UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU. Carlos Roberto Neves Júnior

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU Carlos Roberto Neves Júnior Desenvolvimento de um controlador de recarga de bateria para aplicações em satélites MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2010

2 CARLOS ROBERTO NEVES JÚNIOR DESENVOLVIMENTO DE UM CONTROLADOR DE RECARGA DE BATERIA PARA APLICAÇÕES EM SATÉLITES Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Ronilson Rocha Ouro Preto Escola de Minas UFOP Agosto/2010

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4 RESUMO Durante as últimas décadas, as pesquisas espaciais vem evoluindo de maneira surpreendente. No Brasil, as pesquisas começaram no final da década de 70 e, desde então, grupos de pesquisa de diferentes universidades brasileiras têm desenvolvido projetos bem sucedidos na área. Portanto, a necessidade de desenvolver tecnologias capazes de tornar as missões espaciais cada vez mais confiáveis e eficazes, foi o principal motivo do desenvolvimento de um trabalho que aprimorasse e otimizasse o subsistema de suprimento de energia. O trabalho consiste basicamente no desenvolvimento de um sistema de controle para carga de bateria em um satélite artificial, utilizando o rastreamento da máxima potência de pico (MPPT) como arquitetura de controle de potência. O MPPT é realizado através de uma relação estabelecida, de caráter experimental, entre a corrente de curto-circuito e a corrente de máxima potência. Estabelecida a relação entre as correntes, projetou-se um controlador, que atuando em um PWM, é capaz de fornecer à bateria a corrente de máxima potência. Palavras-Chave: alimentação de satélites, satélites artificiais, rastreamento da máxima potência de pico, transferência direta de energia, carga de bateria, regulador CC, regulador shunt.

5 ABSTRACT During the last decades, research space has evolved amazingly. In Brazil, research began in the late 70s, and since then research groups from different universities have developed successful projects in the area. Therefore, the need to develop technologies to make space missions increasingly confident and effective, was the main reason for the development of a work to enhance and optimize the power supply subsystem. The work consists primarily in developing a control system for battery charge in an artificial satellite, using the maximum peak power tracking (MPPT) as the power control architecture. The MPPT is realized through a relationship established, experimentally, between the current short-circuit current and maximum power. After establishing the relationship between the currents, a controller was projected. Its act in a PWM is able to provide the battery current of maximum power. Keywords: satellite power supply, artificial satellites, maximum power peak tracking, direct energy transfer, battery charge, DC regulator, shunt regulator.

6 LISTA DE ABREVIATURAS PID Proporcional Integral e Derivativo PCU Power Control Unit Unidade de Controle de Potência PDU Power Distribution Unit Unidade de Distribuição de Potência BCR Battery Charger Regulator Regulador de Carga de Bateria BDR Battery Discharge Regulator Regulador de Descarga de Bateria BRU Battery Regulator Unit Unidade Reguladora da Bateria DET Direct Energy Transfer Transferência Direta de Energia MPPT Maximum Power Peak Tracking Rastreamento da Máxima Potência de Pico S 4 R Sequential Switching Shunt Serie Regulator Regulador série e shunt chaveado e seqüencial SEPIC Single Ended Primary Inductor Converter S/H Sample/Hold Amostrar/Reter PWM Pulse Width Modulation Modulação por Largura de Pulso PD Proporcional Derivativo

7 LISTA DE FIGURAS 2.1 Diagrama de blocos de um subsistema de suprimento de energia típico Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica Esquema de uma fotocélula de um sensor solar Efeito da conexão de células em série e em paralelo Representação V-I de um painel e sua potência Circuito equivalente de uma bateria Curva de descarga de uma bateria Curva de carga de uma bateria Diagrama simplificado de uma PCU PCU com barramento com regulação do painel solar e sem regulação Unidade de controle de potência com arquitetura DET e barramento regulado Topologia S 4 R Ponto de potência de pico do painel solar Topologia do conversor buck Topologia do conversor boost Topologia do conversor buck/boost Topologia do conversor Cúk Topologia do conversor SEPIC Aquisição das correntes de curto circuito de um painel fotovoltaico considerando uma arquitetura DET Gráfico das curvas e(t) e u(t) que mostram sinal de controle não nulo quando o sinal de erro atuante é zero (controle integral), e sinal de controle zero quando o sinal de erro atuante é zero (controle proporcional) Relação entre a corrente I sc e a corrente I ppt Modelo da célula fotovoltaica Equematização do modelo da célula fotovoltaica acoplada ao controlador de corrente de carga da bateria Controle da corrente fornecida à bateria de acordo com a referência na primeira simulação Estado de Carga (SOC) da bateria na primeira simulação Tensão sobre a bateria na primeira simulação... 46

8 4.4 Perfil da corrente fornecida pela célula na segunda simulação Controle da corrente fornecida à bateria de acordo com a referência na segunda simulação Estado de carga (SOC) da bateria na segunda simulação Tensão sobre a bateria na segunda simulação 49

9 LISTA DE TABELAS 2.1 Tabela comparativa entre os diversos tipos de bateria Tabela comparativa entre as ações de controle Dados obtidos através de experimento Valores de I ppt calculados em função de I sc 41

10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Objetivo Justificativa Materiais e métodos Estrutura do trabalho SATÉLITES ARTIFICIAIS Subsistema de suprimento de energia Célula fotovoltaica Painel fotovoltaico Armazenamento de energia auxiliar Bateria Unidade de controle de potência Arquiteturas para controle de potência Transferência direta de energia Regulador shunt Regulador série e shunt chaveado e seqüencial Rastreamento da Máxima Potência de Pico (MPPT) Técnicas MPPT Conversores CC-CC utilizados na arquitetura MPPT Conversor buck (step-down) Conversor boost (step-up) Conversor buck/boost Conversor Cúk Conversor SEPIC Conversor Zeta Aquisição da corrente de curto-circuito I sc dos painéis a partir da operação dos reguladores e conversores de energia Controle PID. 37

