter o painel solar a funcionar
nesse ponto.
O crescimento da tecnologia fotovoltaica levou ao desenvolvimento de
métodos para encontrar o MPP, assim como de toda a tecnologia que lhe está
associada.
Actualmente, existem métodos que estão mais estudados e por isso o seu
conhecimento é mais profundo, como são os casos dos seguintes algoritmos:
Perturbação e Observação (P&O), Tensão Constante (CV) e Condutância
Incremental (IncCond).
Cada um destes algoritmos de busca do ponto de máxima potência
apresenta as suas respectivas vantagens e desvantagens. Estes métodos
variam essencialmente em complexidade de implementação e análise,
velocidade de convergência, sensores requeridos, custo, eficiência e
implementação em hardware.
Painel
Fotovoltaico
Conversor
CC/CC com
MPPT
Motor CC
para bombear
água
Figura 3.5 - Aplicação do MPPT para sistemas de bomb agem de água
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48 Universidade do Minho
3.4.1. Método da Tensão Constante (CV)
O método da tensão constante é uma das técnicas mais simples para a
busca do ponto de máxima potência. O princípio de funcionamento desta
técnica baseia-se no facto de a tensão de máxima potência (Vmp) e a tensão de
circuito aberto (Voc) terem uma relação linear independente da radiação solar
ou temperatura, [28] como mostrado na equação 3.1.
> = LG ∗ = (3.1)
Nesta equação k1 é o factor de tensão e depende das características do
módulo fotovoltaico utilizado. O cálculo do valor de k1 é um processo difícil, por
isso, geralmente é determinado por meios empíricos. O seu valor é sempre
menor que 1e varia entre 0,73 e 0,8 sendo que, k1 normalmente é igual a 0,76.
Assim, medindo a tensão de circuito aberto e uma vez determinado o valor do
factor de tensão pode calcular-se o valor de Vmp (equação 3.1) para colocar o
módulo no ponto de máxima potência [29].
O valor de Vmp é utilizado como referência para ser comparado com a
medição da tensão do painel (Vpv) e gerar um sinal de erro que é utilizado para
ajustar a tensão de controlo (Vc), como se pode ver no fluxograma da Figura
3.6.
Um dos problemas desta técnica é o facto de a tensão de circuito aberto do
módulo variar com a temperatura, obrigando a efectuar medições constantes
desta, já que o aumento da temperatura altera o valor da tensão de circuito
aberto. Outra desvantagem, que está inerente às medições, é a
obrigatoriedade de desligar os painéis fotovoltaicos do conversor de potência
para que se possam efectuar as medições de Voc, o que resulta numa perda
momentânea de energia e consequentemente de eficiência. Por isso, é
necessário a utilização de interruptores adicionais para desligar os painéis
fotovoltaicos do conversor. Mas a principal desvantagem desta técnica é a
presença de erro em regime permanente, uma vez que a relação entre Voc e
Vmax não é constante. Desta forma, o arranjo fotovoltaico nunca opera sobre o
ponto de máxima potência, mas sim em torno deste.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 49
Figura 3.6 - Fluxograma do método tensão constante
Neste método existem três parâmetros a serem considerados: o período de
amostragem da tensão de circuito aberto, que representa o tempo em que os
painéis fotovoltaicos são desligados do conversor de potência; período de
amostragem, ou seja, o intervalo de tempo em que a tensão do painel é
amostrada em funcionamento normal; e o ganho G desta técnica. Se o período
de amostragem da tensão de circuito aberto for muito grande, o ponto de
máxima potência não pode ser seguido de forma muito precisa. Os valores do
período de amostragem e do ganho G estão relacionados com a velocidade de
convergência e estabilidade da técnica. A diminuição do período de
amostragem permite aumentar a velocidade de convergência, embora aumente
a ondulação de potência em regime permanente, podendo levar à instabilidade
da técnica para valores muito pequenos. O aumento do valor do ganho G
aumenta a velocidade de convergência e acrescenta, também, ondulação em
regime permanente da potência de saída do painel, chegando a ser instável
para valores muito elevados [30].
3.4.2. Método da Perturbação e Observação (P&O)
O método da perturbação e observação é talvez a técnica mais utilizada
para encontrar o ponto de máxima potência devido à sua fácil implementação
[31].
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Este método baseia-se na alteração da variável de referência e na
comparação da potência disponibilizada pelo painel ou conjunto de painéis
fotovoltaicos antes e depois desta alteração, definindo assim o sentido da
próxima perturbação. Ou seja, será introduzida uma perturbação, numa
determinada direcção, na corrente ou na tensão do arranjo de painéis
fotovoltaicos que provocará alterações no valor da potência de saída do
módulo. Se a potência de saída aumentar, a próxima perturbação continua na
mesma direcção, mas se pelo contrário, a perturbação diminuir, o sistema será
perturbado na direcção contrária na iteração seguinte. A Tabela 3.1mostra um
resumo do comportamento da potência em função da perturbação [28].
Tabela 3.1 – Resumo do algoritmo Perturbação e Obser vação
Perturbação actual Alteração da potência Perturbação seguinte
Positiva Positiva Positiva
Positiva Negativa Negativa
Negativa Positiva Negativa
Negativa Negativa Positiva
Este processo é repetido periodicamente. Na Figura 3.7 estão
representados os quatro casos possíveis de como a potência de um arranjo de
painéis fotovoltaicos pode evoluir para uma determinada condição climatérica
[30].
Pela descrição anterior e pela observação da Figura 3.7 percebe-se que,
através desta técnica o painel fotovoltaico nunca irá atingir o ponto de máxima
potência, uma vez que, a tensão do painel será perturbada constantemente.
Isto faz com que, em regime permanente, a potência oscile em torno do MPP
desperdiçando um pouco de energia. No entanto, esta oscilação pode ser
diminuída através da redução do tamanho da perturbação, porém perturbações
muito baixas tornam a técnica lenta, demorando mais tempo para encontrar o
ponto de máxima potência.
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Figura 3.7 – Evoluções possíveis da potência num pai nel fotovoltaico
Na Figura 3.8 está representado o algoritmo deste método. O
funcionamento do fluxograma do algoritmo Perturbação & Observação pode
ser explicado da seguinte forma: numa primeira fase são lidos os valores da
corrente e da tensão para calcular a potência gerada pelo painel fotovoltaico.
Após esse cálculo verifica-se se a potência aumentou ou diminuiu através de
∆P = P(k) – P(k-1). Em função deste resultado e dos possíveis
comportamentos para a potência, demonstrados na Figura 3.7, altera-se a
tensão de referência de forma a ir de encontro ao ponto de máxima potência.
Na fase final são guardados os valores da tensão e corrente, para servirem de
comparação na operação seguinte.
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Figura 3.8 – Fluxograma do método Perturbação & Obs ervação
Para além das desvantagens deste método, anteriormente referidas, este
também se revela falível em situações onde podem ocorrem mudanças
bruscas das condições climatéricas, como mostrado na Figura 3.9. A partir do
ponto A, se as condições atmosféricas permanecerem aproximadamente
constantes, é aplicada uma perturbação ∆V na tensão do painel, deslocando o
ponto de operação para B. Como após a inserção da perturbação a potência
diminui, o sentido de ∆V tem de ser invertido. No entanto, se ocorrer um
aumento repentino da radiação solar desloca a potência de P1 para P2 e o
ponto de operação passará de A para C. Isto representa um aumento da
potência e a perturbação é mantida no mesmo sentido. Como consequência, o
ponto de operação irá divergir do ponto de máxima potência e manterá essas
divergências se a radiação continuar a aumentar [28].
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Figura 3.9 – Mudança repentina do ponto de operação devido às alterações climatéricas
3.4.3. Método da Condutância Incremental (IncCond)
A técnica da condutância incremental utiliza a curva potência vs tensão do
painel ou do arranjo de painéis fotovoltaicos, para encontrar o ponto de máxima
potência dos mesmos. Esta técnica baseia-se nos valores da condutância
instantânea e incremental do painel que são obtidos através das medições da
corrente e tensão do painel. O ponto de máxima potência extraída pelos
painéis é atingido quando a derivada da potência de saída do painel, em
relação à tensão, for zero como demonstra a equação 3.3 e a Figura 3.10 [29].
MNM = + ∗ MM (3.2)
Igualando a derivada da potência, em relação à tensão, a zero:
MNM = 0⇔ + ∗ MM = 0 ⇔ MM = − (3.3)
Se o ponto de operação está à direita da curva de potência, fica:
MNM < 0 ⇔ MM < (3.4)
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Se o ponto de operação está à esquerda da curva de potência, fica:
MNM > 0 ⇔ MM > (3.5)
Este método vai procurar o ponto de tensão, onde a condutância
instantânea é igual à condutância incremental, ou seja:
MNM = 0 ⇔ MM = − (3.6)
As três situações anteriormente descritas podem ser vistas na Figura 3.10.
Figura 3.10 – Método da Condutância Incremental
Na Figura 3.11 pode observar-se o fluxograma da técnica Condutância
Incremental. Em primeiro lugar são lidos os valores actuais da tensão V(k) e
corrente I(k) do painel fotovoltaico. De seguida são calculados valores da
diferença de tensão (dV) e corrente (dI) relativamente a às medições
anteriores. A principal operação deste algoritmo é a comparação dos valores
de RSRT e − ST . Segundo a equação 3.6, no ponto de máxima potência
RSRT = − ST e por isso não é realizada qualquer acção e os valores de V(k-1)
MM <
MM = −
MM <
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e I(k-1) são actualizados e o algoritmo retorna ao início. Quando RSRT ≠ − ST
a tensão de referência, Vref, é ajustada no sentido de modificar a tensão
do painel fotovoltaico até à tensão de máxima potência, de acordo com o
sinal de RVRT.
Se o sistema já estiver a operar no MPP (dV=0), as alterações
climatéricas são detectadas através de dI≠0 e a tensão de referência Vref
será ajustada dependendo do sinal de dI.
Ler V(K)
Ler I(K)
dV = V(k) - V(k-1)
dI = I(K) - I(K-1)
dV = 0
dI/dV = - I/V
Não
Não
dI/dV > - I/V
Não
Vref = Vref - ΔVVref = Vref + ΔV
Sim
Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV
dI = 0
dI > 0
Sim
Sim
Não
Não
Sim Sim
V(K-1) = V(K)
I(K-1) = I(K)
Retoma
Figura 3.11 – Fluxograma do método Condutância Incr emental
Comparando com o método da perturbação e observação pode afirmar-se
que o método da condutância incremental apresenta vantagens, desde logo a
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capacidade de atingir exactamente o ponto de máxima potência, em vez de
oscilar em torno deste. Para além disso, consegue atingir o MPP, em
condições climatéricas instáveis, com uma precisão e rapidez muito superiores
ao método da perturbação e observação. No entanto, tem a desvantagem de
ser uma técnica com um grau de complexidade elevado, quando comparado
com as outras técnicas.
3.4.4. Método da Corrente Constante
O método da corrente constante, também conhecido como método da
corrente de curto-circuito, tem um princípio de funcionamento idêntico ao
método da tensão constante.
A corrente de curto-circuito (Isc), dependente da variação das condições
atmosféricas, altera o valor da corrente de máxima potência (Imp), uma vez que,
segundo este método, Imp e Isc estão linearmente relacionados, como mostra a
equação 3.7 [28].
! = LW ∗ # (3.7)
A constante de proporcionalidade, k2, é determinada por meios empíricos
de acordo com o painel fotovoltaico, sendo o seu valor muito próximo de um
mas sempre menor que este.
Desta forma, medindo o valor da corrente de máxima potência e uma vez
determinado o valor de k2 pode calcular-se o valor de Imp para colocar o painel
a funcionar no ponto de máxima potência.
A medição de Isc durante o período de funcionamento do módulo
fotovoltaico é uma operação difícil. A solução é utilizar um interruptor no
conversor de potência, para que a corrente de curto-circuito possa ser medida
periodicamente. Isto aumenta o número de componentes do sistema e
consequentemente o custo. Através deste método, para além de haver uma
redução da potência de saída, o valor da corrente para o ponto de máxima
potência nunca é atingido, tal como mostra a equação 3.7.
Na Figura 3.12 está representado o fluxograma deste método de procura
do ponto de máxima potência.
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Figura 3.12 – Fluxograma do método Corrente Constan te
3.5. Conclusões
Segundo [29] a inclusão de um sistema de procura do ponto de máxima
potência num sistema fotovoltaico aumenta a produção de energia eléctrica em
cerca de 20% a 40%, quando comparado com um sistema sem MPPT.
Neste capítulo foram apresentados os principais métodos utilizados em
circuitos MPPT para sistemas fotovoltaicos, tensão constante, perturbação e
observação, condutância incremental e corrente constante, para a busca do
ponto de máxima potência. Foi feita a descrição de todas as técnicas e
explicado o seu princípio de funcionamento, numa tentativa de realizar um
estudo comparativo entre todos os métodos, com o objectivo de seleccionar, de
uma forma sustentada, um método para implementar no presente trabalho.
Cada um dos métodos de busca apresenta as suas próprias vantagens e
desvantagens.
Os métodos da tensão constante e da corrente constante são simples e de
fácil implementação. No entanto, o processo de cálculo para encontrar um valor
ideal para k é muito complexo. Por outro lado, também apresentam uma baixa
eficiência e não conseguem encontrar o ponto de máxima potência quando os
módulos fotovoltaicos estão parcialmente sombreados ou contêm células
danificadas. Além disto a necessidade de utilizar interruptores para desligar os
circuitos e efectuar as medições, levam a um desperdício momentâneo da
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58 Universidade do Minho
energia produzida e também a um aumento do número de componentes e
custos. A vantagem destes métodos é o facto de a resposta ser mais rápida
quanto maior for a linearidade proporcional de Isc e Voc em relação a Imp e Vmp
respectivamente, conseguindo assim, responder rapidamente a mudanças de
condições.
O método da perturbação e observação é fácil de implementar,
apresentando custos relativamente baixos e segundo [29] apresenta uma
eficiência de cerca de 95%. Contudo, este algoritmo pode tornar-se complexo
quando as condições atmosféricas variam muito rapidamente, podendo o
sistema assumir um comportamento incorrecto ou arbitrário, em caso de
deficiências no projecto do algoritmo. A maior desvantagem desta técnica de
rastreio do MPP é o facto de o ponto de máxima potência nunca ser atingido, o
sistema apenas oscilará em torno deste.
Por sua vez, o método da condutância incremental, oferece também uma
elevada eficiência, quando comparado com o método da perturbação e
observação, todavia trata-se de uma técnica bem mais complexa que obriga a
uma dificuldade acrescida na fase da implementação. Porém estas
complexidades traduzem-se num algoritmo mais preciso, altamente eficiente e
capaz de operar exactamente no ponto de máxima potência. Este método
funciona de forma muito sólida quando ocorrem mudanças rápidas nas
condições climatéricas, já que ajusta rapidamente a tensão do módulo
fotovoltaico para encontrar, praticamente sem oscilações, o novo MPP [29].
Como desvantagem, para além do seu elevado grau de complexidade, esta é
uma técnica mais cara, exigindo um microcontrolador com mais recursos, e
requer sensores de tensão e corrente.
A Tabela 3.2 apresenta um resumo da comparação dos quatros métodos
analisados, segundo [29].
Tendo em consideração todas as vantagens e desvantagens acima
referidas, para este trabalho optou-se por implementar o algoritmo da
perturbação e observação, pelo facto de ser uma técnica que satisfaz de uma
forma aceitável as exigências do projecto. A escolha foi efectuada com base na
análise teórica de cada um dos algoritmos, sem qualquer base de suporte em
resultados provenientes de simulações. O único método simulado e
implementado foi a perturbação e observação.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 59
Tabela 3.2 – Comparação entre os métodos MPPT
Perturbação e
Observação
Indutância
Incremental
Tensão
Constante
Corrente
Constante
Eficiência
Média (95%),
depende de como o
método é
optimizado
Alta (98%),
depende de
como o método
é optimizado
Baixa (90%) Baixa (90%)
Complexidade/
Implementação
Fácil de
implementar. Mas
pode tornar-se
complexo se
condições variarem
bruscamente
Mais complexo.
