ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE UMA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA COM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO APLICADO À GERAÇÃO DISTRIBUÍDA RESIDENCIAL

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1 ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE UMA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA COM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO APLICADO À GERAÇÃO DISTRIBUÍDA RESIDENCIAL Elisa Toshie Hara Ida Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Maurício Aredes Rio de Janeiro Março de 2019

2 ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE UMA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA COM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO APLICADO À GERAÇÃO DISTRIBUÍDA RESIDENCIAL Elisa Toshie Hara Ida PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Examinado por: Prof. (Orientador) Maurício Aredes, Dr.-Ing. Eng. (Coorientador) Marcello da Silva Neves, M.Sc. Prof. José Luiz da Silva Neto, Dr.-Ing. Eng. Mayanara Azevedo Aredes, M.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL MARÇO DE 2019

3 Hara Ida, Elisa Toshie Análise da viabilidade técnica e econômica de uma geração fotovoltaica com sistema de armazenamento aplicado à geração distribuída residencial/elisa Toshie Hara Ida. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, XIII, 67 p.: il.; 29, 7cm. Orientador: Maurício Aredes Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Elétrica, Referências Bibliográficas: p Geração Distribuída. 2. Sistema de Aramazenamento. 3. Viabilidade. I. Aredes, Maurício. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título. iii

4 Não existe um caminho para a felicidade. A felicidade é o caminho. iv

5 Agradecimentos Em primeiro lugar a todos meus familiares. Em especial, minha mãe Lúcia Missae e meu pai Mauro Ida, pela dedicação, amor e carinho que me deram ao longo da minha vida. Aos ensinamentos diários que me fizeram ser quem sou hoje. À minha inspiração de vida, Thiago Hiroshi, pela alegria diária e meu incondicional orgulho. À Letícia e Samara, minha tribo, meu porto seguro. incondicional e amizade dos últimos dez anos. Agradeço pelo amor Às minhas amigas de infância, Carolina Sá e Talita Felix, pela amizade duradoura. Ao meu melhor amigo, João Adolpho, pela paciência e carinho diário. Obrigada por me fazer uma pessoa melhor. A todos meus amigos da UFRJ que tornaram essa trajetória mais emocionante, nas lutas diárias. A família LEMT, em especial, Daniel e Stephanie, pelo carinho e também por todo o conhecimento que obtive durante a minha graduação. Ao meu orientador Maurício Aredes e Marcello Neves pela paciência, dedicação e todo apoio que precisei durante minha trajetória na UFRJ. v

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE UMA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA COM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO APLICADO À GERAÇÃO DISTRIBUÍDA RESIDENCIAL Elisa Toshie Hara Ida Março/2019 Orientador: Maurício Aredes Curso: Engenharia Elétrica A geração distribuída é uma área em constante crescimento mundial. A preocupação com sistemas mais sustentáveis tem sido alvo de discussões internacionais. Em sintonia como esse cenário, um dos projetos do Laboratório de Eletrônica de Potencia e Média Tensão é o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico conectado à rede de distribuição local. Atualmente, a estrutura dos painéis solares fotovoltaicos já estão instalados e os equipamentos de potência estão em fase final de teste. Neste trabalho é analisado a operação de um dos conversores para uma futura inserção de um sistema de armazenamento. Após a análise técnica, é essencial a viabilidade econômica do sistema. Um sistema de armazenamento ainda tem o preço elevado. Então, é necessário o estudo para que seja possível uma futura aplicação do equipamento a nível comercial. vi

7 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. ANALYSIS OF THE TECHNICAL AND ECONOMIC VIABILITY OF A PHOTOVOLTAIC GENERATION WITH STORAGE SYSTEM APPLIED TO DISTRIBUTED GENERATION IN THE RESIDENTIAL AREA Elisa Toshie Hara Ida March/2019 Advisor: Maurício Aredes Course: Electrical Engineering Distributed generation, also distributed energy, is an area that is constantly growing worldwide. A concern with more sustainable goals has been the issue of international discussions. In line with this scenario, one of the projects of the Laboratory of Power Electronics and Medium Voltage Applications is the development of a photovoltaic system connected to the local distribution network. Currently, the structure of photovoltaic solar panels is already installed and the power equipment is in the final testing phase. In this work the operation of one of the converters is analyzed for a future insertion of a storage system. After a technical analysis, the economic viability of the system is essential. A storage system still has a high price. Therefore, the study is necessary to be a future application of the equipment in a commercial level. vii

8 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas x xiii 1 Introdução Apresentação Objetivo Projeto Organização Fundamentos Teóricos Geração Solar Fotovoltaica Painel Fotovoltaico Célula Fotovoltaica Módulo Fotovoltaico Arranjo Fotovoltaico Rastreamento do ponto de máxima potência Configurações do Sistema Fotovoltaico Energia Solar Fotovoltaica como Investimento Taxa Mínima de Atratividade Valor Presente Líquido Payback Taxa interna de retorno Conversores de Potência Conversor CC-CC Pulse Width Modulation Conversor Buck Conversor Boost Conversor Buck-Boost Conversor Bidirecional Projeto do Conversor CC-CC viii

9 3.2 Conversor CC-CA Viabilidade Técnica Controlador de Carga Estratégia de Controle Primeiro Estágio - Carga Leve (Trickle Charge) Segundo Estágio - Carga Profunda (Bulk Charge) Terceiro Estágio - Carga de Flutuação (Float Charge) Algoritmo Implementação do Algoritmo de Rastreamento de Máxima Potência Inversor operando como Seguidor de Rede Transformada de Clarke Transformada de Park Sincronização baseada em Phase-Locked Loop Controle do Inversor Inversor operando como Sintetizador de Rede Viabilidade Econômica Dimensionamento do Sistema de Energia Solar Fotovoltaica Residencial Consumo de Energia Elétrica Geração de Energia Solar Fotovoltaica Custos do Sistema Solar Fotovoltaico Resultados e Discussões Esquemático do Sistema Solar Fotovoltaico Esquemático do Circuito da Geração Fotovoltaica Esquemático do Circuito do Conversor Bidirecional Esquemático do Circuito do Inversor Implementação do controle dos Conversores de Potência Modo de Carregamento da Bateria Modo de Descarregamento da Bateria Fluxo de Caixa do Sistema Fotovoltaico Residencial Considerações Finais 65 Referências Bibliográficas 66 ix

10 Lista de Figuras 1.1 Evolução da potência instalada de geração distribuída (MW)[1] Vista superior do arranjo instalado no estacionamento Configuração Básica do Sistema Solar Fotovoltaico Representação da Célula, Módulo e Arranjo Fotovoltaico Corte transversal de uma célula fotovoltaica. Adaptado do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito (CRESESB)[2] Circuito Elétrico Equivalente da Célula Fotovoltaica Curva de Corrente Versus Tensão do Módulo Fotovoltaico Curva de Potência Versus Tensão do Módulo Fotovoltaico Curva de Corrente Versus Tensão do Arranjo, com variação de temperatura Curva de Potência Versus Tensão do Arranjo, com variação de temperatura Curva de Corrente Versus Tensão do Arranjo, com variação de irradiação Curva de Potência Versus Tensão do Arranjo, com variação de irradiação Curvas de Corrente, Tensão e Potência Curvas com sombreamento parcial. Adaptado de Bastos et al. (2012) Ponto de operação do MPPT. Adaptado de Bastos et al. (2012) Representação do algoritmo Tensão Constante Representação do algoritmo P&O Representação gráfica do algoritmo Incremental Representação do algoritmo Incremental Sistema Fotovoltaico Isolado Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede com Armazenamento Esquemático dos Conversores x