11 3 CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE PARA RECARGA DA BATERIA Relação entre I sc e I ppt Esquematização do sistema de controle de recarga da bateria SIMULAÇÃO E RESULTADOS Simulação de controle sobre um perfil contínuo de corrente fornecida à bateria Simulação de controle sobre um perfil variável de corrente fornecida à bateria 46 5 CONCLUSÃO. 50 REFERÊNCIAS.. 51

12 1 INTRODUÇÃO O lançamento dos primeiros satélites artificiais aconteceu durante a corrida espacial, encabeçada pelas duas principais potências militares da época, Estados Unidos e União Soviética, dentro do contexto da Guerra Fria. Esta teve seu fim em 1989, mas as inovações tecnológicas na concepção dos satélites artificiais continuaram a evoluir, possibilitando, aumentar a confiabilidade da missão e o tempo de vida útil do satélite. É importante salientar que a área de atuação dos satélites também expande em um ritmo crescente. Atualmente, a utilização de satélites artificiais torna-se muito útil em áreas como: pesquisas científicas, previsão do tempo, telecomunicações, localização, posicionamento geográfico, acompanhamento de queimadas, atividades militares, dentre outras (OBERRIGHT, 2004). Dessa forma, percebe-se a importância dos satélites na vida moderna. Desde os primeiros lançamentos, diversos países investem em pesquisas espaciais. O Brasil, iniciou seu programa espacial em 1979 e partir de então lançou em órbita alguns satélites, tais como SCD-1 e 2 (Satélite de Coleta da Dados), lançados, respectivamente, em 1993 e Além disso, Brasil e China assinaram, em julho de 1988, um acordo de cooperação para o desenvolvimento do projeto conhecido como Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres (Cbers), cuja função é imagear a Terra. Mais três satélites estão sendo desenvolvidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), responsável pela execução dos projetos. O Amazônia-1, que será usado para imageamento da região amazônica, a Sabia-mar, desenvolvido em cooperação com a Argentina, e o GPM-Brasil, para estudos meteorológicos (AEB, 2009). Mediante esse impulso em lançamento de satélites artificiais, surge a necessidade da realização de pesquisas que visam o aprimoramento e a solução de alguns problemas inerentes aos subsistemas do satélite. Tomando como exemplo o subsistema de suprimento de energia, a utilização de painéis fotovoltaicos como geradores de energia traz consigo a incerteza na disponibilidade de radiação solar incidente no painel. Diante dessa incerteza, faz-se necessária a utilização de baterias como fontes de energia auxiliares, evitando a não disponibilidade de energia elétrica durante períodos de eclipse solar. Porém, a potência fornecida para recarga da bateria, deve ser controlada para evitar problemas de sobrecarga e descarga profunda. Caso contrário, a vida útil da bateria estará seriamente comprometida, afetando a missão do satélite.

13 13 É preciso também, aproveitar a máxima potência disponibilizada pela célula fotovoltaica para que os períodos de incidência da radiação solar sejam suficientes para recarregar a bateria. Particularmente, esse trabalho propõe um sistema de controle para recarga de bateria em um satélite artificial, utilizando o rastreamento da máxima potência de pico (MPPT) como arquitetura de controle de potência. 1.1 Objetivo Conceber um controlador de carga de bateria para um satélite artificial, utilizando o rastreamento de máxima potência de pico (MPPT) como arquitetura de controle de potência, e simular, via SIMULINK, a ação do controlador sobre a carga de uma bateria chumbo-ácida alimentada por uma célula fotovoltaica. 1.2 Justificativa Com o desenvolvimento dessa pesquisa, a Universidade Federal de Ouro Preto disponibiliza mais uma área de pesquisa aos alunos de Engenharia de Controle e Automação, e auxilia o Programa Espacial Brasileiro no desenvolvimento de novas tecnologias. A principal intenção do trabalho é o aprimoramento do subsistema de suprimento de energia de um satélite artificial, visando contribuir com o sucesso da missão ao qual fora designado. 1.3 Metodologia Para o desenvolvimento desse trabalho, foram necessárias as seguintes etapas: a) Revisão sobre o subsistema de suprimento de energia, princípio de funcionamento dos painéis fotovoltaicos, baterias, reguladores shunt, reguladores série e arquiteturas para controle de potência. b) Modelagem matemática de uma célula fotovoltaica e avaliação experimental de seus parâmetros; c) Projeto do sistema de controle de carga da bateria, e sintonia do controlador; d) Simulação, via SIMULINK/MATLAB, do controle de carga da bateria chumbo-ácida.

14 Estrutura do trabalho O trabalho foi dividido em cinco capítulos. No capítulo 1 apresenta-se uma breve introdução ao tema, o objetivo, a justificativa, e os materiais e métodos necessários para a realização do trabalho. No capítulo 2 apresenta-se a classificação dos satélites artificiais de acordo com sua missão e órbita, além de uma visão geral dos seus subsistemas. Explora-se também o subsistema de suprimento de energia, apresentando o princípio de funcionamento de suas partes constituintes. Apresenta-se as arquiteturas para controle de potência e os conversores e reguladores utilizados em cada arquitetura. Ao final do capítulo é realizada uma breve revisão sobre controle PID. No capítulo 3 caracteriza-se o sistema de controle proposto, mostrando as escolhas efetuadas e o motivo das mesmas. Apresenta-se também a metodologia adotada no trabalho. No capítulo 4 mostra-se os resultados obtidos através da simulação do controlador de carga da bateria do sistema proposto. No capítulo 5 apresenta-se a conclusão do trabalho, mostrando os pontos alcançados e sugerindo trabalhos futuros. Logo em seguida apresentam-se as referências utilizadas.

