Conversor Boost Adaptável a Sombreamentos para Sistemas Fotovoltaicos de Bombeamento

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1 Conversor Boost Adaptável a Sombreamentos para Sistemas Fotovoltaicos de Bombeamento Allan F. Cupertino, Gabriel A. G. Ribeiro, Afrânio O. R. Vilela, João H. de Oliveira, Heverton Augusto Pereira Universidade Federal de Viçosa, Av. P. H. Rolfs,s/nº,Viçosa, Minas Gerais Resumo - A curva de potência de um gerador fotovoltaico é afetada pelo sombreamento. A potência fornecida é frequentemente assumida como sendo proporcional a radiação solar, mas o sombreamento pode mudar essa linearidade. Se os painéis fornecerem energia para um bombeamento de água, tal atividade torna-se menos eficiente no caso da formação de uma sombra. Este trabalho propõe uma alteração na largura de pulso no chaveamento do conversor Boost para evitar a queda de tensão em um sistema de bombeamento de água durante sombreamentos. Esta técnica praticamente não gera aumento no custo da instalação e pode evitar a desconexão da carga. Palavras-Chaves Painel Fotovoltaico, Sombreamento, Conversor Boost, Motor CC. I. INTRODUÇÃO Na literatura é muito comum a utilização do termo arranjo fotovoltaico (PV) que pode ser definido como um grupo de células PV e diodos com múltiplas possibilidades de configuração. Em termos de instalação, tais arranjos podem ser fixos em relação à posição do sol e sua principal meta é capturar o máximo de radiação possível, baseado na melhor orientação e localização no espaço. Sabe-se que a influência das sombras causadas por pequenos objetos (postes, árvores, pedaços da própria estrutura do painel) é comumente ignorada durante a instalação de sistemas baseados na energia solar. Contudo, isto pode resultar em uma perda maior que a esperada, quando áreas sombreadas são consideradas. A Fig.1 ilustra o sombreamento causado pela posição do sol em um arranjo fotovoltaico [1]. governo oferece incentivos fiscais para que a população instale em suas residências painéis solares. No Brasil, a energia solar não é muito explorada como apresenta a Tabela I. A potência instalada em usinas está em torno de 92 kw. Deve-se ressaltar que os maiores investimentos ainda são realizados em sistemas isolados da rede. Ainda não existe uma legislação específica quanto aos sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica. TABELA I. USINAS SOLARES FOTOVOLTAICAS INSTALADAS NO BRASIL [3] Usina Potência (kw) Município Araras - RO,48 Nova Mamoré-RO Tauá 5,00 Tauá - Ceará UFV IEE 12,26 São Paulo - SP UFV IEE/ Estaciona. 3,00 São Paulo - SP Embaixada Italiana 50,00 Brasília - DF PV Beta Test Site 1,70 Barueri SP TOTAL: 6 usinas Potência Total: 92,44 kw Em qualquer aplicação que utilize a geração de energia a partir do sol, podem ocorrer períodos do dia onde a iluminação incidente no painel seja não uniforme. Isso gera um aumento da complexidade do sistema em virtude de não existir mais a linearidade entre radiação e corrente[2]. A Fig.2 apresenta uma situação típica de sombreamento em um módulo PV causado por uma árvore. Fig.1. Esquema representando o sombreamento causado exclusivamente pela posição do sol em relação aos painéis fotovoltaicos [2]. Atualmente, a energia solar fotovoltaica tem diversas aplicações, podendo ser utilizada em localidades remotas, na geração de energia no espaço para satélites e em bombeamentos de água. Em países como Alemanha e Espanha, os sistemas fotovoltaicos são conectados à rede elétrica, sendo que o Fig.2. Sombreamento gerado em painéis fotovoltaicos pela presença de árvores. O sombreamento total ou parcial de um painel do sistema pode causar efeitos indesejáveis como a diminuição da potência total gerada e quedas na tensão. Considerando que cada célula é uma fonte de corrente conectada em série com células adjacentes, se uma célula está em uma região sombreada, ela pode ser danificada