11 3.2 Sinal de comparação Gráfico do Duty Cycle Circuito Equivalente Conversor Buck Análise do circuito do conversor Buck com a chave fechada Análise do circuito do conversor Buck com a chave aberta Formas de onda do Conversor Buck Circuito Equivalente do Conversor Boost Análise do circuito do conversor Boost com a chave fechada Análise do circuito do conversor Boost com a chave aberta Formas de onda do Conversor Boost Circuito Equivalente do Conversor Buck-Boost Análise do circuito do conversor Buck-Boost com a chave fechada Análise do circuito do conversor Buck-Boost com a chave aberta Formas de onda do Conversor Buck-Boost Circuito Equivalente Conversor Bidirecional Forma de onda no indutor do conversor bidirecional Projeto do Boost Esquemático dos Inversores Configuração do Inversor Trifásico Sinal das chaves e a tensão de saída. Adaptado de [3] Algoritmo do controle do conversor Fluxograma do Algoritmo Utilizado no Conversor Diagrama de blocos do algoritmo da condutância incremental Rastreamento do MPP pelo método da condutância incremental Transformada de Clarke Transformada de Park Diagrama de blocos do PLL Diagrama de blocos do PLL utilizado Sinal de saída do PLL Diagrama de bloco do controle do inversor operando conectado à rede Diagrama de bloco do controle do inversor operando ilhado Diagrama de bloco para o dimensionamento do sistema Consumo de Energia Elétrica Anual Previsão do Consumo de Energia Elétrica Anual Consumo de Energia Elétrica Anual. Adaptado de Corona Solar Dados Solarimétricos Anual Dados Solarimétricos Anual Eficiência do painel ao longo do tempo xi

12 6.1 Simulação do Sistema Solar Fotovoltaica Simulação da Geração Fotovoltaica Curva PV do Arranjo Simulação do Conversor Bidirecional Algoritmo do Conversor Bidirecional Simulação do Inversor Diagrama de bloco do inversor no eixo direto Diagrama de bloco do inversor no eixo em quadratura Esquemático do controle do conversor, operando no modo Buck Corrente do Banco de Bateria Tensão do Banco de Bateria Tensão do Elo CC Fluxo de Potência no carregamento da bateria Esquemático do controle do conversor operando no modo Boost Tensão no Elo CC no ilhamento Tensão na Carga Corrente na Carga Tensão do Elo CC Payback do Investimento xii

13 Lista de Tabelas 6.1 Parâmetros de Entrada Fluxo de caixa dos primeiros 10 anos Fluxo de caixa dos até o vigésimo ano Fluxo de caixa dos últimos anos xiii

14 Capítulo 1 Introdução 1.1 Apresentação Atualmente, há uma grande preocupação da sociedade na busca do crescimento econômico mais sustentável através da maior eficiência no uso dos seus recursos. No setor energético, o crescimento sustentável gerou 9,9 milhões de empregos em 2016, um aumento de 1,1% em relação ao ano anterior segundo a International Renewable Energy Agency (IRENA). A nota técnica de 2017 da Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL, [1] mostra o crescimento da geração distribuída (GD) no país, como pode ser vista na Fig Conforme o órgão regulamentador do setor elétrico, atualmente a GD possui 100 MW instalados pelo país, sendo 80 MW de energia fotovoltaica. Estudos indicam que a micro e mini-geração de origem fotovoltaica deverá ultrapassar a marca de 638 MW em 2020, comprovando ser um mercado de extremo potencial que surge no Brasil. Figura 1.1: Evolução da potência instalada de geração distribuída (MW)[1]. 1

15 Em sintonia com as tendências globais, o Laboratório de Eletrônica de Potência e Média Tensão (LEMT) tem como um de seus projetos a construção de uma microrede conectada à rede elétrica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ. A micro-geração, tem potência instalada de 30kWp, proveniente de fonte de energia solar fotovoltaica que além de alimentar o laboratório poderá entregar o excedente de energia para a rede interna da universidade. O sistema estará dentro dos padrões de conexão estabelecidas pela concessionária local, incluindo a instalação de diversos equipamentos de eletrônica de potência para a medição e condicionamento de energia. No tocante da geração de origem fotovoltaica, a energia será gerada através de 48 painéis fotovoltaicos, fornecendo até 12 kwp. Além do inversor, equipamento utilizado para converter a energia gerada em corrente contínua para alternada, será instalado um conversor que atuará no condicionamento e controle de energia. É utilizado um conversor CC-CC do tipo boost para o ajuste da tensão para valores adequados, controlado por um algoritmo de MPPT (Maximum Power Point Tracking) para garantir a operação no ponto de geração máxima de potência. 1.2 Objetivo O projeto, a simulação e a execução do sistema de geração fotovoltaica está sendo desenvolvido no LEMT. Em paralelo a montagem do conversor, serão realizadas eventuais análises pertinentes ao estudo do sistema através de simulações para melhor compreensão do comportamento de todo o sistema, desde a geração até o consumo final de energia. Ao fim do projeto, ter-se-á estudado o funcionamento do conversor completo, desde o condicionamento para maior estabilidade da micro-rede até sua aplicação para o estudo do comportamento de geração do sistema solar fotovoltaico. O presente trabalho tem como principal objetivo analisar a viabilidade técnica e econômica da operação do conversor CC-CC como controlador de carga para possível inserção de um sistema de armazenamento de energia. A análise técnica constará dois modos de operações dos conversores. O conversor CC-CC carrega e descarrega a bateria e o conversor CC-CA opera conectado à rede e em modo ilhado. Desta forma, também será analisado a viabilidade econômica dessa topologia proposta do sistema solar fotovoltaico. 2

16 1.3 Projeto O arranjo foi implementado no Centro de Tecnologia da UFRJ, no estacionamento do bloco H, como mostra a Fig.1.2. O telhado além de oferecer sombra para veículos, serve de suporte para as placas fotovoltaicas. Adotou-se esta configuração pela simplicidade e praticidade na implementação do projeto. Figura 1.2: Vista superior do arranjo instalado no estacionamento. 1.4 Organização Esse trabalho está organizado em 7 capítulos para facilitar o entendimento da análise técnica e econômica do projeto. No capítulo 2 será abordado os principais conceitos teóricos do sistema de energia fotovoltaica e seu valor como investimento. O capítulo 3 apresenta os principais conversores de eletrônica de potência para o sistema. No capítulo 4 e 5 são feitos o estudo da viabilidade técnica e econômica do projeto, respectivamente. Os resultados e discussões serão abordados no capítulo 6. Finalmente, no capítulo 7, traz a conclusão do projeto e novas propostas para futuros trabalhos. 3

17 Capítulo 2 Fundamentos Teóricos Neste capítulo serão apresentados os componentes básicos para um Sistema Fotovoltaico. Em geral, a estrutura mais utilizada [4] possui quatro composições: o arranjo, a unidade de controle e condicionamento, armazenamento e a conexão com o usuário, como exemplificado na figura 2.1. O painel fotovoltaico gera a energia elétrica, a unidade de controle é essencial para condicionar o sinal de entrada, opcionalmente o sistema pode ter um sistema de armazenamento e por fim, a conexão da geração com o usuário final. Figura 2.1: Configuração Básica do Sistema Solar Fotovoltaico. 2.1 Geração Solar Fotovoltaica Painel Fotovoltaico Como pode ser visto na Fig. 2.2, o arranjo fotovoltaico é uma composição dos painéis solares fotovoltaicos, que são constituídos por células fotovoltaicas. As células são de materiais semicondutores, geralmente de Silício, que transformam a energia proveniente do sol em energia elétrica. A ligação em série das células origina o módulo, ou seja, o painel fotovoltaico e o conjunto desses conectados em série e paralelo compõe o arranjo. Desta forma, a configuração do arranjo será dimensionada 4

