UMinho 2011 Cláudio Miguel da Silva Gomes Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Cláudio Miguel da Silva Gomes UMinho 2011 Cláudio Miguel da Silva Gomes Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica Setembro de 2011

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3 Universidade do Minho Escola de Engenharia Cláudio Miguel da Silva Gomes Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação do Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas Setembro de 2011

4 Aos meus Pais

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6 Agradecimentos A realização deste projecto não seria possível sem a ajuda de todos aqueles que, de forma directa ou indirecta, contribuíram para a sua concretização. Desta forma, reservo este espaço para deixar o meu muito obrigado a todas as pessoas que me auxiliaram na realização desta dissertação de mestrado. Agradeço ao professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, meu orientador, por ter aceite o tema por mim proposto, pela disponibilidade e conselhos dados durante a realização deste trabalho. Ao professor Doutor José Manuel T. V. Cabral pela cedência do seu laboratório de investigação numa fase inicial do trabalho. O meu muito obrigado a todos os meus colegas do laboratório, Luís Pacheco, Rui Barros, João Brás, Leandro Cruz, Vítor Costa e em especial ao Pedro Conceição, pelo bom ambiente de trabalho, pela amizade, pelo companheirismo e pelo apoio disponibilizado ao longo desta dissertação. Ao Sr. Joel Almeida, técnico do Departamento de Electrónica de Industrial pelo sua boa disposição, transformando momentos de tensão em momentos de descontracção, salientando-se a sua prontidão no apoio técnico na realização deste projecto. Aos meus pais por toda a confiança que depositaram em mim ao longo de todo o meu percurso académico, pelo apoio e motivação nos momentos em que as minhas forças pareciam esgotar-se e pela compreensão nas ocasiões de maior dificuldade. Obrigado por me proporcionarem a oportunidade de frequentar o ensino superior e por me transmitirem valores essenciais como a humildade, a persistência e a importância do saber, contribuindo assim para a minha realização académica. Universidade do Minho iii

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8 Resumo A produção de energia eléctrica a partir de recursos renováveis assume cada vez mais importância na agenda política dos diversos governos mundiais. Motivados por razões ambientais, económicas e sociais, são cada vez mais os programas de incentivo à produção de electricidade recorrendo às energias renováveis, na tentativa de diminuir a dependência dos recursos fósseis e do exterior, de criar meios de desenvolvimento económico e social sustentáveis, através da criação de novos empregos e de reduzir as emissões de gases poluentes. Deste modo, esta dissertação utiliza a energia solar fotovoltaica para a produção de energia eléctrica na tentativa de demonstrar a sua aplicabilidade no processo de produção de electricidade. A presente dissertação tem como objectivo principal a o estudo, simulação e implementação de um sistema capaz de realizar a interface entre um painel fotovoltaico e a rede eléctrica. Desenvolveu-se um conversor CC-CC (Corrente Contínua Corrente Contínua) Step-up capaz de extrair a potência máxima do painel fotovoltaico, através de um algoritmo de controlo MPPT (Maximum Power Point Tracking) designado Perturbação & Observação. Para a conversão da tensão contínua do painel, numa tensão alternada de 230V e 50Hz para injectar na rede, desenvolveu-se um inversor monofásico em ponte completa. Todo o sistema de controlo é efectuado pelo microcontrolador PIC 18F4431 da Microchip, que tem como funções controlar o conversor CC-CC step-up, executando o algoritmo MPPT, e controlar o inversor de tensão através da técnica de PWM (Pulse Width Modulation) Unipolar implementada. Nesta dissertação apresentam-se os resultados das simulações e os resultados experimentais de todos os circuitos desenvolvidos de forma a validar todo o sistema implementado. Palavras Chave: Energia Solar Fotovoltaica, Energias Renováveis, MPPT (Maximum Power Point Tracking), Step-Up, Conversor CC-CA. Universidade do Minho v

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10 Abstract The electrical energy production from renewable resources assumes an increasing importance in political agenda of several world governments. Motivated for environmental, economic and social reasons, there are increasingly incentive programs to electricity production from renewable energies, in attempt to reduce the dependence of fossil resources and the foreign countries, to create means sustainable economic and social development, by creating new jobs and reduce greenhouse gas emissions. The present dissertation has main objective the study, simulation and implementation a system able to make the interface between a photovoltaic panel and electricity grid. Developed a DC-DC (Direct Current Direct Current) converter step-up able to extract the power maximum photovoltaic panel, through a MPPT (Maximum Power Point Trancking) control algorithm designated of Perturbation and Observation. To convert the continuous voltage of the panel in alternating voltage of 230V and 50Hz for to inject in the grid, a single-phase full bridge inverter was developed. All the control system is made by the PIC 18F4431 microcontroller from Microchip, which has the function of controlling DC-DC converter step-up, running the MPPT algorithm and to controlling the voltage inverter using the technique PWM (Pulse Width Modulation) Uniploar implemented. In this dissertation the simulations results and experimental results of all developed circuits are presented in order to validate the implemented system. Keywords: Photovoltaic Solar Energy, Renewable Energy, MPPT (Maximum Power Point Tracking), Step-Up, DC-AC converter. Universidade do Minho vii

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12 Índice Agradecimentos... iii Resumo... v Abstract... vii Índice... ix Índice de figuras... xiii Índice de tabelas... xix Lista de Símbolos e abreviaturas... xxi 1. Introdução O problema Energético O Sol como Fonte de Energia A Energia Solar Fotovoltaica no Mundo A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Motivações Objectivos Estrutura da Dissertação Sistema Solar Fotovoltaico Introdução Tipos de sistemas fotovoltaicos Sistemas Fotovoltaicos Isolados Sistemas Fotovoltaicos Híbridos Sistemas Fotovoltaicos Ligados à Rede Eléctrica Células Solares Fotovoltaicas Efeito Fotovoltaico Tipos de Células Solares Fotovoltaicas Universidade do Minho ix

13 Modelo Eléctrico e Matemático da Célula Fotovoltaica Curva Característica da Célula Fotovoltaica Módulo Solar Fotovoltaico Conclusões Maximum Power Point Tracking (MPPT) Introdução Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT) Aplicações do MPPT Métodos de Busca do Ponto de Máxima Potência Método da Tensão Constante (CV) Método da Perturbação e Observação (P&O) Método da Condutância Incremental (IncCond) Método da Corrente Constante Conclusões Circuitos Electrónicos de Interface Introdução Conversor de Tensão CC/CC Conversor Elevador de Tensão (Step-Up) CC/CC Modo de Condução Contínua Limite da Condução Contínua Modo de Condução Descontínua Efeito dos Elementos Parasitas Ripple da Tensão de Saída Controlo do step-up com PWM Dimensionamento do Step-Up Inversor Inversor Half-Bridge x Universidade do Minho

14 Inversor Full-Bridge Tipos de Instalações Conectadas à Rede Controlo do Inversor com PWM Conclusões Simulações Computacionais Introdução Simulação do Painel Solar Fotovoltaico Simulação do circuito Step-Up Simulação do circuito MPPT Simulação do circuito Inversor Conclusões Implementação e Resultados Experimentais Introdução Descrição do Sistema Implementado Unidade de Potência Conversor de Tensão CC-CC (Step-Up) Conversor de Tensão CC-CA (Inversor) Unidade de Medida Sensor de Tensão de Efeito Hall Sensor de Corrente de Efeito Hall Unidade de Controlo Microcontrolador Interface PIC18F4431 com LCD Acopladores Ópticos Controlo do Step-Up MPPT Controlo do Inversor Conclusões Universidade do Minho xi

15 7. Conclusões e Propostas para Trabalhos Futuros Conclusões Propostas para Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas xii Universidade do Minho

16 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica Índice de figuras Figura 1.1 Emissões de CO [2]... 2 Figura 1.2 Distribuição global da radiação solar [7]... 4 Figura Aproveitamento da energia solar a) Energia Solar Fotovoltaica b) Energia Solar Térmica... 5 Figura 1.4 Potência acumulada em sistemas fotovoltaicos ligados e desligados da rede [9]... 7 Figura 1.5 Horas de sol e radiação solar em Portugal [10]... 9 Figura 1.6 Potência fotovoltaica acumulada instalada em Portugal [11] Figura a) Central Fotovoltaica de Serpa b) Central Fotovoltaica da Amareleja Figura Configuração básica de um sistema fotovoltaico básico Figura Sistema fotovoltaico isolado Figura Exemplo de um sistema fotovoltaico híbrido Figura Sistema fotovoltaico ligado à rede Figura Camada do tipo P e camada do tipo N da célula solar Figura Efeito fotovoltaico na junção P-N [15] Figura Esquemático de uma célula fotovoltaica de silício [20] Figura Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocristalino b) silício policristalino c) película fina Figura 2.9 a) Circuito equivalente completo de uma célula fotovoltaica b) Circuito equivalente simplificado de uma célula fotovoltaica Figura 2.10 Curvas Características de uma célula fotovoltaica a) Curva P-V b) Curva I-V Figura Curva I-V no módulo fotovoltaico Figura Curva P-V no módulo fotovoltaico Figura Efeito da radiação solar na curva I-V de um painel fotovoltaico. 37 Figura Efeito da radiação solar na curva P-V de um painel fotovoltaico 37 Figura Efeito da temperatura na curva I-V do modulo fotovoltaico Figura Efeito da temperatura na curva P-V do módulo fotovoltaico Figura 3.1- Ponto de potência máxima Universidade do Minho xiii

17 Figura 3.2 Diagrama de blocos simplificado de um MPPT Figura Aplicação do MPPT para carregamento de bateria Figura Aplicação do MPPT para sistemas ligados à rede e isolados Figura Aplicação do MPPT para sistemas de bombagem de água Figura Fluxograma do método tensão constante Figura 3.7 Evoluções possíveis da potência num painel fotovoltaico Figura 3.8 Fluxograma do método Perturbação & Observação Figura 3.9 Mudança repentina do ponto de operação devido às alterações climatéricas Figura 3.10 Método da Condutância Incremental Figura 3.11 Fluxograma do método Condutância Incremental Figura 3.12 Fluxograma do método Corrente Constante Figura 4.1 Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Full-Bridge Figura 4.2 Conversor CC/CC step-up Figura 4.3 Formas de onda da tensão e corrente na indutância no modo de condução contínuo [32] Figura 4.4 Circuito Step-up durante o estado t on [32] Figura 4.5 Circuito step-up durante o estado t off [32] Figura 4.6 Formas de onda da tensão e corrente na bobina do step-up no limite da condução contínua [32] Figura 4.7 Formas de onda de I LB e I ob com V o constante [32] Figura 4.8 Forma de onda da tensão e corrente na indutância em modo de condução descontínuo [32] Figura 4.9 Curva característica do conversor step-up com V o constante [32] 72 Figura 4.10 Efeito dos elementos parasitas na conversão da tensão [32] Figura 4.11 Ripple da tensão de saída do step-up [32] Figura 4.13 Comparação dos sinais V control e v st [32] Figura Diagrama de blocos do controlador PWM [32] Figura 4.14 Circuito eléctrico do conversor step-up com controlo PWM Figura Inversor Half-bridge Figura Estados de operação do inversor de tensão half-bridge: a) T+ ligado; b) T- ligado Figura Inversor Full-bridge xiv Universidade do Minho

18 Figura Estados de operação do inversor de tensão full-bridge: a) TA+ e TB- ligados; b) TA- e TB+ ligados Figura 4.19 Inversor Central Figura 4.20 Inversor String Figura 4.21 Inversor Multi-String Figura 4.22 Inversor com Módulo Integrado ou Módulo CA Figura 4.23 Modelação de largura por impulso [32] Figura 4.24 Comparação de V tri com V control na modulação por PWM com tensão unipolar de comutação [32] Figura 4.25 Sinais de controlo dos braços A e B do inversor [32] Figura 4.26 Tensão de saída do inversor [32] Figura 4.27 Modulação PWM com tensão de comutação bipolar [32] Figura 5.1 Modelo do painel fotovoltaico desenvolvido no Simulink a) modelo do painel solar b) subsistema do modelo desenvolvido Figura 5.2 a) Curva Corrente vs Tensão b) Curva Potência vs Tensão Figura Conversor step-up simulado em Simulink Figura Tensão de entrada e saída no step-up Figura 5.5 Corrente na bobine Figura 5.6 Tensão e Corrente no Mosfet Figura Modelo do circuito MPPT simulado Figura 5.8 Potência do arranjo fotovoltaico e tensão de controlo do controlo MPPT Figura 5.9 Tensão de controlo em regime permanente a) V=0,5V b) V=0,2V c) V=0,1V Figura 5.10 Bloco desenvolvido em Simulink para a geração do sinal PWM do MPPT Figura 5.11 Comparação da onda dente de serra com a tensão de controlo 99 Figura 5.12 Sinal PWM resultante do controlo MPPT Figura Inversor simulado em Simulink Figura 5.14 Simulação do controlo do inversor (PWM unipolar) Figura 5.15 Sinais de controlo dos mosfets Figura Formas de onda da tensão nos mosfets Figura Forma de onda da corrente nos mosfets Universidade do Minho xv

19 Figura 5.18 Tensão de saída do inversor sem filtro LC Figura 5.19 Corrente na carga do inversor sem filtro LC Figura Tensão de saída do inversor com aplicação de um filtro LC Figura Corrente na carga do inversor com filtro LC Figura 6.1 Bancada de trabalho Figura 6.2 Diagrama de blocos do sistema implementado Figura 6.3 Rectificador usado para emular o painel solar Figura 6.4 Associação série de condensadores do conversor CC-CC Figura 6.5 Condensadores no conversor step-up Figura 6.6 Circuito Snubber Figura 6.7 Circuito snubber implementado Figura 6.8 Esquema eléctrico do circuito step-up Figura Circuito step-up implementado Figura 6.10 Tensão na entrada e na saída do step-up Figura 6.11 Corrente na bobina Figura 6.12 Tensão drain-source no mosfet sem circuito snubber Figura 6.13 Tensão drain-source no mosfet com circuito snubber Figura 6.14 Circuito inversor implementado Figura 6.15 Tensão à saída do inversor Figura 6.16 Placa da unidade de medida Figura 6.17 Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P Figura 6.18 Esquema de ligações do sensor de tensão LV 25-P Figura 6.19 Medição do valor da tensão no step-up Figura 6.20 Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P Figura Esquema de ligações do sensor de corrente LA 25-P Figura 6.22 Medição do valor da corrente no step-up Figura 6.23 Diagrama de blocos do sistema de controlo Figura 6.24 PIC18F Figura 6.25 Diagrama de pinos do PIC18F4431 [40] Figura 6.26 Programador MPLAB ICD2 ligado ao PIC e computador Figura 6.27 LCD Nokia 3310 a) vista frontal b) vista traseira c) pinos de ligação [41] Figura 6.28 Esquema eléctrico da ligação do LCD ao microcontrolador Figura 6.29 Ligação do LCD Nokia ao microcontrolador xvi Universidade do Minho