2 devido a seu aspecto resistivo. Uma vez que tais células não geram corrente para todo o sistema, ela é tratada como uma carga e dissipará energia. Para evitar isso, os diodos bypass são ligados em paralelo com as células. Na maioria dos casos, apenas um diodo é ligado em paralelo com um conjunto de células fotovoltaicas[4]. Diversos fatores determinam a quantidade de energia que é perdida devido ao efeito de sombras na matriz PV. Os mais importantes são o tipo de módulo fotovoltaico, a forma da sombra sobre o painel, a presença de diodos bypass, a forma da conexão dos módulos (série ou paralelo) e os valores mínimo e máximo que limitam a busca do ponto de máxima potência (MPP). Em aplicações conectadas à rede, o nível de tensão fornecido pela matriz deve ser o mais constante possível devido a sua interação com o sistema existente. Se isso não ocorrer, durante um tempo com sombreamento todo o painel pode ser visto como uma carga para a rede, e como manobra de segurança, um sistema de proteção é ativado a fim de desligá-lo da rede elétrica. Em condições reais de operação os painéis solares fotovoltaicos podem ser conectados a um sistema de busca do ponto de máxima potência (MPPT), que visa fornecer a potência máxima para a carga. Comumente o MPPT é assumido como sendo linearmente proporcional à radiação solar incidente. Assim, mesmo na ocorrência de um sombreamento, é possível calcular a ponto de máxima potência dos painéis PV. Na realidade é difícil estimar com precisão os fatores do sombreamento, devido às mudanças de forma e do deslocamento das sombras no decorrer do dia. Na literatura, algumas estratégias para minimizar o efeito do sombreamento são apresentadas. Em [5] propõe-se vários algoritmos de controle da MPPT, como perturbar e observar (P & O), condutância incremental (INC) e lógica Fuzzy, resultando em sistemas de rastreamento de alto desempenho. Por sua vez, em [6], uma organização não convencional para o algoritmo de MPPT é proposto para maximizar a energia fornecida pelos módulos fotovoltaicos parcialmente sombreados. A fim de aumentar a potência produzida os autores utilizam um esquema de conversor de energia capaz de impor um valor de corrente diferente para cada módulo do painel fotovoltaico. A aplicação da energia solar em bombeamentos vem se desenvolvendo nos últimos anos. Um bom exemplo no contexto mundial é o Nepal. Segundo [7] 90% da população deste país vive em montanhas e colinas. Desta parcela apenas 10% tem acesso a água potável. Deste modo para abastecer essas regiões montanhosas é necessário o uso de sistemas de bombeamentos eficientes. Neste contexto o bombeamento através da energia solar tornou-se uma boa opção para este país que antes fazia uso de bombas a diesel. No Brasil também se desenvolveram sistemas semelhantes resultantes de diversas parcerias. No município de Capim Grosso (BA), foi instalado um sistema de bombeamento para irrigação no açude Rio dos Peixes, conforme pode ser observado na Fig.3. Tal sistema conta com 16 painéis e uma bomba CC de 1 HP. Por não ter um sistema de armazenamento, o bombeamento só é realizado nas horas de insolação e a água é estocada em grandes reservatórios. Devido às variações sazonais do nível da água a solução foi montar o sistema sobre uma balsa flutuante ancorada. Outros sistemas já foram instalados na mesma localidade [8]. O município de Valente (BA) também recebeu um sistema de bombeamento de água. A água retirada de um poço cuja profundidade é de 36 metros e é conduzida a tanques que estão a uma altura de 19 metros acima do nível deste e a uma distancia horizontal de 160 metros. Estes açudes são utilizados na criação de peixes e também no fornecimento de água na época de estiagem. O sistema conta com 16 painéis e uma bomba centrífuga submersa AC com inversor acoplado [8]. Nestes sistemas a maior vantagem é a eliminação do banco de baterias diminuindo o preço de aquisição dos equipamentos. Pode-se observar que uma desvantagem em sistemas desta natureza é o fato deles não apresentarem um sistema de armazenamento de energia de modo que o bombeamento é realizado nos horários de maior insolação. Fig.3. Sistema de bombeamento fotovoltaico no município de Capim