18 de acordo com o propósito de cada projeto. Figura 2.2: Representação da Célula, Módulo e Arranjo Fotovoltaico Célula Fotovoltaica A Fig. 2.3 mostra um corte transversal da célula fotovoltaica. O componente responsável pela conversão da célula fotovoltaica em eletricidade é o fotodiodo. Esse é composto por materiais semicondutores do tipo p, que é uma região com lacunas, e do tipo n, no qual há excesso de elétrons. O material do tipo n é feito para que os raios solares passem sem muitas dificuldades para o material do tipo p. Assim, os fótons transferem energia para os íons negativos presentes liberando elétrons, o que resulta em corrente elétrica. Figura 2.3: Corte transversal de uma célula fotovoltaica. Adaptado do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito (CRESESB)[2] 5

19 A Fig. 2.4 representa o circuito elétrico equivalente da célula fotovoltaica. Figura 2.4: Circuito Elétrico Equivalente da Célula Fotovoltaica. Pode-se modelar matematicamente a célula fotovoltaica pela equação: Em que: I = I P V I 0 [e (V P V +IR S ) nkt C q 1] (V P V + IR S ) R P (2.1) V P V : Tensão de Saída (V); I: Corrente de Saída (A); I P V : Foto-corrente (A); I 0 : Corrente de Saturação (A); R S : Resistência série (Ω); R P : Resistência paralela (Ω); q: Carga do elétron (C); k: Constante de Boltzmann (J/K); T C : Temperatura ambiente (K); η: Fator de qualidade da junção p. Nota-se pela equação 2.1 que a corrente gerada varia em relação à variáveis externas como irradiação e temperatura assim como variáveis internas que compõem o painel solar fotovoltaico. 6

20 2.1.3 Módulo Fotovoltaico O módulo fotovoltaico possui duas principais características elétricas, tensão de circuito aberto e corrente de curto circuito, que precisam ser entendidas para selecionar o módulo apropriado para cada tipo de aplicação. A tensão de circuito aberto, V OC, é medida quando o módulo está sem nenhuma conexão em seus terminais, através de um voltímetro. Ao ligar os terminais diretamente, com o amperímetro mede-se a corrente de curto circuito, I SC. Nesse projeto foram utilizadas as placas solares fotovoltaicas do fabricante Yingli Energy, modelo YL245-29b. Assim, de acordo com a folha de dados do equipamento, os gráficos das Fig. 2.5 e Fig. 2.6 ilustram as curvas características do módulo, com os valores padrões de temperatura e irradiação, 25 e 1000kW/m 2, respectivamente. Figura 2.5: Curva de Corrente Versus Tensão do Módulo Fotovoltaico. Figura 2.6: Curva de Potência Versus Tensão do Módulo Fotovoltaico. Então, analisando a curva característica do módulo, obtêm-se: Potencia Máxima: P MP P = V MP P I MP P Eficiência: η = V MP P I MP P A I C Fator de Forma: F F = V MP P I MP P V oc I SC Onde, V MP P : Tensão no Máximo Ponto de Potência 7

21 I MP P : Corrente no Máximo Ponto de Potência I C : Luz Incidente A: Área útil Com base nos dados do fabricante, têm-se que: P M = 245 η = 15% F F = 0, Arranjo Fotovoltaico O arranjo pode ser configurado com diversas combinações em série e paralelo dos painéis solares. O desempenho da sua configuração depende, essencialmente, da intensidade luminosa e temperatura das células. Nesse projeto, o arranjo é de 16 painéis em série e 3 em paralelo, resultando nos gráficos da Fig. 2.7, Fig. 2.8, Fig. 2.9 e Fig Assim, nos gráficos da Fig. 2.8 e da Fig é possível notar que a potência gerada aumenta diretamente com a intensidade luminosa e inversamente com a temperatura. Figura 2.7: Curva de Corrente Versus Tensão do Arranjo, com variação de temperatura. Figura 2.8: Curva de Potência Versus Tensão do Arranjo, com variação de temperatura. 8

22 Figura 2.9: Curva de Corrente Versus Tensão do Arranjo, com variação de irradiação Figura 2.10: Curva de Potência Versus Tensão do Arranjo, com variação de irradiação Rastreamento do ponto de máxima potência Quando o painel fotovoltaico encontra-se com irradiância solar uniforme, ou seja, sem sombreamento, a curva de tensão e corrente assim como tensão e potência podem ser vistos na Fig Existe um único ponto onde a derivada é nula, isto é, terá somente um ponto de máxima potência. A variação de temperatura é um processo mais lento, em oposição da brusca variação de irradiância, como por exemplo, na passagem de uma nuvem ou até mesmo no sombreamento feito por objetos ao redor da instalação fotovoltaica. A Fig apresenta essa inesperada variação de irradiância ocasionada por um sombreamento parcial. Essas variações de temperatura e, principalmente, de irradiação, ocasionadas por diversos motivos, alteram a cada instante uma nova potência elétrica, que o arranjo fornecerá ao consumidor. Então, se torna essencial um controle do conversor para garantir a operação da tensão no seu ponto máximo. Consequentemente, a máxima potencia é transferida ao sistema. Esse procedimento é conhecido pela sigla em inglês, MPPT, Maximum Power Point Tracking, como observado na Fig

23 Figura 2.11: Curvas de Corrente, Tensão e Potência. Figura 2.12: Curvas com sombreamento parcial. Adaptado de Bastos et al. (2012) Os três algoritmos mais utilizados para o rastreamento de máxima potência são: Tensão Constante, Perturba e Observa e Condutância Incremental que serão apresentados a seguir. 10

24 Figura 2.13: Ponto de operação do MPPT. Adaptado de Bastos et al. (2012) Método da Tensão Constante O método da Tensão Constante é o mais simples e, por isso fácil de implementar, em contra partida não é muito preciso [5]. A Fig mostra que o ponto de máxima potência tem uma pequena alteração para mudanças significativas de irradiação. Porém, a variação de temperatura provoca mudanças consideráveis na tensão de máxima potência, conforme visto na Fig Neste caso, o controle não se mostra eficaz, fazendo com que o sistema opere fora do MPP. A representação do algoritmo pode ser vista na Fig Ao medir a tensão de saída dos painéis fotovoltaicos, V módulo, esse é comparado ao sinal de referência, V MP P. Se o sinal medido for maior que o desejado, a variável (D), do inglês duty cycle, utilizada para controle de conversores que será detalhada posteriormente na seção é incrementado. Caso contrário, será feita uma subtração desse mesmo valor. Posteriormente, é analisado o D para que fique entre 0 e 1. Assim, repete-se o processo até que a tensão dos módulos seja igual ao valor de referência. Vale ressaltar que, nesse método, é considerado que o valor de temperatura é mantido constante, por isso a medição é feita apenas na tensão dos módulos. Como consequência, o custo de sensoriamento é baixo, aplicando em sistemas geralmente de pequeno porte, já que o custo e a implementação serão favoráveis a esse tipo de aplicação. 11

25 Figura 2.14: Representação do algoritmo Tensão Constante. Método Perturba e Observa No Método Perturba e Observa, além da medição da tensão, a corrente do módulo também é medida, I módulo. Ambos são feitos em interações que consiste,também, na análise da aquisição anterior, (t-1). A partir da medição da tensão e corrente é obtida a potência. A partir dos dados da potência, é possível analisar se o sistema está se aproximando ou afastando do ponto máximo de potência. Assim, haverá um acréscimo ou decréscimo no ciclo de trabalho. Se P >0, é mantido o duty cycle de acordo com que foi estabelecido anteriormente. Porém se P <0, significa que o sistema está em direção oposta para obter o ponto de maior potência o que implica em trocar D de sentido. A Fig exibe o fluxograma do algoritmo. Esse algoritmo é um dos mais utilizados devido a simplicidade na implementação e ótimo custo-benefício [6]. A maior dificuldade desse método são os pontos ao redor do Máximo Ponto de Potência (MPP)[7]. 12