20 Figura 6.30 Acoplador Óptico VO3120 e respectivo esquema interno [42]. 133 Figura 6.31 Esquema eléctrico do circuito acoplador óptico [42] Figura 6.32 Sinal de controlo: a) entrada do acoplador óptico b) saída do acoplador óptico Figura Placa da unidade de controlo do circuito step-up Figura 6.34 Placa da unidade de controlo do circuito inversor Figura 6.35 Curva Tensão x Corrente do painel solar e da fonte CC com resistência Figura 6.37 Duty-cycle após estabilização do algoritmo MPPT Figura 6.36 Diagrama de blocos do circuito MPPT Figura 6.38 Formas de onda no ponto de máxima potência a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional Figura 6.39 Sinal PWM em malha aberta (duty-cycle = 12,5%) Figura 6.40 Formas de onda em malha aberta (duty-cycle = 12,5%) a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional Figura 6.41 Sinal PWM em malha aberta (duty-cycle = 88%) Figura 6.42 Formas de onda em malha aberta (duty-cycle = 88%) a) tensão da fonte CC b) tensão proporcional Figura 6.43 Modo Continuous Up/Down Count [40] Figura 6.44 Esquema de ligação do circuito inversor Figura 6.45 Sinais PWM complementares gerados pelo PC Figura 6.46 Dead-time de 5µs no sinais PWM Universidade do Minho xvii

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22 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica Índice de tabelas Tabela 1.1 Potência fotovoltaica anual instalada (MW) ( )... 8 Tabela 2.1- Características eléctricas do módulo PV KC85T-1 [26] Tabela 3.1 Resumo do algoritmo Perturbação e Observação Tabela 3.2 Comparação entre os métodos MPPT Tabela Componentes do step-up Tabela 5.1- Valores dos componentes do step-up nos cálculos e na simulação Tabela 6.1 Resumo dos valores dos componentes do step-up Tabela 6.2 Especificações eléctricas dos pinos do LCD [41] Universidade do Minho xix

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24 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica Lista de Símbolos e abreviaturas Símbolos Símbolo Descrição Unidades I Corrente Ampere (A) V Tensão Volt (V) P Potência Watt (W) R p Resistência paralela Ohm (Ω) R s Resistência série Ohm (Ω) I out Corrente fornecida pela célula fotovoltaica Ampere (A) I ph Corrente gerada pela célula fotovoltaica em função da Ampere (A) radiação I o Corrente inversa máxima de saturação do díodo Ampere (A) I D Corrente que circula no díodo Ampere (A) V t Tensão Volt (V) V occ Tensão da célula em circuito aberto Volt (V) V oc Tensão circuito aberto Volt (V) V mpc Tensão célula no ponto de máxima potência Volt (V) I mp Corrente célula no ponto de máxima potência Ampere (A) V mp Tensão no ponto de máxima potência Volt (V) N s Número de células G Radiação incidente W/m 2 G ref Radiação nas condições STC W/m 2 n p n s Número de células ligadas em paralelo Número de células ligadas em série Io temp Corrente máxima de saturação à temperatura ambiente Ampere (A) T ref Temperatura nas condições STC Kelvin (K) k 1 k 2 Factor de tensão Factor de corrente V pv Tensão no painel fotovoltaico Volt (V) P Diferença de potência Watt (W) V Diferença de tensão Volt (V) Universidade do Minho xxi

25 Constantes Símbolo Descrição Valor aproximado Unidades q Carga do electrão 1,6*10-19 C K Constante de Boltzman 1,38*10-23 J/K Eg Gap de energia 1,11 ev αt Coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito 2,12*10-3 Siglas Sigla Descrição ADC CA CC CIS CSI CV I/O IEA IncCond LCD MPP MPPT OCDE P&O PCB PIC PWM SPI STC UE VSI Analog-to- Digital Converter Corrente Alternada Corrente Contínua Copper Indium Deselenid Current Source Inverter Tensão Constante Input/Output International Energy Agency Condutância Incremental Liquid Crystal Display Maximum Power Point Maximum Power Point Tracking Organização para Cooperação e Desenvolvimento Económico Perturbação e Observação Printed Circuit Board Programmable Integrated Circuit Pulse Width Modulation Serial Peripheral Interface Standard Test Condition União Europeia Voltage Source Inverter xxii Universidade do Minho

26 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 1. Introdução 1.1. O problema Energético Desde os primórdios da humanidade que o homem sempre necessitou de energia para as suas mais básicas e diversas actividades. Aproveitando os recursos naturais existentes na natureza, o homem através da sua habilidade, inteligência e engenho procurou transformar esses mesmos bens em recursos, de forma a saciar as suas necessidades. Contudo, o desenvolvimento social, industrial e tecnológico, bem como o aumento das carências energéticas despontou a necessidade de exploração das energias fósseis, como o carvão e o petróleo. Actualmente, o uso abusivo de recursos fósseis coloca em causa a disponibilidade das reservas naturais, em particular do petróleo, nas próximas quatro décadas, levando a população mundial a enfrentar um problema energético complexo [1]. O problema energético está evidente na procura crescente de energias por parte de todas as economias mundiais, provocando uma subida global dos preços internacionais, mas também na existência de cada vez mais correntes científicas de que o modelo energético actual está a provocar alterações climáticas no planeta, através da libertação de gases de efeito de estufa como o CO 2 (dióxido de carbono), contribuindo assim para o agravamento do aquecimento global [2]. Na Figura 1.1 pode ver-se a tendência da evolução das emissões de CO 2 nos países membros e não membros da OCDE (Organização para Cooperação e Desenvolvimento Económico), bem como o total mundial. Através da sua análise verifica-se que os países membros da OCDE irão conseguir estabilizar os seus níveis de emissão de CO 2, fruto do desenvolvimento de tecnologias para a produção de energia. No entanto, os países não membros da OCDE irão aumentar cada vez mais a emissão de dióxido de carbono, devido ao consumo de energia produzida por recursos fósseis. Numa perspectiva mundial a situação ambiental tende a piorar devido ao crescimento de emissões de gases poluentes, como ilustra a Figura 1.1. Universidade do Minho 1

27 Figura 1.1 Emissões de CO [2] No mundo cada vez mais consumista e onde a escassez de recursos fósseis é evidente, a racionalização dos consumos de energia é fundamental para a preservação da vida. Deste modo, a sustentabilidade baseia-se na ideia de utilização de recursos naturais no presente, de forma a garantir a mesma disponibilidade para as gerações futuras. Como solução viável para a resolução destes problemas, têm-se aplicado, de forma gradual, a produção de electricidade a partir de fontes de energia renovável, como a água, o vento, as ondas do mar e o sol. As energias renováveis, são assim vistas como forma de crescimento económico e social e desempenham um papel fundamental no auxílio dos países a cumprirem as metas impostas pelo Protocolo de Quioto, criado em 1997 e em vigor desde Fevereiro de O Protocolo de Quioto é um tratado internacional que estipula, aos países signatários, limites rígidos sobre a emissão de gases poluentes que agravam o efeito de estufa. Introduz também mecanismos inovadores baseados nos mercados, destinados a manter os custos da redução de emissões tão baixas quanto possível. Assim os países desenvolvidos são obrigados a reduzir as emissões de gases de efeito de estufa, como o CO 2, metano, óxido nitroso, hidrofluorocarbonetos, perfluorocarbonetos e hexafluoreto de enxofre, em cerca de 5% abaixo do nível registado em 1990, durante o período de tempo entre 2008 e Este protocolo não contempla qualquer objectivo para os países em desenvolvimento [3]. 2 Universidade do Minho

28 A UE (União Europeia), responsável pela emissão de 14% dos gases de efeito de estufa, adoptou também um conjunto de medidas no sentido de diminuir e de certa forma controlar os níveis de emissão de gases poluentes para a atmosfera. No âmbito do Protocolo de Quioto, os 15 países que à época constituíam a UE assumiram o ambicioso desafio de reduzir, até 2012, as emissões colectivas de gases de efeito de estufa em 8% abaixo dos níveis de Desta forma, cada estado-membro da UE tinha as suas metas individuais de acordo com a sua capacidade de reduzir as emissões. Os 12 países que em 2004 aderiram à UE ficaram sujeitos a objectivos próprios ao abrigo do Protocolo. No caso concreto de Portugal, este terá de diminuir as emissões de gases poluentes em 27% relativamente a No final de 2005, as emissões correspondentes aos 15 estados-membros da UE encontravam-se 1,5% abaixo dos níveis de 1990, enquanto que as emissões conjuntas dos 27 actuais estados-membros situavam-se 7.9% abaixo [4] [5]. Além da cooperação no Protocolo de Quioto, a UE adoptou em 2008, um pacote de medidas a longo prazo que visavam combater as alterações climáticas. Os estados-membros da UE comprometeram-se a reduzir, até 2020, as emissões de gases de efeito de estufa a nível global em 20% relativamente aos níveis de 1990 e aumentar 20% a percentagem de energias renováveis no consumo de energia na União Europeia, sendo que cada país membro da UE tem um objectivo individual de contribuição, de acordo com o seu potencial de geração de energias renováveis. No caso de outros países desenvolvidos assumirem o mesmo objectivo, a percentagem será aumentada para 30%. A União Europeia pretende também reformar o sector dos transportes, com o propósito de atingir 10% de utilização de biocombustíveis nos transportes até As emissões dos edifícios, dos transportes, da agricultura e dos resíduos, devem ser reduzidas para uma média de 10% abaixo dos níveis de 2005, até ao ano de 2020 [3] [4]. Relativamente à quota de produção de energia recorrendo a fontes renováveis, Portugal tem como meta aumentar para 31% e não para 20% como nos restantes membros, devido ao facto de já em 2005 apresentar já uma Universidade do Minho 3

29 percentagem de 20,5% e também pelo potencial nacional em energias renováveis [6] O Sol como Fonte de Energia O Sol é uma poderosa fonte de energia que todos os dias irradia na Terra um potencial energético extremamente elevado, como mostra a Figura 1.2 e incomparável com qualquer outra fonte de energia, sendo a fonte básica de vida para o homem e a origem de outras fontes de energia renovável, se não, vejam-se os seguintes exemplos: a radiação solar evapora a água, que por sua vez condensa e volta para o solo em forma de chuva, formando os rios que fazem funcionar os geradores hidroeléctricos, portanto a energia hidroeléctrica é, indirectamente, de origem solar; os ventos, necessários à produção de energia eólica, têm origem no desigual aquecimento da superfície do planeta e, por isso, são também de origem solar. Figura 1.2 Distribuição global da radiação solar [7] 4 Universidade do Minho

30 A energia proveniente do sol é chamada energia solar, e sendo o sol um recurso natural, permanente e renovável a cada dia, esta é uma das formas de energia renovável mais promissoras e atraentes para os desafios energéticos futuros. A energia solar é gerada directamente pela radiação solar e pode ser considerada uma das alternativas energéticas mais atractivas para o presente e para o futuro, uma vez que, para além das suas características não poluentes, não prejudica o ecossistema e a quantidade de energia disponível para conversão é imensa. Esta pode ser aproveitada de forma directa em energia térmica e de forma indirecta em electricidade. Na Figura 1.3 estão representadas as duas formas de aproveitamento da energia solar. a) b) Figura Aproveitamento da energia solar a) Energia Solar Fotovoltaica b) Energia Solar Térmica O aproveitamento da energia solar para energia térmica pode ser feito de forma passiva ou de forma activa. No aproveitamento térmico passivo, as habitações são projectadas e construídas de forma a beneficiar da sua localização sem recurso a equipamentos especiais, utilizando técnicas para promover a exposição solar para gerar aquecimento, a utilização de isolamento para gerar arrefecimento, entre outras. O aproveitamento térmico activo é efectuado recorrendo a colectores solares que transferem a energia solar para a água ou para um fluido térmico aquecendo-o. A energia térmica obtida pode ser utilizada para a produção de águas quentes sanitárias, para uso domestico, em hospitais, ou aquecimento de piscinas [8]. A energia solar fotovoltaica converte a energia solar em energia eléctrica, através da utilização de células fotovoltaicas. Esta forma de aproveitamento Universidade do Minho 5

31 energético assume-se como um dos recursos energéticos renováveis mais em voga em Portugal, graças aos incentivos governamentais para a sua instalação doméstica e industrial. A energia solar fotovoltaica apresenta diversas vantagens, onde importa destacar as mais importantes: Elevada fiabilidade Portabilidade e modularidade, permitindo fazer chegar a energia eléctrica a locais remotos Custos de operação muito baixos, praticamente não requer manutenção Reduz as emissões de gases de efeito de estufa Utiliza uma fonte de energia inesgotável e universal No entanto, também apresenta algumas desvantagens, tais como: O fabrico de módulos requer tecnologia muito sofisticada com custos de investimento muito elevados O rendimento real dos módulos é baixo Durante a noite não existe produção de energia As quantidades produzidas variam com as condições climatéricas 1.3. A Energia Solar Fotovoltaica no Mundo A Agência Internacional de Energia (International Energy Agency IEA) é um organismo autónomo no âmbito da OCDE, que realiza um programa abrangente de cooperação energética entre os 26 países membros e com a participação da Comissão Europeia. Esta organização desenvolveu um programa corporativo chamado IEA Photovoltaic Power Systems Programme (IEA PVPS), com o objectivo de melhorar os esforços de colaboração internacional para acelerar o desenvolvimento e a implementação de energia solar fotovoltaica como uma opção de energia renovável significativa e sustentável [9]. Através da Figura 1.4 verifica-se que em 1992 a potência total dos sistemas fotovoltaicos instalados era muito inferior a 5000MW, valor que se manteve quase inalterado até A partir do ano 2000 a aposta instalações 6 Universidade do Minho