Grosso (BA) [8]. Este trabalho propõe um sistema capaz de manter um motor CC, utilizado em um sistema de bombeamento, em funcionamento durante sombreamentos parciais. Será utilizado um conversor elevador com reconfiguração na sua largura de pulso que impedirá quedas bruscas na tensão de alimentação da armadura. Flutuações de corrente de armadura, tensão na armadura, velocidade e torque elétrico são analisados e será feita uma comparação entre a presença e a ausência da técnica sugerida. II. METODOLOGIA Todas as simulações foram realizadas em ambiente Matlab/Simulink. O modelo da célula solar estudado é exibido na Fig.4 [9]. Nesse modelo a fonte de corrente controlada I representa a corrente gerada devido à radiação solar, e esta é calculada de forma linear e proporcional a radiação solar incidente. As resistências R e R representam as perdas da célula fotovoltaica, a primeira representa a resistência dos cristais de junção p-n que constituem a célula, a segunda é a resistência resultante do contato metálico com a carga. A fonte de

3 tensão CC representa o V, a tensão de circuito aberto da célula. Outros dados importantes são as coordenadas do ponto de máxima potência cuja tensão é denotada por V e a corrente é denotada por I. Na Tabela II são exibidos os valores dos parâmetros da célula fotovoltaica. Fig.4. Modelagem de uma célula solar comumente utilizada na literatura. TABELA II. PARÂMETROS DA CÉLULA FOTOVOLTAICA Parâmetros Valores V R 22.1 V 88.4 Ω R 0.989Ω V 17,6 V I 4.55 A 80,08 W P Para a simulação do bombeamento de água foi utilizado um modelo de motor CC já existente no software Matlab. O tipo de excitação escolhida foi a independente. Tal ligação tem como características uma fonte de excitação externa ligada ao circuito de campo e a velocidade é praticamente constante ou ajustável por variação de tensão na armadura. O circuito de armadura do motor foi alimentado com os módulos fotovoltaicos. A tabela III apresenta os parâmetros do motor CC. TABELA III. PARÂMETROS DO MOTOR CC Parâmetros Valores Tensão de Armadura Tensão de Campo Velocidade Nominal Potência 240 V 300 V 12 RPM 5 HP O foco deste trabalho é analisar o comportamento de um motor CC em condições de sombreamento parcial. O sistema proposto é exibido na Fig.5. Cada bloco denotado por PV na Fig. 5 é um módulo constituído de 11 células fotovoltaicas ligadas em série. Por sua vez, cada módulo tem seu conversor elevador. As células são ligadas em série com a finalidade de fornecer tensão suficiente para que o conversor boost trabalhe de forma adequada.se a tensão de entrada for muito pequena em comparação com a de saída, o Boost não será capaz de elevá-la. As 66 células são necessárias para fornecer a potência nominal do motor e por este motivo os 6 painéis foram ligados em paralelo, mantendo a tensão e aumentando a potência fornecida. Fig.5. Diagrama de blocos representando a montagem realizada para executar a simulação do sombreamento. O cálculo do número de células utilizadas foi baseado na potência do motor. A potência máxima fornecida por um painel é dada pela Tabela II. De fato, não podemos considerar que esta será a potência fornecida, pois o sistema não possui sistema de MPPT. Logo, a potência total máxima é dada por (1). P = =5285,28 7 (1) O conversor elevador proposto neste trabalho é apresentado na Fig.6, e é o responsável por garantir que a tensão permaneça na faixa pré-estabelecida mesmo durante um sombreamento. Para tal, um sistema de chaveamento é feito de modo que o ciclo de trabalho do conversor mude para outro valor pré-estabelecido no momento do sombreamento, como é esquematizado na Fig.7. Fig.6.Esquema do conversor Boost utilizado na instalação de bombeamento. Segundo [10] para o projeto do conversor é necessário conhecer a frequência de chaveamento, a tensão de entrada, a tensão de saída, a potência máxima na saída do conversor, a corrente máxima, a ondulação da tensão na entrada, na saída e a ondulação da corrente no indutor. A Tabela IV apresenta as grandezas para o projeto do conversor Boost.