26 Figura 2.15: Representação do algoritmo P&O. Método Condutância Incremental O Método Condutância Incremental é a combinação entre velocidade de rastreamento e qualidade de resposta. Possui uma lógica mais complexa, pois compara a condutância instantânea do módulo e a condutância incremental. A potência fornecida pelos módulos é dada por: P módulo = V módulo I módulo (2.2) É necessário determinar como a potência varia em relação a tensão, assim derivase a equação 2.2 em relação a essa variável, o resultado será: Manipulando a equação 2.3, obtêm-se: dp modulo dv modulo = I modulo + V modulo di modulo dv modulo (2.3) 1 V modulo dp modulo dv modulo = I modulo V modulo + di modulo dv modulo (2.4) A Fig mostra a curva entre potência e tensão. Observa-se que a esquerda do MPP a derivada é maior que zero e a direita do ponto, a derivada é menor do que 13

27 zero. O ponto de máxima potência ocorre quando a derivada da razão de potência em relação a tensão é nula. Neste ponto, a condutância, G modulo = I modulo /V modulo é igual em modulo a sua condutância incremental dg modulo = di modulo /dv modulo, resultando em: I modulo V modulo + di modulo dv modulo = 0 I modulo V modulo = di modulo dv modulo (2.5) Como os valores de tensão e corrente são discretos, reescreve-se a equação 2.5 da maneira: I modulo V modulo = I modulo V modulo (2.6) Dessa maneira, o algoritmo utiliza das equações 2.4 e 2.6. Comparando em que lado da curva da Fig o módulo está operando, se dp é positiva ou negativa dv e assim incrementando o ciclo de trabalho no sentido de deslocar o ponto que o conversor está operando para o pico da curva. A Fig apresenta o fluxograma para o método. Figura 2.16: Representação gráfica do algoritmo Incremental. Verifica-se que o método incremental é o mais complexo em relação aos outros métodos, o que exige um esforço computacional maior. Porém, apresenta boa performance e eficiência. Além disso, permite que teoricamente alcance o ponto de máxima potencia sem erro de regime permanente. 14

28 Figura 2.17: Representação do algoritmo Incremental Configurações do Sistema Fotovoltaico Existem três configurações para o Sistema Fotovoltaico: conectada a rede, isolada ou híbrido [8]. Cada uma delas possui vantagens e desvantagens, por isso será selecionado para o projeto aquele que se adeque melhor as condições ambientais, sociais e econômicas. Isolado No Sistema Fotovoltaico Isolado, a utilização de um sistema de armazenamento se torna essencial para a manutenção da autonomia. No âmbito residencial, é mais adequado utilizar o banco de bateria como sistema de armazenamento pelo seu custo, capacidade de armazenamento, autonomia, tempo de descarga, densidade de energia, rendimento e durabilidade quando comparado as demais tecnologias. O consumo de energia gerado pelo sistema fotovoltaico pode ser por uma única 15

29 unidade ou por um pequeno grupo. O Brasil é um país que possui uma enorme extensão territorial, o que favorece a geração de energia solar isolada da rede, em região de difícil acesso, principalmente em áreas rurais. O esquema do sistema solar fotovoltaico isolado é mostrado na Fig Figura 2.18: Sistema Fotovoltaico Isolado. Conectado à Rede Pela simplicidade da Fig. 2.19, nota-se que a grande vantagem dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede é que dispensam o uso do banco de bateria para armazenar a energia. A geração solar fotovoltaica pode ser utilizada diretamente para alimentar as cargas ou injeta-la na rede. Este tipo de instalação vem crescendo no cenário mundial, e atualmente no Brasil. Figura 2.19: Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede. Conectado à Rede com Sistema de Armazenamento O sistema conectado à rede com armazenamento proporciona maior gerenciamento no consumo da energia, a Fig mostra um típico esquema desse sistema. O banco de bateria pode armazenar energia durante o dia e injetá-la durante a noite. Além da economia, oferece maior confiabilidade durante a operação ilhada uma vez que as cargas essenciais serão supridas quando houver a desconexão da rede. Vale ressaltar que a bateria é a componente fundamental dessa configuração. Porém, ainda há necessidade do desenvolvimento tecnológico, principalmente para 16

30 Figura 2.20: Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede com Armazenamento. aumentar a sua vida útil, capacidade de armazenamento e diminuir seu preço. Sendo assim, para cada projeto é necessário analisar o modelo e seus parâmetros. Os principais tipos de bateria são: Chumbo-Ácido A principal aplicação da bateria de chumbo ácido na indústria automobilística. Atualmente, existe o modelo com ciclo profundo. A sua principal vantagem é que permite em torno de 500 ciclos de descarga a mais quando comparada com a convencional.[9] Níquel-Cádmio A bateria de Níquel-Cádmio possui algumas vantagens em relação a de Chumbo Ácido, dentre elas, possui uma carga mais rápida e maior densidade de energia e ciclo de vida com 1000 cargas. Porém, seu custo é mais elevado quando comparado a de chumbo ácido e contém materiais tóxicos que não podem ser descartáveis no meio ambiente. Níquel Metal Hidreto A bateria de Níquel Metal Hidreto se destaca em relação a de Níquel-Cádmio principalmente pelo material ser não tóxico, além de possuir o dobro de densidade de energia. A principal limitação é devido a frequente manutenção, pois devem ser feitas descarregas completas para evitar a formação de cristais. Lítio-Íon A bateria de Lítio-Íon possui a mais recente tecnologia e o crescimento da demanda é exponencial [10]. O Lítio tem o maior potencial eletroquímico e fornece a maior densidade de energia por massa quando comparada ao outros metais de bateria. A principal desvantagem ainda é seu elevado custo. 17

31 2.2 Energia Solar Fotovoltaica como Investimento Os sistemas com energia solar fotovoltaica no âmbito residencial são considerados investimentos de baixo risco, devido a confiabilidade da geração de energia. Atualmente, o CRESESB disponibiliza dados solarimétricos de 17 anos de imagens de satétite e com informações de pontos no Brasil, auxiliando no dimensionamento da geração solar fotovoltaica. Desta maneira, é necessário fazer a análise da viabilidade econômica do investimento na energia solar fotovoltaica residencial. Assim, são utilizados métodos conhecidos da matemática financeira [11] Taxa Mínima de Atratividade A Taxa Mínima de Atratividade (TMA) é o mínimo de retorno que o investidor deseja obter pelo investimento Valor Presente Líquido O Valor Presente Líquido (VPL) é o somatório de todos os fluxos de caixa estimados de um investimento, acrescentado ao valor do custo inicial. O fluxo de caixa pode ser definido como entrada e saída dos recursos financeiros, sendo uma ferramenta essencial para análise financeira. Se o VPL for positivo a decisão é favorável a realização do investimento, pois além de cobrir o custo do investimento inicial, remunera a taxa mínima exigida pelo investidor. Caso ao contrário, não pagará o investimento inicial. Matematicamente, V P L = n F C i (1 + T MA) i = F C F C (1 + T MA) 1 + F C 2 (1 + T MA) F C n (1 + T MA) n (2.7) i=0 Em que: F C 0 é o Fluxo de caixa no período zero, ou seja, é o investimento inicial; F C 1, F C 2 e F C n indicam os fluxos de caixas nos próximos períodos Payback O retorno de investimento, também conhecido como Payback, corresponde ao período ao qual se obtêm o retorno do investimento. 18