32 solares fotovoltaicas teve um crescimento exponencial, em 2006 a potência instalada ultrapassava já os 5000MW e em 2009 a potência total já superava a barreira dos 20000MW, ilustrando assim a evolução deste tipo de produção de energia. Figura 1.4 Potência acumulada em sistemas fotovoltaicos os ligados e desligados da rede [9] Em 2009 foram instalados 6,2GW de potência fotovoltaica nos países IEA PVPS, onde a maior parcela de contribuição, cerca 93%, foi dada pela Alemanha, Itália, EUA, Japão e França, que se traduziu num total acumulado de 20,4GW. A potência fotovoltaica instalada em 2009 é estimada em pouco mais de 7GW [9]. A taxa anual de crescimento da capacidade instalada acumulada nos países IEA PVPS foi de 44%, ainda assim abaixo do valor recorde de 77% registado em Os maiores aumentos registaram-se se na Alemanha (64%) e Japão (22%), ambos com valores mais elevados relativamente ao ano transacto. Apesar da crise económica, houve um crescimento do mercado fotovoltaico entre 2008 e Excluindo a Espanha, que em 2009 teve uma quebra muito significativa no mercado fotovoltaico, os restantes 20 países obtiveram uma taxa de crescimento ento de 84%. Como se verifica na Tabela 1.1 o crescimento do mercado anual é evidente em vários países. O mercado israelita registou um crescimento de 18 vezes em relação ao ano anterior, enquanto que o Canadá Universidade do Minho 7

33 obteve um mercado 9 vezes superior ao do ano de Em ambos os casos, os tarifários apelativos e bonificados foram um forte impulsionador neste crescimento. Austrália, Áustria, Alemanha, França, Itália, Japão e Holanda experimentaram um aumento de duas a quatro vezes, enquanto que o mercado anual dos EUA assinalou um aumento de 40%. Porém, os mercados da Coreia e de Portugal diminuíram face a 2008, em contraste com o acontecido em 2008, onde ambos os países registaram grandes picos na potência instalada. O mercado espanhol entrou em colapso ao registar, em 2009, cerca de 2% do mercado de 2008 e ainda menos do que a potência fotovoltaico instalada em 2006 [9]. Os valores registados em 2009 permitem concluir que a Alemanha tem a maior potência fotovoltaica instalada do mundo, superando qualquer mercado anual por mais de 3GW. A Alemanha tem ainda o maior nível de potência instalada em termos de capacidade total e, de longe, a maior potência instalada per capita (120W per capita) [9]. Tabela 1.1 Potência fotovoltaica anual instalada (MW) ( ) 8 Universidade do Minho

34 1.4. A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Portugal, fruto da sua localização geográfica, é dos países da Europa que apresenta um recurso em energia solar mais elevado e um maior número de horas de sol, tal como se verifica na Figura 1.5. Figura 1.5 Horas de sol e radiação solar em Portugal [10] Desta forma, o cenário eléctrico nacional tem sofrido fortes alterações nos últimos 10 anos. Esta dinâmica foi impulsionada pela ênfase dado aos problemas energéticos por toda a União Europeia, pela importância das energias renováveis na resolução desses mesmos problemas e pelas excelentes condições que o país apresenta para a exploração dos recursos naturais. Para a análise da situação energética actual de Portugal recorreu-se à análise do relatório anual de 2010 da Agência Internacional de Energia. Em 2010 foi revisto o quadro político energético nacional de acordo com as directivas da União Europeia, de maneira reduzir a dependência de combustíveis fósseis, garantir o cumprimento dos compromissos com a UE relativos às alterações climatéricas e criar condições de desenvolvimento sustentável em termos económicos, sociais e energéticos. Deste modo, Portugal aprovou um programa de energias renováveis de maneira a cumprir a meta de 31% assumida com a UE para a quota global de energia proveniente de fontes renováveis até Em particular para o sector eléctrico, este representa uma capacidade cidade adicional instalada de 9,6GW [11]. Universidade do Minho 9

35 O programa nacional contempla um mecanismo de tarifas especiais para a promoção da energia renovável, aprovando três decretos de lei para o programa de energia: Decreto de Lei 312/ Produtor Independente de Energia (IPP), onde não há limite de potência instalada; Decreto de Lei 68/ Produtor-Consumidor, onde a potência máxima instalada é 150kW; Decreto de Lei 363/ Microgeração que inclui instalações com um potência máxima de 5,75kW para sistema monofásicos e 10,04kW para sistemas trifásicos [11]. Face ao significativo número de empresas interessadas na microgeração, o estado português viu-se na necessidade de criar um novo regime de apoio para os sistemas fotovoltaicos destinados ao sector terciário, comércio e industria. Em Dezembro de 2010 lançou então um novo programa de apoio com novas bonificações para potências instaladas até 250kW, chamado de mini-geração e que veio substituir o programa produtor-consumidor que não se mostrava atraente para os produtores [11]. Em 2010, cerca de 10MW de capacidade adicional foram instalados em Portugal, no âmbito do programa IPP, incluindo três projectos em grande escala, todos na região sul do país: 6,3MW na central solar de Porteirinhos em Almodôvar, 1,3MW em Mértola e 1MW em Ferreira do Alentejo. Também neste ano, fruto de um concurso público, particularmente orientado para escolas e instituições de solidariedade social, foi instalada uma capacidade de cerca de 670kW [11]. A potência total instalada em 2010 ao abrigo do programa da microgeração foi cerca de 32,6MW, dos quais 98% foram instalações fotovoltaicas. O mercado fotovoltaico português cresceu 22% em 2010, atingindo um total de capacidade de energia fotovoltaica acumulada de cerca de 131MW, tal como demonstra a Figura 1.6. O aumento de capacidade deve-se essencialmente aos sistemas de micro-geração conectados à rede (19MW) e os geradores IPP (10MW). 10 Universidade do Minho

36 Figura 1.6 Potência fotovoltaica acumulada instalada em Portugal [11] Grande parte da produção de energia eléctrica nacional, com recurso à tecnologia fotovoltaica está situada no Alentejo, onde se situam as maiores centrais fotovoltaicas, em termos de energia produzida. A Central Fotovoltaica da Amareleja e a Centra Fotovoltaica de Serpa, são exemplos de duas centrais que em tempos já foram consideradas as maiores do mundo, com a primeira produzir um total de 46MW de potência, enquanto que a central de Serpa tem uma potência total instalada de 11MW de potência. Na Figura 1.7 a) está representada a Central Fotovoltaica da Amareleja e na Figura 1.7 b) está representada a Central Fotovoltaica de Serpa. a) b) Figura a) Central Fotovoltaica de Serpa b) Central Fotovoltaica da Amareleja O novo quadro político introduzido pelo governo em 2010, alinhado com a estratégia da UE para a problemática clima vs energia, irá permitir uma implantação muito mais rápida da energia fotovoltaica durante a próxima década, de forma a atingir o objectivo de produção de 1500MW até 2020 [11]. Universidade do Minho 11

37 Dada a difícil situação económica que o país enfrenta e enfrentará nos próximos tempos, e o facto das energias renováveis representarem um encargo adicional para os consumidores de electricidade que têm de suportar o custo extra das mesmas nas suas contas, os principais desafios futuros para Portugal no que respeita a energia solar fotovoltaica são: manter um quadro estável suficientemente atraente para o produtores e minimizar os riscos de investimento; consolidar um cluster industrial [11] Motivações A produção de energia eléctrica com recurso à tecnologia solar fotovoltaica apresenta um conjunto de vantagens ambientais, económicas e sociais, relativamente aos recursos fosseis, que possibilita aos países uma redução da sua pegada ecológica e um crescimento económico sustentável. Portugal sendo um país privilegiado em termos geográficos, pela forte radiação solar a que está sujeito, dispõe de óptimas condições para a exploração do mercado da energia fotovoltaica. Apesar das centrais fotovoltaicas instaladas em território nacional produzirem uma potência considerável, há ainda caminho a percorrer na evolução destes sistemas, onde as universidades podem desempenhar um papel importante. Nesse sentido, o interesse pela área das energias renováveis, nomeadamente a energia solar fotovoltaica, e a possibilidade de desenvolver todos os circuitos necessários à interface de um painel solar fotovoltaico à rede eléctrica, tendo por base todo o conhecimento adquirido ao longo do curso, constituem as grandes motivações que levaram à realização desta dissertação de Mestrado. A multidisciplinaridade do trabalho em questão, envolvendo áreas tão distintas como a electrónica de potência, o controlo e a programação, constitui outro factor de motivação. Assim, esta dissertação pretende ser uma contribuição para o estudo e desenvolvimento da energia solar fotovoltaica, designadamente na interface de um painel solar fotovoltaico à rede eléctrica. 12 Universidade do Minho

38 1.6. Objectivos Para a implementação prática dos circuitos de potência e de controlo necessários à interface de um painel fotovoltaico à rede eléctrica, estabeleceram-se os seguintes objectivos: Estudo de diferentes tipologias de ligação de painéis fotovoltaicos à rede eléctrica. Estudo dos circuitos MPPT (Maximum Power Point Tracking). Simulações computacionais de circuitos de ligação de painéis solares à rede eléctrica. Simulações computacionais de circuitos MPPT Implementação de um inversor electrónico de potência capaz de converter a saída do painel fotovoltaico num sistema alternado monofásico 230V, 50Hz. Implementação de um circuito MPPT e respectivo sistema de controlo. Testes ao sistema completo e ligação à rede eléctrica Estrutura da Dissertação A presente dissertação divide-se em sete capítulos, em que cada um corresponde a uma etapa do trabalho realizado, sendo que este consistiu numa primeira fase num estudo teórico, seguido pela fase de simulações e culminou na implementação prática de todo o sistema. No capítulo introdutório é feita a identificação do problema energético, um enquadramento nacional e mundial da energia solar fotovoltaica, são apresentadas as simulações que levaram à proposta desta dissertação e ainda a enumeração de todos os objectivos da mesma. O capítulo dois apresenta uma breve descrição dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos, bem como um estudo acerca de células e módulos solares fotovoltaicos. São também apresentados os modelos eléctrico e matemático da célula fotovoltaica, tal como a sua curva característica e ainda o efeitos da temperatura e radiação solar nos módulos fotovoltaicos. Universidade do Minho 13

39 No capítulo três é apresentado um estudo teórico dos vários algoritmos seguidores do ponto de máxima potência (MPPT). O quarto capítulo expõe a análise realizada ao funcionamento dos circuitos electrónicos de potência implementados, designadamente, o conversor CC-CC step-up e o conversor CC-CA, vulgarmente denominado por inversor. Foram também analisados e estudados os respectivos métodos de controlo dos dois conversores. Ainda neste capítulo foi efectuado o dimensionamento do conversor step-up. No capítulo cinco são apresentadas todas as simulações computacionais realizadas às diferentes partes constituintes do sistema. O capítulo seis demonstra a implementação prática da unidade de potência, da unidade de medida e da unidade de controlo, e os respectivos resultados experimentais. Por fim, o capítulo sete onde vem as conclusões finais de todo o trabalho e as propostas de trabalho futuro no âmbito do mesmo projecto. 14 Universidade do Minho

40 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 2. Sistema Solar Fotovoltaico 2.1. Introdução O sistema solar fotovoltaico reúne no seu conjunto vários componentes, que juntos colaboram num objectivo único de produzir energia eléctrica através de uma fonte luminosa. Estes elementos podem utilizar diferentes configurações de ligação, de forma a alimentarem sistemas isolados ou cargas independentes, ou até mesmo operaram em sintonia com a rede eléctrica nacional. A célula solar fotovoltaica assume-se como o elemento básico da conversão de energia, pois é nela que decorre a transformação da energia solar em energia eléctrica. Através da associação série ou paralelo de células solares podem formar-se módulos solares, que por sua vez compõem painéis solares quando ligados entre si. Assim, neste capítulo é apresentada uma descrição dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos, e uma explicação dos fundamentos teóricos que ocorrem nas células solares fotovoltaicas, de forma a perceber melhor o funcionamento da célula e consequentemente do painel fotovoltaico. Com base no modelo matemático aqui descrito, é também apresentada uma simulação, feita em Matlab, da curva característica de uma célula de um painel fotovoltaico, bem como os efeitos provocados pela radiação solar e pela temperatura no comportamento da célula. Do ponto de vista da energia fotovoltaica, o aproveitamento da energia fornecida pelo sol é algo que sempre despertou o interesse da população mundial desde muito cedo. A complexidade da tecnologia subjacente ao aproveitamento da radiação solar foi um desafio que começou a ser solucionado em 1839, e ainda hoje é alvo de melhorias em concordância com o desenvolvimento tecnológico. O físico francês Alexandre Edmond Bequerel tinha especial interesse em fenómenos relacionados com a luz, fotoquímica e fosforescência. Dedicando quase toda a sua vida ao estudo da teoria da luz, foi o primeiro a observar o Universidade do Minho 15