Necessita de
microcontrolador
com mais
recursos.
Muito simples,
mas muito difícil
encontrar o valor
ideal de k1.
Muito simples,
mas muito difícil
encontrar o valor
ideal de k2.
Custo Baixo Elevado Baixo Baixo
Reacção às
mudanças
atmosféricas
Resposta lenta.
Pode ter
comportamentos
não correctos em
torno do MPP.
Boa, ajusta-se
automaticament
e sem
oscilações.
Resposta tão
rápida quanto a
proporcionalidade
entre Vmp e Voc.
Resposta tão
rápida quanto a
proporcionalidade
entre Imp e Isc.
Outras
limitações
Não encontra
exactamente o
MPP, oscila em
torno deste.
Necessita de
sensores de
tensão e
corrente.
Não encontra o
MPP quando as
células estão
danificadas ou
quando os
módulos estão
sombreados.
Não encontra o
MPP quando as
células estão
danificadas ou
quando os
módulos estão
sombreados.
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Universidade do Minho 61
4. Circuitos Electrónicos de Interface
4.1. Introdução
Neste capítulo é feita uma análise teórica aos circuitos electrónicos de
potência utilizados, nomeadamente ao conversor de tensão CC/CC e ao
inversor de tensão CC/CA. Foram analisados os seus modos de funcionamento
e os respectivos sistemas de controlo, de maneira a compreender o seu
funcionamento.
4.2. Conversor de Tensão CC/CC
Os conversores estáticos CC/CC são circuitos electrónicos que recebem
um nível de tensão ou corrente contínua nos seus terminais de entrada e, de
acordo com as exigências do sistema, ajustam para outro valor de tensão ou
corrente contínua nos terminais de saída, obtendo-se assim uma tensão ou
corrente regulada à saída. Estes são amplamente utilizados em fontes de
tensão CC, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos, aplicações com
motores CC, entre outras.
Nos sistemas fotovoltaicos a função do conversor CC/CC é adaptar o nível
de tensão que é fornecido à carga, e ao mesmo tempo optimizar a potência
gerada pelos painéis fotovoltaicos, pretendendo-se com isto que o painel solar
funcione sempre no ponto de máxima potência, para diferentes condições
climatéricas, através do algoritmo de controlo MPPT.
O conversor CC/CC é, portanto, um circuito de electrónica de potência
constituído por vários componentes, tais como: semicondutores, bobinas e
condensadores. Existem vários tipos de conversores CC/CC que diferem na
disposição desses componentes, e consequentemente na sua função.
Segundo [32] os principais tipos de conversores CC/CC são: conversor
abaixador de tensão (step-down ou buck), conversor elevador de tensão
(step-up ou boost), conversor abaixador-elevador (step-down/step-up ou
buck-boost), e conversor em ponte completa (full-bridge). Destes quatro tipos
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62 Universidade do Minho
de conversores, apenas os conversores step-up e step-down são topologias
básicas de conversores. O conversor buck-boost é uma combinação das
tipologias básicas. O conversor full-bridge é uma derivação do conversor step-
down.
Na Figura 4.1 estão representadas as topologias dos conversores CC/CC
referidos anteriormente.
Figura 4.1 – Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-do wn c) Buck-Boost d) Full-Bridge
Na secção 4.3 é analisado o funcionamento do conversor de tensão
step-up, uma vez que, foi o conversor utilizado para elevar a tensão fornecida
pelo painel solar fotovoltaico e, em conjunto com o algoritmo MPPT, rastrear o
ponto de máxima potência do mesmo.
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Universidade do Minho 63
4.3. Conversor Elevador de Tensão ( Step -Up)
CC/CC
O conversor de tensão step-up, também conhecido como conversor Boost,
é um circuito elevador de tensão de corrente contínua, ou seja, a tensão de
saída é igual ou superior à tensão de entrada, sendo o valor da tensão de
saída predefinido pelo controlador PWM (Pulse Width Modulation).
A Figura 4.2 representa o circuito eléctrico deste conversor.
Figura 4.2 – Conversor CC/CC step-up
Pode ver-se que o circuito é constituído por semicondutor de potência (Int),
uma bobina (L) e um condensador (C) com a função de armazenar energia, e
uma carga representada pela resistência (R). Durante o funcionamento do
conversor, o semicondutor é repetidamente ligado e desligado a uma
determinada frequência que é gerida pelo controlo PWM. O controlo PWM
mantém o semicondutor ligado durante o período ton e desligado durante toff.
Quando Int é ligado, a tensão Vd é aplicada à bobina e o díodo fica
inversamente polarizado (Vo > Vd), não possibilitando a passagem de energia
para o condensador e para a carga. Desta forma, a indutância vai acumulando
energia e a carga é alimentada pela energia armazenada no condensador até
que Int seja desligado. Quando Int é desligado, o díodo fica polarizado
passando a conduzir e a energia acumulada na bobina é agora fornecida à
carga e ao condensador de forma a que este seja carregado. O filtro composto
pela bobina e pelo condensador, é responsável por filtrar a sequência de
impulsos e assim produzir a tensão de saída. Se a corrente que circula na
bobina nunca for zero, indica que o conversor opera em modo de tensão
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64 Universidade do Minho
contínua, caso contrário diz-se que opera em modo de condução descontínua
[16].
4.3.1. Modo de Condução Contínua
No modo de condução contínua a corrente circula continuamente na
bobina, ou seja, a corrente na bobina nunca é zero (iL(t) > 0). O conversor
funciona em dois estados diferentes em cada período (Ts), o estado em que Int
está ligado, ton, e o estado em que Int está desligado, toff [32]. Na Figura 4.3 são
apresentadas as formas de onda da tensão e da corrente na bobina no modo
de condução contínua.
O valor do duty-cycle, num dado período permite verificar se o
semicondutor Int está mais tempo ligado ou desligado.
Figura 4.3 – Formas de onda da tensão e corrente na indutância no modo de condução contínuo [32]
a) Estado t on
Este estado ocorre quando o semicondutor Int está ligado durante um
determinado tempo (ton). A Figura 4.4 representa o circuito do conversor
step-up durante este tempo.
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O valor do duty-cycle para o período em que o semicondutor de potência
está em condução é dado pela equação 4.1.
X = Y8 (4.1)
Onde = Y8 + Y11
Figura 4.4 – Circuito Step-up durante o estado t on [32]
b) Estado t off
Este estado ocorre quando o semicondutor Int está desligado durante um
determinado tempo (toff). A Figura 4.5 representa o circuito do conversor
step-up durante este tempo.
O valor do duty-cycle para o período em que o semicondutor de potência
está desligado é dado pela equação 4.2.
X = 1 − Y11 (4.2)
VdC
ioiL
iC
VO
+
-
VL+ -
L
iD
R
Figura 4.5 – Circuito step-up durante o estado t off [32]
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66 Universidade do Minho
O aumento da corrente iL durante ton e a diminuição da corrente iL durante
toff são iguais. Assim, e observando os gráficos da Figura 4.3, pode-se obter a
relação entre a tensão de entrada (Vd) e a tensão de saída (Vo) do modo de
condução contínua [32]:
R ∗ Y8 + (R − ) ∗ Y11 = 0 (4.3)
Substituindo (4.1) e (4.2) em (4.3), obtém-se:
R ∗ X ∗ + (R − ) ∗ (1 − X) ∗ = 0 (4.4)
Resolvendo em ordem a T%TZ:
R = 11 − X (4.5)
Desprezando as perdas, Pd = Po
NR = R ∗ R = ∗ = N (4.6)
Desta forma a relação entre a corrente de entrada (Id) e a corrente de saída
(Io) é dada por:
R = 1 − X (4.7)
Sendo que:
= (4.8)
A corrente na indutância pode ser calculada através da equação (4.9), que
resulta da combinação de (4.5), (4.7) e (4.8).
[ = R = − X = ∗ (1 − X) = ∗ (1 − X)W (4.9)
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4.3.2. Limite da Condução Contínua
No limite da condução contínua, o valor da corrente na bobina (iL) vai a
zero no final do intervalo de tempo em que Int esteve ligado [32]. A Figura 4.6
mostra os gráficos da tensão e corrente na bobina para este estado.
ton toff
iLVL
Ts
0
iL = iLBiL,peak
t
Figura 4.6 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do step-up no limite da condução contínua [32]
O valor médio da corrente na bobina no limite da condução contínua é [32]:
[\ = 12 ∗ [,0_` = 12 ∗ Ra ∗ Y8
= 12 ∗ Ra ∗ X ∗
(4.10)
Substituindo (4.5) em (4.10):
[\ = 2a ∗ X ∗ (1 − X) ∗ (4.11)
Como a corrente na bobina e na entrada do conversor step-up assumem os
mesmos valores, e utilizando as equações (4.8) e (4.11), verifica-se que a
corrente média de saída no limite da condução contínua é [32]:
\ = 2a ∗ X ∗ (1 − X)W ∗ (4.12)
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68 Universidade do Minho
A grande maioria das aplicações que utilizam o conversor step-up
requerem que a sua tensão de saída (Vo) seja mantida constante. Portanto,
para manter Vo inalterável independentemente da tensão de entrada, é
necessário variar o duty-cycle [32]. A Figura 4.7 mostra as curvas de ILB e IoB
com Vo constante, para diferentes valores de duty-cycle (D).
D0 0.5
(1/3)
ILB
IoB
1.00.750.25
ILB,max = TsVo
8L
IoB,max = 0.074TsVo
L
Vo = constante
Figura 4.7 – Formas de onda de I LB e IoB com V o constante [32]
Analisando a Figura 4.7 verifica-se que o valor máximo de ILB acontece
quando D = 0.5:
[\,>_b = ∗ 8a (4.13)
Por sua vez, IoB assume o seu valor máximo para D = GC:
\,>_b = 227 ∗ ∗ a = 0.074 ∗ ∗ a (4.14)
Em termos de valores máximos, ILB e IoB podem ser expressos,
respectivamente pelas equações (4.15) e (4.16) [32]:
[\ = 4X(1 − X)[\,>_b (4.15)
\ =274 X(1 − X)W\,>_b (4.16)
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Universidade do Minho 69
Os valores máximo e mínimo da corrente na indutância podem ser
calculados através das equações 4.17 e 4.18, respectivamente [33]:
[,>_b = [ + gh[2 = R ∗ (1 − X)W + R ∗ X ∗ 2a (4.17)
[,>i8 = [ − gh[2 = R ∗ (1 − X)W − R ∗ X ∗ 2a (4.18)
No limite entre o modo de condução contínua e o modo de condução
descontínua é possível calcular o valor mínimo da indutância:
[,>i8 = 0 ⇔
R ∗ (1 − X)W − R ∗ X ∗ 2a = 0 ⇔
R ∗ (1 − X)W = R ∗ X ∗ 2a ⇔
a ∗ B ≥ X ∗ (1 − X)W ∗ 2
(4.19)
A Figura 4.7 mostra que para um determinado valor do duty-cycle e com a
tensão de saída constante, se a corrente na carga assumir valores inferiores a
IoB e, consequentemente, a corrente média no indutor assumir valores abaixo
de ILB, o conversor entra no modo de condução descontínua [32].
4.3.3. Modo de Condução Descontínua
O modo de condução descontínua caracteriza-se pela corrente na bobina
ser zero, durante um instante de tempo. A Figura 4.8 mostra o comportamento
da corrente e tensão na bobine. Verifica-se que, durante um período de tempo
(Ts), a corrente na bobina passa por três estados diferentes: durante ton (DTs), a
corrente começa inicialmente em zero, aumento o seu valor até atingir o valor
máximo; durante ∆1Ts, a corrente diminui até zero, devido ao facto de o
semicondutor estar desligado; por fim, durante a fase ∆2Ts, a corrente de saída
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70 Universidade do Minho
(Io) desce e ultrapassa o seu valor crítico e dessa forma a corrente na
indutância anula-se até que se inicie um novo ciclo Ts.
Figura 4.8 – Forma de onda da tensão e corrente na indutância em modo de condução descontínuo [32]
Tal como no modo de condução contínua, também no modo de condução
descontínua é possível obter a relação entre a tensão de entrada (Vd) e tensão
de saída (Vo).
Y8 = X ∗ (4.20)
Y11 = gG ∗ (4.21)
Observando a Figura 4.8 tem-se que:
R ∗ Y8 + (R − ) ∗ Y11 (4.22)
Substituindo (4.20) e (4.21) em (4.22):
R ∗ X ∗ + (R − ) ∗ gG ∗ (4.23)
Resolvendo em ordem a T%TZ:
R = gG + XgG (4.24)
Desprezando as perdas, Pd = Po:
NR = R ∗ R = ∗ = N (4.25)
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Universidade do Minho 71
Desta forma, pode obter-se a relação entre a corrente de saída e a corrente
de entrada:
R = gGgG + X (4.26)
O valor médio da corrente na bobina é igual ao valor médio da corrente de
entrada:
R = R2a ∗ X ∗ ∗ (X + gG) (4.27)
Escrevendo (4.26) em ordem a Io e substituindo Id por (4.27):
= R2a ∗ X ∗ ∗ gG (4.28)
Na prática, uma vez que Vo é mantido constante e D varia em resposta à
variação de Vd, é mais útil obter-se o valor de D em função da corrente de
carga para vários valores de T%TZ [32]. Assim usando as equações (4.14), (4.21) e
(4.25), obtém-se a equação 4.29.
X = k 427 ∗ R ∗ 5R − 17 ∗ \,>_b (4.29)
A Figura 4.9 ilustra a variação do duty-cycle (D) de forma a manter a
tensão de saída (Vo) constante, quando a corrente da bobina está no modo de
condução descontínua.
No modo de condução descontínua, se Vo não for controlado durante cada
período de comutação, é transferida para a saída uma determinada quantidade
de energia quantificada pela equação (4.30) [32]:
a2 h[,>_bW = (R ∗ X ∗ )2a (4.30)
Se a carga não consumir toda a energia transferida, a tensão no
condensador pode assumir valores demasiado elevados até que a potência
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72 Universidade do Minho
estabilize. Este aumento de tensão pode mesmo causar a destruição do
condensador [32].
Figura 4.9 – Curva característica do conversor step-up com V o constante [32]
4.3.4. Efeito dos Elementos Parasitas
Num conversor step-up, os elementos parasitas estão associados às
perdas que ocorrem na bobina, condensador no semicondutor de potência e no
díodo. Na Figura 4.10 é mostrado o efeito desses mesmos elementos parasitas
na relação entre Vo/Vd e o duty-cycle (D). Para o modo de condução contínua a
relação entre Vo e Vd aproxima-se de um duty-cycle unitário, mas na prática tal
não acontece. Os elementos parasitas provocam perdas em todos os
componentes do conversor de tensão, impedindo que a relação Vo e Vd
continue a subir quando o D se aproxima de um [32].
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Universidade do Minho 73
Figura 4.10 – Efeito dos elementos parasitas na conv ersão da tensão [32]
4.3.5. Ripple da Tensão de Saída
O valor da variação da tensão de saída pode ser calculado considerando
as formas de onda representadas na Figura 4.11 para uma operação em modo
contínuo. Na figura a área sombreada representa a carga ∆Q.
Figura 4.11 – Ripple da tensão de saída do step-up [32]
Assim sendo, a variação da tensão do ripple de saída é dada pela equação
(4.31) [32] [33]:
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74 Universidade do Minho
g = glm = ∗ X ∗ m = ∗ X ∗ ∗ m (4.31)
g = X ∗ m (4.32)
O valor do condensador (C) pode ser definido a partir da variação da
tensão admitida. Enquanto que a corrente na indutância for maior que a
corrente na carga, o condensador carrega e quando for menor, o condensador
descarrega, causando assim uma variação na tensão de saída (∆Vo).
m ≥ X ∗ ∗ Fg I (4.33)
4.3.6. Controlo do step -up com PWM
Os conversores de tensão CC-CC têm como função controlar a tensão de
saída de forma a que esta atinja o valor pretendido. Num conversor CC-CC,
onde a tensão de entrada não é constante, a tensão de saída é ajustada para o
valor pretendido através do controlo da duração em que o semicondutor de
potência está ligado e desligado (ton e toff).