4 Utilizando-se as equações (2), (3), (4) e (5) os dados da Tabela III pode-se determinar os valores das capacitâncias e indutâncias. O novo valor da razão cíclica escolhido foi de 15 % pois quanto menor a razão cíclica mais fácil é o controle da tensão na saída do conversor. A Tabela IV apresenta estes resultados. Fig.7. Fluxograma do funcionamento do sistema e acionamento da técnica em caso de sombreamento. TABELA IV. PARÂMETROS NECESSÁRIOS PARA O PROJETO DO CONVERSOR Parâmetros Valores f frequência de chaveamento Hz V variação na tensão de saída 1 % V variação na tensão de entrada 1 % I ondulação da corrente no indutor 2 % V tensão de entrada 216 V V tensão de saída 240 V P potência na máxima na saída W Em (2) é definida a razão cíclica (ou ciclo de trabalho) do conversor, denotada por D, é o percentual do período na qual o conversor está em estado ligado. = tensão de entrada (V); = tensão de saída (V). = (2) Então é calculado L, indutância do conversor elevador que é dada por (3). = = razão cíclica; = freqüência de chaveamento do conversor (Hz); = Ondulação de corrente no indutor (A). O cálculo do capacitor de entrada é dado por (4). = corrente de entrada (A); = variação da tensão de entrada (V). (3) = (4) O cálculo do capacitor de saída é calculado por (5). = potência de saída (W); = (5) TABELA V. PARÂMETROS DO CONVERSOR UTILIZADO Parâmetros Valores D Ciclo de Trabalho antes do 10 % Sombreamento D_2 Ciclo de Trabalho após o 15 % Chaveamento L Indutor antes do Sombreamento 13.5 mh Capacitor de Entrada µf Capacitor de Saída 2,2 mf Foram estudados diversos níveis de sombreamento parcial, inicialmente fazendo com que cinco dos seis painéis permaneçam recebendo a radiação de referência (1000 W/m²) enquanto um tem seu nível de radiação reduzida para 10%. Após isso, estudou-se o comportamento do sistema quando três dos seis painéis tem sua radiação reduzida a 50%, enquanto o nível de radiação no restante dos painéis permanece na radiação de referência. Em todas as simulações a radiação foi mantida em 1000 W/m² por 1,5 segundos (tempo necessário para que o motor atinja o estado estacionário) e somente após isso o sombreamento é realizado. Pode-se notar que em todos os gráficos foi privilegiada a região um pouco antes e depois do sombreamento, considerando que este trabalho trata apenas de sombreamentos parciais após o sistema estar em pleno funcionamento. A queda na radiação nos painéis em todos os casos durou de 5,5 segundos. A tensão de saída adotada como referência foi de 240 V considerando que podem ocorrer variações na tensão na armadura durante o funcionamento do motor. Outro motivo foi que deste modo a tensão na saída do conversor fica sempre oscilando em torno de 240 volts por causa do chaveamento. III. RESULTADOS Nas simulações realizadas foram estudados diversos níveis de sombreamento parcial. Neste trabalho serão analisados sombreamentos em um e em três painéis. As variáveis analisadas serão referentes ao motor de corrente contínua e consequentemente a eficiência do sistema de bombeamento. Todos os sombreamentos tiveram uma queda na radiação no intervalo de 1,5 a 7 segundos. A primeira situação de sombreamento analisada é com o sombreamento de 1 dos 6 painéis que teve a radiação incidente reduzida para 10 % do valor de referência, ou seja, a 100 W/m². A velocidade de rotação do motor, exibida na Fig. 8, permaneceu constante em 12 RPM, no sistema com o conversor proposto. O que proporcionou o motor manter a

5 velocidade nominal foi o controle da tensão de armadura, que permaneceu no valor de 240 V, conforme Fig. 9. Velocidade do motor (rpm) Fig.8. Velocidade do motor durante um sombreamento de 10% em um dos seis painéis. Tensão de armadura do motor (V) Fig.9. Tensão na armadura do motor durante um sombreamento de 10 % em um dos seis painéis. A utilização do conversor boost com duas freqüências de chaveamento evita picos de corrente no retorno da radiação como pode ser observado na Fig. 10. Esses picos de corrente possuem efeito direto no torque eletromagnético que é exido na Fig 11. Corrente de armadura do motor (A) Fig.10. Corrente na armadura do motor durante um sombreamento de 10% em um dos seis painéis. Torque elétrico do motor (N/m) Fig.11. Torque elétrico durante um sombreamento de 10 % em um dos seis painéis. A segunda simulação realizada foi com um sombreamento de 50% em três dos seis blocos. Nessa situação foi possível observar que o conversor não consegue manter as variáveis analisadas constantes. Na Fig. 12 é possível perceber uma pequena variação da rotação do motor. Consequentemente, sombreamentos com amplitude maior que 50% provocariam quedas ainda maiores. A queda de rotação do motor se deve ao fato do conversor não conseguir manter a tensão na condição nominal, como pode ser observado na Fig. 13. Velocidade do motor (rpm) Velocidade do motor CC em função do tempo 1180 Fig.12. Velocidade do motor durante um sombreamento de 50% em três dos seis painéis. Em relação a corrente de armadura, exibida na Fig. 14 observa-se um pico de corrente, superior a 1 A após o fim do sombreamento. Mas esse pico foi inferior ao sistema de chaveamento fixo que apresentou pico de aproximadamente 4 A. Como descrito anteriormente o pico de corrente provoca um pico no torque eletromagnético exibido na Fig. 15. Essa variação pode ao longo do tempo diminuir a vida útil do motor caso o mesmo seja submetido constantemente a essa situação.