41 efeito fotovoltaico, quando detectou o aparecimento de uma tensão no momento em que um de dois eléctrodos eram iluminados pelo sol numa solução de fraca condução. Este facto histórico remonta ao ano de 1839 [12] [13]. Em 1873 Willoughby Smith descobriu a fotocondutividade num material semi-condutor, o Selénio. Ao verificar que a resistência deste variava em função da quantidade de luz a que era exposto. Percebeu assim que o Selénio podia transformar a energia luminosa em impulsos eléctricos [12]. Os ingleses Adams e Day detectaram também o fenómeno da fotocondutividade no Selénio em 1876 e construíram a primeira célula fotovoltaica com rendimento estimado entre 1% e 2%. Esta foi de facto a primeira vez que se observou o efeito fotovoltaico num material sólido. No entanto, este tipo de células nunca chegou a ser produzido devido aos elevados custos de produção relativamente ao rendimento obtido [12]. O americano Charles Fritts, em 1883, foi o primeiro a desenvolver uma célula solar a partir de camadas wafers, para converter a radiação solar em energia eléctrica [12] [14]. Heinrich Hertz em 1887 e Hallwachs em 1904 descobriram respectivamente, que a influência da radiação ultravioleta na descarga eléctrica provoca uma faísca entre dois eléctrodos do metal e uma combinação de metais era sensível à luz [12]. Nos anos seguintes o conhecimento básico do fenómeno fotovoltaico foi aprofundado e expandido. Nas décadas de 1920 e 1930, a mecânica quântica forneceu a base teórica para a compreensão actual do efeito fotovoltaico [13]. Um grande passo na evolução da tecnologia de células solares foi o desenvolvimento, no início dos anos 50, de um método para a produção de silício cristalino com elevado grau de pureza, sendo o cientista polaco Czochralski o responsável por este feito. Isto permitiu a produção de células fotovoltaicas de silício com um rendimento entre 4% e 6% [12]. Em 1951 depois de vários estudos desenvolveu-se uma junção p-n que possibilitou a produção de células a partir de um único cristal de Germânio. Nos anos seguintes detectou-se também o fenómeno fotovoltaico em outros materiais e cristais [12]. 16 Universidade do Minho

42 Por esta altura surgiram as primeiras aplicações comerciais de células fotovoltaicas de silício. Numa fase inicial, estas foram instaladas em locais geograficamente isolados das linhas de transporte de energia, com o intuito de providenciar o fornecimento de energia eléctrica nestes locais. Bóias de sinalização e sistemas de telecomunicação são outros exemplos das primeiras aplicações de células fotovoltaicas. Em 1963, no Japão, foi instalado um sistema fotovoltaico de 242 W num farol (a maior aplicação da altura) [14]. No entanto, este tipo de aplicações não teve o resultado esperado. Foi na área espacial que as células fotovoltaicas se revelaram extremamente úteis, quando em 1958 um satélite espacial dos Estados Unidos utilizou um conjunto de células para alimentar o seu rádio. O funcionamento das células foi de tal forma eficiente que a comunidade científica de imediato percebeu que estas poderiam ser uma fonte de energia muito eficaz em muitas missões espaciais. Desde então a energia solar fotovoltaica tem sido parte integrante do programa espacial dos Estados Unidos [12]. A partir de 1975 o número de aplicações em terra de sistemas fotovoltaicos era superior ao número de aplicações no espaço, ou seja, o mercado terrestre ganhou espaço relativamente ao mercado espacial [13]. Actualmente, os sistemas fotovoltaicos estão presentes em praticamente todos os mercados mundiais, em diversos tipos de aplicações. São vários os exemplos práticos onde é bem visível a aplicabilidade prática da energia solar fotovoltaica, desde pequenos equipamentos electrónicos, como calculadoras, passando pelos aparelhos e sistemas eléctricos remotos que não estão ligados à rede eléctrica pública e que alimentam residências individuais e indústrias. Foi entre os anos de 1970 e 1990 que o desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica assumiu um comportamento muito activo e dinâmico, sendo os Estados Unidos, a Alemanha e o Japão os países mais dinamizadores de todo este processo. Este interesse pelo desenvolvimento da energia solar fotovoltaica foi impulsionado pelos riscos públicos do aquecimento global e pela problemática da energia nuclear. Perante este cenário, os países mais industrializados viram-se na obrigação de criar mecanismos e incentivos para o progresso da tecnologia fotovoltaica, através da criação de subsídios governamentais, campanhas de marketing, grupos de investigação e desenvolvimento, entre outros. Surgiram assim ideias revolucionárias como a Universidade do Minho 17

43 utilização de novos materiais, tais como o silício multicristalino e métodos de produção do silício directamente em fita. Estes avanços permitiram uma redução do custo da electricidade solar [13]. Os elevados custos destes sistemas têm sido o principal obstáculo à utilização mais ampla de células fotovoltaicas, mas os apoios políticos, os incentivos à microgeração, bem como a escassez de combustíveis fósseis e a diminuição dos custos dos dispositivos fotovoltaicos, podem resultar na expansão destes mercados e consequente redução de custos de produção [12] [13] Tipos de sistemas fotovoltaicos Os sistemas de energia fotovoltaicos geralmente são classificados de acordo com as suas exigências funcionais e operacionais, a sua configuração e a forma de como os equipamentos são ligados a outras fontes de energia e às cargas eléctricas. Estes podem ser projectados para fornecer corrente contínua ou funcionar como alimentação de uma instalação de corrente alternada, podendo operar ligados à rede eléctrica ou de forma independente. Em ambos os casos estes podem estar conectados com outras fontes de energia e sistemas de armazenamento de energia. Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: sistemas isolados, sistemas ligados à rede eléctrica e sistemas híbridos. A opção por qualquer uma das categorias depende da aplicação do sistema e da disponibilidade de recursos energéticos. A presente dissertação enquadra-se no grupo de sistemas ligados à rede eléctrica. Os sistemas fotovoltaicos obedecem a uma configuração básica, constituída pelos painéis fotovoltaicos, unidade de controlo, unidade de armazenamento e utilizador [15], tal como mostra a Figura 2.1.componentes e fontes geradoras. No entanto, a complexidade de cada sistema é variável podendo usar diferentes números de componentes e fontes geradoras. 18 Universidade do Minho

44 Unidade de Controlo Receptor/Rede Unidade de Armazenamento Figura Configuração básica de um sistema fotovoltaico básico Sistemas Fotovoltaicos Isolados Os sistemas fotovoltaicos isolados funcionam de forma independente da rede eléctrica. Este tipo de sistemas é utilizado para alimentar cargas isoladas, situadas em zonas remotas, onde a chegada de energia através do sistema convencional ou através de qualquer outra forma de geração de energia não é viável do ponto de vista económico ou técnico. Os sistemas de vigilância nas auto estradas, o fornecimento de energia a pequenas embarcações, os sistemas de iluminação pública e os sistemas de telecomunicações, entre outros, são alguns exemplos de aplicação de sistemas isolados fotovoltaicos. Os sistemas fotovoltaicos isolados podem dividir-se em quatro grupos, de acordo com o tipo de carga a ser alimentada (carga CC ou carga CA) e a utilização ou não de uma unidade de armazenamento de energia. Na Figura 2.2 podem observar-se os tipos de ligações de sistemas fotovoltaicos isolados. O banco de baterias é utilizado para armazenar energia, muito útil para alimentar a carga nas situações em que a radiação solar é nula ou insuficiente para a produção de energia [16]. O controlador de carga monitoriza a carga e descarga das baterias, não permitindo que estas sejam danificadas por sobrecargas ou descargas profundas, aumentando assim o tempo de vida útil das baterias [15] [16]. Para alimentar cargas de corrente alternada utiliza-se um inversor, uma vez que os painéis solares fotovoltaicos produzem corrente contínua. Universidade do Minho 19

45 Controlador de Carga Carga CC Banco de Baterias Controlador de Carga Inversor CC/CA Carga CA Banco de Baterias Carga CC Conversor CC/CC Inversor CC/CA Carga CA Figura Sistema fotovoltaico isolado Sistemas Fotovoltaicos Híbridos Os sistemas fotovoltaicos híbridos, representado na Figura 2.3, são aqueles que de forma independente da rede eléctrica, integram várias fontes de energia renovável, como por exemplo, sistemas fotovoltaicos e sistemas eólicos, entre outros. Fontes de produção convencionais, tais como geradores diesel, são integradas com as fontes de energia renovável, com o objectivo de auxiliar na produção de energia nas alturas em que o consumo eléctrico é elevado, ou quando a produção eléctrica é insuficiente para satisfazer o consumo eléctrico. O facto de ter que gerir energia proveniente de várias fontes, bem como a necessidade de entregar ao utilizador energia de forma eficiente, faz com que o processo de optimização do sistema de controlo seja complexo [16] [15]. 20 Universidade do Minho

46 Unidade de Controlo Unidade de Armazenamento Utilizador Figura Exemplo de um sistema fotovoltaico híbrido Sistemas Fotovoltaicos Ligados à Rede Eléctrica Os sistemas fotovoltaicos ligados à rede eléctrica são concebidos para operarem em paralelo com a rede e têm vindo a ganhar cada vez mais aderentes nos últimos tempos. Este crescimento deve-se em grande parte aos incentivos financeiros que os governos oferecem a quem opta por este tipo de instalação eléctrica. A energia gerada por este sistema pode ser consumida pelo próprio utilizador, reduzindo assim a dependência face ao sistema eléctrico convencional, ou então pode ser vendida e injectada na rede eléctrica nacional a preços muito atractivos e rentáveis, amortizando assim o investimento inicial. Tratam-se de sistemas que utilizam um elevado número de painéis solares fotovoltaicos para poderem produzir grandes quantidades de energia e tipicamente não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a energia produzida é injectada na rede. Este sistema implica a utilização de inversores, uma vez que, os painéis solares fotovoltaicos produzem corrente contínua e a rede consome corrente alternada. Para além de efectuar a conversão CC/CA, o inversor também é Universidade do Minho 21

47 responsável por sincronizar a corrente de saída do painel fotovoltaico com a corrente da rede de forma a reduzir o consumo a partir da rede. Assim, o inversor assume-se como elemento fundamental neste tipo de sistemas, devendo por isso, o seu dimensionamento ser feito com muito cuidado para que as exigências de qualidade e segurança da rede sejam satisfeitas. A Figura 2.4 representa o esquemático de um sistema fotovoltaico ligado à rede eléctrica. CC Rede Eléctrica CA Figura Sistema fotovoltaico ligado à rede 2.3. Células Solares Fotovoltaicas A célula solar fotovoltaica, é o elemento básico do sistema solar fotovoltaico, com o qual se constroem módulos e painéis solares. A sua função é converter a energia solar em energia eléctrica através do efeito fotovoltaico, explicado no subcapítulo seguinte. As células podem ser ligadas em série ou em paralelo para formarem módulos, sendo que na ligação série obtém-se um aumento do valor da corrente, enquanto que na ligação paralelo aumenta-se o valor da tensão. Estas células são constituídas por um material semicondutor, normalmente o silício, ao qual são adicionadas substâncias dopantes de forma a criar um meio adequado para o estabelecimento do efeito fotovoltaico Efeito Fotovoltaico Através da análise semântica da palavra fotovoltaico, é possível perceber que este termo surge da junção de foto, que significa luz, com voltaico, que se refere ao aparecimento de uma diferença de potencial através de uma 22 Universidade do Minho

48 reacção química. Esta divisão permite ter uma noção, ainda que intuitiva, do significado do fenómeno efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico é o fenómeno responsável pela conversão da energia solar em energia eléctrica. Este realiza-se em materiais semicondutores, que tal como o próprio nome indica, possuem características intermédias entre um condutor e um isolante. Os semicondutores caracterizam-se pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de electrões (zona de valência) e de outra zona chamada banda de condução. O semicondutor mais utilizado é o silício, cujo símbolo químico é Si [17] [18] [19]. O silício normalmente apresenta-se como areia, obtendo-se na sua forma pura através de métodos adequados. Os elementos do grupo IV da tabela periódica, como o silício, caracterizam-se por possuírem quatro electrões de valência que se ligam aos átomos vizinhos através de ligações covalentes, formando uma rede cristalina. O cristal de silício puro não apresenta electrões livres e portanto é um mau condutor eléctrico. Para inverter esta situação é necessário adicionar outros elementos químicos ao sistema. Quando átomos que possuem cinco electrões de valência, como o fósforo ou o arsénio, são adicionados ao sistema, há um electrão em excesso que fica livre para estabelecer ligações covalentes, enfraquecendo a sua ligação com átomo de origem. Por outro lado, quando átomos que possuem três electrões de valência, como o boro ou o índio, são adicionados ao sistema, há falta de um electrão para estabelecer as ligações covalentes com os átomos de silício, formando uma lacuna. Desta forma, é necessária uma pequena quantidade de energia para que, no primeiro caso, o electrão livre seja libertado para a banda de condução, e no segundo caso, um electrão de um local vizinho se desloque e preencha a lacuna. Assim, o fósforo ou o arsénio são doadores de electrões do tipo N (silício tipo N) e o boro ou o índio, são aceitadores de electrões do tipo P (silício do tipo P) [17] [18] [19]. Cada célula solar é constituída por uma camada fina de material do tipo N e outra com maior espessura de material do tipo P, como se pode observar Figura 2.5 Universidade do Minho 23

49 Figura Camada do tipo P e camada do tipo N da célula solar Separadamente, as camadas do tipo N e do tipo P são electricamente neutras, no entanto, ao serem ligadas, através da junção P-N gera-se um campo eléctrico. Na zona da junção dá-se uma transferência de electrões livres, do lado N para o lado P, que irão preencher as lacunas. Esta deslocação de electrões provoca um défice de electrões do lado N, tornando-o carregado positivamente e uma concentração de electrões do lado P, ficando carregado negativamente. Surge assim um campo eléctrico na zona da junção. Este processo atinge um ponto de equilíbrio quando o campo eléctrico é capaz de impedir a passagem dos electrões livres do lado N para o lado P. A tensão total desta junção é cerca de 1V e é chamada tensão de difusão [17] [19]. A luz solar ao incidir sobre a junção P-N faz com que os fotões choquem com os electrões da camada de silício, fornecendo-lhes energia e transformando-os os em condutores. Os electrões da zona de valência deslocam-se se para a banda de condução, ou seja, os fotões arrancam os electrões das ligações covalentes formando pares electrões lacunas, que são acelerados por efeito do campo eléctrico em sentidos opostos. Como resultado do deslocamento das cargas obtém-se uma diferença de potencial entre as superfícies opostas da célula efeito fotovoltaico. Esta tensão é chamada tensão de circuito aberto. Na Figura 2.6 pode observar-se o efeito fotovoltaico numa célula. 24 Universidade do Minho

