Energia Solar Fotovoltaica

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2 Universidade Federal de Santa Catarina Instituto de Eletrônica de Potência Energia Solar Fotovoltaica Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.

3 Tecnologia Fotovoltaica

4 Revisão Histórica 1839 Placas metálicas mergulhadas em eletrólito e exposta à luz geraram eletricidade; 1879 Célula de Selênio com eficiência inferior a 0,5%; 1905 Explicação do efeito foto-elétrico, por Albert Einstein; 1920 Célula de Silício com eficiência de 6%; 1960 Utilização das células fotovoltaicas em aplicações espaciais; Década de 70 Crise do petróleo, desenvolvimento de células de Silício com eficiência de 20% em laboratório e surgimento da primeira empresa do setor fotovoltaico, Solarex. Décadas de 80 e 90 Apelo ecológico: surgimento do programa telhados fotovoltaicos e da primeira usina fotovoltaica de grande porte; 2007 Células multi-junções com eficiência da ordem de 40% em laboratório.

5 Produtividade Versus Custo

6 Produtividade Versus Custo

7 Conceitos Importantes

8 Radiação Solar (S) Energia emanada do Sol que chega à Terra através de ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade da luz, suas componentes são: Radiação direta; Radiação absorvida; Radiação difusa.

9 Massa de Ar (AM) Índice relacionado à espessura da camada de ar no caminho da radiação proveniente do sol. Matematicamente, tem-se: AM 1 cos( )

10 Célula, Módulo M e Arranjo/Painel Fotovoltaico

11 Característica de Saída

12 Principais Materiais Empregados na Fabricação de Células C Fotovoltaicas

13 Materiais Empregados A eficiência de Conversão de uma célula fotovoltaica está intimamente ligada ao tipo de material empregado em sua fabricação. Dentre os principais, tem-se:

14 Materiais Empregados

15 Alguns Trabalhos Desenvolvidos no INEP

16 Modelagem Fotovoltaica Contabilizando os Efeitos Ambientais como Radiação e Temperatura

17 Modelagem Matemática tica do Painel Fotovoltaico Circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico n 3 S E G q Vmódulo -RS I módulo módulo S ref ref T Ak T ref T V AkT módulo +RS I módulo módulo módulo ref I ref Phmódulo 0 ref S T RP módulo I = 1+u T -T I -I e e -1 - Equação que descreve o comportamento do painel fotovoltaico em termos da tensão e corrente de saída

18 Modelagem Matemática tica do Módulo M Fotovoltaico Informações do Fabricante Resultados de Simulação Validação Experimental

19 Implementação de Técnicas T Usuais De Rastreamento de Máxima M Potência

20 Sistema Fotovoltaico com Rastreamento Máxima Potência

21 Técnica da Tensão Constante S 2 987W / m T 57ºC Vantagens: Utilização de um único sensor, para leitura da tensão; Fácil implementação. Desvantagem: Erro de rastreamento quanto T < T ref ou T> T ref. Vmódulo 26,3V I 4,5A módulo Resultados Experimentais Pmódulo 118,3W Vmp 22,5V I 7,45A mp E(P) 29,4% Pmp 167,6W

22 Técnica Perturba e Observa P&O Vmódulo módulo 25V I 7,4A Pmódulo 185W S 2 951W / m T 36ºC Vmp 24,8V Imp 7,3A P 180W mp E(P) 2,5% Resultados Experimentais obtidos durante a passagem de uma nuvem Vantagem: Atuação nas proximidades do MPP independentemente das condições de radiação e temperatura em regime permanente; Desvantagens: Escolha entre velocidade ou precisão de rastreamento; Uso de dois sensores (tensão e corrente); Implementação mais complexa; Erro de rastreamento sob mudanças abruptas de radiação.

23 Técnica da Condutância Incremental - CondInc Vmódulo módulo 24V I 7,2A Pmódulo 173W Vmp 24,1V Imp 7,3A Pmp 176W E(P) 1,9% S 2 980W / m T 41ºC Atuação nas proximidades Vantagens: Passo variável; Alia velocidade e precisão de rastreamento; Detecção do MPP (derivada nula). Desvantages: Uso de dois sensores (tensão e corrente); Implementação mais complexa, devido à necessidade de cálculo das derivadas.

24 Técnica de Rastreamento Empregando Sensor de Temperatura: MPPT-temp

25 MPPT-temp Nesta técnica, o sensor que lê a corrente do painel fotovoltaica é substituído por um sensor de temperatura, que contabilizará a temperatura na superfície do módulo, estimando com grande precisão o valor da tensão que impõe a máxima transferência de potência. ref Vmp 26,3V ref Vmp Vmp ( T Tref ) uvmp Tref 25º C uvmp 0,14 V/º C

26 MPPT-temp Valores de radiação(s) e temperatura (T) durante os teste com o novo algoritmo de rastreamento, obtidos a partir de um mini-kla. S=900W/m 2 e T=51ºC S=850W/m 2 e T=50ºC S=830W/m 2 e T=49ºC S=802W/m 2 e T=41ºC S=787W/m 2 e T=34ºC S=770W/m 2 e T=26ºC S=758W/m 2 e T=51ºC S=700W/m 2 e T=51ºC S=600W/m 2 e T=51ºC S=500W/m 2 e T=51ºC S=400W/m 2 e T=51ºC S=300W/m 2 e T=52ºC S=200W/m 2 e T=52ºC S=100W/m 2 e T=53ºC S=50W/m 2 e T=53ºC Ligação dos pontos teóricos de máxima potência para diferentes condições de radiação e temperatura medidas durante os testes. Trajetória do ponto de operação do módulo fotovoltaicos sob as mesmas condições da análise teórica (osciloscópio no modo X-Y) Com emprego da técnica MPPT-temp.