Um dos métodos de controlo da tensão de saída (Vo) ajusta o tempo de
duração que o semicondutor está ligado, utilizando uma frequência de
comutação do semicondutor constante, e consequentemente, um período de
comutação também constante (Ts = ton + toff). Este método designa-se por PWM
(Pulse-Width Modulation), também conhecido por Modulação por Largura de
Impulso.
Durante o funcionamento deste método de modulação, o semicondutor é
sucessivamente ligado e desligado, correspondendo ao valor do duty-cycle, ou
seja, ao controlo dos tempos on e off. Na Figura 4.12 é mostrado um diagrama
de blocos de um controlador PWM [32].
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 75
Analisando a Figura 4.2, verifica-se que o bloco amplificador tem como
função amplificar o sinal de erro, através da diferença entre o valor da tensão
de referência (Vref) e o valor da tensão de saída do conversor (Vo). A variável
Vref representa o valor de tensão que se pretende ter à saída do conversor,
enquanto que Vo simboliza a tensão que realmente está à saída do mesmo. O
resultado desta subtracção é um sinal de erro denominado Vcontrol. Este sinal é
utilizado no bloco seguinte (comparador), para ser comparado com uma onda
do tipo dente de serra (Sawtooth Wave). A onda resultante dessa operação
apresenta uma frequência fixa com um período igual a Ts. Na Figura 4.13 está
representada o processo de comparação de vcontrol com vst.
ton
toff
t0
Ts
On On
Off Off
vst
Vcontrol > vst
Vcontrol < vst
vst = Sawtooth voltage
Vcontrol
Figura 4.13 – Comparação dos sinais V control e vst [32]
vcontrol
Comparador Sinal
PWM
Amplificador
+
-
Vref
Vo vst
Figura 4.12 - Diagrama de blocos do controlador PWM [32]
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76 Universidade do Minho
Quando o sinal de vvontrol é maior que o valor de vst, o semicondutor está
ligado (estado ton) e como tal o sinal PWM é alto. Pelo contrário, quando o sinal
de vcontrol é menor que o valor de vst, o semicondutor está desligado (toff) e por
isso o sinal PWM é baixo. O valor do duty-cycle pode ser determinado pela
equação (4.34) [32].
X = Y8 = n=8/on (4.34)
Desta forma, verifica-se que o semicondutor deve estar mais tempo em
condução quando o valor da tensão de saída (Vo) está mais distante do valor
da tensão de referência (Vref). Por outro lado, o semicondutor deve estar mais
tempo desligado na situação em que o valor da tensão de saída está mais
próximo do valor de Vref. Na Figura 4.14 está representado o esquema do
circuito step-up com controlo PWM.
Figura 4.14 – Circuito eléctrico do conversor step-up com controlo PWM
4.3.7. Dimensionamento do Step-Up
Tendo por base os fundamentos teóricos apresentados na secção 4.3,
procedeu-se ao dimensionamento de todos os componentes constituintes do
conversor de tensão.
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Universidade do Minho 77
Para os cálculos efectuados assumiu-se que:
Vd = 200V
Tensão máxima gerada pelo conjunto dos painéis fotovoltaicos
Vo = 230V
Tensão desejada à saída do conversor step-up
f = 25kHz
Frequência de comutação
Ts = 40µs Período de comutação
R = 100Ω
Carga do conversor step-up
g = 1% Ripple da tensão de saída
O valor do duty-cyle é calculado através da relação entre a tensão de saída
e a tensão de entrada expressa na equação 4.35.
R = 11 − X
230200 = 11 − X ⇔ X = 13%
(4.35)
O valor mínimo da indutância da bobina é dado pela equação 4.36:
a ≥ X ∗ (1 − X)W ∗ 2 ∗ B
a ≥ 0.13 ∗ (1 − 0.13)W ∗ 1002 ∗ 25L ⇔ a ≥ 197μu
(4.36)
Assumindo 1% como o valor máximo de ripple para a tensão de saída, o
condensador é calculado através da equação 4.37:
g = X ∗ m ˂1%
0.13 ∗ 40μ100 ∗ m ˂0.01 ⇔ m˃5,2μx
(4.37)
Na Tabela 4.1 tem-se um resumo dos valores calculados para a
implementação do conversor de tensão.
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78 Universidade do Minho
Tabela 4.1 - Componentes do step-up
Componente Valor
Bobin a (L) 197µH
Condensador (C) 5.2µF
Resistência (R) 200Ω
4.4. Inversor
Nos sistemas fotovoltaicos a tensão produzida pelos painéis é contínua,
enquanto que a tensão da rede é alternada. Assim, é necessário efectuar a
inversão da tensão (CC/CA) para que esta possa ser injectada na rede
eléctrica.
Os inversores são circuitos eléctricos que efectuam a conversão CC/CA.
Este tipo de circuitos é muito utilizado em aplicações industriais, por exemplo,
em sistemas de accionamento de motores de corrente alternada, em filtros
activos de potência e em fontes de tensão reguladas. Num sistema fotovoltaico,
este circuito é o último elemento do sistema, fazendo a interface entre o painel
fotovoltaico e a rede. Os conversores CC/CA, conhecidos como inversores,
possibilitam a geração de tensões alternadas com amplitude e frequência
variáveis a partir de uma fonte de tensão CC.
Existem várias topologias de inversores CC/CA. Estes podem ser
monofásicos ou trifásicos, e consoante o tipo de alimentação podem ser VSI
(Voltage Source Inverter) ou CSI (Current Source Inverter) [34]. Para a
realização deste trabalho utilizou-se um inversor monofásico do tipo VSI, uma
vez que o objectivo é produzir uma tensão com valores de amplitude e
frequência controlados, para ser injectada na rede.
Por sua vez, os inversores VSI estão divididos em três categorias distintas,
inversores PWM, inversores de onda quadrada e inversores monofásicos com
cancelamento de tensão [32]:
a) Inversor PWM: neste tipo de inversor, a tensão de entrada é constante
em magnitude. O inversor controla a magnitude e a frequência da
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Universidade do Minho 79
tensão de saída, através da modulação por largura de impulso, para
obter uma tensão de saída o mais próxima possível de uma onda
sinusoidal [32].
b) Inversor de onda quadrada: neste tipo de inversor, a tensão de
entrada CC é controlada, com o objectivo de controlar a magnitude da
tensão de saída CA. Portanto, o inversor tem apenas de controlar a
frequência da tensão de saída. A tensão de saída tem a uma forma de
onda semelhante a uma onda quadrada [32].
c) Inversor monofásico com cancelamento de tensão: com este tipo de
inversor é possível controlar a magnitude e a frequência da tensão de
saída, apesar de a tensão de entrada CC ser constante e os
interruptores do inversor não serem comandados por PWM. A forma de
onda da tensão de saída é uma onda quadrada. Portanto, este inversor
combina as características dos dois inversores anteriormente descritos.
A técnica de anulação de tensão apenas funciona em inversores
monofásicos [32].
4.4.1. Inversor Half-Bridge
Na Figura 4.15 está representado um inversor Half-Bridge ou em meia
ponte, onde se pode constatar que os dois interruptores existentes, através dos
condensadores, dividem a tensão de entrada CC em duas partes. Os
condensadores, ligados em serie, têm valores iguais, apresentando por isso,
cada um deles, uma tensão de Vd/2 V. Quando o interruptor T+ é ligado, T+ e
D+ entram em condução, dependendo do sentido da corrente de saída e io
divide-se igualmente pelos dois condensadores. Similarmente, quando T- é
ligado, T- e D- entram em condução, consoante o sentido da corrente da
corrente de saída, io, e esta divide-se igualmente pelos dois condensadores
[32]. Este comportamento pode ser observado na Figura 4.16.
O inversor de meia ponte é recomendado para aplicações em baixa
potência, pois o nível de tensão na carga é duas vezes menor que a topologia
inversora em ponte completa (analisada no tópico seguinte) com a mesma
tensão no barramento CC.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
80 Universidade do Minho
Figura 4.15 - Inversor Half-bridge
Figura 4.16 - Estados de operação do inversor de te nsão half-bridge: a) T+ ligado; b) T- ligado
4.4.2. Inversor Full-Bridge
O inversor Full-Bridge ou em ponte completa, representado na Figura 4.17
é formado por dois inversores, permitindo assim, com a mesma tensão de
entrada CC, obter na saída o dobro do valor máximo da tensão obtida num
inversor de meia ponte. Isto implica que, para a mesma potência, o valor das
correntes de saída e dos semicondutores de potência são reduzidas para
metade, comparativamente ao inversor de meia ponte. Esta diminuição da
corrente e aumento da tensão é particularmente útil em sistemas de elevada
potência, uma vez que exige menos dispositivos em paralelo. Por isso, e
segundo [32], esta configuração é preferida relativamente a outras para
aplicações de maior potência.
A operação de funcionamento do circuito pode ser dividida em duas
situações distintas como se monstra na Figura 4.18. Um primeiro momento, em
a) b)
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 81
que os interruptores TA+ e TB- estão fechados simultaneamente e a tensão na
carga é Vd. Um segundo momento, onde os interruptores TA- e TB+ estão
juntamente fechados, invertendo assim a tensão na carga (-Vd). Desta forma,
os interruptores funcionam de forma complementar.
+
-
C+
C-
TA+
TA-
DA+
DA-
io+
-
vo
Vd
2
Vd
2
+
-
-
+
TB+
TB-
DB+
DB-
id
Vd
A
B
Figura 4.17 - Inversor Full-bridge
Figura 4.18 - Estados de operação do inversor de te nsão full-bridge : a) TA+ e TB- ligados; b) TA- e TB+ ligados
4.4.3. Controlo do Inversor com PWM
O controlo da comutação dos semicondutores de potência do inversor
monofásico é efectuado através do método da modulação de largura de
impulso – PWM. O objectivo é produzir na saída do inversor uma onda
sinusoidal com valores de amplitude e frequência previamente estabelecidos
(230 V e 50 Hz).
A fim de gerar na saída do inversor uma forma de onda sinusoidal com
uma frequência e amplitude desejadas é necessário controlar a comutação dos
semicondutores de potência. Assim, os sinais de controlo dos semicondutores
a) b)
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
82
são obtidos através da comparação de um sinal de controlo sinusoidal (V
com uma onda triangular (V
relação da frequência de comutação e apresenta uma frequência f
designada de frequência da onda moduladora), que é a frequência fundamental
desejada da tensão de saída do inversor. Por su
(também chamada de onda portadora) apresenta uma frequência f
estabelece a frequência com o que os interruptores do inversor são comutados
e geralmente é mantida constante ao longo da sua amplitude.
A tensão à saída do invers
amplitude igual à tensão de entrada de alimentação do mesmo e de duração
variável. Após uma filtragem desta onda obtém
entanto, esta não será perfeita, uma vez que contém componentes
à frequência fh, em que h representa a ordem do harmónico. A amplitude de
modulação ma é definida como:
_ = Ṽ=8/oṼ/i Em que Ṽcontrol é o valor de pico do sinal de controlo. A amplitude de
sinal triangular geralmente é mantida constante.
A partir da intersecção da onda triangular, com a onda de controlo
sinusoidal vão surgir impulsos com uma duração variável, que terão uma
sinusóide como componente fundamental, como se observa na
Figura 4. 19
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do
são obtidos através da comparação de um sinal de controlo sinusoidal (V
iangular (Vtri). O sinal de controlo é usado para modular a
relação da frequência de comutação e apresenta uma frequência f
designada de frequência da onda moduladora), que é a frequência fundamental
desejada da tensão de saída do inversor. Por sua vez, a onda triangular
(também chamada de onda portadora) apresenta uma frequência f
estabelece a frequência com o que os interruptores do inversor são comutados
e geralmente é mantida constante ao longo da sua amplitude.
A tensão à saída do inversor é representada por uma onda rectangular de
amplitude igual à tensão de entrada de alimentação do mesmo e de duração
variável. Após uma filtragem desta onda obtém-se uma onda sinusoidal, no
entanto, esta não será perfeita, uma vez que contém componentes
, em que h representa a ordem do harmónico. A amplitude de
é definida como:
é o valor de pico do sinal de controlo. A amplitude de
sinal triangular geralmente é mantida constante.
A partir da intersecção da onda triangular, com a onda de controlo
ão surgir impulsos com uma duração variável, que terão uma
sinusóide como componente fundamental, como se observa na Figura
19 – Modelação de largura por impulso [32]
Universidade do Minho
são obtidos através da comparação de um sinal de controlo sinusoidal (Vcontrol)
). O sinal de controlo é usado para modular a
relação da frequência de comutação e apresenta uma frequência f1 (também
designada de frequência da onda moduladora), que é a frequência fundamental
a vez, a onda triangular
(também chamada de onda portadora) apresenta uma frequência fs que
estabelece a frequência com o que os interruptores do inversor são comutados
or é representada por uma onda rectangular de
amplitude igual à tensão de entrada de alimentação do mesmo e de duração
se uma onda sinusoidal, no
entanto, esta não será perfeita, uma vez que contém componentes harmónicas
, em que h representa a ordem do harmónico. A amplitude de
(4.38)
é o valor de pico do sinal de controlo. A amplitude de Ṽtri do
A partir da intersecção da onda triangular, com a onda de controlo
ão surgir impulsos com uma duração variável, que terão uma
Figura 4.19.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
4.4.3.1.
No controlo por PWM com uma tensão unipolar de comutação, os
semicondutores de potência dos dois braços do inversor de ponte completa
não comutam simultaneamente, tal como acontece no PWM bipolar que será
analisado na secção seguinte.
Neste tipo de controlo os braços A e B são controlados separadamente,
através da comparação de v
verifica na Figura 4.20
Figura 4.20 – Comparação de
Tal como se observa na
triangular resulta nos seguintes sinais lógicos de controlo do braço A:
n=8/o > n/i:| n=8/o < n/i:H Para controlar a comutação dos semicondutores do braço B, a onda
é comparada com a mesma onda triangular, produzindo os seguintes sinais
lógicos de controlo representados na
(−n=8/o) > n/i: \|(−n=8/o) < n/i: \H
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Controlo com PWM Unipolar
No controlo por PWM com uma tensão unipolar de comutação, os
semicondutores de potência dos dois braços do inversor de ponte completa
taneamente, tal como acontece no PWM bipolar que será
seguinte.
Neste tipo de controlo os braços A e B são controlados separadamente,
através da comparação de vtri com vcontrol e –vcontrol, respectivamente como se
20.