50 Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica Figura Efeito fotovoltaico na junção P-N [15] Através de um condutor externo liga-se liga a camada negativa (silício tipo P) P à camada positiva (silício tipo N). N Desta forma, cria-se se um caminho para a corrente eléctrica na ligação, enquanto a luz solar incidir na célula, sendo que a intensidade dessa corrente é proporcional à intensidade de luz incidente corrente de curto-circuito. circuito. A Figura 2.7 mostra a estrutura básica da célula fotovoltaica. [17]. Figura Esquemático de uma a célula fotovoltaica de silício [20] Universidade do Minho 25

51 O efeito fotovoltaico envolve três efeitos físicos que se relacionam entre si, sendo eles a absorção, transferência de energia e energia eléctrica [20]. A luz é composta por fotões que podem penetrar em determinados materiais e até atravessá-los. Um raio luminoso ao incidir sobre um material pode ser reflectido, absorvido ou refractado. Quando um raio solar incide sobre uma célula fotovoltaica, este é absorvido e restituído sob a forma de outra energia absorção [20]. Todos os materiais são formados por átomos que possuem um núcleo e um conjunto de electrões que gravitam em redor do núcleo. Os electrões ao absorverem a energia dos fotões libertam-se da influência do núcleo, ficando livres transferência de energia dos fotões para as cargas eléctricas. Estes electrões livres constituem a corrente eléctrica [20]. Para que os electrões libertados possam ser uma fonte de energia eléctrica, estes têm de circular no exterior do semicondutor. Isto é conseguido com uma junção P-N, cujo objectivo é criar um campo eléctrico no interior do material de forma a separar as cargas negativas das cargas positivas criação de corrente eléctrica [20] Tipos de Células Solares Fotovoltaicas Actualmente podem encontrar-se no mercado vários tipos de células solares fotovoltaicas, estando estas divididas em três categorias segundo o seu tipo. As células de primeira geração, feitas a partir de silício cristalino, que englobam as células monocristalinas e policristalinas. As de película fina pertencem ao grupo das células de segunda geração, onde novos materiais semicondutores são explorados. Por último, as de terceira geração, que engloba vários conceitos novos de células solares, na sua maioria ainda na fase de desenvolvimento, tais como as soluções microcristalinas, nanocristalinas ou híbridas [21]. As células de silício cristalino têm dominado a indústria fotovoltaica desde o seu início, sendo uma tecnologia bastante conhecida e fiável é com naturalidade que se apresentam como líderes mundiais de mercado [22]. 26 Universidade do Minho

52 a) Células de silício monocristalino As células solares de silício monocristalino, ilustradas na Figura 2.8 a) representam a primeira geração de células solares, sendo estas, as mais usadas e comercializadas para painéis fotovoltaicos. Estas células são cortadas a partir de um único cristal de silício de grandes dimensões e elevada pureza. Apresentam um rendimento de cerca de 24% em laboratório, o que na prática se traduz numa eficiência entre 15% e 20% [16] [21] [23]. As técnicas utilizadas para a sua produção são caras e complexas, o que se reflecte no preço final para o consumidor. Este custo elevado deve-se ao facto de o processo de fabrico exigir uma grande quantidade de energia bem como materiais no seu estado puro e com uma estrutura cristalina perfeita [20]. b) Células de silício policristalino As células solares de silício policristalino, mostradas na Figura 2.8 b) são constituídas por um grande número de pequenos cristais de silício e também pertencem ao grupo de células de primeira geração. O seu processo de fabrico é mais simples e necessita de menos energia, comparado com as células monocristalinas, o que reduz o seu custo de produção. Contudo, estas apresentam um rendimento inferior, entre 12% e 15% [16] [21] [23], devido ao facto de o silício conter imperfeições resultantes do seu processo de fabrico. São as células que apresentam uma melhor relação preço/rendimento sendo por isso bastante utilizadas [20]. c) Células de película fina As células solares de película fina ou filme fino, representadas na Figura 2.8 c) constituem o grupo de células de segunda geração. Esta geração surgiu como resposta à necessidade de encontrar uma alternativa às células de primeira geração, muito dispendiosas no seu processo de produção, por requererem elevadas temperaturas na sua produção e elevados graus de pureza. Este tipo de células é constituído por películas finas de silício, permitindo assim reduzir a espessura da célula e quantidade de silício usada. O seu processo de fabrico apresenta um baixo consumo de energia. Universidade do Minho 27

53 As grandes desvantagens destas células são apresentarem um baixo rendimento, tipicamente entre 5% e 10% [16] [21] [23] e sofrerem um processo de degradação nos primeiros meses de vida, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil. A principal tecnologia é o silício amorfo (a-si), muito usada na electrónica profissional, em relógios e calculadoras. As células de silício amorfo são películas muito finas o que permite que sejam utilizadas como material de construção, tal como em fachadas ou telhados de edifícios. Isto possibilita o seu uso em grande escala, atenuando o problema do baixo rendimento energético [21]. As células de arseniato de gálio (GaAs) são outro exemplo de células de filme fino. Apresentam um rendimento que pode chegar aos 25%, mas a sua utilização está ainda muito limitada, devido aos elevados custos de produção [20]. Figura Tipos de células fotovoltaicas: a) silício monocristalino b) silício policristalino c) película fina d) Outros tipos de células Para além das células fotovoltaicas baseadas em silício, existem outras que têm por base outros materiais, estando para já a serem alvo de testes e desenvolvimentos laboratoriais. Prometem ter rendimentos mais elevados e custos mais reduzidos, mas não devem aparecer no mercado nos próximos 10 a 15 anos, uma vez que, ainda se encontram em fase de estudo. 28 Universidade do Minho

54 De entre essas novas tecnologias destacam-se as tecnologias nanocristalinas sensibilizadas com corantes, microcristalinas, micromorfas e híbridas. As células Copper Indium Deselenid (CIS) e Cadmium Telluride (CdTe), Dye-sensitized são outros exemplos de tipos de células [16] [21] Modelo Eléctrico e Matemático da Célula Fotovoltaica O conhecimento do modelo de uma célula fotovoltaica, e consequentemente, de um módulo solar é importante para perceber o comportamento de um arranjo de painéis fotovoltaicos sob diferentes condições de operação. Desta forma, neste capítulo é apresentado o modelo eléctrico e matemático da célula fotovoltaica. O circuito equivalente de uma célula fotovoltaica normalmente é representado pelo esquema da Figura 2.9 a). No entanto, devido à complexidade de análise e determinação dos parâmetros deste circuito, optou-se por um circuito simplificado em que a resistência paralela (R p ) é eliminada. A exclusão de R p justifica-se pelo facto de esta apresentar valores grandes e, portanto, não influenciar no cálculo do valor da corrente [24] [25]. Deste modo, toda a análise efectuada ao longo desta dissertação é baseada no circuito da Figura 2.9 b). O modelo da célula solar, consiste numa fonte de corrente I ph, que representa a corrente gerada pela célula fotovoltaica quando atingida pelos raios solares, um díodo D, que simboliza a junção P-N da célula e é atravessado por uma corrente I D, que depende da tensão nos terminais da célula. R s representa a resistência de cada célula e da conexão em série com outras células, e as correspondentes perdas do material semicondutor nos contactos metálicos. A corrente fornecida pela célula fotovoltaica a uma dada carga e a tensão aplicada aos terminais da célula são representados por I out e V respectivamente. Universidade do Minho 29

55 Figura 2.9 a) Circuito equivalente completo de uma célula fotovoltaica b) Circuito equivalente simplificado de uma célula fotovoltaica que: Analisando a Figura 2.9 b) e com base na 1ª Lei de Kirchhoff verifica-se = (2.1) A corrente I D que circula no díodo é: = ( 1) (2.2) Em que V t é definido por: = (2.3) Para o cálculo da corrente inversa máxima de saturação do díodo, I o, iguala-se a corrente fornecida pela célula a zero, I out = Universidade do Minho

56 0= (2.4) 0= ( 1) (2.5) = 1 (2.6) O valor da resistência R s é calculado através da expressão 2.7. = ( ) (2.7) = (2.8) = (2.9) Onde V occ é a tensão de cada célula em circuito aberto e V mpc representa a tensão da célula no ponto de máxima potência. A corrente da célula para o ponto de máxima potência é representada por I mp. Os valores de V oc, V mp e N s serão explicados posteriormente. Substituindo (2.2) e (2.3) em (2.1), obtém-se a equação 2.10 que permite calcular o valor da corrente fornecida pela célula à carga. = ( ( ) 1) (2.10) Em que: I out é a corrente fornecida pela célula à carga. I ph é a corrente gerada pela célula em função da radiação solar. I o é a corrente inversa máxima de saturação do díodo. V é a tensão aos terminais da célula. q é carga do electrão (q = 1,6*10-19 C). K é a constante de Boltzman (K = 1,38*10-23 J/K). T é a temperatura de funcionamento da célula em Kelvin. n é o factor de idealidade do díodo (díodo ideal n=1, díodo real n>1). Universidade do Minho 31

57 A corrente I ph depende da radiação incidente na célula, tal como mostra a equação = ( ) (2.11) Na qual G representa a radiação solar incidente em W/m 2, G ref a radiação solar incidente nas condições standard test condition (STC), ou seja, radiação igual a 1000 W/m 2 e temperatura igual a 25ºC. Assim, para diferentes valores de radiação solar obtêm-se diferentes valores de I ph Curva Característica da Célula Fotovoltaica A curva característica corrente vs tensão pode ser definida como a representação dos valores da corrente de saída da célula fotovoltaica num dado instante de tempo, em função da tensão e em condições de operação específicas, radiação solar incidente e temperatura. A interpretação desta curva permite apurar a aplicabilidade e o desempenho do painel solar num determinado projecto. Os gráficos a seguir apresentados na Figura 2.10 a) e b) simulam, respectivamente, as curvas características, potência vs tensão e corrente vs tensão, de uma célula fotovoltaica do painel solar Kyocera KC 85T-1, em condições STC. a) b) Figura 2.10 Curvas Características de uma célula fotovoltaica a) Curva P-V b) Curva I-V 32 Universidade do Minho

58 2.4. Módulo Solar Fotovoltaico As células solares podem ser ligadas em série ou em paralelo, dependendo das necessidades de tensão ou corrente, formando os módulos solares fotovoltaicos. O efeito da ligação série ou paralelo reflecte-se ao nível das tensões ou correntes. A ligação em série permite obter um valor de corrente mais elevado na saída do módulo fotovoltaico, uma vez que o valor de corrente gerada pelo painel é o resultado do somatório da corrente fornecida por cada célula. Por sua vez, na ligação paralelo a tensão disponibilizada na saída do módulo fotovoltaico é o resultado da soma da tensão de cada célula constituinte do módulo. Todas as simulações, referentes à célula fotovoltaica e módulo fotovoltaico apresentadas neste capítulo, são relativas ao módulo solar fotovoltaico Kyocera KC 85T-1. Neste módulo as células estão ligadas em série. O fabricante deste módulo fotovoltaico, através do seu datasheet, fornece as suas características eléctricas, importantes para a simulação do próprio módulo e para a compreensão do seu funcionamento, como mostrado na Tabela 2.1. Estes dados são obtidos através de testes realizados em condições STC. Tabela 2.1- Características eléctricas do módulo PV KC85T-1 [26] Características Eléctricas Módulo PV KC85T-1 Potência nominal 87 W Tensão nominal (V mp ) 17,4 V Corrente nominal (I mp ) 5,02 A Tensão de circuito aberto (V oc ) 21,7 V Corrente de curto-circuito (I sc ) 5,34 A Número de células (N s ) 36 Coeficiente de temperatura da corrente 2,12*10-3 de curto-circuito Corrente de curto-circuito (I sc ): é a máxima corrente que circula por uma célula quando os seus terminais estão curto-circuitados. Nesta Universidade do Minho 33

59 situação a tensão na carga é zero, o que corresponde a uma resistência de carga igual a zero, e a corrente que atravessa a carga é igual ao valor do parâmetro I sc. Tensão de circuito aberto (V oc ): é a máxima tensão entre os terminais de uma célula quando estes estão em circuito aberto. Neste caso a intensidade de corrente que atravessa a carga é zero, o que corresponde a uma resistência de carga infinita, e a tensão em vazio, é o valor do parâmetro V oc. Tensão nominal ( Vmp ): é o valor da tensão disponibilizada pelo painel para o ponto em que o painel fornece a máxima potência. Corrente nominal (I mp ): é o valor da corrente gerada pelo painel quando o painel fornece a máxima potência. Potência nominal: valor máximo de potência que o painel é capaz de fornecer, resultante do produto de Imp por Vmp. Número de células (N s ): é o número de células que estão ligadas em série e formam o módulo solar. A modelização do módulo fotovoltaico é feita com base nas equações apresentadas no capítulo Modelo eléctrico e matemático da célula fotovoltaica, mas tendo em atenção o número de células ligadas em série e/ou paralelo. Assim, a corrente de saída é calculada pela expressão = 1 (2.12) Onde: é o número de células ligadas em série no módulo fotovoltaico. é o número de células ligadas em paralelo no módulo fotovoltaico. Como o módulo solar fotovoltaico em estudo apenas apresenta 36 células ligadas em série a equação 2.12 pode ser simplificada, resultando a equação Universidade do Minho