6 Tensão de armadura do motor (V) 232 Fig.13. Tensão na armadura do motor durante um sombreamento de 50 % em três dos seis painéis. Corrente de armadura do motor (A) Fig.14. Corrente na armadura do motor durante um sombreamento de 50% em três dos seis painéis. Torque elétrico do motor (N/m) Tensão de armadura no motor CC em função do tempo Corrente de armadura do motor CC em função do tempo Fig.15. Torque elétrico durante um sombreamento de 50% em três dos seis painéis. IV. CONCLUSÃO Este trabalho teve como objetivo aumentar a eficiência do bombeamento durante situações de sombreamento do painel solar, através do chaveamento do conversor boost com duas freqüências definidas. Os resultados das simulações demostram a capacidade do sistema de manter um motor em condições nominais para diferentes níveis de sombreamento dos painéis. Essa conclusão foi possível através das análise dos parâmetros velocidade, corrente de armadura, tensão na armadura e torque elétrico. Essa solução é de baixo custo quando comparado com o preço de todo o sistema fotovoltaico, pois é necessário apenas alterar o ciclo de trabalho do conversor boost, que pode ser feito com o uso de um microcontrolador. Essa técnica possui a vantagem de utilizar apenas a tensão de armadura do motor para a realização do controle. REFERÊNCIAS [1] ELOY DÍAZ-DORADO, A. S.-G. C. C. J. C. Influence of the PV modules layout in the power losses of a PV array with shadows. EPE, 10. [2] NGUYEN, D. D., Modeling and reconfiguration of solar photovoltaic arrays under non-uniform shadow conditions. Northeastern University. 08. [3] BIG Aneel: Banco de Informação de geração. Disponível em < Acesso em 05 mar. 11. [4] M. S. SWALEH, M. A. G. Effects of shunt resistance and bypass diode on the shadow tolerance of solar cell modules. Solar Cells, v. 5, n. 2, p , [5] DORIN PETREUS, D. M. A. R. T. P. S. D. A Maximum Power Point Tracker for a Photovoltaic System under Changing Luminosity Conditions. International Symposium on Industrial Electronics, Italy, 10. [6] ARMANDO BELLINI, S. B. V. I. MPPT Algorithm for Current Balancing of Partially Shaded Photovoltaic Modules. International Symposium on Industrial Electronics, Italy, 10. [7] SHRESTHA, J. N. Solar PV Water Pumping for Rural Development in Nepal: Problems and Prospects, Kathmandu, [8] (CRESESB/CEPEL): Grupo de Trabalho de Energia Solar Fotovoltaica. Disponível em: < Acessoem 05 mar.11. [9] E. MINEIRO, S. D. F. L. M. A. A. C. M. T. C. Photovoltaic System ForSuply Public Illumination in Electrical Energy Demand Peak. Applied Power ElectronicsConferenceand Exposition, v. vol. 3, p , 04. [10] IMHOFF, J. Desenvolvimento de Conversores Estáticos para Sistemas Fotovoltaicos Autônomos. Dissertação de mestrado em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Maria, Rio Grande do Sul, 07.