Comparação de Vtri com V control na modulação por PWM com tensão unipolar de comutação [32]
Tal como se observa na Figura 4.21 a comparação de v
triangular resulta nos seguintes sinais lógicos de controlo do braço A:
n = R n = 0
Para controlar a comutação dos semicondutores do braço B, a onda
é comparada com a mesma onda triangular, produzindo os seguintes sinais
lógicos de controlo representados na Figura 4.21:
n\ R
n\ 0
83
No controlo por PWM com uma tensão unipolar de comutação, os
semicondutores de potência dos dois braços do inversor de ponte completa
taneamente, tal como acontece no PWM bipolar que será
Neste tipo de controlo os braços A e B são controlados separadamente,
, respectivamente como se
por PWM com tensão unipolar de
a comparação de vcontrol com a onda
triangular resulta nos seguintes sinais lógicos de controlo do braço A:
(4.39)
Para controlar a comutação dos semicondutores do braço B, a onda –vcontrol
é comparada com a mesma onda triangular, produzindo os seguintes sinais
(4.40)
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
84
Figura 4.21 – Sinais de controlo dos braços A e B do inversor
Desta forma, verifica-se que devido à comutação dos semicondutores, a
tensão de saída varia entre 0 e V
Figura
As formas de onda das
inversor por PWM com uma tensão unipolar de comutação
existem quatro combinações possíveis de comutação dos semicondutores,
resultando nos seguintes níveis de tensão:
1. |, \H:n R, n\
2. H, \|:n 0, n\
3. |, \|:n R, n\
4. H, \H:n 0, n\
Do conjunto de equações
semicondutores da parte superior ou inferior são ligados em simultâneo a
tensão à saída do inversor é zero.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do
Sinais de controlo dos braços A e B do inversor [32]
se que devido à comutação dos semicondutores, a
tensão de saída varia entre 0 e Vd ou entre 0 e –Vd como comprova
Figura 4.22 – Tensão de saída do inversor [32]
As formas de onda das figuras anteriores, correspondentes ao controlo do
inversor por PWM com uma tensão unipolar de comutação, mostram que
existem quatro combinações possíveis de comutação dos semicondutores,
resultando nos seguintes níveis de tensão:
0;n R
R; n R
R; n 0
0;n 0
Do conjunto de equações 4.41 facilmente se conclui que quando os dois
semicondutores da parte superior ou inferior são ligados em simultâneo a
tensão à saída do inversor é zero.
Universidade do Minho
se que devido à comutação dos semicondutores, a
Figura 4.22.
ntes ao controlo do
mostram que
existem quatro combinações possíveis de comutação dos semicondutores,
(4.41)
facilmente se conclui que quando os dois
semicondutores da parte superior ou inferior são ligados em simultâneo a
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
4.4.3.2.
No controlo do inversor de ponte completa com PWM bipolar os
semicondutores de potência operam em pares (T
desligando alternadamente. Assim, a tensão de saída no braço A do inversor
de ponte completa (ver
em meia ponte, em que a forma de onda resulta da comparação entre V
Vtri como está representado na
no braço B é o inverso da saída do braço A. Quando T
n G
WR e n\
G
W
n\Y nY
Logo:
nY nY n\Y
Figura 4.23 –
4.4.4. Tipos de Instalações Conectadas à Rede
Segundo [35], actualmente existem quatro to
instalações fotovoltaicas ligadas à rede eléctrica
respectivas características,
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Controlo com PWM Bipolar
No controlo do inversor de ponte completa com PWM bipolar os
otência operam em pares (TA+, TB-) e (TA
desligando alternadamente. Assim, a tensão de saída no braço A do inversor
de ponte completa (ver Figura 4.17), é idêntica à tensão de saída do inversor
meia ponte, em que a forma de onda resulta da comparação entre V
como está representado na Figura 4.23. Por seu lado, a saída do inversor
no braço B é o inverso da saída do braço A. Quando TA+ e T
R. Então:
Y 2nY
– Modulação PWM com tensão de co mutação bipolar
Tipos de Instalações Conectadas à Rede
, actualmente existem quatro topologias diferentes de
aicas ligadas à rede eléctrica, as quais, em função das
respectivas características, vantagens e desvantagens, oferecem boas
85
No controlo do inversor de ponte completa com PWM bipolar os
A-, TB+), ligando e
desligando alternadamente. Assim, a tensão de saída no braço A do inversor
, é idêntica à tensão de saída do inversor
meia ponte, em que a forma de onda resulta da comparação entre Vcontrol e
. Por seu lado, a saída do inversor
e TB- estão ligados
(4.42)
(4.43)
mutação bipolar [32]
Tipos de Instalações Conectadas à Rede
pologias diferentes de
, em função das suas
vantagens e desvantagens, oferecem boas
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
86 Universidade do Minho
soluções técnicas, tendo em conta as condições locais e a finalidade do
projecto.
As quatro topologias, de seguida explicadas são: inversor central, inversor
string, inversor multi-string e inversor com módulo integrado ou módulo CA.
4.4.4.1. Inversor Central
Neste tipo de instalação é utilizado apenas um inversor com vários painéis
solares associados em paralelo formando um gerador de alta potência (> 10
kW). Os inversores centrais oferecem uma elevada eficiência e gastos
específicos reduzidos. No entanto, a adopção de módulos com características
diferentes ou com defeitos, reduz o aproveitamento óptimo de cada painel,
diminuindo a eficiência energética do gerador. Outra desvantagem é o facto de
a instalação estar dependente de um único inversor, o que em caso de falhas
do mesmo, compromete toda a instalação [35]. Na Figura 4.24 apresenta-se
um esquema ilustrativo deste tipo de instalação.
Figura 4.24 – Inversor Central
4.4.4.2. Inversor String
A instalação conectada à rede com inversor string apresenta algumas
semelhanças, em termos de aplicações fotovoltaicas, ao inversor central, onde
os painéis se subdividem. No entanto, cada conjunto de painéis solares está
ligado apenas a um inversor, desta forma este funciona no seu ponto de
máxima potência. Assim, este tipo de instalação reduz os acoplamentos
defeituosos, diminui as perdas devido ao aparecimento de sombras e evita as
perdas nos díodos de bloqueio. Trata-se de uma configuração de custo
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 87
reduzido e com uma eficiência energética superior. Apresenta também melhor
fiabilidade já que a instalação não está dependente de um único inversor [35].
A Figura 4.25 ilustra o esquema de ligação do tipo de instalação com inversor
string.
Figura 4.25 – Inversor String
4.4.4.3. Inversor Multi-string
A topologia inversor multi-string, possibilita a ligação de vários conjuntos de
painéis fotovoltaicos, os quais operam no seu ponto de máxima potência
através de um conversor CC/CC, tal como se demonstra na Figura 4.26.
Figura 4.26 – Inversor Multi-String
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
88 Universidade do Minho
Este tipo de instalações apresenta todas as vantagens das restantes
topologias e pode funcionar com óptimo rendimento energético. Esta
configuração é aplicada em sistemas de energias que operam na faixa de
potência de 3 até 10 kW [35].
4.4.4.4. Módulo com Inversor Integrado ou Módulo CA
O inversor com módulo integrado recebe na sua entrada um único módulo.
Esta configuração não produz nenhum tipo de perda por adaptação e é
empregada em baixas potências, de 50 até 400 W. Todavia, a eficiência deste
inversor é inferior à apresentada pelo inversor string. Esta topologia necessita
de cabos maiores para a ligação à rede eléctrica, uma vez que estes são
ligados directamente à rede [35]. Esta topologia é representada pela Figura
4.27.
Figura 4.27 – Inversor com Módulo Integrado ou Módu lo CA
4.5. Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os estudos relativos aos conversores
CC-CC e CC-CA. O estudo desta temática serviu para compreender o modo de
funcionamento dos circuitos de maneira a escolher a topologia que melhor
satisfaz as necessidades do projecto.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 89
Assim, neste capítulo é feita uma exposição do funcionamento do step-up,
bem como o seu controlo por PWM. Foi também feito dimensionamento dos
componentes do conversor step-up para o modo de condução contínua.
Para o conversor CC-CA optou-se pela configuração em ponte completa,
porque, com a mesma tensão no lado CC do inversor obtém-se na sua saída o
dobro da tensão relativamente à montagem de meia ponte. Foram também
analisadas as técnicas de controlo com PWM unipolar e bipolar.
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 91
5. Simulações Computacionais
5.1. Introdução
A evolução dos circuitos electrónicos, torna indispensável o uso de
ferramentas de simulação, de forma a permitirem a realização de estudos
comportamentais dos circuitos eléctricos que se pretende implementar. Desta
forma, com programas computacionais adequados, é possível manipular as
diferentes variáveis de um circuito electrónico em várias situações de
funcionamento. O recurso a simulações computacionais permite fazer uma
previsão do comportamento de um determinado circuito eléctrico, prevenindo
assim a prática de erros aquando da fase da implementação prática. Os
softwares de simulação permitem também o estudo do comportamento de um
determinado circuito em condições extremas de operação, ou seja, para além
dos limites impostos. Este leque de vantagens traduz-se num aumento da
segurança do investigador e dos equipamentos envolvidos, numa diminuição
dos custos e do tempo de investigação, contribuindo assim para uma maior
eficiência do projecto. A análise do sistema simulado facilita o processo de
compreensão do sistema real, uma vez que permite o ajuste de parâmetros e a
comparação de diferentes alternativas, contribuindo assim para o
aperfeiçoamento do desempenho do sistema. É fundamental que as
ferramentas de simulação se aproximem tanto quanto possível do
comportamento real dos diversos componentes electrónicos, de maneira a que
o modelo simulado apresente comportamentos fidedignos e próximos da
realidade.
Neste capítulo são apresentadas as simulações computacionais realizadas,
nomeadamente as simulações de um painel solar fotovoltaico, de um conversor
CC-CC step-up, de um circuito para extrair a máxima potência (MPPT) e de um
circuito inversor.
O software usado para as simulações computacionais do sistema solar
fotovoltaico foi o MATLAB/Simulink. A escolha desta ferramenta de simulação
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
92 Universidade do Minho
deveu-se ao facto de existir maior experiência de manuseamento,
relativamente a outras ferramentas, adquirida em trabalhos anteriores.
O Simulink é um ambiente para simulação e desenho de sistemas
dinâmicos e integrados. Disponibiliza uma interface gráfica interactiva com o
utilizador e um conjunto personalizável de bibliotecas de blocos que permitem
projectar, simular, implementar e testar uma variedade de sistemas variáveis
no tempo. Como o Simulink é parte integrante do MATLAB é possível interagir
com este, aproveitando assim ao máximo, os recursos oferecidos pelos dois
ambientes [36]. O Simulink apresenta também uma biblioteca dedicada
exclusivamente à simulação e desenho de sistemas de electrónica de potência,
chamada SimPowerSystems. A utilização desta ferramenta permite a
modelação e simulação de geração, transmissão, distribuição e consumo de
energia eléctrica. Fornece também modelos de muitos componentes usados
nesses sistemas, incluindo máquinas trifásicas, motores eléctricos e bibliotecas
de modelos específicos de aplicação, tais como sistemas flexíveis de
transmissão de corrente alternada e geração de energia eólica. A análise
harmónica, o cálculo da distorção harmónica total, o fluxo de carga e outras
análises do sistema de energia são processos automatizados. Os modelos
SimPowerSystems possibilitam ainda a discretização do sistema de modo a
acelerar as simulações [37].
5.2. Simulação do Painel Solar Fotovoltaico
Apesar de ser conhecida a indisponibilidade de utilizar um painel solar
fotovoltaico para a implementação prática do projecto, considerou-se essencial
o desenvolvimento de um modelo para a simulação do mesmo, para uma
melhor compreensão, não só do próprio painel, mas de todo o sistema de
interface à rede eléctrica.
Deste modo, simulou-se o painel solar fotovoltaico da Kyocera, modelo
KC85T-1, por este possuir características que satisfazem as necessidades do
projecto. As características deste mesmo painel solar estão indicadas no
subcapítulo 2.4, relativo ao módulo solar fotovoltaico.
O modelo do painel fotovoltaico desenvolvido no Simulink e representado
na Figura 5.1, permite gerar as curvas de corrente vs tensão e potência vs
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
93 Universidade do Minho
tensão, para os valores de temperatura e radiação solar previamente
especificados pelo utilizador.
Figura 5.1 – Modelo do painel fotovoltaico desenvol vido no Simulink a) modelo do painel solar b) subsistema do modelo desenvolvido
A Figura 5.1 a) representa o modelo do painel solar desenvolvido em
Simulink, que tem como parâmetros de entrada a radiação solar e temperatura,
sendo estes passíveis de ser alterados pelo utilizador, e na sua saída são
disponibilizadas os sinais de tensão e corrente produzidos pelo mesmo. Este
bloco é depois ligado ao circuito MPPT, como se demonstra na secção 5.4.,
reservada à simulação do circuito MPPT. A Figura 5.1 b) afigura o subsistema
que está contido no bloco “Painel Fotovoltaico” e é onde é feita a modulação do
módulo fotovoltaico, baseada nos pressupostos apresentados nas secções 2.3.
e 2.4., através do bloco programável “Embedded MATLAB Function2”.
As Figura 5.2 a) e b) representam respectivamente as curvas corrente vs
tensão e potência vs tensão do painel solar fotovoltaico simulado para as
condições padrão STC, ou seja, radiação solar no valor de 1000W/m2 e
temperatura de 25ºC.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
94 Universidade do Minho
Figura 5.2 – a) Curva Corrente vs Tensão b) Curva Po tência vs Tensão
5.3. Simulação do circuito Step-Up
Para analisar o funcionamento do conversor step-up, foi simulado em
Simulink o modelo representado na Figura 5.3. Esta simulação permitiu validar
os cálculos efectuados na secção 4.3.7, relativos ao dimensionamento do
conversor CC-CC, bem como observar o comportamento do mesmo e, dessa
forma, retirar as devidas conclusões para a sua implementação prática.
Figura 5.3 - Conversor step-up simulado em Simulink
O modelo simulado é alimentado por uma fonte de tensão contínua (Vi) de
200V, sendo esta elevada para 230V à sua saída. O conversor foi simulado de
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
95 Universidade do Minho
forma a funcionar no modo de condução contínua, ou seja, a corrente na
bobina nunca é zero. Assim, a bobina L e o condensador C apresentam,
respectivamente, os valores de 250µH e 10µF. A carga, representada pela
resistência R, tem o valor de 200Ω. O semicondutor de potência utilizado foi o
mosfet, no qual foi aplicado um bloco PWM configurado para gerar uma onda
com uma frequência de 25KHz e com um duty-cycle de 13%. Os valores dos
componentes utilizados na simulação estão de acordo com os que foram
calculados e apresentados anteriormente, tal como se pode comprovar através
da Tabela 5.1.
Tabela 5.1- Valores dos componentes do step-up nos cálculos e na simulação
Componente Valor (Cálculos) Valor (Simulação)
Bob ina (L) 197µH 250µH
Condensador (C) 5.2µF 10µF
Resistência (R) 200Ω 200Ω
De modo a analisar o funcionamento do conversor CC-CC simulado,
procedeu-se ao visionamento das formas de onda de tensão e corrente dos
componentes electrónicos constituintes do step-up.
Na Figura 5.4 estão representadas simultaneamente as formas de onda da
tensão à entrada e à saída do conversor. A tensão de entrada apresenta um
valor de 200V, enquanto que a tensão de saída tem o valor de 230V, tal como
esperado.
Figura 5.4 - Tensão de entrada e saída no step-up
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
96 Universidade do Minho
Pela análise da Figura 5.5 verifica-se que o conversor step-up simulado
funciona efectivamente no modo de condução contínua. Os valores da corrente
na bobina variam entre um mínimo de cerca de 0,5A e um máximo de cerca de
4,6A, portanto esta nunca o corrente na bobina nunca é zero.
Figura 5.5 – Corrente na bobine
A análise da tensão drain-source (Vds) e da corrente na drain (Id) no mosfet,
são também importantes para saber qual o mosfet que melhor pode servir às
necessidades do projecto. Através da análise, das formas de onda vds e id,
representadas na Figura 5.6, constata-se que o mosfet deve suportar uma
tensão na ordem dos 250V e uma corrente de 6A.
Figura 5.6 – Tensão e Corrente no Mosfet
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
97
5.4. Simulação do
Um dos objectivos desta dissertaç
circuito MPPT (Maximum Power Point Tracking
CC-CC step-up, e dessa forma extrair
conjunto de painéis fotovoltaicos.
Na Figura 5.7 está representado o modelo do circuito MPPT implementado
em Matlab/Simulink.