60 = ( ) 1 (2.13) Na Figura 2.11 e Figura 2.12 podem observar-se, respectivamente, as curvas I-V e P-V do módulo solar fotovoltaico, para as condições STC. Através da figura, pode visualizar-se os três principais pontos de funcionamento do módulo, que são: circuito aberto, curto-circuito e o ponto de máxima potência. A curva I-V fornece o ponto de máxima potência (MPP), e através da sua análise verifica-se que a corrente máxima fornecida pelo módulo corresponde à corrente de curto-circuito (I sc ). Neste ponto a potência é zero pelo facto de a tensão nos terminais do módulo ser também 0V. O mesmo valor de potência é obtido no ponto em que a tensão é máxima, tensão de circuito aberto - V oc, onde a corrente é 0A. Analisando a curva característica P-V e percorrendo esta no sentido crescente da tensão, nota-se um aumento linear da potência fornecida pelo módulo, tendo este, o comportamento de uma fonte de corrente. Inicialmente a corrente permanece praticamente constante até ao ponto de máxima potência, a partir do qual a diminuição exponencial da corrente pesa mais que o aumento linear da tensão, fazendo com que a potência diminua rapidamente, e o módulo passa a comportar-se como uma fonte de tensão. Assim, o estudo das curvas características acima referidas, permitem verificar a dualidade de comportamentos do módulo fotovoltaico, uma vez que, pode afirmar-se que o módulo comporta-se como fonte de corrente à esquerda do valor de MPP, e como fonte de tensão à direita do mesmo. Figura Curva I-V no módulo fotovoltaico Universidade do Minho 35

61 Figura Curva P-V no módulo fotovoltaico As características eléctricas das células solares e, portanto, de uma painel solar fotovoltaico, alteram-se devido aos factores meteorológicos, como a intensidade da radiação solar e a temperatura das células. Deste modo, é importante que o modelo matemático tenha em conta o efeito da variação destes parâmetros, de maneira a prever o comportamento do painel quando sujeito a condições de operação diferente das condições STC. a) Radiação Solar A radiação solar incidente e a corrente gerada pelo painel fotovoltaico variam de forma proporcional, ou seja, um aumento da radiação incidente, provoca um aumento da corrente produzida pelo painel, conforme o mostrado na equação Por sua vez, a tensão de circuito aberto (V oc ) não sofre alterações muito significativas com a variação da radiação. A Figura 2.13 e Figura 2.14 mostram, respectivamente, um exemplo da evolução das curvas corrente vs tensão e potência vs tensão para diferentes valores de radiação solar incidente. = (2.14) Em que: I sc é a corrente de curto-circuito nas condições STC G é a radiação solar incidente no painel 36 Universidade do Minho

62 G ref é a radiação solar nas condições STC Figura Efeito da radiação solar na curva I-V de um painel fotovoltaico Figura Efeito da radiação solar na curva P-V de um painel fotovoltaico a) Temperatura A corrente gerada pelo painel solar fotovoltaico varia em função da temperatura a que o painel está sujeito, de acordo com a equação Universidade do Minho 37

63 = ( ) 1 (2.15) Em que, representa a corrente máxima de saturação à temperatura a que o módulo solar está sujeito e é dada pela equação = ( ) (2.16) Por sua vez, a corrente de curto-circuito depende da temperatura do módulo, tal como mostrado na equação = + ( ) (2.17) Onde: T é a temperatura ambiente à qual o painel está sujeito T ref é a temperatura STC (25ºC) α T é o coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito Eg é a energia necessária para que o electrão efectue a transição da zona de valência para a zona de condução. Através da análise do gráfico da Figura 2.15, verifica-se que a temperatura provoca modificações ao nível da corrente gerada pelo módulo fotovoltaico e também na tensão de circuito aberto do módulo. A corrente de saída do painel é menos afectada pela temperatura, quando comparado com o efeito da radiação solar, uma vez que esta não sofre alterações muito significativas. Em relação à tensão de circuito aberto acontece o contrário, esta é mais influenciada pela temperatura, já que apresenta modificações mais acentuadas. O ponto de máxima potência também diminui ligeiramente com o aumento da temperatura como se pode ver na Figura A corrente de curto-circuito aumenta com a variação da temperatura, sendo que esta variação é muito pouco significativa. 38 Universidade do Minho

64 Figura Efeito da temperatura na curva I-V do modulo fotovoltaico Figura Efeito da temperatura na curva P-V do módulo fotovoltaico 2.5. Conclusões A escassez de recursos fósseis para a produção de energia eléctrica e os efeitos subjacentes provocados pela queima desses mesmos recursos, leva a que a energia solar fotovoltaica e em particular os sistemas fotovoltaicos ligados à rede eléctrica, sejam cada vez mais utilizados na produção de Universidade do Minho 39

65 energia eléctrica. As pesquisas e os trabalhos efectuados neste âmbito são essenciais para tornar estes sistemas mais eficientes, mais confiáveis em termos tecnológicos, e mais acessíveis do ponto de vista económico. Deste modo, conhecer as principais características do sistema fotovoltaico é essencial para o desenvolvimento e aprimoramento dos elementos que compõe o sistema. Neste capítulo, foram apresentados a célula solar fotovoltaica e o módulo fotovoltaico, do ponto de vista dos objectivos deste trabalho. O modelo eléctrico simplificado da célula fotovoltaica adoptado para o desenvolvimento deste trabalho, em detrimento do modelo eléctrico completo da célula, justifica-se pelo facto de a complexidade de análise e tratamento de dados do modelo completo não resultar numa melhoria significativa dos resultados finais. Foram deduzidas as expressões matemáticas da célula e módulo fotovoltaico bem como as curvas características I-V e P-V resultantes. O resultado da simulação das curvas em Matlab foi satisfatório e o esperado, uma vez que estão muito próximas das curvas características apresentadas pelo fabricante do módulo fotovoltaico simulado. Os efeitos dos factores climatéricos, como a radiação solar e a temperatura também foram mostrados neste capítulo. A potência que o módulo fotovoltaico gera é proporcional à quantidade de luz solar que incide sobre o mesmo, por isso, qualquer interferência na chegada dos raios solares ao módulo, como céu nublado ou poluição atmosférica, vão influenciar o rendimento deste. O efeito da radiação solar no comportamento do módulo é apresentada através das curvas I-V e P-V, mantendo a temperatura a 25ºC (condições STC) e variando a radiação solar de 200 W/m 2 a 1000 W/m 2. A temperatura de funcionamento de um módulo fotovoltaico e a potência gerada por este estão interligadas. No que respeita ao efeito da temperatura são mostradas as mesmas curvas, mas mantendo a radiação constante no valor de 1000 W/m 2 (condições STC) e alterando o valor da temperatura entre 25ºC e 75ºC. Da análise das curvas corrente vs tensão e potência vs tensão conclui-se que o comportamento da curva I-V depende fundamentalmente da radiação incidente e em menor grau da temperatura. Por outro lado os módulos 40 Universidade do Minho

66 fotovoltaicos perdem eficiência quando expostos a elevadas temperaturas, trabalhando melhor a temperaturas mais baixas. Universidade do Minho 41

67

68 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 3. Maximum Power Point Tracking (MPPT) 3.1. Introdução O baixo rendimento das células solares e os custos elevados da instalação de um sistema solar fotovoltaico, são os maiores entraves para uma aposta, em maior escala, neste tipo de tecnologia. Como forma de contornar estes obstáculos, é essencial conseguir extrair a máxima potência gerada pelo painel para, desta forma, aumentar a eficiência do sistema e reduzir os custos da energia gerada. Para isso, é fundamental que o sistema opere o maior tempo possível sobre o ponto de máxima potência. O ponto de máxima potência (MPP Maximum Power Point) de um painel solar fotovoltaico corresponde ao ponto da curva corrente vs tensão em que se obtém a potência máxima gerada pelo painel. Na Figura 3.1 está representada a curva característica I-V, onde se verifica que para a potência máxima fornecida pelo painel existe apenas um valor de tensão e somente a um valor de corrente. Figura 3.1- Ponto de potência máxima Universidade do Minho 43

69 Idealmente o painel solar fotovoltaico devia funcionar sempre à sua potência nominal, mas tal não acontece porque as condições ambientais, temperatura e radiação solar, alteram o ponto de funcionamento do painel, como mostrado no capítulo anterior. A poluição atmosférica, a posição do sol, a alteração dos níveis de radiação, as variações da temperatura e o próprio envelhecimento do painel, são factores que contribuem para que o painel não funcione sempre no seu ponto de potência máximo. Uma vez que o ponto de máxima potência tem tendência a deslocar-se, é necessário um sistema capaz de detectar e acompanhar o deslocamento desse ponto, de forma a extrair sempre a potência máxima do painel Maximum Power Point Tracking (MPPT). Neste capítulo são apresentados os principais métodos de busca do ponto de máxima potência utilizados em sistemas fotovoltaicos e as suas diversas aplicações Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT) O seguidor do ponto de máxima potência, vulgarmente designado por MPPT (Maximum Power Point Tracking) é um sistema electrónico que opera no painel fotovoltaico, de maneira que este produza a máxima potência num determinado instante. O MPPT é um sistema electrónico que altera o ponto de funcionamento electrónico dos painéis, para que estes sejam capazes de fornecer a potência máxima, optimizando assim a extracção da energia produzida pelos painéis. Para além da dificuldade imposta pelas modificações das condições climatéricas, a necessidade de alterar a tensão do painel, para o processo de busca do ponto de máxima potência e, simultaneamente conseguir fornecer uma tensão constante à carga, constituem as principais complicações para se obter o ponto de máxima potência. A solução para estes problemas passa por utilizar um conversor de tensão CC/CC que faz a interface entre o painel fotovoltaico e a carga. O MPPT consiste num conversor CC/CC que, de acordo com as condições impostas 44 Universidade do Minho

70 pela rede, ajusta a tensão de saída do módulo de modo a que o funcionamento decorra no ponto correspondente à potência máxima. Deste modo, o MPPT, através do seu algoritmo de controlo, altera o valor do duty-cycle do conversor, operando assim em conjunto, com o objectivo de encontrar e manter o painel a operar no ponto de máxima potência. A Figura 3.2 mostra o diagrama de blocos simplificado de um circuito MPPT. Painel Fotovoltaico Conversor CC/CC (Step-Up, Step-Down, Buck Boost) Carga Sinal PWM Microcontrolador Cálculo da potência PV e ajuste do duty-cycle usando diferentes algoritmos MPPT Figura 3.2 Diagrama de blocos simplificado de um MPPT 3.3. Aplicações do MPPT Os seguidores do ponto de máxima potência (MPPT) são utilizados maioritariamente em sistemas onde as fontes de energias são não lineares [27], como exemplo são os painéis fotovoltaicos e os geradores eólicos. Os circuitos MPPT são utilizados em aplicações solares, tais como carregadores de baterias, sistemas isolados, sistemas ligados à rede eléctrica e sistemas de bombagem de água. a) Carregamento de baterias: O MPPT permite controlar o carregamento das baterias com a energia disponibilizada pelo sistema fotovoltaico. O seguidor do ponto de máxima potência evita que as baterias tenham descarregamentos rápidos e protegem-nas das sobrecargas, Universidade do Minho 45

71 prolongando assim a sua vida útil. Este controlo é efectuado por um controlador de carga que existe na grande parte dos MPPT. Na Figura 3.3 pode observar-se um diagrama de blocos desta aplicação. Painel Fotovoltaico MPPT Banco de Baterias Figura Aplicação do MPPT para carregamento de bateria b) Sistemas ligados à rede e sistemas isolados: nos sistemas ligados à rede eléctrica, o painel fotovoltaico fornece energia à rede, enquanto nos sistemas isolados o painel solar alimenta uma carga independente. Em ambos os sistemas é utilizado um conversor CC/CC de forma a transformar os níveis de tensão nos desejados. Para converter a corrente contínua em corrente alternada é utilizado um conversor CC/CA, de forma a poder-se efectuar a ligação à rede ou alimentar uma carga CA. Na Figura 3.4 está representado um diagrama de blocos deste tipo de aplicação. Painel Fotovoltaico Conversor CC/CC com MPPT CC CA Rede Eléctrica Ou Cargas Figura Aplicação do MPPT para sistemas ligados à rede e isolados c) Sistemas de bombagem de água: os painéis solares fotovoltaicos podem ser usados para alimentarem motores eléctricos, por exemplo em aplicações agrícolas que ficam distantes da rede eléctrica, nomeadamente em sistemas de bombagem de água para irrigação. Usando um MPPT, para fazer a interface entre os painéis solares e o motor consegue-se obter um aumento do fluxo de água bombeada, melhorando assim o rendimento do sistema. Na Figura 46 Universidade do Minho

72 3.5 pode ver-se uma representação esquemática da aplicação de um MPPT para sistemas de bombagem de água. Painel Fotovoltaico Conversor CC/CC com MPPT Motor CC para bombear água Figura Aplicação do MPPT para sistemas de bombagem de água 3.4. Métodos de Busca do Ponto de Máxima Potência As variações do clima e da carga fazem com que nem sempre o painel solar fotovoltaico opere sobre o seu ponto de máxima potência. Deste modo, é necessário um método de controlo dinâmico capaz de garantir a potência máxima do painel. Assim, surgem os algoritmos de MPPT que têm por objectivo rastrear ponto de máxima potência e manter o painel solar a funcionar nesse ponto. O crescimento da tecnologia fotovoltaica levou ao desenvolvimento de métodos para encontrar o MPP, assim como de toda a tecnologia que lhe está associada. Actualmente, existem métodos que estão mais estudados e por isso o seu conhecimento é mais profundo, como são os casos dos seguintes algoritmos: Perturbação e Observação (P&O), Tensão Constante (CV) e Condutância Incremental (IncCond). Cada um destes algoritmos de busca do ponto de máxima potência apresenta as suas respectivas vantagens e desvantagens. Estes métodos variam essencialmente em complexidade de implementação e análise, velocidade de convergência, sensores requeridos, custo, eficiência e implementação em hardware. Universidade do Minho 47