15 2 SATÉLITE ARTIFICIAL Um satélite pode ser entendido, basicamente, como um corpo que orbita ao redor de outro. Existem dois tipos de satélites: satélites naturais (como por exemplo, a lua) e artificiais (corpos que orbitam planetas e astros, e foram criados pelo homem). Este trabalho focará os satélites artificiais, aqui denominados simplesmente de satélites. Geralmente, os satélites percorrem órbitas elípticas, de formato, altitudes e ciclo de revolução variáveis. Quanto maior a altitude, maior será o ciclo de revolução do satélite. Existem basicamente quatro classificações de órbita (OBERRIGHT, 2004): a) geossíncrono possui uma altitude de aproximadamente km e um período de revolução igual ao da terra. Caso a órbita seja equatorial, o satélite aparentará estático para um observador terrestre, sendo denominado, portanto, de satélite geoestacionário; b) heliossíncrono apresenta baixa altitude e órbita polar. Como passa por todas as latitudes, serve para coletar informações a respeito de quase toda a superfície terrestre. É chamado de heliossíncrono porque apresenta ângulo constante entre a direção do sol e o plano de órbita que executa; c) média altitude apresenta altitude que varia de 2000 a km; d) baixa altitude apresenta altitude que varia de 200 a 2000 km. Pode-se classificar também o satélite de acordo com a missão executada pelo mesmo. Existem basicamente cinco grupos (OBERRIGHT, 2004): a) científico reúne informações sobre a composição e efeitos do espaço próximo à terra. Podem ser alocados em diferentes tipos de órbitas, dependendo do tipo de medida que deverá efetuar; b) meteorológico são utilizados para estudar e prever o clima na terra, observando as condições atmosféricas sobre grandes áreas. Alguns satélites meteorológicos possuem órbita polar (heliossíncronos), percorrendo todas as latitudes e consequentemente observando o clima em todo o planeta. Existem também satélites meteorológicos geossíncronos, capazes de observar o clima em uma extensa região da terra; c) telecomunicações funcionam basicamente como estações de transmissão, recebendo sinais de rádio de uma localidade e transmitindo a outra. Um satélite de

16 16 telecomunicações é capaz de transmitir diversos canais de televisão ou milhares de ligações telefônicas ao mesmo tempo. Esse tipo de satélite são geralmente colocados em uma órbita geossíncrona, sobre uma estação de transmissão localizada na terra; d) navegação habilita operadores de aeronaves, navios e veículos terrestres a determinar sua localização com grande precisão, através de um pequeno receptor. O receptor recebe um sinal de rádio de pelo menos três satélites de navegação e calcula sua distância até os mesmos. Através desse cálculo, é possível determinar sua localização; e) observação da terra são utilizados para mapear e monitorar os recursos do nosso planeta e cada mudança nos ciclos de vida química. Seguem a órbita heliossíncrona; f) militar satélites militares podem ser satélites meteorológicos, de telecomunicações, de navegação, e observadores da terra se utilizados para fins militares. Alguns satélites militares, também conhecidos como satélites espiões, são capazes de detectar lançamento de mísseis, o curso de navios no oceano, e o movimento de equipamentos militares na superfície terrestre. Com o objetivo de cumprir a missão ao qual fora destinado, os satélites precisam carregar uma determinada carga útil, que consiste em instrumentos especiais. Como exemplo, pode-se citar um satélite de telecomunicações, que certamente necessitará de uma antena repetidora. Um satélite típico possui basicamente sete subsistemas, que são responsáveis por manter o satélite em operação sob condições adequadas (SOUZA, 2009): a) subsistema de determinação e controle de atitude responsável pelo controle do apontamento do satélite no espaço; b) subsistema de rastreamento, telemetria e comando envia e recebe dados que permitem acompanhar o funcionamento e o comando do satélite; c) subsistema de comando e tratamento de dados processa as informações recebidas da terra ou enviadas a mesma, e as informações internas ao satélite; d) subsistema de suprimento de energia fornece a energia necessária à carga útil e demais subsistemas do satélite; e) subsistema térmico mantém os equipamentos dentro de suas faixas nominais de temperatura;

17 17 f) subsistema de estruturas e mecanismos fornece todo suporte mecânico e de movimentação para as partes do satélite. Oferece também proteção contras as vibrações de lançamento e contra a radiação incidente no satélite; g) subsistema de propulsão fornece o empuxo necessário para o controle da atitude e da órbita. Como o trabalho é focado no subsistema de suprimento de energia, este será detalhado no próximo item. 2.1 Subsistema de suprimento de energia O subsistema de suprimento de energia é responsável por gerenciar e controlar o fornecimento de energia para os demais subsistemas do satélite e para a carga útil. Logo não seria exagero algum afirmar que o sucesso da missão depende e muito desse subsistema. O mau dimensionamento do mesmo pode acarretar sérios problemas elétricos, capazes de danificar de forma permanente subsistemas responsáveis por manter o satélite em órbita, e até mesmo equipamentos a bordo que sejam essenciais à missão ao qual o satélite fora designado. Este subsistema possui como objetivos a geração de energia elétrica (geralmente através de painéis fotovoltaicos); o armazenamento de energia elétrica (geralmente através de baterias); condicionamento, conversão e regulação de potência (PCU Power Control Unit); e distribuição de potência para a carga útil (PDU Power Distribution Unit). Na figura 2.1, apresenta-se um diagrama de blocos do subsistema. FIGURA 2.1 Diagrama de blocos de um subsistema de suprimento de energia típico. FONTE: DONATO, A energia proveniente do painel solar pode ser regulada ou não antes de chegar à carga e/ou às baterias. Caso o satélite utilize um barramento regulado, a PCU é a responsável por regular

18 18 a tensão no barramento que alimenta todos os subsistemas e a carga útil, controlar a carga da bateria e a descarga das mesmas quando o satélite estiver em eclipse solar, ou quando a potência disponibilizada pelo painel solar for menor do que a exigida pela carga. Como as características dos equipamentos que compõem a carga útil são variadas, é interessante a utilização de uma unidade de distribuição e proteção (PDU), respeitando os limites de tensão e corrente de cada equipamento. A PDU é responsável também por isolar eletricamente os equipamentos, através de chaves, ligando ou desligando uma conexão. Dessa forma, evita-se que uma sobrecarga em um equipamento atinja os demais, comprometendo todo o satélite. (DONATO, 2007) Célula fotovoltaica Uma célula fotovoltaica consiste basicamente em um diodo, cuja junção PN é exposta à luz. A incidência de luz faz com que a junção PN absorva a energia dos fótons, e conseqüentemente crie pares elétrons-lacunas, gerando um campo elétrico na junção PN. Ao conectar uma carga externa à célula fotovoltaica, é possível observar uma circulação de corrente elétrica no circuito (ROCHA, 2010). Uma célula fotovoltaica pode ser representada pelo circuito equivalente mostrado na figura 2.2. FIGURA 2.2 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. FONTE: PATEL, A resistência série R s depende da profundidade e impurezas da junção PN e da resistência de contato, enquanto a resistência shunt R sh é inversamente proporcional à corrente de fuga I sh. A corrente de saída I, pode ser calculada por: (2.1)