32 2.2.4 Taxa interna de retorno A Taxa interna de retorno (TIR) é quando a taxa de desconto se iguala ao valor dos fluxos de caixa futuros ao investimento inicial. Matematicamente, a TIR é obtida igualando o VPL a zero. Assim: V P L = 0 = n i=0 F C i (1 + T MA) i = 0 F C 0 + F C 1 (1 + T MA) 1 + F C 2 (1 + T MA) F C n (1 + T MA) n = 0 (2.8) 19

33 Capítulo 3 Conversores de Potência É de suma importância o estudo e desenvolvimento da unidade de controle e condicionamento, pois essa será responsável por adequar o sinal de entrada a saída desejada. Fundamentalmente, os conversores de potência são encarregados de realizar tal ação. São classificados de acordo com o sinal recebido da geração e enviado para o usuário. Devido a aplicação deste trabalho serão utilizados os conversores denominados CC-CC e CC-CA. 3.1 Conversor CC-CC Os conversores CC-CC são amplamente estudados na literatura [3], formados pela combinações de dispositivos tais como a chave controlada de material semicondutor, diodo, indutor e capacitor. O seu principal objetivo é controlar o fluxo de energia entre dois níveis de tensões, como pode ser observado na Fig Figura 3.1: Esquemático dos Conversores. Uma das funções que podem ser realizadas pelos conversores CC-CC é no controle de carga das baterias. Em projetos que possuem sistemas de armazenamento é essencial o controle de tensão e corrente que são aplicadas a baterias, aumentando assim a vida útil dos componentes. A outra função dos conversores é a regulação de tensão, aumentando ou diminuindo, de acordo com a necessidade da fonte que nem sempre é constante. A 20

34 regulação é feita pela modulação por largura de pulso, conhecida pela sigla, em inglês PWM, Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation O princípio de funcionamento do PWM é uma comparação entre dois sinais, como mostrada na Fig Quando o valor de referência for maior que o sinal triangular, o sinal de saída é no nível alto, caso contrário será no nível baixo. Essa modulação do PWM corresponde a uma função binária, 0 ou 1, que tornará um sinal de comando para um dispositivo capaz de abrir e fechar o circuito de acordo com a frequência estabelecida pelo sinal triangular. Figura 3.2: Sinal de comparação. O ciclo de trabalho, também é conhecido pelo o termo, em inglês, Duty Cycle, pode ser calculado da seguinte maneira: Portanto, D = t on T s (3.1) t on = DT s (3.2) Sabe-se que o período, T S, é: T s = t on + t off (3.3) Assim, substituindo (3.1) em (3.3) e manipulando os termos, obtêm-se: t off = (1 D)T s (3.4) 21

35 A Fig. 3.3 representa graficamente o Duty Cycle. Em o mesmo período, pode-se ajustar o valor do t ON e assim obter diferentes ciclos de trabalho. Figura 3.3: Gráfico do Duty Cycle. Os conversores apresentam dois modos de operação: contínuo ou discontínuo. Em geral, é desejado operar o equipamento no modo contínuo. As principais topologias são: Buck (abaixador); Boost (elevador); Boost-Buck (abaixador-elevador) Conversor Buck O conversor Buck é utilizado como abaixador, condicionando o sinal de saída inferior ao de entrada. A Fig. 3.4 representa o circuito elétrico equivalente do conversor. Figura 3.4: Circuito Equivalente Conversor Buck. Para o melhor entendimento será analisado o circuito em dois instantes: a chave aberta e a chave fechada, mostradas na Fig. 3.5 e na Fig

36 Chave Fechada O circuito equivalente quando a chave permanece fechada pode ser visto na Fig Figura 3.5: Análise do circuito do conversor Buck com a chave fechada. Considerando a chave ideal e o sinal de entrada constante, o sinal médio de tensão no indutor será a diferença da tensão de entrada e saída, dada pela equação: V L = V in V out (3.5) Chave Aberta Para análise do circuito com a chave aberta, o circuito equivalente será visto na figura 3.6. Figura 3.6: Análise do circuito do conversor Buck com a chave aberta. Analisando o circuito com a chave aberta, a tensão no indutor será: forma, V L = V out (3.6) Pode ser afirmado que a tensão média no indutor, V L, será igual a zero. Desta ton 0 v L dt + Ts t on v L dt = 0 (3.7) 23

37 (v in v out )t on + ( v out )(T s t on ) = 0 (3.8) Logo, V out V in = t on T s = D (3.9) Então, pode-se representar todo o estudo do conversor CC-CC tipo Buck com o gráfico da Fig É importante ressaltar que como a análise é feita em um modo contínuo, o valor da corrente no indutor não será zero. Figura 3.7: Formas de onda do Conversor Buck. 24

38 3.1.3 Conversor Boost O conversor Boost é utilizado para aumentar a tensão de um sistema, ou seja, seu sinal de saída será maior do que o de entrada. Mostra-se o circuito elétrico equivalente na Fig Novamente, será feita análise de forma separada nos dois estados da chave. Figura 3.8: Circuito Equivalente do Conversor Boost. Chave Fechada A Fig. 3.9 representa o circuito que será estudado ao fechar a chave. Figura 3.9: Análise do circuito do conversor Boost com a chave fechada. A análise é similar ao tipo de conversor anterior, considerando a chave ideal e o sinal de entrada constante, o sinal médio de tensão no indutor será: V L = V in (3.10) 25

39 Chave Aberta Quando a chave é aberta, fluirá corrente pelo diodo e também pelo capacitor, assim como indicado na Fig Figura 3.10: Análise do circuito do conversor Boost com a chave aberta. Analisando o circuito com a chave aberta, a tensão no indutor será: V L = V in V out (3.11) Como visto anteriormente, V L será igual a zero. Desta forma: Logo, ton 0 v L dt + Ts t on v L dt = 0 (3.12) v in t on + (v in v out )t off (3.13) Desenvolvendo a equação 3.14, V in DT s + (V in V out )(1 D)T s = 0 (3.14) V out V in = 1 1 D (3.15) Processando todas as informações do conversor CC-CC do tipo Boost, é possível obter os gráficos da Fig

40 Figura 3.11: Formas de onda do Conversor Boost Conversor Buck-Boost O conversor CC-CC do tipo Buck-Boost é uma combinação entre os outros dois conversores que foram analisados anteriormente. Sua configuração permite o sinal de saída, o aumento ou a diminuição, da tensão de entrada, com a polaridade inversa. Seu circuito equivalente é representado na Fig Figura 3.12: Circuito Equivalente do Conversor Buck-Boost. 27

41 Chave Fechada O circuito equivalente quando a chave permanece fechada pode ser visto na figura Figura 3.13: Análise do circuito do conversor Buck-Boost com a chave fechada. O sinal médio de tensão no indutor será: V L = V in (3.16) Chave Aberta O circuito equivalente será visto na figura Figura 3.14: Análise do circuito do conversor Buck-Boost com a chave aberta. A tensão no indutor será: Assim, V L = V out (3.17) V in DT s + ( V out )(1 D)T s = 0 (3.18) V out V in = D 1 D Desta forma, pode-se plotar o gráfico da figura (3.19) 28