Figura
O bloco MPPT do modelo
entrada, a potência gerada pelo conjunto dos painéis no instante actual
no instante anterior (P
a radiação solar incidente
painéis fotovoltaicos, para
Observação, consiga atingir o ponto de máxima potência, gerando a
correspondente tensão de controlo
ser capaz de detectar o ponto de máxima potência e estabilizar em tor
A Figura 5.8 mostra o resultado de uma simulação, para as condições STC
(radiação igual a 1000W/m
painéis solares fotovoltaicos ligados em série, verificando
potência máxima de cerca de 960W
217V, que é de facto a tensão de máxima potê
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Simulação do circuito MPPT
Um dos objectivos desta dissertação era a simulação computacional de um
(Maximum Power Point Tracking) para o controlo do conversor
, e dessa forma extrair a potência máxima de um painel, ou
conjunto de painéis fotovoltaicos.
está representado o modelo do circuito MPPT implementado
Figura 5.7 - Modelo do circuito MPPT simulado
MPPT do modelo desenvolvido aceita como parâmetros de
potência gerada pelo conjunto dos painéis no instante actual
(Ppv_ant), a tensão produzida pelo conjunto dos
radiação solar incidente (G) e a temperatura (T) a que estão sujeitos os
s, para que, através do algoritmo Perturbação &
Observação, consiga atingir o ponto de máxima potência, gerando a
correspondente tensão de controlo (vcontrolo). Assim, a tensão de controlo deve
ser capaz de detectar o ponto de máxima potência e estabilizar em tor
mostra o resultado de uma simulação, para as condições STC
(radiação igual a 1000W/m2 e temperatura igual a 25ºC), de um conjunto de
painéis solares fotovoltaicos ligados em série, verificando-se
potência máxima de cerca de 960W a tensão de controlo estabiliza em torno de
217V, que é de facto a tensão de máxima potência do arranjo fotovoltaico
Universidade do Minho
ão era a simulação computacional de um
o controlo do conversor
a potência máxima de um painel, ou um
está representado o modelo do circuito MPPT implementado
aceita como parâmetros de
potência gerada pelo conjunto dos painéis no instante actual (Ppv) e
produzida pelo conjunto dos painéis (Vpv),
a que estão sujeitos os
que, através do algoritmo Perturbação &
Observação, consiga atingir o ponto de máxima potência, gerando a
Assim, a tensão de controlo deve
ser capaz de detectar o ponto de máxima potência e estabilizar em torno deste.
mostra o resultado de uma simulação, para as condições STC
l a 25ºC), de um conjunto de
se que para uma
a tensão de controlo estabiliza em torno de
ncia do arranjo fotovoltaico.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
98 Universidade do Minho
Figura 5.8 – Potência do arranjo fotovoltaico e tens ão de controlo do controlo MPPT
O aumento do valor da perturbação provoca também uma oscilação maior
em torno do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico, como se pode
ver na Figura 5.9, que representa a variação da tensão de controlo em torno
do ponto de tensão correspondente potência máxima, para três valores
diferentes de perturbação (∆V) da tensão de controlo. Para uma perturbação
de 0,5V a tensão de controlo, em regime permanente oscila entre 212,2V e
211,6V, enquanto que para ∆V=0,2V, a tensão de controlo tem como valor
máximo 212.0V e como mínimo cerce de 211,8V. Por sua vez, como uma
perturbação de 0,1V a tensão de controlo varia entre 211,9V e 211,8V.
Figura 5.9 – Tensão de controlo em regime permanent e a) ∆V=0,5V b) ∆V=0,2V c) ∆V=0,1V
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
99 Universidade do Minho
Depois de gerada a tensão de controlo (vcontrol), esta entra no bloco de
geração do sinal PWM, representado na Figura 5.10, onde é comparada com
uma onda dente de serra de 25kHz, de forma a gerar o duty-cycle para aplicar
no mosfet do conversor de tensão CC-CC step-up.
Figura 5.10 – Bloco desenvolvido em Simulink para a geração do sinal PWM do MPPT
A comparação da tensão de controlo com o dente de serra é mostrada na
Figura 5.11.
Figura 5.11 – Comparação da onda dente de serra com a tensão de controlo
Desta comparação resulta o sinal de PWM para o comando dos mosfets,
mostrado na Figura 5.12.
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100 Universidade do Minho
Figura 5.12 – Sinal PWM resultante do controlo MPPT
5.5. Simulação do circuito Inversor
Para o estudo do conversor CC-CA, desenvolveram-se em Simulink, dois
modelos de circuitos inversores, um dotado de um filtro LC, representado na
Figura 5.13 e outro sem filtro LC. Esta simulação teve como objectivo analisar o
funcionamento global do circuito inversor, bem como testar e validar a técnica
de controlo a implementar no inversor, na tentativa de minimizar a prática de
erros no momento da implementação prática.
Os modelos simulados são do tipo full-bridge ou ponte completa e o
controlo da comutação dos mosfets é feita por PWM Unipolar. Na simulação
utilizou-se uma carga resistiva no valor de 65Ω, tal como na sua montagem.
Figura 5.13 - Inversor simulado em Simulink
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
101 Universidade do Minho
Como referido anteriormente, a técnica de controlo utilizada na simulação
do circuito inversor foi o PWM unipolar, que consiste na comparação de um
sinal vtri (onda triangular) com vcontrol e –vcontrol (sinal de controlo sinusoidal),
como se pode observar na Figura 5.14.
Figura 5.14 – Simulação do controlo do inversor (PWM unipolar)
Como se pode observar na Figura 5.14, a onda sinusoidal apresenta um
período de 20ms, o que corresponde a uma frequência de 50Hz, uma vez que
esta é a frequência desejada na tensão de saída do inversor.
A comutação dos mosfets é feita à frequência de 10kHz (frequência da
onda triangular) e os respectivos sinais de controlo, representados na Figura
5.15, resultam da comparação das ondas da figura anterior da seguinte forma:
n=8/o > n/i ⇒|
n=8/o < n/i ⇒H
n=8/o > n/i ⇒\|
n=8/o < n/i ⇒\H
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102 Universidade do Minho
Figura 5.15 – Sinais de controlo dos mosfets
Na Figura 5.16 estão representadas as formas de onda da tensão dos
quatro mosfets do circuito inversor, resultantes da aplicação dos sinais de
controlo anteriores.
Figura 5.16 - Formas de onda da tensão nos mosfets
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
103 Universidade do Minho
Na Figura 5.17 estão representadas as quatro formas de onda das
correntes dos mosfets do inversor.
Figura 5.17 - Forma de onda da corrente nos mosfets
A análise das formas da onda das tensões e das correntes nos
semicondutores de potência tem por objectivo seleccionar o mosfet que melhor
satisfaz as necessidades do projecto, bem como verificar o correcto
funcionamento do circuito de potência.
Para uma tensão de entrada contínua no inversor de 325V sem a aplicação
do filtro LC, obteve-se a tensão de saída apresentada na Figura 5.18. Pela
análise da imagem verifica-se que a tensão de saída apresenta-se como uma
onda quadrada como resultado da modulação por largura de pulso, com uma
frequência de 50Hz e uma tensão alternada de 325V. A imagem apresenta
também um zoom onde se verifica com mais detalhe a modulação da tensão
de saída.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
104 Universidade do Minho
Figura 5.18 – Tensão de saída do inversor sem filtr o LC
A corrente na carga resistiva, ligada à saída do inversor, está ilustrada na
Figura 5.19, onde se verifica que esta está em fase com a tensão de saída e
apresenta um valor máximo de cerca de 5A.
Figura 5.19 – Corrente na carga do inversor sem fil tro LC
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
105 Universidade do Minho
Para o mesmo valor de tensão contínua (325V) à entrada do inversor, mas
desta feita com a aplicação de um filtro LC, com uma indutância de 1,49mH e
um condensador de 1,75µF, obteve-se na saída do conversor CC-CA a forma
de onda da tensão apresentada na Figura 5.20.
Figura 5.20 - Tensão de saída do inversor com aplic ação de um filtro LC
A corrente na resistência de carga do inversor está representada na Figura
5.21 e encontra-se em fase com a tensão de saída, apresentando um valor de
pico de cerca de 5A.
Figura 5.21 - Corrente na carga do inversor com fil tro LC
A filtragem das ondas de tensão e corrente moduladas por impulsos,
resultam numa tensão e corrente sinusoidais como demonstram as figuras
anteriores.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
106 Universidade do Minho
5.6. Conclusões
Neste capítulo foram apresentadas todas as simulações e os respectivos
resultados dos diferentes circuitos constituintes do sistema de interface de um
painel solar à rede eléctrica, designadamente a simulação do painel
fotovoltaico e as simulações dos circuitos step-up, MPPT e inversor.
O desenvolvimento do modelo de simulação do painel solar, baseou-se no
estudo apresentado nos capítulos 2.3 e 2.4 acerca da célula e do módulo
fotovoltaico, e, de acordo com os resultados obtidos, conclui-se que o modelo
simulado se adequa aos objectivos pretendidos e ao projecto, uma vez que
possibilita a reprodução fidedigna das curvas de tensão, corrente e potência do
painel fotovoltaico para diversas situações de radiação solar e temperatura.
A simulação do conversor de tensão CC-CC revelou-se bastante útil, não
só para a legitimação dos valores dos componentes dimensionados por
intermédio de cálculos, mas também para uma compreensão mais exacta do
funcionamento do mesmo. A diferença entre os valores dos componentes
calculados e os valores dos mesmos utilizados na simulação, deve-se aos
melhores resultados obtidos. De acordo com o que foi estudado no capítulo 4.3
o conversor de tensão CC-CC deve funcionar no modo de condução contínua,
o que se veio a verificar na simulação efectuada. O modelo de simulação
implementado possibilitou atestar a competência do funcionamento do
conversor CC-CC como circuito step-up, uma vez que é capaz de elevar a
tensão de entrada.
O circuito MPPT simulado constatou a satisfação dos requisitos
necessários ao rastreamento do ponto de máxima potência do painel solar,
validando desta forma o algoritmo perturbação & observação para a fase de
implementação prática. Os resultados apresentados neste capítulo, bem como
os demais recolhidos, atestam a capacidade do circuito MPPT em, para cada
valor de radiação solar e temperatura, seguir o ponto de máxima potência,
optimizando assim, a potência produzida pelo painel fotovoltaico.
Para o conversor CC-CA foram simulados dois circuitos diferentes, um com
um filtro LC e outro sem esse mesmo filtro. Através dos resultados
apresentados conclui-se que ambos os sistemas apresentam bons resultados,
sendo capazes de inverter de forma controlada a tensão de saída para os
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
107 Universidade do Minho
níveis da rede eléctrica, 325V e 50Hz. Na simulação do controlo da comutação
dos semicondutores de potência, não foi tida em conta a necessidade da
existência de um tempo morto (dead-time) entre os dois mosfets de cada braço
inversor, pelo facto de o software de simulação não fazer exigência destes
tempos para o correcto funcionamento do circuito. No entanto, a ausência
desse parâmetro não impede a obtenção de resultados satisfatórios, quer ao
nível do controlo, quer ao nível global do funcionamento do inversor, no se
refere à simulação.
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 109
6. Implementação e Resultados Experimentais
6.1. Introdução
Neste capítulo serão apresentados e explicados todos os circuitos
implementados e respectivos resultados, necessários para a interface de um
painel solar fotovoltaico à rede eléctrica. Os resultados provenientes do
funcionamento dos circuitos implementados serão também aqui apresentados
e serão sujeitos a uma análise crítica relativamente à sua implementação e ao
seu desempenho, com o intuito de aferir os aspectos positivos e negativos
resultantes do trabalho.
A Figura 6.1 representa a bancada de trabalho onde todo o sistema foi
desenvolvido.
Figura 6.1 – Bancada de trabalho
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
110 Universidade do Minho
6.2. Descrição do Sistema Implementado
Para a interface entre o painel solar e a rede eléctrica foram desenvolvidos
e implementados vários circuitos electrónicos que, ainda de forma simplificada,
estão representados no diagrama de blocos da Figura 6.2.
Apesar de inicialmente ter sido proposto a utilização de um painel solar
fotovoltaico, este não foi utilizado devido ao facto de no período de realização
desta dissertação não existir qualquer módulo fotovoltaico disponível, de
acordo com o que foi comunicado pelo professor orientador. Assim, recorreu-se
ao uso do rectificador representado na Figura 6.3, que ao rectificar a tensão
proveniente da rede eléctrica e em conjunto com um VARIAC possibilitou
emular o painel solar fotovoltaico. Assim, ao longo desta dissertação, sempre
que relativamente ao trabalho efectuado seja referido a utilização de um painel
solar, deve ter-se em conta que este foi substituído pelo conjunto rectificador
mais VARIAC.
Sinal PWM
Sinal PWM
Corrente
Tensão
Painel
Fotovoltaico
Conversor CC-CC step-up
Inversor Rede
Microcontrolador (PIC 18F4431)
Cálculo potência PV, controlo MPPT, controlo do inversor
Figura 6.2 – Diagrama de blocos do sistema implemen tado
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
111 Universidade do Minho
Figura 6.3 – Rectificador usado para emular o paine l solar
O sistema de interface do painel solar fotovoltaico implementado pode
dividir-se em duas partes, unidade de potência e sistema de comando, sendo
que dentro do sistema de comando pode identificar-se claramente a unidade de
medida e a unidade de controlo. A unidade de potência apresenta e descreve
os circuitos de potência implementados, nomeadamente o conversor CC-CC
step-up e o inversor. O sistema de comando, formado por duas unidades
distintas, é responsável por efectuar todas as operações de leitura e
processamento de variáveis, de modo a actuar na unidade de potência de
forma correcta, para que o sistema global funcione de acordo com o previsto.
As duas unidades constituintes do sistema de comando são a unidade de
leitura, onde estão compreendidos os sensores de tensão e corrente, e a
unidade de controlo que engloba os circuitos acopladores ópticos e o
microcontrolador PIC.
O desenvolvimento do trabalho prático desta dissertação foi realizada em
duas etapas, uma primeira fase em que foi projectado e montado o circuito do
conversor CC-CC step-up e o desenvolvimento do respectivo circuito de
controlo, e uma segunda fase respeitante à projecção e montagem do circuito
inversor e implementação do seu circuito de comando.
O conversor step-up foi montado e testado em malha aberta e em malha
fechada. Na montagem em malha aberta a unidade de medida é desactivada e
a unidade de controlo gera um sinal de PWM com duty-cycle constante para
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
112 Universidade do Minho
aplicar na gate do mosfet. Esta montagem permitiu aferir se o conversor
CC-CC estava a funcionar correctamente. Na montagem em malha fechada a
unidade de controlo recebe os valores da tensão e da corrente do painel solar
lidos pela unidade de medida e gera o sinal PWM de duty-cycle variável, tendo
por base o algoritmo de controlo MPPT Perturbação e & Observação. O sinal
de controlo gerado é aplicado ao mosfet e os valores da tensão, corrente e
potência do painel solar, bem como o duty-cycle actual do conversor são
mostrados no LCD Nokia.
No que respeita ao circuito inversor, foi implementado um inversor de
tensão monofásico em ponte completa, cuja técnica de controlo desenvolvida
para a comutação dos mosfets foi o controlo com PWM Unipolar.
6.3. Unidade de Potência
A unidade de potência é constituída pelo circuito do conversor de tensão
CC-CC step-up e pelo circuito do conversor de tensão monofásico CC-CA
(inversor). Optou-se pela implementação de um inversor controlado por tensão
porque o objectivo é produzir uma tensão, para ser injectada na rede, com
valores de amplitude e frequência controlados. A adopção de uma topologia em
ponte completa deve-se ao facto de este, com a mesma tensão no barramento
CC, obter na saída o dobro do valor máximo da tensão obtida num inversor de
meia ponte. Utilizou-se o conversor step-up para elevar o nível de tensão
produzido pelo painel solar e, em conjunto com o algoritmo MPPT, optimizar a
potência gerada pelo painel.
Nas secções a seguir serão apresentados e descritos os conversores de
tensão implementados durante a realização da presente dissertação.