19 19 Onde I L é a corrente gerada pelo efeito fotovoltaico, e depende da eficiência da conversão fotovoltaica e da radiação solar incidente na junção λ, e I d é a corrente que passa pelo diodo presente na célula fotovoltaica. A corrente no diodo é dada pela equação 2.2:. (2.2) Onde I o é a corrente de saturação inversa, k é igual a / η, com η = 1 para o diodo de germânio e 2 para o de silício, e T k é a temperatura em kelvin (BOYLESTAD;NASHELSKY, 1982). Assim, de acordo com a figura 2.2, pode-se deduzir a seguinte equação para a corrente de saída da célula fotovoltaica: (2.3) A corrente I sh pode ser desprezada por ser muito pequena. A corrente de curto-circuito I sc é obtida quando a tensão na carga for nula, sendo praticamente igual à corrente fotovoltaica I L. Segundo Patel 1 (apud ROCHA, 2007, p. 30), a corrente I sc depende do ângulo de incidência do sol α, em relação à normal da superfície da célula, conforme pode ser visto na figura 2.3. Trata-se de uma relação senoidal, dada por: (2.4) FIGURA Esquema de uma fotocélula de um sensor solar. Fonte: HALL, PATEL, M. Wind and solar power systems. CRC Press, 1999.

20 Painel fotovoltaico Um painel fotovoltaico pode ser considerado um arranjo de células fotovoltaicas conectadas entre si, em série e/ou paralelo, para alcançar níveis de tensão e potência desejáveis para determinada aplicação (CHUCO, 2007). Conectando células fotovoltaicas em série, obtém-se strings. O número de células em série numa string determina o nível de tensão desejado, enquanto a associação de strings em paralelo determina o nível de corrente desejado (DONATO, 2007). Pode-se observar bem o efeito das conexões série/ paralelo sobre a tensão e a corrente na figura 2.4. (a) (b) FIGURA 2.4 Efeito da conexão de células em série (a) e em paralelo (b). FONTE: CHUCO, Na figura 2.5, apresenta-se como a potência varia em função da tensão e da corrente. É importante observar a existência de um ponto de máxima potência. FIGURA 2.5 Representação V-I de um painel e sua potência. FONTE: CHUCO, 2007.

21 Armazenamento de energia auxiliar A utilização de painéis fotovoltaicos tem se apresentado como uma boa alternativa para geração de energia. Ao contrário de fontes a base de combustíveis fósseis, o painel fotovoltaico é capaz de gerar energia, sem agredir o meio ambiente, a partir de uma fonte abundante de energia: a radiação solar. Porém, devido ao movimento rotacional da terra e a existência de outros satélites no universo, essa energia não está sempre disponível. Assim, com o objetivo de disponibilizar energia de forma contínua para os demais subsistemas do satélite, a utilização de baterias torna-se extremamente necessária. As baterias serão capazes de disponibilizar energia elétrica ao satélite em períodos de eclipse solar e/ou maior consumo de energia, sendo carregadas quando o painel fotovoltaico estiver devidamente iluminado Bateria As baterias podem ser basicamente classificadas em primárias e secundárias. As primárias não admitem recarga, ao contrário das secundárias. Dessa forma, para aplicações em sistemas espaciais, obrigatoriamente deve-se utilizar baterias secundárias. Existem muitos tipos de bateria secundária disponíveis no mercado, cada uma privilegiando determinada característica em detrimento de outras. É praticamente impossível encontrar a bateria ideal, portanto, ao elaborar o projeto, deve-se priorizar as necessidades e ponderar os efeitos das limitações da bateria sobre a aplicação. A seguir uma breve descrição de cada tipo de bateria comumente encontrada no mercado e uma tabela comparativa (BUCHMANN, 2003): Níquel-Cádmio (NiCd): a mais tradicional e uma das mais utilizadas por muito tempo. Dentre suas principais vantagens, podemos destacar: a vida útil longa, altas taxas de descarga, opera bem em condições de variação na temperatura, alta confiabilidade e necessidade de pouca manutenção. Porém, como todo sistema, apresenta algumas desvantagens: a utilização de metal tóxico em sua composição (Cádmio), apresenta baixa densidade de energia, elevado custo inicial se comparado às demais tecnologias, e auto-descarga relativamente elevada (1% ao dia). Níquel-Metal-Hidreto (NiMH): Possui densidade de energia maior do que a bateria níquel-cádmio, e não apresenta metal tóxico em sua composição. Também necessitam de pouca manutenção e operam bem em condições de variação de temperatura. Como

22 22 principais desvantagens, podemos destacar o ciclo de vida reduzido, e auto-descarga elevada (2% ao dia). As baterias NiMH são vistas como ponto de partida para desenvolvimento de sistemas baseados em lítio. Chumbo-Ácida: considerada mais econômica para aplicações de elevada potência. Deve ser utilizada em sistemas onde o tamanho da bateria não seja uma preocupação. É uma bateria de menor custo e robusta. Lítio-Íon: sua utilização tem crescido de maneira rápida com relação aos demais tipos. Oferece elevada densidade de energia e sua estrutura apresenta baixa massa. Necessita de circuitos de proteção para limitar a tensão e a corrente, por motivos de segurança. Existem versões de alta corrente para aplicações de potência. TABELA 2.1 Tabela comparativa entre os diversos tipos de bateria. FONTE: Adaptada BUCHMANN, 2003.