42 Figura 3.15: Formas de onda do Conversor Buck-Boost Conversor Bidirecional A topologia do conversor bidirecional é a combinação dos conversores, como visto na Fig Desta forma, essa topologia de conversor opera transferindo potência em duas direções. Na literatura, denomina-se o modo Buck e Boost, devido a variação na tensão de entrada e saída do conversor aumentar ou diminuir [12]. Vale ressaltar que a tensão, V 2 deve ser sempre maior que V 1 para que essa topologia funcione. A forma de onda da corrente no indutor do conversor bidirecional é ilustrada na Fig As chaves semicondutoras controladas operam com razões cíclicas complementares, ou seja, D e 1 -D, como visto nas Seções e Desta forma, o equipamento sempre irá operar no modo contínuo. A vantagem desse conversor bidirecional é que permite inverter o fluxo de energia de maneira rápida, controlando as razões cíclicas das chaves semicondutoras, sem a necessidade de dispositivos externos. 29

43 Figura 3.16: Circuito Equivalente Conversor Bidirecional. Figura 3.17: Forma de onda no indutor do conversor bidirecional Projeto do Conversor CC-CC O projeto contempla desde o cálculo dos componentes até a montagem efetiva. A Fig mostra a idealização do projeto e posteriormente a sua construção. O conversor CC-CC é do tipo Boost, porém no presente trabalho será analisado a possibilidade do conversor atuar como bidirecional, utilizado como controlador de carga. No modo boost para a descarga da bateria e modo buck para carregar a bateria. Em [13] e [14], o dimensionamento dos componentes do Conversor CC-CC podem ser demonstrados com valores calculados do máximo duty cycle, ripple na corrente do indutor e corrente máxima na chave. Dimensionamento do Boost Os seguintes parâmetros foram definidos para esse projeto: 30

44 Figura 3.18: Projeto do Boost Tensão de Entrada (V in ): 400V Tensão de Entrada Máxima (V inmax ): 150V Tensão de Saída (V out ): 450V Corrente Máxima (I max ): 40A Frequência de Chaveamento (f S ): Hz 1. Máximo Duty Cycle Pela equação 3.15, tem-se que: D = V out V inmax V out η = D = = 0, 57 (3.20) Em que a tensão de entrada será a mínima e η, a eficiência do conversor, é estimada em 80, 85%. 2. Ripple na corrente do indutor I L = 1, 71A (3.21) 31

45 3. Corrente Máxima na chave I SW max = I L 2 + I max 1 D = I SW max = 1, , 57 = 93, 88A (3.22) Indutor L = V in (V out V in ) I L f S V out = 400 ( ) = 2, 2mH (3.23) Capacitor de Saída C = Imax D f S V out = C = Dimensionamento do Buck 40 0, Os seguintes parâmetros foram definidos para esse projeto: Tensão de Entrada (V in ): 450V Tensão de Entrada Máxima (V inmax ): 150 Tensão de Saída (V out ): 266V Corrente Máxima (I max ): 40A Frequência de Chaveamento (f S ): Hz 1. Máximo Duty Cycle Pela equação 3.9, tem-se que: D = = 2350uF (3.24) V out V in η = 266 = 0, 73 (3.25) 450 0, 8085 Em que a tensão de entrada será a mínima e a eficiência do conversor é estimada em 80, 85%. 2. Ripple na corrente do indutor 3. Corrente Máxima na chave I L = 2, 2A (3.26) I SW max = I L 2 + I out = I SW max = 2, = 9, 1A (3.27) 2 32

46 Indutor L = V out (V in V out ) I L f S V in = 266 ( ) 2, = 4, 9mH (3.28) Desta forma, foram calculados valores mínimos de indutor e capacitor de saída para o conversor. Porém, para garantir uma margem de segurança do equipamento, utilizou-se valores comerciais de 5mH e dois capacitores de 4700uF, em série. 33

47 3.2 Conversor CC-CA Os conversores CC-CA, denominados inversores, são amplamente utilizados em sistemas de potência, principalmente quando se trata de energias renováveis, pois são dispositivos que convertem energia de corrente contínua em alternada. Nesse caso específico, os painéis fotovoltaicos são modelados como fonte de corrente contínua, logo, para serem conectados a uma rede de corrente alternada, necessitam de inversores, como exemplificado no diagrama de blocos da Fig Os inversores podem ser monofásicos e trifásicos. O enfoque será os inversores trifásicos devido a direta aplicação no projeto e principalmente sua eficiência para o obtenção de tensões trifásicas com frequências controláveis. Figura 3.19: Esquemático dos Inversores. A configuração dos inversores podem ser vista na Fig No caso, são seis chaves IGBT, da sigla, em inglês Insulated Gate Bipolar Transistors, e diodo em antiparalelo para a reversão de corrente, dando versatilidade a operação. Figura 3.20: Configuração do Inversor Trifásico. O método mais eficiente de controle do inversor é incorporar o controle PWM. O controle PWM é feito a partir de uma onda senoidal em que seu princípio de 34

48 funcionamento é similar ao apresentado no controle dos conversores CC-CC. Desta forma, o sinal triangular é comparado com uma referência senoidal. Os sinais das chaves g 1 e g 3 e a tensão v ab podem ser vistos na Fig Figura 3.21: Sinal das chaves e a tensão de saída. Adaptado de [3] 35

49 Capítulo 4 Viabilidade Técnica 4.1 Controlador de Carga O controlador de carga tem como principal objetivo monitorar o sistema de armazenamento. Desta forma, o equipamento além de carregar totalmente o banco de bateria, impede o total descarregamento para que a sua vida útil não seja prejudicada. Foi proposto neste trabalho que o conversor bidirecional atue como controlador de carga, a fim de verificar sua viabilidade técnica no controle do equipamento de eletrônica de potência Estratégia de Controle O controle do conversor, atrelado a topologia, deve ser definido para que a corrente no indutor seja bidirecional. A topologia proposta foi vista em 3.1.5, em que no período que o equipamento tem que carregar a bateria, a operação do conversor será do tipo Buck, logo a chave T 2 e o diodo D 1 atuam e, complementarmente, no descarregamento T 1 e D 2. A bateria escolhida foi de Chumbo-Ácido, por apresentar baixo custo por kw h e atender os requisitos do projeto, especialmente por terem elevadas correntes em curtos intervalos de tempo. Os fabricantes desse tipo de bateria recomendam que o carregamento seja feito em três etapas, como indicado pela Fig Logo, deve ser implementado o controle de corrente nos primeiros estágios e de tensão no último estágio [15]. 36

50 Figura 4.1: Algoritmo do controle do conversor Primeiro Estágio - Carga Leve (Trickle Charge) Essa etapa ocorre quando a tensão da bateria está abaixo do limite da capacidade de descarga crítica, V CH, geralmente especificada pelo fabricante. Então, o controle deve ser com valor de corrente contante baixo, I T C, até que a tensão da bateria seja superior a V CH Segundo Estágio - Carga Profunda (Bulk Charge) Quando a tensão da bateria é superior a V CH, o carregamento poderá ser feito com a máxima corrente de carga, I BULK, especificada pelo fabricante. Neste estágio, a tensão da bateria aumenta gradativamente até o valor de máximo de sobrecarga, V OC Terceiro Estágio - Carga de Flutuação (Float Charge) Neste estágio o conversor controla a tensão da bateria com o valor especificado pelo fabricante, V F LOAT, de maneira que evite a autodescarga. 37

51 4.1.5 Algoritmo O algoritmo executado carrega a bateria quando a tensão está no valor do estado de carga mínima admissível, V BBmín. Porém quando a bateria está carregada e o sistema desconecta da rede, seja por um defeito ou intencionalmente, o conversor atua no modo Boost para atender a demanda das cargas essenciais. No modo de operação Buck, o controle do conversor deve considerar os estágios de carga da bateria, como visto na Seção Assim, o fluxograma do algoritmo pode ser visto na Fig Figura 4.2: Fluxograma do Algoritmo Utilizado no Conversor. 38