6.3.1. Conversor de Tensão CC-CC (Step-Up)
O conversor de tensão CC-CC implementado teve por base o
dimensionamento efectuado e apresentado na secção 4.3.7 (Dimensionamento
do Step-Up), bem como a sua simulação efectuada no MATLAB/Simulink e
mostrada na secção 5.2, respeitante às simulações computacionais.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
113 Universidade do Minho
No entanto, devido à inexistência nas oficinas de apoio do Departamento
de Electrónica de condensadores que suportassem uma tensão de 230V
(tensão máxima à saída do conversor), e com uma capacidade 10µF foi
necessário fazer uma associação de condensadores para contornar este
problema. Desta forma, ligaram-se cinco condensadores em série, cada um
com uma capacidade de 68µF e uma tensão de 68V. De forma a garantir que
cada condensador tem a mesma queda de tensão ligou-se a cada um deles
uma resistência em paralelo, tal como mostra a Figura 6.4.
Figura 6.4 – Associação série de condensadores do c onversor CC-CC
Como os condensadores estão ligados em série a capacidade equivalente
(Ceq) é dada pela equação 6.1
m04 m
m04 68μ
5⇔ m04 13,6μx
(6.1)
Em que n é o número de condensadores ligados em série.
As resistências foram dimensionadas de forma a que a corrente por elas
consumida fosse na ordem dos 100mA. Assim através da equações 6.2, 6.3 e
6.4 calculou-se o seu valor.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
114 Universidade do Minho
∗ m
250 ∗ 13.6μ ⇔ = 0.0034 C (6.2)
Como os condensadores são todos iguais V1 = V2 = V3 = V4 = V5
= m ⇔ = 50 (6.3)
Desta forma, impondo iR1 = 100mA
G = ⇔ G = 500 (6.4)
Assim, foi ligada em paralelo com cada um dos condensadores uma
resistência no valor de 500Ω, tal como é mostrado na Figura 6.5.
Figura 6.5 – Condensadores no conversor step-up
Foi ainda dimensionado e implementado um circuito snubber para proteger
o semicondutor de potência contra os picos de tensão resultantes da
comutação, evitando assim o mau funcionamento deste e consequentemente
do conversor CC-CC. O circuito snubber é constituído por uma resistência Rs,
um condensador Cs, e um díodo Ds e é ligado ao mosfet de acordo com a
Figura 6.6.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
115 Universidade do Minho
Figura 6.6 – Circuito Snubber
Tendo por base as equações 6.5 e 6.6 disponíveis em [32], dimensionou-se
os componentes do circuito snubber.
m R ∗ Y12 ∗ R ⇔ m = 820x
(6.5)
= R0,2 ∗ ⇔ = 100 (6.6)
Onde, Id representa a corrente no mosfet, Vd a tensão drain-source do
mosfet e tf simboliza o fall time do mosfet.
Na Figura 6.7 está representado o circuito sunbber implementado no
conversor step-up.
Figura 6.7 – Circuito snubber implementado
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
116 Universidade do Minho
Quanto à constituição do step-up, para a sua montagem utilizou-se uma
bobina com uma indutância de 253µH, um díodo rápido cuja referência é
BY329X da Philips Semiconductors, um circuito snubber RCD, cujos valores
são Rs 100Ω de 15W, Cs 820nF e um díodo de referência BY229, um mosfet da
International Rectifier IRFB18N50K com as seguintes características: VDSS =
500V, RDS(on) = 0,26Ω e ID = 17A, um conjunto de condensadores ligados em
série com um capacidade equivalente de 13,6µF e uma carga resistiva no valor
de 200Ω. A Tabela 6.1 mostra a comparação entre os valores dos
componentes calculados, simulados e implementados.
Tabela 6.1 – Resumo dos valores dos componentes do step-up
Componente Valor (Cálculos) Valor (Simulação) Valor (Montagem)
Bobina (L) 197µH 250µH 253µH
Condensador (C) 5,2µF 10µF 13,6µF
Resistência (R) 200Ω 200Ω 200Ω
Na Figura 6.8 está representado o esquema eléctrico do circuito step-up
montado.
200Ω
253µH
68µF
68µF
68µF
68µF
68µF
470Ω
470Ω
470Ω
470Ω
470Ω
Fonte de
Tensão CCIRFB18N50K
100Ω/15W
820nF
BY229
BY329X
Figura 6.8 – Esquema eléctrico do circuito step-up
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
117 Universidade do Minho
O circuito step-up foi montado numa placa veroboard, como se vê na
Figura 6.9, onde se podem identificar todos os componentes constituintes do
mesmo.
Figura 6.9 - Circuito step-up implementado
Depois de terminada a montagem do circuito step-up procedeu-se aos
respectivos testes e recolha de resultados.
O conversor CC-CC step-up, tal como explicado no capítulo 4, permite
obter à sua saída uma tensão superior àquela que é aplicada à sua entrada,
funcionando portanto, como elevador de tensão. Desta forma, os resultados
experimentais recolhidos, respeitantes ao conversor CC-CC permitem avaliar o
funcionamento do mesmo.
Num dos ensaios realizados aplicou-se à entrada do conversor CC-CC
uma tensão constante de 160V, tendo-se obtido à sua saída uma tensão
constante de 234V, tal como comprova a Figura 6.10.
IRFB18N50K
Controlo Entrada
Saída/Carga
Bobine
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118 Universidade do Minho
Figura 6.10 – Tensão na entrada e na saída do step-up
Para efectuar a medição da corrente na indutância colocou-se uma
resistência de baixo valor (cerca de 1Ω) em série com a mesma, e mediu-se
assim a tensão nessa resistência, obtendo-se assim uma tensão que é
proporcional ao valor da corrente (Lei de Ohm). Devido ao baixo valor da
resistência usada pode afirmar-se que o valor de tensão medido é muito
próximo do valor real da corrente na bobina.
Através do processo anteriormente descrito visualizou-se a forma de onda
da Figura 6.11, que representa a corrente na indutância e permite constatar
que o conversor step-up está a funcionar no limite do modo de condução
contínua, visto que a corrente na bobine vai a zero no final do intervalo de
tempo em que o mosfet esteve ligado.
Figura 6.11 – Corrente na bobina
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
119 Universidade do Minho
Como supramencionado, desenvolveu-se um circuito snubber para
proteger o semicondutor de potência contra os picos de tensão e também para
melhor os tempos de turn-off deste, uma vez que a forma de onda da tensão
drain-source (Vds) do mosfet utilizado, apresentava o aspecto da Figura 6.12.
Figura 6.12 – Tensão drain-source no mosfet sem circuito snubber
A Figura 6.13 apresenta a forma de onda de Vds após a ligação do circuito
snubber. Como se pode verificar ainda existem picos de tensão, no entanto a
amplitude destes é inferior à tensão máxima do mosfet. Também o tempo de
turn-off, por acção do circuito snubber, é reduzido e o mosfet passa a desligar-
se correctamente em cada comutação.
Figura 6.13 – Tensão drain-source no mosfet com circuito snubber
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
120 Universidade do Minho
6.3.2. Conversor de Tensão CC-CA (Inversor)
O conversor de tensão CC-CA implementado foi baseado nas simulações
efectuadas e apresentadas na secção 5.4 (Simulação do circuito Inversor).
Inicialmente era pretendido desenvolver um inversor capaz de converter a
saída do painel fotovoltaico num sistema alternado de 230V e 50Hz, no
entanto, parte desse objectivo não foi concretizado, não tendo sido conseguido
atingir os 230V na sua saída. O ruído existente na placa montada, bem como
as fontes CC-CC isoladas, susceptíveis de originarem problemas, utilizadas na
unidade de controlo do circuito inversor podem explicar as limitações ao
funcionamento do inversor.
O inversor monofásico em ponte completa implementado é controlado por
tensão e é alimentado pelo mesmo rectificador que emula o painel solar
fotovoltaico, obtendo-se na sua saída uma tensão alternada de 50Hz.
Os semicondutores de potência utilizados para a sua montagem foram os
mosfets da marca International Rectifier, modelo IRFP450 que têm como
principais características tensão drain-soure (VDSS) igual a 400V e corrente
máxima admissível na drain (ID) igual a 14A. Na Figura 6.14 pode ver-se o
circuito inversor implementado numa placa veroboard, onde são bem visíveis
os dois braços do inversor monofásico. A ligação dos mosfets aos dissipadores
está devidamente isolada para evitar curto-circuitos entre os mosfets.
Figura 6.14 – Circuito inversor implementado
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
121 Universidade do Minho
A Figura 6.15 mostra a onda de saída do inversor, apresentando esta uma
frequência de 50Hz e uma tensão de pico de cerca de 97V, sendo este o valor
máximo conseguido à sua saída.
Figura 6.15 – Tensão à saída do inversor
6.4. Unidade de Medida
A unidade de medida tem como função realizar a medição da tensão e da
corrente gerada pelo painel fotovoltaico, de forma a processar o algoritmo
MPPT, responsável pelo controlo do conversor step-up. Baseado nas
medições efectuadas, a unidade de controlo actualiza o valor do duty-cycle do
conversor CC-CC com o intuito de extrair a potência máxima do painel solar.
Para realizar as mensurações do valor da tensão e corrente utilizaram-se
sensores de tensão e corrente de efeito Hall. A Figura 6.16 mostra a placa da
unidade de medida implementada.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
122
Figura
6.4.1. Sensor de Tensão de Efeito Hall
O sensor de tensão de efeito
tensão do painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de tensão LV 25
representado na Figura 6.17
Figura 6. 17
Este sensor, cuja relação de transformação é de 2500:1000, apresenta
como principais características no lado primário tens
corrente nominal de 10mA, enquanto que no lado secundário a corrente
nominal tem o valor de 25mA. A alimentação do sensor pode ser feita a partir
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
Figura 6.16 – Placa da unidade de medida
Sensor de Tensão de Efeito Hall
O sensor de tensão de efeito Hall utilizado para a medição do valor da
tensão do painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de tensão LV 25
17.
17 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P
Este sensor, cuja relação de transformação é de 2500:1000, apresenta
como principais características no lado primário tensão nominal de 500V e
corrente nominal de 10mA, enquanto que no lado secundário a corrente
nominal tem o valor de 25mA. A alimentação do sensor pode ser feita a partir
Universidade do Minho
utilizado para a medição do valor da
tensão do painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de tensão LV 25-P da LEM,
Este sensor, cuja relação de transformação é de 2500:1000, apresenta
ão nominal de 500V e
corrente nominal de 10mA, enquanto que no lado secundário a corrente
nominal tem o valor de 25mA. A alimentação do sensor pode ser feita a partir
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
123 Universidade do Minho
de: +15V, GND e -15V ou +12V, GND e -12V [38]. Na Figura 6.18 está
representado o esquema de ligações do sensor de tensão utilizado.
Figura 6.18 – Esquema de ligações do sensor de tensã o LV 25-P
A resistência R1 limita o valor da corrente no sensor, de forma a que este
não ultrapasse o valor nominal (IPN = 10mA). Assim, e a partir da equação 6.7
pode determinar-se o valor de R1, tendo por base o valor máximo de tensão
que se pretende medir (Vmax).
G >_b
V
6.7
Por sua vez, a resistência de medida (RM) deve ser dimensionada de
maneira a que a tensão aos seus terminais não ultrapasse os 5V, uma vez que
o microcontrolador usado só admite na sua entrada tensões entre 0 e 5V.
Deste modo, e tendo por base a corrente nominal do secundário do sensor, a
resistência RM é calculada através da equação 6.8.
6.8
Na realização deste trabalho admitiu-se que a tensão máxima produzida
pelos painéis solares fotovoltaicos é de 250V. Assim, através das equações 6.9
e 6.10 é possível calcular o valor das resistência R1 e RM, respectivamente.
G 25010 ⇔ G = 25L
6.9
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
124
5
25 ⇔ 200
Na Figura 6.19 pode observar
na entrada do conversor CC
pelo sensor (valor no LCD) é muito próximo da grandeza medida pelo
multímetro digital.
Figura 6
6.4.2. Sensor de Corrente de Efeito Hall
O sensor de corrente de efeito
gerada pelo painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de corrente LA 55
LEM, representado na Figura
Figura 6.20
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
ode observar-se um exemplo de uma medição da tensão
na entrada do conversor CC-CC, onde se verifica que o valor de tensão medido
pelo sensor (valor no LCD) é muito próximo da grandeza medida pelo
6.19 – Medição do valor da tensão no step-up
Sensor de Corrente de Efeito Hall
O sensor de corrente de efeito Hall utilizado para a medição da corrente
gerada pelo painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de corrente LA 55
Figura 6.20.
– Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P
Universidade do Minho
6.10
se um exemplo de uma medição da tensão
CC, onde se verifica que o valor de tensão medido
pelo sensor (valor no LCD) é muito próximo da grandeza medida pelo
utilizado para a medição da corrente
gerada pelo painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de corrente LA 55-P da
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
125 Universidade do Minho
Este sensor permite efectuar medições de corrente até uma máximo de
50A, cujo valor corresponde à corrente nominal no primário. Com uma relação
de transformação de 1:1000, apresenta um valor corrente nominal no
secundário de 50mA. Tal como o sensor de corrente de tensão, anteriormente
apresentado, a sua alimentação pode ser +15V, GND e -15V ou +12V, GND e
-12V [39]. Na Figura 6.21 está representado o esquema de ligações do sensor
utilizado.
Figura 6.21 - Esquema de ligações do sensor de corr ente LA 25-P
A resistência de medida RM, tal como no sensor de tensão, deve ser
dimensionada para que a tensão no microcontrolador não ultrapasse os 5V e a
corrente no secundário do sensor não exceda os 50mA. Assim, a resistência de
medida pode ser calculada através da equação 6.11.
⇔
550 ⇔ > = 100 6.11
Na Figura 6.22 está representado um exemplo de uma medição do valor da
corrente na entrada do conversor CC-CC, na qual se constata que a corrente
medida pelo sensor de corrente (valor no LCD) é muito semelhante ao valor
medido pelo multímetro digital.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
126 Universidade do Minho
Figura 6.22 – Medição do valor da corrente no step-up
6.5. Unidade de Controlo
A unidade de controlo, constituída pelos circuitos acopladores ópticos e
microcontrolador, assume-se como parte fundamental e essencial para o bom
funcionamento de todo o sistema, sendo esta responsável por controlar o
funcionamento da unidade de potência. Assim, foram implementados dois
circuitos de comando distintos, um para o controlo do step-up e outro para o
controlo do inversor.
Na Figura 6.23 pode ver-se o diagrama de blocos da unidade de controlo.
Figura 6.23 – Diagrama de blocos do sistema de cont rolo
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
127 Universidade do Minho
6.5.1. Microcontrolador
O microcontrolador assume-se como parte fundamental para o
funcionamento de todo o sistema implementado. É o responsável por receber
os sinais de tensão e corrente provenientes da unidade de medida, realizar o
processamento desses mesmos sinais de maneira a, de acordo com os
objectivos pretendidos, gerar sinais de controlo que, através da unidade de
controlo, actuarão nos semicondutores de potência do step-up e do inversor.
O microcontrolador escolhido para implementar o controlo do projecto foi o
PIC18F4431 da Microchip, representado na Figura 6.24, uma vez que
preenchia todos os requisitos pretendidos.
Figura 6.24 – PIC18F4431
Um dos critérios a ter em conta na escolha do microcontrolador foi o seu
custo, e sem dúvida este revelou-se uma óptima escolha, já que é
disponibilizado gratuitamente pelo seu fabricante, bem como o software de
programação que é open source. Ainda nas vantagens económicas, é de referir
que o programador foi disponibilizado pelo Laboratório de Electrónica de
Potência da Universidade do Minho, não sendo por isso necessário despender
qualquer verba.
No aspecto técnico, o PIC18F4431 apresenta também características que
favorecem a sua escolha em detrimento de outros microcontroladores. A baixa
complexidade do circuito base para o funcionamento deste microcontrolador,
foram aspectos a ter em conta no momento da implementação.