23 23 As baterias, em geral, podem ser representadas basicamente por uma fonte de tensão controlada em série com uma resistência interna: FIGURA 2.6 Circuito equivalente de uma bateria. FONTE: Adaptado SIMULINK/MATLAB, Onde, E é a tensão de circuito aberto (V), E o é a tensão inicial da bateria (V), K é a tensão de polarização (V), Q é a capacidade da bateria (Ah), i.t é a carga momentânea da bateria (Ah), A é a tensão exponencial (V), e B é capacidade exponencial (Ah) -1. Todos esses parâmetros do circuito equivalente podem ser modificados para representar um tipo específico de bateria, baseado na sua curva de descarga. Uma curva de descarga típica é composta por três partes, conforme figura 3.7. FIGURA 2.7 Curva de descarga de uma bateria. FONTE: Adaptado SIMULINK/MATLAB, A primeira parte representa a queda da tensão exponencial quando a bateria está totalmente carregada. A largura dessa região depende do tipo de bateria utilizado. A segunda parte representa a carga que pode ser extraída da bateria até que a tensão atinja o seu valor nominal.

24 24 A terceira parte representa a descarga total da bateria, quando a tensão cai rapidamente (SIMULINK/MATLAB, 2007). Quando a corrente na bateria for negativa, esta recarregará seguindo a curva apresentada na figura 2.8. FIGURA 2.8 Curva de carga de uma bateria. FONTE: Adaptado SIMULINK/MATLAB, Unidade de controle de potência Uma unidade de controle de potência (Power Control Unit PCU) é constituída pelo regulador do painel solar, regulador de carga de bateria (Battery Charger Regulator BCR) e regulador de descarga de bateria (Battery Discharge Regulator BDR), conforme pode ser visto na figura 2.9. A PDU não foi considerada por não ser o foco do trabalho e para simplificar o entendimento da PCU. FIGURA 2.9 Diagrama simplificado de uma PCU. FONTE: DONATO, Existem topologias de PCU que agregam em um único regulador bidirecional o BCR e o BDR, formando a unidade reguladora de bateria (Battery Regulator Unity BRU). O barramento de um satélite pode ser regulado, não-regulado e com regulação solar, dependendo basicamente das especificações do satélite. Para os barramentos regulados, é necessário um regulador para o painel solar e um regulador para descarga e recarga de bateria,

25 25 conforme mostrado na figura acima. Este tipo de barramento possui a vantagem de otimizar o painel solar, visto que o mesmo irá operar aproximadamente na mesma tensão (DONATO, 2007). Em um barramento com regulação apenas do painel solar, pode-se substituir o BDR por um diodo, conforme figura 2.10a. Dessa forma, a tensão no barramento permanece regulada enquanto a iluminação incidente sobre o painel fotovoltaico for suficiente para atender a carga. No entanto, quando a bateria assume a alimentação da carga, a tensão no barramento varia conforme o ciclo de descarga da bateria. Para o correto funcionamento dessa configuração, a tensão máxima da bateria não pode exceder a tensão do barramento. No barramento não regulado, a bateria é conectada diretamente ao barramento, fazendo com que o regulador do painel solar alimente a carga e controle a recarga da bateria simultaneamente. Assim, a tensão no barramento varia conforme o ciclo de carga e descarga da bateria. O barramento não regulado é apresentado na figura 2.10b. FIGURA 2.10 PCU com barramento com regulação do painel solar (a) e sem regulação (b). FONTE: DONATO, Caso o projeto da PCU opte por um barramento não-regulado, será necessária a utilização de conversores maiores e mais complexos na carga ou na PDU. Isso se deve ao fato de a tensão entregue à carga não ser regulada, e portanto, interferir diretamente no rendimento e dissipação térmica dos conversores. Para esse tipo de barramento, é necessário também um sobredimensionamento das proteções para evitar danos causados por flutuações de tensão (DONATO, 2007) Arquiteturas para controle de potência Tratando-se de subsistemas de suprimento de energia, compostos por painéis fotovoltaicos e baterias, existem basicamente duas possíveis arquiteturas para controle de potência: a

26 26 transferência direta de energia (DET Direct Energy Tranfer) e o rastreamento da potência de pico (PPT Peak Power Tracking) Transferência direta de energia Na arquitetura DET, a potência é entregue à carga de forma direta sem conversores intermediários, exceto a unidade de proteção (PDU). Nessa arquitetura, o regulador é colocado em paralelo com a fonte de corrente do painel fotovoltaico. Caso a potência disponibilizada pelo painel fotovoltaico seja maior que a demanda requerida pela carga e pelas baterias, o excesso de potência é dissipado através do regulador shunt (DONATO, 2007). Esse tipo de arquitetura permite: a não-regulação da tensão do barramento, a regulação da tensão do painel solar, e a regulação da tensão de barramento. FIGURA 2.11 Unidade de controle de potência com arquitetura DET e barramento regulado. FONTE: DONATO, Regulador shunt A regulação do barramento de um satélite que utiliza a arquitetura DET é feita através do regulador shunt, que desvia o excesso de potência gerado pelo painel fotovoltaico. Como a arquitetura DET é tradicionalmente a mais utilizada em satélites, muitas topologias de regulador shunt foram desenvolvidas ao longo dos anos. Existem basicamente seis topologias (DONATO, 2007): a) regulador shunt linear; b) regulador shunt linear sequencial; c) regulador shunt chaveado; d) regulador shunt parcial;