52 Os valores de tensões da bateria variam com a temperatura, logo podem ser calculados por: V BBmín = [V BBmín,25 + α(t (t) 25)] N e (4.1) V CH = [V CH,25 + α(t (t) 25)] N e (4.2) V OC = [V OC,25 + α(t (t) 25)] N e (4.3) V F LOAT = [V F LOAT,25 + α(t (t) 25)] N e (4.4) Em que: α: é taxa de variação da tensão com a temperatura; N e : é o número de elementos que compõe o banco de bateria. 4.2 Implementação do Algoritmo de Rastreamento de Máxima Potência Foi comparado os três algoritmos para rastrear o máximo ponto de potência. Constatou-se que o melhor para implementação do projeto foi o método da condutância incremental [16]. Assim, o algoritmo MPPT foi implementado em código no software PSIM, como pode ser visto na Fig. 4.3, em que a saída gera uma tensão de referência que será utilizada no controle do inversor conectado à rede, que será detalhado na Seção Desta forma, submeteu-se na simulação a variação brusca dos parâmetros de entrada; temperatura e irradiância, como pode ser visto na figura 4.4. Então, foi verificado que o algoritmo consegue rastrear o ponto máximo de potência, viabilizando a utilização no projeto. 39

53 Figura 4.3: Diagrama de blocos do algoritmo da condutância incremental. Figura 4.4: Rastreamento do MPP pelo método da condutância incremental. 4.3 Inversor operando como Seguidor de Rede O controle do inversor operando como seguidor de rede é baseado no balanço energético do sistema. Nesse modo de operação, é feito o controle de potência ativa e reativa [17] Transformada de Clarke A transformada de Clarke é utilizada para que vetores espaciais possam ser definidos a partir da projeção de cada fase nos eixos ortogonais fictícios α e β, como mostrado na Fig Matricialmente, v 0 v α v β = 2 3 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1 1/2 1/2 0 3/2 3/2 v a v b v c 40

54 Figura 4.5: Transformada de Clarke. A transformada inversa é dada por: v a v b v c = Transformada de Park 1/ / 2 1/2 3/2 1/ 2 1/2 3/2 A transformada de Park é utilizada para que vetores espaciais possam ser referenciados em eixos girantes na velocidade síncrona, como mostrado na Fig v 0 v α v β Figura 4.6: Transformada de Park. 41

55 Matricialmente, [ v α v β ] = [ cos(θ) sin(θ) ] [ sin(θ) cos(θ) v d v q ] Sincronização baseada em Phase-Locked Loop O PLL, do inglês Phase-Locked Loop, é um sistema de realimentação em que o sinal é utilizado para fazer o sincronismo de fase. Separa-se em três partes: Detector de fase: Reponsável por gerar um sinal de saída proporcional à fase diferença entre os dois sinais de entrada. Loop Filter: Filtros de alta ou baixa frequências, geralmente um controlador proporcional integral, PI. Oscilador controlado por tensão: Gera um sinal alternado em que sua frequência dependerá de sua entrada. Desta forma, seu diagrama de blocos pode ser visto na figura 4.7. Figura 4.7: Diagrama de blocos do PLL. Atualmente, existem diversas topologias encontradas na literatura. Porém, neste trabalho o foco será o qpll apresentado na Fig Assim, foi implementado o PLL no PSIM, a sua saída, wt, idealmente é uma forma de onda do tipo dente de serra. A figura 4.9 é uma comparação entre o sinal de saída do PLL que é a curva em azul e a tensão de entrada, v α, a curva em vermelho. Percebe-se que ambos estão em sincronia, demonstrando o correto desempenho do PLL, o que valida a aplicação desse tipo de controle para o projeto. 42

56 Figura 4.8: Diagrama de blocos do PLL utilizado. Figura 4.9: Sinal de saída do PLL Controle do Inversor Com o sinal de saída do PLL é possível fazer o controle do inversor. O controle é feito pela comparação da medição do elo CC com a referência, obtida pelo algoritmo do MPPT. Esta diferença passa por um PI e assim geram referências nas coordenadas ortogonais dq para o chaveamento. Desta forma, as referencias de tensão são aplicadas a transformada inversa de park e assim são aplicadas ao PWM para o chaveamento do inversor. O diagrama de blocos do controle ode ser visto na Fig

57 Figura 4.10: Diagrama de bloco do controle do inversor operando conectado à rede. 4.4 Inversor operando como Sintetizador de Rede Quando a geração solar fotovoltaica residencial é desconectada da rede, perde-se a referência de tensão e frequência do sistema. Logo, é necessário que o inversor mantenha valores de tensão aceitáveis na carga e sintetize a frequência do sistema. O controle de tensão pode ser feito a partir de uma malha externa de tensão e um interno de corrente, como ilustrado no diagrama de blocos da Fig Figura 4.11: Diagrama de bloco do controle do inversor operando ilhado. A tensão na carga no referencial de quadratura pode ser obtida por: V L = V 2 D + V 2 Q 44

58 Pode-se escolher diversos valores para V Q. Por simplicidade, optou-se por V Q = 0, obtendo-se: V L = V D Assim, pode-se passar a tensão V D como referência para garantir que o valor da tensão na carga seja aceitável. A frequência do sistema pode ser imposta pelo PLL, dando como referência a frequência desejada. 45

59 Capítulo 5 Viabilidade Econômica 5.1 Dimensionamento do Sistema de Energia Solar Fotovoltaica Residencial O dimensionamento do sistema de energia solar fotovoltaica no âmbito residencial necessita primordialmente do consumo do usuário para que a geração seja projetada de forma a suprir a demanda de energia elétrica. Assim, pode-se verificar a viabilidade econômica do projeto, como ilustra o diagrama de blocos da Fig.5.1. Figura 5.1: Diagrama de bloco para o dimensionamento do sistema Consumo de Energia Elétrica Por meio de dados disponibilizados pela Empresa de Pesquisa Energética, EPE, foi possível obter o histórico mensal de energia elétrica do consumidor residencial [18]. Logo, seu histórico de consumo para o ano de 2018 é ilustrado no gráfico da Fig.5.2. Projeção de Consumo de Energia Elétrica A projeção de consumo de energia elétrica é fundamental para concepção do fluxo de caixa de maneira realista, visto que o horizonte do projeto é de 25 anos devido a garantia que os fabricantes comprovadamente atestam dos painéis fotovoltaicos. 46

60 Figura 5.2: Consumo de Energia Elétrica Anual. A previsão de consumo foi feita com o histórico de consumo dos 5 anos anteriores, disponibilizados pela EPE. A curva em azul da Fig. 5.3 são os dados coletados e a curva em laranja são os valores projetados. Figura 5.3: Previsão do Consumo de Energia Elétrica Anual. 47

61 5.1.2 Geração de Energia Solar Fotovoltaica Assim, de posse da demanda de energia elétrica anual do usuário é possível dimensionar a geração solar fotovoltaica [19]. A Fig. 5.4 ilustra o funcionamento da geração distribuída fotovoltaica com sistema de armazenamento. No momento atual, a Resolução Normativa 482/2012 da ANEEL regulariza o sistema de micro e minigeração distribuída, aderindo ao sistema de compensação. Assim, quando o consumo for maior do que a geração fotovoltaica, a rede elétrica fornece energia para alimentar as cargas. Caso ao contrário, consegue-se injetar a energia excedente na rede, gerando créditos que poderão ser utilizados em um intervalo de tempo de 5 anos. Figura 5.4: Consumo de Energia Elétrica Anual. Adaptado de Corona Solar. Desse modo, dimensiona-se a geração fotovoltaica no âmbito residencial para que a geração não exceda o seu consumo. Além disso, o consumidor paga o custo de disponibilidade, 100kW h para usuários alimentação trifásica. Então, dimensiona-se a geração em torno de 80% da energia anual do seu consumo energético. Irradiação Local A irradiação local é a energia total incidente sobre a superfície. Esse parâmetro é analisado, pois como foi visto na seção 2.1.4, a intensidade luminosa é determinante na geração solar fotovoltaica. Os dados solarimétricos durante o ano foram obtidos a partir de informações disponibilizadas pelo CRESEB, o perfil anual é ilustrado na Fig