73 Método da Tensão Constante (CV) O método da tensão constante é uma das técnicas mais simples para a busca do ponto de máxima potência. O princípio de funcionamento desta técnica baseia-se no facto de a tensão de máxima potência (V mp ) e a tensão de circuito aberto (V oc ) terem uma relação linear independente da radiação solar ou temperatura, [28] como mostrado na equação 3.1. = (3.1) Nesta equação k 1 é o factor de tensão e depende das características do módulo fotovoltaico utilizado. O cálculo do valor de k 1 é um processo difícil, por isso, geralmente é determinado por meios empíricos. O seu valor é sempre menor que 1e varia entre 0,73 e 0,8 sendo que, k 1 normalmente é igual a 0,76. Assim, medindo a tensão de circuito aberto e uma vez determinado o valor do factor de tensão pode calcular-se o valor de V mp (equação 3.1) para colocar o módulo no ponto de máxima potência [29]. O valor de V mp é utilizado como referência para ser comparado com a medição da tensão do painel (V pv ) e gerar um sinal de erro que é utilizado para ajustar a tensão de controlo (V c ), como se pode ver no fluxograma da Figura 3.6. Um dos problemas desta técnica é o facto de a tensão de circuito aberto do módulo variar com a temperatura, obrigando a efectuar medições constantes desta, já que o aumento da temperatura altera o valor da tensão de circuito aberto. Outra desvantagem, que está inerente às medições, é a obrigatoriedade de desligar os painéis fotovoltaicos do conversor de potência para que se possam efectuar as medições de V oc, o que resulta numa perda momentânea de energia e consequentemente de eficiência. Por isso, é necessário a utilização de interruptores adicionais para desligar os painéis fotovoltaicos do conversor. Mas a principal desvantagem desta técnica é a presença de erro em regime permanente, uma vez que a relação entre V oc e V max não é constante. Desta forma, o arranjo fotovoltaico nunca opera sobre o ponto de máxima potência, mas sim em torno deste. 48 Universidade do Minho

74 Figura Fluxograma do método tensão constante Neste método existem três parâmetros a serem considerados: o período de amostragem da tensão de circuito aberto, que representa o tempo em que os painéis fotovoltaicos são desligados do conversor de potência; período de amostragem, ou seja, o intervalo de tempo em que a tensão do painel é amostrada em funcionamento normal; e o ganho G desta técnica. Se o período de amostragem da tensão de circuito aberto for muito grande, o ponto de máxima potência não pode ser seguido de forma muito precisa. Os valores do período de amostragem e do ganho G estão relacionados com a velocidade de convergência e estabilidade da técnica. A diminuição do período de amostragem permite aumentar a velocidade de convergência, embora aumente a ondulação de potência em regime permanente, podendo levar à instabilidade da técnica para valores muito pequenos. O aumento do valor do ganho G aumenta a velocidade de convergência e acrescenta, também, ondulação em regime permanente da potência de saída do painel, chegando a ser instável para valores muito elevados [30] Método da Perturbação e Observação (P&O) O método da perturbação e observação é talvez a técnica mais utilizada para encontrar o ponto de máxima potência devido à sua fácil implementação [31]. Universidade do Minho 49

75 Este método baseia-se na alteração da variável de referência e na comparação da potência disponibilizada pelo painel ou conjunto de painéis fotovoltaicos antes e depois desta alteração, definindo assim o sentido da próxima perturbação. Ou seja, será introduzida uma perturbação, numa determinada direcção, na corrente ou na tensão do arranjo de painéis fotovoltaicos que provocará alterações no valor da potência de saída do módulo. Se a potência de saída aumentar, a próxima perturbação continua na mesma direcção, mas se pelo contrário, a perturbação diminuir, o sistema será perturbado na direcção contrária na iteração seguinte. A Tabela 3.1mostra um resumo do comportamento da potência em função da perturbação [28]. Tabela 3.1 Resumo do algoritmo Perturbação e Observação Perturbação actual Alteração da potência Perturbação seguinte Positiva Positiva Positiva Positiva Negativa Negativa Negativa Positiva Negativa Negativa Negativa Positiva Este processo é repetido periodicamente. Na Figura 3.7 estão representados os quatro casos possíveis de como a potência de um arranjo de painéis fotovoltaicos pode evoluir para uma determinada condição climatérica [30]. Pela descrição anterior e pela observação da Figura 3.7 percebe-se que, através desta técnica o painel fotovoltaico nunca irá atingir o ponto de máxima potência, uma vez que, a tensão do painel será perturbada constantemente. Isto faz com que, em regime permanente, a potência oscile em torno do MPP desperdiçando um pouco de energia. No entanto, esta oscilação pode ser diminuída através da redução do tamanho da perturbação, porém perturbações muito baixas tornam a técnica lenta, demorando mais tempo para encontrar o ponto de máxima potência. 50 Universidade do Minho

76 Figura 3.7 Evoluções possíveis da potência num painel fotovoltaico Na Figura 3.8 está representado o algoritmo deste método. O funcionamento do fluxograma do algoritmo Perturbação & Observação pode ser explicado da seguinte forma: numa primeira fase são lidos os valores da corrente e da tensão para calcular a potência gerada pelo painel fotovoltaico. Após esse cálculo verifica-se se a potência aumentou ou diminuiu através de P = P(k) P(k-1). Em função deste resultado e dos possíveis comportamentos para a potência, demonstrados na Figura 3.7, altera-se a tensão de referência de forma a ir de encontro ao ponto de máxima potência. Na fase final são guardados os valores da tensão e corrente, para servirem de comparação na operação seguinte. Universidade do Minho 51

77 Figura 3.8 Fluxograma do método Perturbação & Observação Para além das desvantagens deste método, anteriormente referidas, este também se revela falível em situações onde podem ocorrem mudanças bruscas das condições climatéricas, como mostrado na Figura 3.9. A partir do ponto A, se as condições atmosféricas permanecerem aproximadamente constantes, é aplicada uma perturbação V na tensão do painel, deslocando o ponto de operação para B. Como após a inserção da perturbação a potência diminui, o sentido de V tem de ser invertido. No entanto, se ocorrer um aumento repentino da radiação solar desloca a potência de P1 para P2 e o ponto de operação passará de A para C. Isto representa um aumento da potência e a perturbação é mantida no mesmo sentido. Como consequência, o ponto de operação irá divergir do ponto de máxima potência e manterá essas divergências se a radiação continuar a aumentar [28]. 52 Universidade do Minho

78 Figura 3.9 Mudança repentina do ponto de operação devido às alterações climatéricas Método da Condutância Incremental (IncCond) A técnica da condutância incremental utiliza a curva potência vs tensão do painel ou do arranjo de painéis fotovoltaicos, para encontrar o ponto de máxima potência dos mesmos. Esta técnica baseia-se nos valores da condutância instantânea e incremental do painel que são obtidos através das medições da corrente e tensão do painel. O ponto de máxima potência extraída pelos painéis é atingido quando a derivada da potência de saída do painel, em relação à tensão, for zero como demonstra a equação 3.3 e a Figura 3.10 [29]. = + (3.2) Igualando a derivada da potência, em relação à tensão, a zero: =0 + =0 = (3.3) Se o ponto de operação está à direita da curva de potência, fica: <0 < (3.4) Universidade do Minho 53

79 Se o ponto de operação está à esquerda da curva de potência, fica: >0 > (3.5) Este método vai procurar o ponto de tensão, onde a condutância instantânea é igual à condutância incremental, ou seja: =0 = (3.6) As três situações anteriormente descritas podem ser vistas na Figura = < < Figura 3.10 Método da Condutância Incremental Na Figura 3.11 pode observar-se o fluxograma da técnica Condutância Incremental. Em primeiro lugar são lidos os valores actuais da tensão V(k) e corrente I(k) do painel fotovoltaico. De seguida são calculados valores da diferença de tensão (dv) e corrente (di) relativamente a às medições anteriores. A principal operação deste algoritmo é a comparação dos valores de e =. Segundo a equação 3.6, no ponto de máxima potência e por isso não é realizada qualquer acção e os valores de V(k-1) 54 Universidade do Minho

80 e I(k-1) são actualizados e o algoritmo retorna ao início. Quando a tensão de referência, V ref, é ajustada no sentido de modificar a tensão do painel fotovoltaico até à tensão de máxima potência, de acordo com o sinal de. Se o sistema já estiver a operar no MPP (dv=0), as alterações climatéricas são detectadas através de di 0 e a tensão de referência V ref será ajustada dependendo do sinal de di. Ler V(K) Ler I(K) dv = V(k) - V(k-1) di = I(K) - I(K-1) dv = 0 Sim Não Sim di/dv = - I/V di = 0 Sim Não Não Sim di/dv > - I/V di > 0 Sim Não Não Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV V(K-1) = V(K) I(K-1) = I(K) Retoma Figura 3.11 Fluxograma do método Condutância Incremental Comparando com o método da perturbação e observação pode afirmar-se que o método da condutância incremental apresenta vantagens, desde logo a Universidade do Minho 55

81 capacidade de atingir exactamente o ponto de máxima potência, em vez de oscilar em torno deste. Para além disso, consegue atingir o MPP, em condições climatéricas instáveis, com uma precisão e rapidez muito superiores ao método da perturbação e observação. No entanto, tem a desvantagem de ser uma técnica com um grau de complexidade elevado, quando comparado com as outras técnicas Método da Corrente Constante O método da corrente constante, também conhecido como método da corrente de curto-circuito, tem um princípio de funcionamento idêntico ao método da tensão constante. A corrente de curto-circuito (I sc ), dependente da variação das condições atmosféricas, altera o valor da corrente de máxima potência (I mp ), uma vez que, segundo este método, I mp e I sc estão linearmente relacionados, como mostra a equação 3.7 [28]. = (3.7) A constante de proporcionalidade, k 2, é determinada por meios empíricos de acordo com o painel fotovoltaico, sendo o seu valor muito próximo de um mas sempre menor que este. Desta forma, medindo o valor da corrente de máxima potência e uma vez determinado o valor de k 2 pode calcular-se o valor de I mp para colocar o painel a funcionar no ponto de máxima potência. A medição de I sc durante o período de funcionamento do módulo fotovoltaico é uma operação difícil. A solução é utilizar um interruptor no conversor de potência, para que a corrente de curto-circuito possa ser medida periodicamente. Isto aumenta o número de componentes do sistema e consequentemente o custo. Através deste método, para além de haver uma redução da potência de saída, o valor da corrente para o ponto de máxima potência nunca é atingido, tal como mostra a equação 3.7. Na Figura 3.12 está representado o fluxograma deste método de procura do ponto de máxima potência. 56 Universidade do Minho

82 Figura 3.12 Fluxograma do método Corrente Constante 3.5. Conclusões Segundo [29] a inclusão de um sistema de procura do ponto de máxima potência num sistema fotovoltaico aumenta a produção de energia eléctrica em cerca de 20% a 40%, quando comparado com um sistema sem MPPT. Neste capítulo foram apresentados os principais métodos utilizados em circuitos MPPT para sistemas fotovoltaicos, tensão constante, perturbação e observação, condutância incremental e corrente constante, para a busca do ponto de máxima potência. Foi feita a descrição de todas as técnicas e explicado o seu princípio de funcionamento, numa tentativa de realizar um estudo comparativo entre todos os métodos, com o objectivo de seleccionar, de uma forma sustentada, um método para implementar no presente trabalho. Cada um dos métodos de busca apresenta as suas próprias vantagens e desvantagens. Os métodos da tensão constante e da corrente constante são simples e de fácil implementação. No entanto, o processo de cálculo para encontrar um valor ideal para k é muito complexo. Por outro lado, também apresentam uma baixa eficiência e não conseguem encontrar o ponto de máxima potência quando os módulos fotovoltaicos estão parcialmente sombreados ou contêm células danificadas. Além disto a necessidade de utilizar interruptores para desligar os circuitos e efectuar as medições, levam a um desperdício momentâneo da Universidade do Minho 57

83 energia produzida e também a um aumento do número de componentes e custos. A vantagem destes métodos é o facto de a resposta ser mais rápida quanto maior for a linearidade proporcional de I sc e V oc em relação a I mp e V mp respectivamente, conseguindo assim, responder rapidamente a mudanças de condições. O método da perturbação e observação é fácil de implementar, apresentando custos relativamente baixos e segundo [29] apresenta uma eficiência de cerca de 95%. Contudo, este algoritmo pode tornar-se complexo quando as condições atmosféricas variam muito rapidamente, podendo o sistema assumir um comportamento incorrecto ou arbitrário, em caso de deficiências no projecto do algoritmo. A maior desvantagem desta técnica de rastreio do MPP é o facto de o ponto de máxima potência nunca ser atingido, o sistema apenas oscilará em torno deste. Por sua vez, o método da condutância incremental, oferece também uma elevada eficiência, quando comparado com o método da perturbação e observação, todavia trata-se de uma técnica bem mais complexa que obriga a uma dificuldade acrescida na fase da implementação. Porém estas complexidades traduzem-se num algoritmo mais preciso, altamente eficiente e capaz de operar exactamente no ponto de máxima potência. Este método funciona de forma muito sólida quando ocorrem mudanças rápidas nas condições climatéricas, já que ajusta rapidamente a tensão do módulo fotovoltaico para encontrar, praticamente sem oscilações, o novo MPP [29]. Como desvantagem, para além do seu elevado grau de complexidade, esta é uma técnica mais cara, exigindo um microcontrolador com mais recursos, e requer sensores de tensão e corrente. A Tabela 3.2 apresenta um resumo da comparação dos quatros métodos analisados, segundo [29]. Tendo em consideração todas as vantagens e desvantagens acima referidas, para este trabalho optou-se por implementar o algoritmo da perturbação e observação, pelo facto de ser uma técnica que satisfaz de uma forma aceitável as exigências do projecto. A escolha foi efectuada com base na análise teórica de cada um dos algoritmos, sem qualquer base de suporte em resultados provenientes de simulações. O único método simulado e implementado foi a perturbação e observação. 58 Universidade do Minho

84 Tabela 3.2 Comparação entre os métodos MPPT Perturbação e Indutância Tensão Corrente Observação Incremental Constante Constante Média (95%), Alta (98%), depende de como o depende de Eficiência Baixa (90%) Baixa (90%) método é como o método optimizado é optimizado Fácil de Mais complexo. implementar. Mas Muito simples, Muito simples, Necessita de Complexidade/ pode tornar-se mas muito difícil mas muito difícil microcontrolador Implementação complexo se encontrar o valor encontrar o valor com mais condições variarem ideal de k 1. ideal de k 2. recursos. bruscamente Custo Baixo Elevado Baixo Baixo Resposta lenta. Boa, ajusta-se Resposta tão Resposta tão Reacção às Pode ter automaticament rápida quanto a rápida quanto a mudanças comportamentos e sem proporcionalidade proporcionalidade atmosféricas não correctos em oscilações. entre V mp e V oc. entre I mp e I sc. torno do MPP. Não encontra o Não encontra o MPP quando as MPP quando as Não encontra Necessita de células estão células estão Outras exactamente o sensores de danificadas ou danificadas ou limitações MPP, oscila em tensão e quando os quando os torno deste. corrente. módulos estão módulos estão sombreados. sombreados. Universidade do Minho 59