27 27 e) regulador shunt chaveado sequencial; f) regulador série e shunt chaveado e sequencial. Dentre as topologias, o regulador shunt linear e o regulador shunt linear sequencial apresentam o inconveniente de dissipar o excesso de potência através de um ou mais resistores, que aumentam a massa do regulador e elevam a dissipação térmica no interior do satélite. O regulador shunt chaveado elimina o problema de dissipação térmica, mas por desviar o excesso de potência através de um circuito chaveado, curto-circuitando a fonte de corrente, gera interferência eletromagnética por radiação e condução. Dependendo do nível de interferência gerada, é necessária a utilização de filtros, provocando um aumento no tamanho do regulador. O regulador shunt chaveado apresenta a vantagem de desviar apenas parte da potência fornecida pelo painel fotovoltaico, sendo a outra parte responsável pela manutenção da potência mínima para um adequado funcionamento dos demais subsistemas do satélite. O regulador shunt chaveado sequencial, possui a vantagem de operar com segmentos independentes do painel solar. Cada segmento possui um regulador shunt chaveado, fato que aumenta a confiabilidade do sistema, pois são subsistemas independentes. Essa topologia proporciona também uma menor ondulação de tensão e redução da capacitância do barramento, afinal a amplitude da ondulação de corrente no barramento é reduzida à corrente de apenas um segmento. O regulador série e shunt chaveado e sequencial é uma topologia relativamente recente e fora projetado para eliminar os principais inconvenientes das demais topologias. Por este motivo, o seu princípio de funcionamento será melhor detalhado (DONATO, 2007) Regulador série e shunt chaveado e sequencial (S 4 R) O princípio de funcionamento do regulador série e shunt chaveado e sequencial (S 4 R) é muito próximo do regulador shunt chaveado e sequencial, com a diferença de possuir derivações por módulo do painel fotovoltaico através de uma chave SW i e um diodo DW i. Essa derivação

28 28 permite que a recarga da bateria seja feita pelo próprio módulo, utilizando de maneira mais eficiente o painel fotovoltaico. FIGURA 2.12 Topologia S 4 R. FONTE: ROCHA, Prioritariamente os módulos do painel fotovoltaico alimentarão a carga do satélite. Estes módulos serão responsáveis por regular a tensão no barramento, através da modulação de suas chaves S i. Se a potência disponibilizada pelo painel fotovoltaico for suficiente apenas para alimentação da carga, seus segmentos abrem as chaves S i e as chaves SW i, fornecendo toda a potência disponível para a carga. Caso haja demanda de potência por parte das baterias e a potência disponível pelo satélite for suficiente para alimentar a carga e recarregar a bateria, a chave SW i é fechada e a chave S i é aberta, enviando a potência disponível em um dado segmento para o barramento das baterias. Se a potência disponível no painel fotovoltaico for superior à demanda total de potência, alguns segmentos do painel fotovoltaico poderão curtocircuitar suas fontes de corrente, fechando suas chaves S i e abrindo as chaves SW i, dissipando o excesso de potência. (ROCHA, 2010). Uma das vantagens do regulador S 4 R, é a eliminação do regulador de carga de bateria, o qual apresenta maior massa e menor eficiência. Nessa topologia, o controle de recarga das baterias é feito diretamente no acionamento das strings (DONATO, 2007) Rastreamento da Máxima Potência de Pico (MPPT) Basicamente, a arquitetura PPT incorpora um rastreador de máxima potência (MPPT) entre os painéis fotovoltaicos e a carga (incluindo a bateria), alterando dinamicamente os valores de tensão e corrente em sua saída. Essa alteração provoca uma pseudo alteração de carga,de forma que a máxima potência seja fornecida e a eficiência do painel fotovoltaico aumente

29 29 (ANDERSON; DOHAN; SIKORA, 2003). Na figura 2.13, pode-se observar o ponto de potência de pico em função das curvas tensão corrente e tensão potência de um painel fotovoltaico. Como a curva tensão corrente é variante no tempo, o rastreamento do ponto de máxima potência deve ser feito de forma constante (DONATO, 2007). FIGURA 2.13 Ponto de potência de pico do painel solar. FONTE: DONATO, A arquitetura PPT, apresenta a vantagem de utilizar a potência máxima disponível pelo painel fotovoltaico, e conseqüentemente recarregar as baterias de forma mais rápida. Tal vantagem é relevante em satélites que orbitam em baixas altitudes, pois o período de incidência dos raios solares na superfície do painel fotovoltaico é menor; e em satélites com painel fotovoltaico fixo, e portanto sujeitos a variações de fluxo solar, temperatura e ângulo de incidência da luz solar. Porém, em missões que demandem elevadas potências (acima de 500 W), problemas com relação à massa, eficiência e dissipação térmica se tornam mais críticos. Portanto, é necessária uma análise das vantagens em se operar na tensão de pico, e se estas superam os problemas acima citados (DONATO, 2007) Técnicas MPPT São muitas as técnicas capazes de rastrear o ponto da potência de pico de um painel fotovoltaico. Estas técnicas diferenciam-se em termos de complexidade, sensores, velocidade de convergência, custo, faixa de efetividade, implementação, popularidade, e outros (ROCHA, 2010). Dentre as principais técnicas pode-se citar (ESRAM;CHAPMAN 2, 2007 apud ROCHA, 2007): 2 ESRAM, T.; CHAPMAN, P.L. Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques. IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 22, Issue 2, June 2007 Page(s):

30 30 Hill Climbing/Perturbar e Observar: Estes métodos introduzem uma perturbação no sistema através do regulador para observar seus efeitos no ponto de operação do painel fotovoltaico. Caso o ponto de operação do painel fotovoltaico se encontre a esquerda da máxima potencia, uma variação de tensão provoca uma variação no mesmo sentido da potencia de saída. Com o ponto de operação à direita, a variação da potencia é inversa à variação da tensão. Desta forma, o algoritmo rastreia o ponto de máxima potencia do painel fotovoltaico até que oscile em torno do mesmo. Condutância Incremental: este método é baseado no fato que a derivada da potencia produzida por um painel fotovoltaico será nula no ponto de máxima potência, positivo quando à esquerda, e negativo à direita. Desta forma, o ponto de máxima potencia é rastreado pela comparação da condutância instantânea (I/V) e da condutância incremental (ΔI/ΔV). Tensão de circuito aberto: Este método teve origem na relação quase linear entre V ppt e V oc de um painel fotovoltaico. A constante de proporcionalidade entre a tensão de circuito aberto e a tensão no ponto de máxima potencia depende das características do painel fotovoltaico, sendo normalmente computada através de métodos empíricos. Uma vez conhecida a constante de proporcionalidade, a tensão de operação no ponto de máxima potência pode ser calculada a partir da medida realizada periodicamente da tensão de circuito aberto. Corrente de curto circuito: Este método resulta do fato que a corrente no ponto de máxima potencia I ppt é aproximadamente linear a corrente de curto circuito Isc do painel fotovoltaico, onde a constante de proporcionalidade é determinada de acordo com as características do painel. Para a medição a corrente de curto Isc, uma chave adicional é adicionada ao conversor de potencia para curto circuitar periodicamente o painel fotovoltaico. Controle da correlação de ondulação: Quando um painel fotovoltaico é conectado a um conversor de potencia, a ação do chaveamento impõe uma ondulação de tensão, corrente e potencia, da qual o controle da correlação de