62 Figura 5.5: Dados Solarimétricos Anual. Dimensionamento da Geração Solar Fotovoltaica A Fig.5.6 é uma estimativa de geração anual, considerando os dados solarimétricos, a potência de 8kWp e eficiência do equipamento. Figura 5.6: Dados Solarimétricos Anual. 49

63 Projeção de Geração Solar Fotovoltaica Assim, como foi projetado o consumo de energia, é necessário também fazer a projeção da geração. A redução da capacidade do sistema de geração deve-se a taxa de degradação dos painéis fotovoltaicos. A Fig. 5.7 mostra a queda anual da eficiência do painel ao longo dos 25 anos. Figura 5.7: Eficiência do painel ao longo do tempo Custos do Sistema Solar Fotovoltaico Os custos dos investimentos devem ser calculados a partir de uma pesquisa de preço do equipamento e de mão de obra para instalação. Além do painel, inversor, controlador de carga e banco de bateria, o projeto deve conter os seguintes item: Estrutura mecânica; Proteção para instalação; Material elétrico para instalação. Após pesquisa de preço, o custo total estimado do investimento foi de R$ Válido ressaltar que será considerado a troca do inversor e do banco de bateria ao longo do horizonte projetado de 25 anos, considerando a garantia do fabricante. 50

64 Capítulo 6 Resultados e Discussões 6.1 Esquemático do Sistema Solar Fotovoltaico A Fig. 6.1 mostra o circuito simulado da geração solar fotovoltaica, conectada ao banco de baterias e ao inversor no software PSIM. As medições foram feitas na saída do painel, na bateria e no elo, V painel, V bb e V out, respectivamente, para analisar o fluxo de potência nos dois modos de operação. Figura 6.1: Simulação do Sistema Solar Fotovoltaica Esquemático do Circuito da Geração Fotovoltaica A configuração dos painéis solares fotovoltaicos definida na seção foi simulada, como visto na Fig Desse modo, pode-se ver os parâmetros de entrada na Tab A Fig. 6.3 mostra a potência total do arranjo. 51

65 Figura 6.2: Simulação da Geração Fotovoltaica. V OC (V ) 552 I SC (I) V MP P (V ) 435 I MP P (I) Tabela 6.1: Parâmetros de Entrada. Figura 6.3: Curva PV do Arranjo Esquemático do Circuito do Conversor Bidirecional A Fig. 6.4 exibe o esquemático do circuito do conversor bidirecional, atuando como controlador de carga. No modo de operação Buck, o banco de bateria foi modelado com finalidade de produzir uma simulação de carga com tempo reduzido, isso foi feito por um capacitor em série com uma resistência, calculado a partir de uma capacitância equivalente do total da energia armazenada de 20 baterias em série. 52

66 O objetivo do trabalho não foi analisar a descarga da bateria. Então, no modo de operação Boost, o banco de bateria foi modelado por uma tensão constante. Figura 6.4: Simulação do Conversor Bidirecional. O algoritmo, como visto na Seção 4.1.5, foi implementado no simulador por meio de código como ilustra a Fig Além de fornecer tensão e corrente de referência, o código emite um sinal de nível lógico positivo, denominado flag para que o devido estágio do controlador de carga seja ativado. Figura 6.5: Algoritmo do Conversor Bidirecional. 53

67 6.1.3 Esquemático do Circuito do Inversor O esquemático do circuito e controle da simulação do inversor podem ser vistos nas Fig. 6.6, Fig. 6.7 e Fig Figura 6.6: Simulação do Inversor. Figura 6.7: Diagrama de bloco do inversor no eixo direto.. 54

68 Figura 6.8: Diagrama de bloco do inversor no eixo em quadratura. 6.2 Implementação do controle dos Conversores de Potência Modo de Carregamento da Bateria No modo de carregamento é necessário que a tensão do banco esteja abaixo da tensão mínima, especificada pelo fabricante. Buck A Fig. 6.9 mostra um esquemático do controle do conversor. A tensão e a corrente de referência são especificados pelo código, como visto na seção Desta forma, esses sinais são comparados ao sinais medidos e são gerados referências de chaveamento para chave T 2. Vale ressaltar que o sinal da chave T 1 é contrário a lógica de T 2, garantindo que as duas chaves não sejam acionadas simultaneamente. Figura 6.9: Esquemático do controle do conversor, operando no modo Buck. Devido a inicialização do sistema, a bateria é ligada somente em 0.6 segundos. O segundo estágio começa em 1.9 segundos e o último estágio em 3.7 segundos. Colocou-se a tensão da bateria com o valor inicial de 190V. Desta maneira, o controle de corrente de mínimo e máximo carregamento são feitos nos dois primeiros 55

69 estágios, 1.6A e 8A, respectivamente e quando a tensão da bateria tem seu valor de 266V é feito o controle de tensão. Os gráficos 6.10 e 6.11 mostram a corrente e a tensão da bateria, respectivamente. Figura 6.10: Corrente do Banco de Bateria. Figura 6.11: Tensão do Banco de Bateria. Inversor O inversor também tem uma inicialização, operando somente no instante após a 0.5 segundos. A Fig mostra a tensão do elo de corrente contínua. Verifica-se que mesmo quando a bateria está carregando, a tensão não varia abruptamente, indicando que o inversor está regulando a tensão do barramento CC. 56

70 Figura 6.12: Tensão do Elo CC. Fluxo de Potência O fluxo de potência pode ser visto na Fig A curva em azul é a potência na entrada do inversor, a curva em verde é a da bateria e a vermelha representa a geração solar fotovoltaica. Observa-se que no momento do primeiro estágio de carregamento da bateria, a potência no elo está no seu valor nominal. No segundo estágio, com corrente máxima de carregamento, observa-se que o banco de bateria consume a potência de 2kW. No último estágio, verifica-se que a potência do elo retorna ao seu valor nominal. Figura 6.13: Fluxo de Potência no carregamento da bateria. 57

71 6.2.2 Modo de Descarregamento da Bateria No modo de descarga da bateria é necessário que o banco de bateria esteja carregado e o inversor operando em modo ilhado. Boost A Fig mostra um esquemático do controle do conversor. O controle é feito pela diferença da tensão medida no elo CC e uma de referência. Então, o sinal é comparado com uma triangular, gerando o chaveamento para T 1 Figura 6.14: Esquemático do controle do conversor operando no modo Boost. No tempo igual a 0.7 segundos, o sistema é desconectado da rede. Assim, o Boost regula o elo, como pode ser visto na Fig Figura 6.15: Tensão no Elo CC no ilhamento. Inversor O inversor no modo ilhado perde a referência da rede. Assim, nesse modo de operação, a tensão e corrente das cargas residenciais são fornecidas pelo inversor, assim como a frequência. A tensão e corrente na carga podem ser visualizadas nas Fig e Fig. 6.17, respectivamente. 58

72 Figura 6.16: Tensão na Carga. Figura 6.17: Corrente na Carga. Fluxo de Potência O fluxo de potência pode ser visto na Fig A curva em azul é a potência na entrada do inversor, a curva em verde é a da bateria e a vermelha representa a geração solar fotovoltaica. Observa-se que no momento que o sistema fica ilhado, além do Boost regular a tensão do elo, fornece potência para a carga residencial. 59