27 MPPT-temp Tensão (marrom), corrente (azul) e temperatura (verde) durante os ensaios empregando a técnica MPPT-temp.

28 Proposta de MPPT para Painéis is Fotovoltaicos Utilizando Apenas Sensor de Tensão e Aproveitando a Impedância Característica do SEPIC

29 MPPT - SEPIC Esta técnica aproveita a característica de impedância do conversor Sepic, tendo como principal vantagem a eliminação do sensor de corrente. P V I in pv pv V Z 2 pv in MÓDULO FOTOVOLTAICO OPERANDO NA REGIÃO DE FONTE DE TENSÃO POTÊNCIA FORNECIDA AO SEPIC COMPORTAMENTO DA POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA RAZÃO CICLICA

30 MPPT - SEPIC Corrente e tensão no painel e carga para transitório de carga em t=5s Potência na saída do painel (Ppv) e entregue à carga (Pcarga)

31 MPPT - SEPIC Corrente e tensão no painel e na carga Potência de saída do painel e entregue à carga

32 MPPT - SEPIC Radiação incidente Temperatura do painel Máxima potência disponível segundo a curva P-V do painel Potência entregue à carga pelo SEPIC Desvio de potência (%) 1000 W/m C 800 W p 797 W W/m C W p W W/m C 749 W p W W/m C 348 W p W W/m C 15.6 W p W Resultados de simulações realizadas

33 MPPT com Behavior Matching

34 MPPT Behavior Matching Essa técnica permite que o conversor opere com razão cíclica e freqüência constantes, sem malha de controle, e reproduza as características de saída do painel Conversor trifásico série ressonante conectado a um arranjo fotovoltaico

35 MPPT Behavior Matching

36 MPPT Behavior Matching Saída do Painel fotovoltaico saída do conversor

37 Limitações dos Conversores Estáticos ticos no Rastreamento do Ponto de Máxima Potência

38 Conversores CC-CC como MPPT A característica I-V de um painel fotovoltaico apresenta apenas valor positivos de tensão e corrente e, portanto, fica completamente definida no primeiro quadrante do plano I versus V. Como a curva I-V depende de condições ambientais (radiação e temperatura), o ponto de MPP varia aleatoriamente no primeiro quadrante.

39 Conversores BUCK como MPPT R ( D, R ) R / D Rei e load load 2 D ( D, Rload ) atan R load 1 0 < R (D, R e load )< atan R 2 load Conclusão: Em virtude de o conversor Buck não poder rastrear em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma boa solução para rastreamento do ponto de máxima potência

40 Conversores BOOST como MPPT R ( D, R ) (1 D) R 2 e load load Rei 1 ( D, Rload) atan 2 (1 D) Rload 1 atan < R (D, R load )< 90º e Rload Conclusão: Em virtude de o conversor Boost não puder rastrear em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma boa solução para rastreamento do ponto de máxima potência

41 Conversores BUCK-BOOST BOOST como MPPT 1 D R ( D, R ) D Rei e load load 2 R 2 D ( D, Rload ) atan 2 (1 D) Rload 0º < (D, R )< 90º Re load Conclusão: Devido ao fato de o conversor Buck-Boost conseguir impor seu ponto de operação em todo o primeiro quadrante, torna-se a melhor solução em aplicações de rastreamento. Todos os conversores com a mesma característica estática são igualmente aplicáveis a esta função.

42 Sistemas Fotovoltaicos Interligado à Rede Elétrica Comercial

43 Interligação com a Rede Monofásica Características 1) Mantém a forma da corrente na rede sempre senoidal; 2) Atua como inversor e filtro ativo simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade; 3) Potência processada de 1kW; 4) Transição natural entre os modos de injeção e absorção de potência na rede elétrica.

44 Interligação com a Rede Trifásica Características 1) Modelagem e controle empregado a Transformada de Park; 2) Atua como inversor e filtro 3) ativo simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade; 4) Potêncioa processada de 12kW;

45 Interligação com a Rede Trifásica

46 Contato Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Msc.. Roberto Francisco Coelho Eng. Walbermark Marques dos Santos Universidade Federal de santa Catarina

Prof. Dr. Ernesto Ruppert Filho DSCE Departamento de Sistemas e Controle de Energia/FEEC/UNICAMP ruppert@fee.unicamp.

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