31 31 ondulação se utiliza para rastrear o ponto de máxima potencia. Este método correlaciona a derivada no tempo da potencia produzida com a derivada no tempo da corrente ou tensão de operação do painel fotovoltaico para direcionar o gradiente de potencia a zero, alcançando o ponto de máxima potencia. Controle realimentado de dp/dv ou dp/di: Um método óbvio para encontrar o ponto de máxima potencia é computar a inclinação (dp/dv ou dp/di) da curva de potencia do painel fotovoltaico e, através do controle realimentado, conduzi la a zero. Varredura de corrente: Este método utiliza uma varredura da forma de onda de corrente do painel fotovoltaico tal que sua característica I vs V seja obtida e atualizada em intervalos de tempo fixos. O valor da tensão V ppt pode ser então computado a partir desta curva característica. Outros métodos: reconfiguração do painel fotovoltaico, lógica fuzzy, redes neurais, maximização da tensão ou corrente de carga, etc Conversores CC-CC utilizados na arquitetura MPPT Os conversores CC-CC são utilizados em situações onde deseja-se obter uma tensão CC variável a partir de uma fonte de tensão CC constante. É possível variar o seu valor médio alterando o ciclo de trabalho da chave, e conseqüentemente o tempo que a saída fica ligada à entrada. Em geral os conversores CC-CC combinam em seu circuito um indutor e/ou um capacitor e um dispositivo de estado sólido capaz de operar no modo de chaveamento de alta freqüência. Nos sistemas espaciais que utilizam controladores MPPT, é muito comum a utilização de conversores CC-CC. Mas deve-se atentar ao fato de que a escolha de um conversor adequado a uma determinada circunstância impacta diretamente na eficiência do mesmo. A seguir uma breve explicação sobre as diferentes topologias de conversores CC-CC (COOPER,2008).

32 Conversor buck (step-down) A topologia do conversor buck é uma das mais simples dentre as disponíveis. Consiste basicamente de duas chaves (um transistor e um diodo) e um indutor, conforme figura O número reduzido de componentes da topologia buck permite altos níveis de eficiência (acima de 95% dependendo da aplicação). No modo de condução contínua, o conversor buck abaixa a tensão de saída de acordo com a seguinte expressão: (2.5) Onde V representa a tensão da fonte, V o representa a tensão de saída, e D representa o ciclo de trabalho do transistor. FIGURA 2.14 Topologia do conversor buck. FONTE: ROCHA, O conversor buck trabalha com painéis fotovoltaicos proporcionando um estágio cuja tensão de saída é menor que tensão da fonte. Caso esta condição não seja assegurada, este conversor não suprirá as necessidades da carga. Esta é uma grande desvantagem, mas pode ser aceitável se as perdas de potência durante os períodos de baixa ou média insolação forem compensadas por sua elevada eficiência nos períodos de alta insolação. Outra preocupação relacionada com a arquitetura buck é a pulsação de corrente, sendo necessária uma filtragem adicional para eliminá la. Este filtro introduz perdas adicionais e problemas de estabilidade que necessitam ser resolvidos no projeto do sistema de controle (COOPER, 2008) Conversor boost (step-up) A topologia do conversor boost é muito próxima à do conversor buck. As duas topologias possuem os mesmos componentes, porém posicionados de maneira distinta (figura 2.15).

33 33 Dessa forma, é possível obter um aumento de tensão na saída, ao contrário do conversor buck. A equação que determina a tensão de saída em modo contínuo é:. (2.6) FIGURA 2.15 Topologia do conversor boost. FONTE: ROCHA, O conversor boost é limitado pelo fato que ele apenas pode fornecer tensões que sejam maiores que a da fonte. Se a tensão da bateria ou da carga é mais baixa do que a tensão do painel fotovoltaico, o conversor pode fornecer uma conexão CC entre o módulo e a carga na melhor das hipóteses, sendo necessário acrescentar as perdas adicionais por causa do indutor e do diodo. Desde que a tensão da bateria seja relativamente alta, isto não seria problema, uma vez que a tensão da bateria normalmente não cai de forma significativa a menos que esteja próxima do fim da vida útil. Outra diferença entre os conversores boost e buck é que a corrente de saída do boost é pulsada, ao passo que a corrente de entrada é somente ondulada. Isto facilita a filtragem na entrada, mas acrescenta a necessidade de uma filtragem na saída dependendo das características da carga (COOPER, 2008) Conversor buck/boost O conversor buck/boost é uma topologia híbrida, que reúne tanto características do conversor buck quanto do conversor boost (figura 2.16). Os componentes da topologia buck/boost continuam sendo os mesmos das topologias anteriores, porém permite a obtenção de tensões maiores ou menores que a tensão da fonte. Tal característica é muito importante na utilização em sistemas fotovoltaicos, afinal ela permite que o conversor extraia toda a potência disponível no painel, independente do nível de insolação e do estado de carga da bateria. A equação que determina a tensão de saída em modo contínuo, é dada pela equação 4.3:

34 34 (2.7) FIGURA 2.16 Topologia do conversor buck/boost. FONTE: ROCHA, Uma potencial desvantagem deste conversor é a inversão da tensão de saída com relação à tensão da fonte em algumas situações. Isto não é problema com fontes de energia independentes como os painéis fotovoltaicos, uma vez que eles não necessitam de um aterramento explicitamente referenciado para operar corretamente. Outra desvantagem é a necessidade de uma filtragem adicional na entrada e na saída do conversor dependendo da aplicação, visto que as correntes de entrada e saída deste conversor são pulsadas (COOPER, 2008) Conversor Cúk O conversor Cúk é o resultado da aplicação do princípio da dualidade ao conversor buck/boost usando um capacitor no lugar de um indutor como dispositivo primário de armazenamento de energia (figura 2.17). Logo, a função de transferência do conversor Cúk é nominalmente a mesma do conversor buck boost. FIGURA 2.17 Topologia do conversor Cúk. FONTE: ROCHA, 2010.