No que diz respeito às necessidades reais deste trabalho, este
microcontrolador apresenta boas características para a interface e o controlo
de sistemas de electrónica de potência. O módulo de PWM, especialmente
dedicado para o âmbito da electrónica, o conversor analógico digital e os pinos
I/O de que está dotado, são particularmente úteis para a implementação deste
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
128 Universidade do Minho
projecto. Na Figura 6.25 pode ver-se o diagrama de pinos do PIC18F4431,
onde se consegue identificar os pinos dedicados ao módulo PWM, ao ADC
(Analog-to-Digital Converter) e entrada e saída de dados (pinos I/O).
Figura 6.25 – Diagrama de pinos do PIC18F4431 [40]
O conversor analógico digital suporta 9 canais e apresenta uma resolução
de 10 bits. Como se trata de um conversor rápido, permite obter 200000
amostras por segundo. Apresenta duas entradas sample and hold que
permitem efectuar duas leituras simultâneas, revelando-se útil para a medição
da tensão e corrente geradas pelo painel solar fotovoltaico [40]. Na
implementação deste trabalho utilizaram-se duas entradas analógicas (AN0 e
AN1) que recebem os sinais provenientes dos sensores de tensão e corrente.
Segundo [40], o módulo PWM simplifica a tarefa de gerar múltiplas saídas
sincronizadas por PWM, usadas no controlo de motores e aplicações de
conversores de energia. Este módulo suporta 8 canais, que podem funcionar
em modo independente, ou em modo complementar, ou seja, para cada uma
das quatro saídas existem outras quatro invertidas, o que é particularmente útil
para o controlo do inversor. Possui 14 bits de resolução dependendo do
período do PWM e permite programar o dead-time, vantajoso para impedir a
ocorrência de curto circuitos nas comutações dos braços do inversor. Foram
utilizadas 5 saídas PWM para o controlo dos circuitos de potência, 4 para o
inversor (PWM0, PWM1, PWM2, PWM3) e 1 para o step-up (PWM4).
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
129
Alguns dos pinos I/O de que o microcontrolador está dotado, foram
utilizados para a ligação de um LCD
utilizador ter acesso a algumas informações do sistema, nomeadamente tensão
e corrente geradas pelo painel fotovoltaico e
Os microcontroladores da família PIC oferecem a possibilidade de escolha
relativamente à linguage
programados em linguagem C ou linguagem
utilizou-se a linguagem C para a programaç
o código mais perceptível por se tratar
ambiente de programação utilizado foi o MPLAB IDE v8.33 juntamente com o
compilador CCS C Compiler
Para enviar o código do computador pessoal para o microcontrolador é
necessário utilizar um programador que faça a ligação entre ambas as partes.
O programador utilizado foi o MPLAB ICD 2 da Microchip
integrado com o ambiente de desenvolvimento
uma forma simplista a ligação do programador.
Figura 6.26
A placa do microcontrolador está provida de um botão de
possibilita reiniciar o sistema de controlo sempre desejável. Os pinos
identificados como PGD, PGC e MCLR são utili
entre o microcontrolador e o computador, através do programador.
6.5.2. Interface PIC18F4431 com LCD
A utilização de um LCD
utilizador do sistema uma interface mais intuitiva e mai
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Alguns dos pinos I/O de que o microcontrolador está dotado, foram
utilizados para a ligação de um LCD (Liquid Crystal Display)
utilizador ter acesso a algumas informações do sistema, nomeadamente tensão
e corrente geradas pelo painel fotovoltaico e duty-cycle do conversor CC
microcontroladores da família PIC oferecem a possibilidade de escolha
relativamente à linguagem de programação, uma vez que
programados em linguagem C ou linguagem Assembly. No projecto em causa
se a linguagem C para a programação do PIC18F4431, tornado assim
o código mais perceptível por se tratar de uma linguagem de alto nível
ambiente de programação utilizado foi o MPLAB IDE v8.33 juntamente com o
CCS C Compiler.
enviar o código do computador pessoal para o microcontrolador é
necessário utilizar um programador que faça a ligação entre ambas as partes.
gramador utilizado foi o MPLAB ICD 2 da Microchip
integrado com o ambiente de desenvolvimento. A Figura 6.26
uma forma simplista a ligação do programador.
– Programador MPLAB ICD2 ligado ao PIC e computador
A placa do microcontrolador está provida de um botão de
possibilita reiniciar o sistema de controlo sempre desejável. Os pinos
identificados como PGD, PGC e MCLR são utilizados para efectuar a ligação
entre o microcontrolador e o computador, através do programador.
Interface PIC18F4431 com LCD
A utilização de um LCD (Liquid Crystal Display) permite estabelecer com o
utilizador do sistema uma interface mais intuitiva e mais agradável. Por outro
Universidade do Minho
Alguns dos pinos I/O de que o microcontrolador está dotado, foram
(Liquid Crystal Display), que permite ao
utilizador ter acesso a algumas informações do sistema, nomeadamente tensão
do conversor CC-CC.
microcontroladores da família PIC oferecem a possibilidade de escolha
uma vez que podem ser
No projecto em causa,
ão do PIC18F4431, tornado assim
de uma linguagem de alto nível. O
ambiente de programação utilizado foi o MPLAB IDE v8.33 juntamente com o
enviar o código do computador pessoal para o microcontrolador é
necessário utilizar um programador que faça a ligação entre ambas as partes.
gramador utilizado foi o MPLAB ICD 2 da Microchip que funciona
26 representa de
Programador MPLAB ICD2 ligado ao PIC e computador
A placa do microcontrolador está provida de um botão de reset manual que
possibilita reiniciar o sistema de controlo sempre desejável. Os pinos
zados para efectuar a ligação
entre o microcontrolador e o computador, através do programador.
permite estabelecer com o
s agradável. Por outro
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
130 Universidade do Minho
lado, possibilita uma monitorização de todo o processo, nomeadamente da
tensão do painel fotovoltaico e da corrente gerada pelo mesmo.
O exemplar usado foi o LCD do telemóvel Nokia 3310. Trata-se de um LCD
com um ambiente gráfico simples que possibilita visualizar a leitura dos valores
de tensão e corrente de uma forma clara e rápida, e muito versátil para
interface de vários projectos. Apresenta um visor de 38x35 mm, com uma
superfície de exibição activa de 30x22 mm e uma resolução de 84x48 pixéis.
Além da sua vasta de aplicabilidade, este LCD possui a vantagem de ser
alimentado numa faixa de tensão baixa (2,7V – 3,3V) e consumo de energia
reduzido. Na Figura 6.27 pode ver-se o LCD bem como os seus pinos de
ligação.
Figura 6.27 – LCD Nokia 3310 a) vista frontal b) vista traseira c) pinos d e ligação [41]
A ligação entre o display e o microcontrolador é simples e é feita utilizando
o padrão de comunicação SPI (Serial Peripheral Interface). São utilizados 5
portos I/O do PIC18F4431 e apenas dois condensadores. A Tabela 6.2 mostra
as especificações eléctricas de cada um dos pinos do LCD utilizados na
comunicação com o PIC18F4431.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
131 Universidade do Minho
Tabela 6.2 – Especificações eléctricas dos pinos do LCD [41]
Pino Sinal Descrição Porto
1 VDD Alimentação de entrada. Faixa de tensão entre VDD e GND:
2,7V a 3,3V.
Power
2 SCLK Serial Clock. Entrada para o sinal de clock: 0,0 a 4,0 Mbits/s. Input
3 SDIN Serial Data. Linha de entrada de dados. Input
4 D/C Modo selecção. Para seleccionar entre comando/endereço
ou entrada de dados.
Input
5 SCE Chip enable. Permite gerir dados de através do clock interno
do PIC. O sinal activo é baixo.
Input
6 GND Ground. Power
7 VOUT Tensão de saída. Necessita de adicionar externamente um
condenador electrolítico entre VOUT e GND.
Power
8 RES Reset externo. Faz o reset do dispositivo. O sinal é activo ao
nível baixo.
Input
A Figura 6.28 representa o esquema eléctrico da placa do
microcontrolador, onde se afigura também a ligação do LCD Nokia 3310 ao
mesmo.
Figura 6.28 – Esquema eléctrico da ligação do LCD ao microcontrolador
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
132
Na Figura 6.29 pode ver
microcontrolador PIC.
Figura 6.29 –
6.5.3. Acopladores Ópticos
Os sinais de controlo gerados pelo microcontrolador não podem ser
injectados directamente nos semiconduto
nível de tensão produzido (5V) não ser suficiente para comutar os
outro lado, a ligação directa dos circuitos de potência
inversor, ao circuito de comando, pode trazer danos mais significa
ocorrência de curto-circuitos, ou quaisquer ou
na unidade de potência. Deste modo, torna
ópticos.
Os acopladores ópticos
um sinal de um circuito para outro, sem a necessidade acoplamento eléctrico,
ou seja, são capazes de isolar com total se
diferentes, mantendo a comunicação
pela ausência de contacto eléc
produzido por um fotodíodo e recebido por um receptor (fototransistor).
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho
pode ver-se a ligação do LCD Nokia à placa
– Ligação do LCD Nokia ao microcontrolador
Acopladores Ópticos
Os sinais de controlo gerados pelo microcontrolador não podem ser
injectados directamente nos semicondutores de potência, devido ao facto de o
nível de tensão produzido (5V) não ser suficiente para comutar os m
outro lado, a ligação directa dos circuitos de potência, nomeadamente do
ao circuito de comando, pode trazer danos mais significativos
circuitos, ou quaisquer outros comportamentos indesejados
na unidade de potência. Deste modo, torna-se imperativo o uso de acopladores
Os acopladores ópticos ou optoacopladores, possibilitam a transferência de
sinal de um circuito para outro, sem a necessidade acoplamento eléctrico,
ou seja, são capazes de isolar com total segurança dois circuitos
diferentes, mantendo a comunicação entre ambos. O isolamento é garan
contacto eléctrico, o sinal é transferido por um feixe de luz
produzido por um fotodíodo e recebido por um receptor (fototransistor).
Universidade do Minho
à placa do
Os sinais de controlo gerados pelo microcontrolador não podem ser
, devido ao facto de o
mosfets. Por
, nomeadamente do
tivos como a
tros comportamentos indesejados
se imperativo o uso de acopladores
ou optoacopladores, possibilitam a transferência de
sinal de um circuito para outro, sem a necessidade acoplamento eléctrico,
electrónicos
O isolamento é garantido
trico, o sinal é transferido por um feixe de luz
produzido por um fotodíodo e recebido por um receptor (fototransistor). Os
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
133 Universidade do Minho
optoacopladores têm a vantagem de ter alta velocidade de comutação,
ausência de parte mecânica, baixo consumo e isolamento total.
O acoplador óptico utilizado foi o VO3120 da Vishay que é mostrado na
Figura 6.30. Este para além de garantir o isolamento galvânico entre a unidade
de controlo e a unidade de potência, adequa a tensão para os níveis desejados
para a comutação do mosfet (circuito de driver).
Figura 6.30 – Acoplador Óptico VO3120 e respectivo e squema interno [42]
Para garantir o isolamento entre o microcontrolador e o circuito de potência
utilizou-se fontes de alimentação diferentes nos dois circuitos (circuito de
controlo e circuito de potência), de forma a que estes tenham massas
diferentes.
Para que o mosfet conduza é necessário a aplicação contínua de uma
tensão entre a gate e a source que ultrapasse a tensão limiar de condução
VGS(th). Esta é a tensão mínima para a criação de um canal para a passagem da
corrente.
A Figura 6.31 representa o esquema eléctrico do circuito acoplador óptico.
A onda PWM gerada pelo micrcontrolador de duty-cycle variável, com uma
frequência de 20kHz para o controlo do step-up e 10kHz para o controlo do
inversor, é aplicada no primário do acoplador óptico. A saída deste é ligada ao
mosfets dos circuitos step-up e inversor, injectando nestes o sinal de controlo.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
134 Universidade do Minho
Figura 6.31 – Esquema eléctrico do circuito acoplado r óptico [42]
Tal como referido anteriormente, o acoplador óptico utilizado (VO3120)
funciona também como circuito de driver, ajustando a tensão de entrada (5V)
no optoacoplador, para níveis ideais (15V) à sua saída, actuando assim de
forma correcta nos mosfets. O exemplo de um sinal produzido pelo
microcontrolador e o sinal aplicado na gate do mosfet estão respectivamente
representados pela Figura 6.32 a) e b).
Figura 6.32 – Sinal de controlo: a) entrada do acopl ador óptico b) saída do acoplador óptico
Para o controlo dos circuitos step-up e inversor e isolamento entre unidade
de potência e controlo, foram montadas duas placas com os circuitos
acopladores ópticos. Estas podem ser vistas nas Figura 6.33 e Figura 6.34.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
135 Universidade do Minho
Figura 6.33- Placa da unidade de controlo do circuit o step-up
Figura 6.34 – Placa da unidade de controlo do circui to inversor
6.5.4. Controlo do Step-Up – MPPT
Um dos objectivos desta dissertação era desenvolver um algoritmo que
extraísse a máxima potência do painel fotovoltaico em cada instante. Deste
modo, para o controlo do conversor de tensão CC-CC (step-up) utilizou-se o
método Perturbação & Observação (P&O) para rastrear o ponto de máxima
potência do painel solar. A adopção deste algoritmo de controlo para a busca
do ponto de máxima potência deve-se à ponderação das suas vantagens e
desvantagens, em comparação com os demais algoritmos de controlo, para os
objectivos e interesses deste projecto. No capítulo 3, dedicado ao MPPT
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
136 Universidade do Minho
(Maximum Power Point Tracking) é feita toda a fundamentação que está na
base da escolha do método Perturbação & Observação.
Devido ao facto de não existir painel fotovoltaico para a realização dos
testes experimentais de validação do algoritmo MPPT implementado, foi
necessário ligar uma resistência em série com a fonte de alimentação CC, de
forma a limitar a potência fornecida por esta, na tentativa de emular com a
maior proximidade possível o comportamento do painel solar fotovoltaico,
obtendo-se assim a curva tensão x corrente representada na Figura 6.35 a cor
verde, em contraste com o curva vermelha respeitante ao painel solar.
Figura 6.35 – Curva Tensão x Corrente do painel sol ar e da fonte CC com resistência
A resistência, da ordem de grandeza do valor da carga do circuito step-up,
limitava assim a corrente fornecida pela fonte, não estando o valor desta
dependente da carga. A Figura 6.36 apresenta o diagrama de blocos da ligação
do circuito MPPT.
Para o teste do algoritmo MPPT realizaram-se três ensaios distintos, dois
em malha aberta, ou seja, com a unidade de controlo a gerar um sinal de
duty-cycle fixo e um em malha fechada, isto é, controlado pelo algoritmo de
MPPT Perturbação & Observação. O procedimento para a validação do método
de MPPT em causa, consistiu em primeiramente colocar em funcionamento o
conversor step-up controlado pelo mesmo algoritmo – ensaio em malha
fechada, e após este estabilizar em torno do ponto de máxima potência
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
137 Universidade do Minho
registou-se o valor da potência gerada pela fonte e o duty-cycle actual.
Seguidamente procedeu-se à realização de outros dois testes em malha
aberta, um em que o duty-cycle aplicado era maior do que o registado para o
ponto de máxima potência no teste em malha fechada, e outro onde o
duty-cycle era menor. Para ambos os casos a potência gerada deverá ser
menor do que a potência máxima atingida no ensaio em malha fechada.
Tendo em conta os pressupostos anteriormente descritos efectuou-se
então o primeiro ensaio em malha fechada, tendo o algoritmo P&O estabilizado
entre 45% e 55% de duty-cycle, tal como mostra a Figura 6.37.