35 35 O conversor Cúk apresenta a vantagem de que as correntes de entrada e saída não são pulsadas. Além disso, as ondulações das correntes de entrada e saída podem ser teoricamente eliminadas. A topologia Cúk também é mais eficiente que a buck/boost devido ao fato de apenas um capacitor sofrer as perdas internas associadas com a pulsação de corrente (COOPER, 2008) Conversor SEPIC O conversor SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) é muito similar ao conversor Cúk, exceto pelo fato de que o indutor secundário L2 e o diodo D, são trocados tal que a polaridade da saída é a mesma da entrada (figura 2.18). Isto pode ser uma vantagem em certas aplicações por que os terminais negativos da entrada e da saída são comuns. Porém, tal vantagem apresenta um efeito colateral: a restauração da pulsação de corrente na saída (COOPER,2008). FIGURA 2.18 Topologia do conversor SEPIC. FONTE: ROCHA, Conversor Zeta O conversor Zeta é outra variação do conversor Cúk. Na topologia Zeta, o indutor de entrada e a chave são trocados e a polaridade do diodo é invertida. A vantagem deste conversor é a mesma do SEPIC, isto é, a polaridade da saída é a mesma da entrada, mas tem a desvantagem que a corrente de entrada é pulsada. Este conversor trabalha bem quando integrado a outra topologia, tal como a buck/boost, para gerar saídas tanto positivas como negativas (COOPER, 2008).

36 Aquisição da corrente de curto-circuito I sc dos painéis a partir da operação dos reguladores e conversores de energia A utilização do painel fotovoltaico como sensor em aplicações espaciais permite estimar a iluminação incidente sobre o painel e medir sua corrente de curto-circuito I sc. A corrente I sc também pode ser utilizada no desenvolvimento de estratégias de controle e gerenciamento do subsistema de suprimento de energia, visando otimizar o aproveitamento energético (ROCHA, 2010). Através da corrente de curto-circuito, é possível estabelecer uma relação entre a mesma e a corrente capaz de transferir para a carga a máxima potência de produção fotovoltaica (I ppt ). Tal técnica de ratreamento de máxima potência (MPPT) será utilizada nesse trabalho para otimizar o processo de carga da bateria presente na PCU. Analisando o circuito equivalente de uma célula fotovoltaica, podemos definir sua tensão V, corrente I, e potência P através das seguinte equações (ROCHA, 2010): (2.8) (2.9) (2.10) A corrente de fuga I sh foi desprezada por ser muito pequena com relação às demais correntes envolvidas no circuito. Para que o ponto de máxima potência seja encontrado, deve-se igualar a derivada da potência a zero: (2.11) Sendo V ppt e I ppt, a tensão e a corrente na saída do painel fotovoltaico operando na condição MPPT. A equação acima pode ser reescrita na seguinte forma: (2.12) Sabendo que a derivada da tensão em relação à corrente é dada por: (2.13)

37 37 A substituição da tensão e sua derivada em relação a corrente na equação de máxima potência, resulta em: (2.14) Na equação transcendental acima, é possível perceber que existe uma relação entre a corrente I ppt e a corrente I sc. Segundo Alghunwainem (1994), que resolveu a equação através de métodos numéricos, a corrente I ppt é diretamente proporcional à corrente I sc. Em uma PCU de arquitetura DET, cujo painel fotovoltaico transfere a energia obtida diretamente para a carga, é possível medir a corrente I sc através da operação do regulador shunt. No momento em que a chave MOSFET shunt é acionada, a célula fotovoltaica é curtocircuitada, e a medição da corrente I sc pode ser realizada. FIGURA 2.19 Aquisição das correntes de curto circuito de um painel fotovoltaico considerando uma arquitetura DET. FONTE: ROCHA, Analisando a figura 2.19, percebe-se que o comando da chave MOSFET é o mesmo do amplificador S/H, logo, a amostragem da corrente I sc é iniciada assim que a chave MOSFET é acionada (modo sample). Ao desligar a chave MOSFET, o amplificador S/H entra no modo hold, retendo o último valor da corrente I sc, até que o ciclo sample-hold se inicie novamente.

38 Controle PID Atualmente, o controlador PID é o mais difundido na indústria. Esse controlador combina as ações de controle proporcional, integral e derivativo, obtendo as vantagens individuais de cada uma dessas três ações de controle. A equação de um controlador PID é dada por (OGATA, 2003): (2.15) E a função de transferência é: (2.16) Onde, K p é o ganho proporcional, T i é o tempo integrativo e T d é o tempo derivativo. Variando-se o K p, T i e T d, conseguimos sintonizar o controlador de acordo com as necessidades do processo a ser controlado, obtendo uma resposta lenta, moderada ou rápida a uma perturbação no sistema. A seguir, algumas características de cada ação de controle e uma tabela comparativa (OGATA, 2003): Ação de controle proporcional: O controle proporcional é capaz de eliminar o erro, mas diante de uma entrada degrau apresentará um erro residual em regime permanente. Isso se explica pelo fato de o sinal de controle ser proporcional ao erro atuante. Se o erro atuante for nulo, implica em um sinal de controle nulo. Logo, para que o controlador continue atuando, não é possível eliminar o erro residual. Na figura 2.20b, relaciona-se o sinal de controle u(t) com o erro atuante e(t). Ação de controle integral: Considerando-se apenas a ação de um controlador proporcional, pode-se detectar a existência de um erro residual, na resposta a um degrau unitário. Se incluirmos no controlador uma ação integral, é possível eliminar o erro residual. Em um controle integral, o sinal de saída do controlador (sinal de controle) em qualquer instante é a integral do erro atuante até o momento em questão. Dessa forma, ao contrário do controle proporcional, é possível ter um