Figura 6.37 – Duty-cycle após estabilização do algoritmo MPPT
Sinal PWM
Corrente
Tensão
Fonte DC
Resistência limitadora
Conversor CC-CC step-up
Carga
Microcontrolador (PIC 18F4431)
MPPT – Perturbação & Observação
Figura 6.36 – Diagrama de blocos do circuito MPPT
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
138 Universidade do Minho
Após a estabilização em torno do ponto de máxima potência, procedeu-se
ao registo dos valores de tensão, corrente e respectiva potência da fonte de
tensão CC. A medição da corrente com o osciloscópio digital foi efectuada
através do mesmo processo utilizado na medição da corrente na bobina,
explicado na secção 6.3.1. A Figura 6.38 a) representa a tensão nesse
momento, onde se verifica que esta apresenta o valor de 14,2V, enquanto que
a Figura 6.38 b) apresenta a tensão proporcional à corrente no mesmo ponto e
exibe o valor de 138mV, que dada baixa resistência de medida pode
considerar-se que a corrente tem o valor de 138mA.
Figura 6.38 – Formas de onda no ponto de máxima pot ência a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional
O produto da tensão pela corrente permite obter o valor da potência da
fonte de tensão CC, tal como é demonstrado na equação 6.12.
N ∗
N 14,2 ∗ 138 ⇔ N = 1,96
(6.12)
Na etapa seguinte realizou-se os testes em malha aberta, onde qualquer
que fosse o duty-cycle aplicado, a potência deveria ser menor que 1,96W.
Desta forma, alterou-se o sistema de controlo para a geração de um sinal de
PWM fixo, para aplicar ao mosfet, com o duty-cycle de 12,5%, como o sinal
representado na Figura 6.39.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
139 Universidade do Minho
Figura 6.39 – Sinal PWM em malha aberta ( duty-cycle = 12,5%)
A tensão produzida pela fonte CC com este sinal de PWM é a representada
na Figura 6.40 a) e apresenta o valor de 16,0V. Por sua vez a tensão
proporcional à corrente é a apresentada na Figura 6.40 b) e tem o valor de
37,5mV, onde mais uma vez pela baixa resistência de medida considera-se
que a fonte fornece uma corrente de 37,5mA.
Figura 6.40 – Formas de onda em malha aberta ( duty-cycle = 12,5%) a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional
Novamente através da equação 6.12 calcula-se o valor da potência,
obtendo-se 0,6W.
Verifica-se assim que a potência em malha aberta com duty-cycle igual a
12,5% é menor que a potência em malha fecha.
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
140 Universidade do Minho
N>_o_10=_R_ > N>_o__0/_
1,96 > 0,6
O ensaio seguinte, modificou-se o controlo para a geração de um sinal
PWM com duty-cycle de 88%, Figura 6.41.
Figura 6.41 – Sinal PWM em malha aberta (duty-cycle = 88%)
A tensão para este sinal de PWM é apresentada na Figura 6.42 a) e tem o
valor de 703mV, enquanto que a Figura 6.42 b) mostra a tensão proporcional à
corrente fixada no valor de 130mV, que devido à baixa resistência de medida
considera-se que a corrente da fonte tem o valor de 130mA.
Figura 6.42 – Formas de onda em malha aberta ( duty-cycle = 88%) a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
141 Universidade do Minho
Através da equação 6.12 determina-se o valor da potência, obtendo-se
0.09W.
Desta forma, verifica-se também que para o ensaio em malha aberta com o
duty-cycle igual a 88% a potência é menor que no ensaio em malha fechada.
N>_o_10=_R_ > N>_o__0/_
1,96 > 0,09
6.5.5. Controlo do Inversor
Para o controlo do conversor de tensão CC-CA foi implementada a técnica
de controlo PWM unipolar, previamente descrita e explicada na secção 4.4.4
relativa ao controlo do inversor com PWM. Para a implementação desta
técnica, foram aproveitadas ao máximo todas as capacidades e recursos
disponibilizados pelo microcontrolador PIC 18F4431 no que concerne à
interacção com sistemas de electrónica de potência.
Como já foi referido anteriormente, o microcontrolador utilizado possui um
módulo PWM que simplifica a tarefa de gerar múltiplos sinais PWM
sincronizados. Desta forma, através do módulo “Power Control PWM Module”
foram gerados quatros sinais PWM em modo complementar, de forma a
controlar o inversor monofásico. O modo complementar permite gerar sinais
simétricos, ou seja, no momento em que um sinal está no nível alto, o seu
complementar está no nível baixo, evitando assim que os dois semicondutores
do mesmo braço estejam ligados simultaneamente. Este módulo de PWM
possibilita também a programação de um dead-time, isto é, a inserção de curto
período de tempo que permite manter ambas as saídas (complementares) de
PWM inactivas, evitando assim a sobreposição de condução nas comutações
que causa curto-circuito.
Criou-se uma tabela com 100 valores para sintetizar um seno, que será
utilizado na comparação com uma onda triangular, onde o valor máximo
admitido no duty-cycle é o valor mais elevado da tabela. De seguida
configurou-se o PWM para uma frequência de comutação de 10kHz e um
dead-time de 5µs. Configurou-se também o timer1 para que este permita uma
actualização do valor do duty-cycle 100 vezes por período (20ms), através da
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
142 Universidade do Minho
geração de uma interrupção por overflow do mesmo. Na rotina de serviço à
interrupção será actualizado o valor do duty-cycle, através do método de
controlo com PWM unipolar. No modo Continuous Up/Down Count, usada na
programação da base de tempo do PWM, o microcontrolador internamente
gera a onda triangular, como se pode ver na Figura 6.43 e que é usada na
comparação com a sinusóide.
Figura 6.43 – Modo Continuous Up/Down Count [40]
Os sinais gerados PWM0 e PWM3 gerados pelo microcontrolador são
iguais, enquanto que os respectivos pares complementares PWM1 e PWM2,
também são iguais e são aplicados aos mosfets de acordo com o ilustrado pela
Figura 6.44.
Figura 6.44 – Esquema de ligação do circuito inverso r
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
143 Universidade do Minho
Na Figura 6.45 podem ver-se os sinais PWM complementares gerados pelo
microcontrolador em duas saídas PWM para um dos braços do inversor.
Figura 6.45 – Sinais PWM complementares gerados pelo PC
No outro braço são aplicados outros dois sinais, iguais ao par da figura
anterior.
Como anteriormente referido os sinais têm um dead-time de 5µs e pode ser
observado com mais detalhe na Figura 6.46.
Figura 6.46 – Dead-time de 5µs no sinais PWM
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
144 Universidade do Minho
6.6. Conclusões
Face à interpretação dos resultados do funcionamento do circuito
conversor de tensão CC-CC step-up, pode concluir-se que este funciona
correctamente e de acordo com o esperado, sendo capaz de elevar para a sua
saída os níveis de tensão colocados na sua entrada. A necessidade de utilizar
uma associação série de condensadores para colmatar a inexistência de um
condensador de valor apropriado nas oficinas de apoio, revelou-se uma
solução, visto que esta alteração não afectou o funcionamento normal do
conversor CC-CC. Foi também necessária a implementação de um circuito
snubber de forma a reduzir os picos de tensão no mosfet e também melhorar o
tempo de turn-off do mesmo com o objectivo de proteger o semicondutor e o
próprio circuito de potência. Ao contrário do que acontece na simulação, o
conversor CC-CC implementado não funciona no modo de condução contínua,
mas sim no limite da condução contínua, uma vez que, a corrente na bobina
vem a zero no final do intervalo de tempo em que o mosfet esteve ligado, tal
como comprovam os resultados apresentados. É de notar a grande
proximidade que há entre os valores dos componentes dimensionados,
utilizados na simulação e usados na montagem.
O circuito inversor desenvolvido e montado é capaz de inverter a tensão de
entrada de uma forma controlada, reproduzindo à sua saída uma tensão de
frequência igual a 50Hz, mas devido ao ruído existente na placa montada e
possivelmente às fontes de tensão CC-CC isoladas utilizadas na unidade de
controlo, este não consegue colocar à sua saída tensões alternadas superiores
a 97V. A montagem deste circuito numa placa PCB (Printed Circuit Board) será
uma boa forma de reduzir o ruído.
O manuseamento e o circuito de ligação dos sensores de tensão e corrente
utilizados para a medição da tensão e corrente do painel solar, mostrou-se
simples e de fácil interpretação.
Toda a unidade de controlo está centrada no microcontrolador utilizado,
PIC 18F4431, sendo este o cérebro de todo o sistema e responsável por todo o
controlo. Também a escolha por este microcontrolador se revelou acertada,
uma vez que para além do seu custo (disponibilizado gratuitamente pelo
fabricante) possui módulos que permitem uma excelente interface com
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
145 Universidade do Minho
sistemas de electrónica de potência. A utilização do LCD do telemóvel Nokia
3310 para a interface entre o utilizador e o circuito step-up, permite reciclar o
LCD dando-lhe um novo aproveitamento e utilidade.
Apesar das condições de teste do circuito de controlo MPPT não terem
sido as ideais, devido à ausência de um painel solar, pensa-se que face aos
testes efectuados e apresentados este funciona correctamente, sendo capaz
de detectar o ponto de máxima potência do painel.
Relativamente às unidades de medida e controlo, todos os seus circuitos
foram montados em placas breadboard, não existindo qualquer problema
derivado deste facto. Tendo por base os resultados registados referentes ao
funcionamento de todos os circuitos de controlo, pode concluir-se que todos
eles funcionaram correctamente e de acordo com as perspectivas iniciais.
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 147
7. Conclusões e Propostas para Trabalhos
Futuros
7.1. Conclusões
O objectivo primordial desta dissertação de Mestrado residiu na interface
de um painel solar fotovoltaico à rede eléctrica, onde deveriam ser
implementados todos os circuitos electrónicos necessários.
Primeiramente realizou-se um estudo teórico de todos os circuitos e
componentes integrantes do sistema de ligação do painel à rede,
nomeadamente painel fotovoltaico, conversor de tensão CC-CC e CC-CA e
circuito MPPT.
Numa primeira fase, fez-se um estudo do painel solar fotovoltaico de modo
a perceber como este poderia alimentar o sistema a desenvolver. Desta forma,
desenvolveram-se os modelos matemático e eléctrico da célula fotovoltaica, de
maneira a reproduzir as suas curvas características, corrente – tensão e
potência – tensão. Com base na célula fotovoltaica analisou-se o
comportamento do módulo fotovoltaico em função das alterações climatéricas,
ao qual se conclui que a potência fornecida pelo painel diminui com o aumento
da temperatura e aumenta com o aumento da radiação solar, sendo que a
25ºC e 1000W/m2 fornece a potência nominal.
De maneira a desenvolver um controlo MPPT para o conversor CC-CC, foi
feito um estudo teórico de vários algoritmos MPPT. Assim, na tentativa de
seleccionar o que melhor satisfaz as necessidades do projecto,
apresentaram-se os principais métodos de procura do ponto de máxima
potência, através da descrição e análise de cada uma das técnicas. A
ponderação das vantagens e desvantagens de cada uma resultou na adopção
da técnica Perturbação & Observação para a fase da implementação,
essencialmente pela sua facilidade de implementação mas elevada eficiência.
Para a implementação dos circuitos de potência, realizou-se um estudo
aprofundado sobre conversores CC-CC e conversores CC-CA. O objectivo foi
compreender o modo de funcionamento e implementação dos mesmos, a fim
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
148 Universidade do Minho
de seleccionar a topologia mais adequada para o trabalho em questão. A
topologia escolhida para o conversor CC-CC foi o step-up, onde se procedeu
também ao dimensionamento dos seus componentes para o modo de
condução contínua. Relativamente ao conversor CC-CA escolheu-se a
configuração full-bridge, pelo facto de, com a mesma tensão no barramento CC
obter-se na sua saída o dobro da tensão relativamente à configuração
half-bridge. A técnica de controlo PWM unipolar foi a eleita para a o controlo do
inversor de tensão na fase de implementação.
Após a conclusão de todas as análises e estudos teóricos iniciou-se a fase
de simulações computacionais, com o intuito de validar a fase prévia de estudo
e pesquisa. Foram simulados o painel solar fotovoltaico, o circuito step-up, o
circuito MPPT e o circuito inversor, e de uma forma geral pode concluir-se que
todos apresentaram resultados satisfatórios. O modelo do painel fotovoltaico
simulado é capaz de reproduzir o correcto funcionamento do mesmo, gerando
as curvas corrente vs tensão e potência vs tensão para diferentes valores de
radiação solar e temperatura. A simulação do conversor de tensão CC-CC
possibilitou a confirmação do correcto dimensionamento dos seus
componentes para o modo de condução contínua e a análise das formas de
onda mais importantes, nomeadamente, tensão de entrada e saída, corrente na
bobine, tensão e corrente no semicondutor de potência. O modelo do circuito
MPPT simulado, com recurso à técnica perturbação & observação, é capaz de
seguir o ponto de máxima potência do painel para diferentes valores de
radiação e temperatura. A simulação do inversor contempla dois modelos, um
com filtro LC e outro sem filtro. Ambos os modelos disponibilizam à sua saída
uma tensão e corrente alternadas de 50Hz.
A implementação prática de todo o sistema foi dividia em três fases
diferentes, unidade de potência, unidade de medida e unidade de controlo. Na
unidade de potência foram implementados, de forma independente, os circuitos
step-up e inversor. Da análise ao funcionamento do step-up conclui-se que este
funciona correctamente quer em malha aberta (duty-cyle fixo), quer em malha
fechada (controlo MPPT). O inversor montado reproduz na sua saída, de forma
controlada, uma tensão alternada com uma frequência de 50Hz, mas devido ao
ruído existente na placa montada, apenas produz correctamente tensões
alternadas de valor máximo 97V. Relativamente à unidade de medida,
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
Universidade do Minho 149
conclui-se que a leitura dos valores de tensão e corrente é efectuada de forma
correcta, através dos respectivos sensores de tensão e corrente. A unidade de
controlo, através do microcontrolador PIC 18F4431, faz todo o trabalho de
processamento e comando dos circuitos. A interpretação de todos os testes
efectuados e resultados recolhidos permite concluir que o sistema de controlo
está bem implementado e funciona correctamente.
Apesar de não ter sido efectuada a ligação de todo o sistema à rede
eléctrica, foram implementados e testados todos os circuitos de interface
necessários. Os resultados obtidos em cada um dos circuitos foram os
esperados, exceptuando o circuito inversor, que apesar do seu correcto
funcionamento, não foi conseguido obter à sua saída tensões superiores a 97V,
pelas razões já explicadas.
Numa apreciação global de todo o trabalho, conclui-se que todos os
objectivos foram alcançados com sucesso, exceptuando a realização dos
testes de ligação à rede eléctrica. Os resultados obtidos para os circuitos
implementados, deixam antever boas perspectivas na ligação conjunta à rede
eléctrica.
7.2. Propostas para Trabalhos Futuros
Como proposta para trabalhos futuros apresentam-se a seguir alguns
aspectos relevantes, uma vez que este projecto ainda teria capacidade de
evolução.
Nos testes e ensaios realizados utilizou-se um rectificador em conjunto com
um VARIAC para emular o painel solar fotovoltaico. Como trabalho futuro
apresenta-se como proposta a utilização de um painel solar para alimentar os
circuitos desenvolvidos.
Em relação ao controlo MPPT, sugere-se a implementação de outros
algoritmos de busca do ponto de máxima potência de forma a comparar com o
algoritmo implementado em termos de rendimento.
Sugere-se a montagem de todos os circuitos em placas de circuito
impresso (PCB) com desenho adequado, a fim de reduzir os ruídos
electromagnéticos que possam existir e prejudicar o correcto funcionamento
Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica
150 Universidade do Minho
dos circuitos, substituindo assim os circuitos de potência montados em
veroboards, e os circuitos de controlo implementados em breadboards.
A ligação do sistema completo, alimentado por um ou mais painéis solares,
à rede eléctrica e a realização dos respectivos testes, constitui outra proposta
para trabalho futuro.
Propõe-se ainda o desenvolvimento de um sistema híbrido, para interligar o
sistema fotovoltaico implementado com outro tipo de sistema de energias
renováveis, para que toda a energia produzida fosse injectada na rede
eléctrica.
Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica
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