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86 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 4. Circuitos Electrónicos de Interface 4.1. Introdução Neste capítulo é feita uma análise teórica aos circuitos electrónicos de potência utilizados, nomeadamente ao conversor de tensão CC/CC e ao inversor de tensão CC/CA. Foram analisados os seus modos de funcionamento e os respectivos sistemas de controlo, de maneira a compreender o seu funcionamento Conversor de Tensão CC/CC Os conversores estáticos CC/CC são circuitos electrónicos que recebem um nível de tensão ou corrente contínua nos seus terminais de entrada e, de acordo com as exigências do sistema, ajustam para outro valor de tensão ou corrente contínua nos terminais de saída, obtendo-se assim uma tensão ou corrente regulada à saída. Estes são amplamente utilizados em fontes de tensão CC, sistemas fotovoltaicos, sistemas micro-eólicos, aplicações com motores CC, entre outras. Nos sistemas fotovoltaicos a função do conversor CC/CC é adaptar o nível de tensão que é fornecido à carga, e ao mesmo tempo optimizar a potência gerada pelos painéis fotovoltaicos, pretendendo-se com isto que o painel solar funcione sempre no ponto de máxima potência, para diferentes condições climatéricas, através do algoritmo de controlo MPPT. O conversor CC/CC é, portanto, um circuito de electrónica de potência constituído por vários componentes, tais como: semicondutores, bobinas e condensadores. Existem vários tipos de conversores CC/CC que diferem na disposição desses componentes, e consequentemente na sua função. Segundo [32] os principais tipos de conversores CC/CC são: conversor abaixador de tensão (step-down ou buck), conversor elevador de tensão (step-up ou boost), conversor abaixador-elevador (step-down/step-up ou buck-boost), e conversor em ponte completa (full-bridge). Destes quatro tipos Universidade do Minho 61

87 de conversores, apenas os conversores step-up e step-down são topologias básicas de conversores. O conversor buck-boost é uma combinação das tipologias básicas. O conversor full-bridge é uma derivação do conversor stepdown. Na Figura 4.1 estão representadas as topologias dos conversores CC/CC referidos anteriormente. Figura 4.1 Conversores CC/CC: a) Step-up b) Step-down c) Buck-Boost d) Full-Bridge Na secção 4.3 é analisado o funcionamento do conversor de tensão step-up, uma vez que, foi o conversor utilizado para elevar a tensão fornecida pelo painel solar fotovoltaico e, em conjunto com o algoritmo MPPT, rastrear o ponto de máxima potência do mesmo. 62 Universidade do Minho

88 4.3. Conversor Elevador de Tensão (Step-Up) CC/CC O conversor de tensão step-up, também conhecido como conversor Boost, é um circuito elevador de tensão de corrente contínua, ou seja, a tensão de saída é igual ou superior à tensão de entrada, sendo o valor da tensão de saída predefinido pelo controlador PWM (Pulse Width Modulation). A Figura 4.2 representa o circuito eléctrico deste conversor. Figura 4.2 Conversor CC/CC step-up Pode ver-se que o circuito é constituído por semicondutor de potência (Int), uma bobina (L) e um condensador (C) com a função de armazenar energia, e uma carga representada pela resistência (R). Durante o funcionamento do conversor, o semicondutor é repetidamente ligado e desligado a uma determinada frequência que é gerida pelo controlo PWM. O controlo PWM mantém o semicondutor ligado durante o período t on e desligado durante t off. Quando Int é ligado, a tensão V d é aplicada à bobina e o díodo fica inversamente polarizado (V o > V d ), não possibilitando a passagem de energia para o condensador e para a carga. Desta forma, a indutância vai acumulando energia e a carga é alimentada pela energia armazenada no condensador até que Int seja desligado. Quando Int é desligado, o díodo fica polarizado passando a conduzir e a energia acumulada na bobina é agora fornecida à carga e ao condensador de forma a que este seja carregado. O filtro composto pela bobina e pelo condensador, é responsável por filtrar a sequência de impulsos e assim produzir a tensão de saída. Se a corrente que circula na bobina nunca for zero, indica que o conversor opera em modo de tensão Universidade do Minho 63

89 contínua, caso contrário diz-se que opera em modo de condução descontínua [16] Modo de Condução Contínua No modo de condução contínua a corrente circula continuamente na bobina, ou seja, a corrente na bobina nunca é zero (i L (t) > 0). O conversor funciona em dois estados diferentes em cada período (T s ), o estado em que Int está ligado, t on, e o estado em que Int está desligado, t off [32]. Na Figura 4.3 são apresentadas as formas de onda da tensão e da corrente na bobina no modo de condução contínua. O valor do duty-cycle, num dado período permite verificar se o semicondutor Int está mais tempo ligado ou desligado. Figura 4.3 Formas de onda da tensão e corrente na indutância no modo de condução contínuo [32] a) Estado t on Este estado ocorre quando o semicondutor Int está ligado durante um determinado tempo (t on ). A Figura 4.4 representa o circuito do conversor step-up durante este tempo. 64 Universidade do Minho

90 O valor do duty-cycle para o período em que o semicondutor de potência está em condução é dado pela equação 4.1. = (4.1) Onde = + Figura 4.4 Circuito Step-up durante o estado t on [32] b) Estado t off Este estado ocorre quando o semicondutor Int está desligado durante um determinado tempo (t off ). A Figura 4.5 representa o circuito do conversor step-up durante este tempo. O valor do duty-cycle para o período em que o semicondutor de potência está desligado é dado pela equação 4.2. =1 (4.2) L il io id + VL - ic Vd C + VO - R Figura 4.5 Circuito step-up durante o estado t off [32] Universidade do Minho 65

91 O aumento da corrente i L durante t on e a diminuição da corrente i L durante t off são iguais. Assim, e observando os gráficos da Figura 4.3, pode-se obter a relação entre a tensão de entrada (V d ) e a tensão de saída (V o ) do modo de condução contínua [32]: +( ) =0 (4.3) Substituindo (4.1) e (4.2) em (4.3), obtém-se: +( ) (1 ) =0 (4.4) Resolvendo em ordem a : = 1 1 (4.5) Desprezando as perdas, P d = P o = = = (4.6) Desta forma a relação entre a corrente de entrada (I d ) e a corrente de saída (I o ) é dada por: =1 (4.7) Sendo que: = (4.8) A corrente na indutância pode ser calculada através da equação (4.9), que resulta da combinação de (4.5), (4.7) e (4.8). = = = (1 ) = (1 ) (4.9) 66 Universidade do Minho

92 Limite da Condução Contínua No limite da condução contínua, o valor da corrente na bobina (i L ) vai a zero no final do intervalo de tempo em que Int esteve ligado [32]. A Figura 4.6 mostra os gráficos da tensão e corrente na bobina para este estado. VL il,peak il il = ilb 0 t ton Ts toff Figura 4.6 Formas de onda da tensão e corrente na bobina do step-up no limite da condução contínua [32] O valor médio da corrente na bobina no limite da condução contínua é [32]: = 1 2, = 1 2 = 1 2 (4.10) Substituindo (4.5) em (4.10): = 2 (1 ) (4.11) Como a corrente na bobina e na entrada do conversor step-up assumem os mesmos valores, e utilizando as equações (4.8) e (4.11), verifica-se que a corrente média de saída no limite da condução contínua é [32]: = 2 (1 ) (4.12) Universidade do Minho 67

93 A grande maioria das aplicações que utilizam o conversor step-up requerem que a sua tensão de saída (V o ) seja mantida constante. Portanto, para manter V o inalterável independentemente da tensão de entrada, é necessário variar o duty-cycle [32]. A Figura 4.7 mostra as curvas de I LB e I ob com V o constante, para diferentes valores de duty-cycle (D). Vo = constante ILB,max = TsVo 8L IoB,max = 0.074TsVo L ILB IoB D (1/3) Figura 4.7 Formas de onda de I LB e I ob com V o constante [32] Analisando a Figura 4.7 verifica-se que o valor máximo de I LB acontece quando D = 0.5:, = 8 (4.13) Por sua vez, I ob assume o seu valor máximo para D = :, = 2 27 =0.074 (4.14) Em termos de valores máximos, I LB e I ob podem ser expressos, respectivamente pelas equações (4.15) e (4.16) [32]: =4 (1 ), (4.15) = 27 4 (1 ), (4.16) 68 Universidade do Minho

94 Os valores máximo e mínimo da corrente na indutância podem ser calculados através das equações 4.17 e 4.18, respectivamente [33]:, = + 2 = (1 ) + 2 (4.17), = 2 = (1 ) 2 (4.18) No limite entre o modo de condução contínua e o modo de condução descontínua é possível calcular o valor mínimo da indutância:, =0 (1 ) =0 2 (1 ) = 2 (1 ) 2 (4.19) A Figura 4.7 mostra que para um determinado valor do duty-cycle e com a tensão de saída constante, se a corrente na carga assumir valores inferiores a I ob e, consequentemente, a corrente média no indutor assumir valores abaixo de I LB, o conversor entra no modo de condução descontínua [32] Modo de Condução Descontínua O modo de condução descontínua caracteriza-se pela corrente na bobina ser zero, durante um instante de tempo. A Figura 4.8 mostra o comportamento da corrente e tensão na bobine. Verifica-se que, durante um período de tempo (T s ), a corrente na bobina passa por três estados diferentes: durante t on (DT s ), a corrente começa inicialmente em zero, aumento o seu valor até atingir o valor máximo; durante 1 T s, a corrente diminui até zero, devido ao facto de o semicondutor estar desligado; por fim, durante a fase 2 T s, a corrente de saída Universidade do Minho 69

95 (I o ) desce e ultrapassa o seu valor crítico e dessa forma a corrente na indutância anula-se até que se inicie um novo ciclo T s. Figura 4.8 Forma de onda da tensão e corrente na indutância em modo de condução descontínuo [32] Tal como no modo de condução contínua, também no modo de condução descontínua é possível obter a relação entre a tensão de entrada (V d ) e tensão de saída (V o ). = (4.20) = (4.21) Observando a Figura 4.8 tem-se que: +( ) (4.22) Substituindo (4.20) e (4.21) em (4.22): +( ) (4.23) Resolvendo em ordem a : = + (4.24) Desprezando as perdas, P d = P o : = = = (4.25) 70 Universidade do Minho

96 Desta forma, pode obter-se a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada: = + (4.26) O valor médio da corrente na bobina é igual ao valor médio da corrente de entrada: = 2 ( + ) (4.27) Escrevendo (4.26) em ordem a I o e substituindo I d por (4.27): = 2 (4.28) Na prática, uma vez que V o é mantido constante e D varia em resposta à variação de V d, é mais útil obter-se o valor de D em função da corrente de carga para vários valores de [32]. Assim usando as equações (4.14), (4.21) e (4.25), obtém-se a equação = 4 27 (4.29) 1, A Figura 4.9 ilustra a variação do duty-cycle (D) de forma a manter a tensão de saída (V o ) constante, quando a corrente da bobina está no modo de condução descontínua. No modo de condução descontínua, se V o não for controlado durante cada período de comutação, é transferida para a saída uma determinada quantidade de energia quantificada pela equação (4.30) [32]: 2, = ( ) 2 (4.30) Se a carga não consumir toda a energia transferida, a tensão no condensador pode assumir valores demasiado elevados até que a potência Universidade do Minho 71

97 estabilize. Este aumento de tensão pode mesmo causar a destruição do condensador [32]. Figura 4.9 Curva característica do conversor step-up com V o constante [32] Efeito dos Elementos Parasitas Num conversor step-up, os elementos parasitas estão associados às perdas que ocorrem na bobina, condensador no semicondutor de potência e no díodo. Na Figura 4.10 é mostrado o efeito desses mesmos elementos parasitas na relação entre V o /V d e o duty-cycle (D). Para o modo de condução contínua a relação entre V o e V d aproxima-se de um duty-cycle unitário, mas na prática tal não acontece. Os elementos parasitas provocam perdas em todos os componentes do conversor de tensão, impedindo que a relação V o e V d continue a subir quando o D se aproxima de um [32]. 72 Universidade do Minho

98 Figura 4.10 Efeito dos elementos parasitas na conversão da tensão [32] Ripple da Tensão de Saída O valor da variação da tensão de saída pode ser calculado considerando as formas de onda representadas na Figura 4.11 para uma operação em modo contínuo. Na figura a área sombreada representa a carga Q. Figura 4.11 Ripple da tensão de saída do step-up [32] Assim sendo, a variação da tensão do ripple de saída é dada pela equação (4.31) [32] [33]: Universidade do Minho 73

99 = = = (4.31) = (4.32) O valor do condensador (C) pode ser definido a partir da variação da tensão admitida. Enquanto que a corrente na indutância for maior que a corrente na carga, o condensador carrega e quando for menor, o condensador descarrega, causando assim uma variação na tensão de saída ( V o ). (4.33) Controlo do step-up com PWM Os conversores de tensão CC-CC têm como função controlar a tensão de saída de forma a que esta atinja o valor pretendido. Num conversor CC-CC, onde a tensão de entrada não é constante, a tensão de saída é ajustada para o valor pretendido através do controlo da duração em que o semicondutor de potência está ligado e desligado (t on e t off ). Um dos métodos de controlo da tensão de saída (V o ) ajusta o tempo de duração que o semicondutor está ligado, utilizando uma frequência de comutação do semicondutor constante, e consequentemente, um período de comutação também constante (T s = t on + t off ). Este método designa-se por PWM (Pulse-Width Modulation), também conhecido por Modulação por Largura de Impulso. Durante o funcionamento deste método de modulação, o semicondutor é sucessivamente ligado e desligado, correspondendo ao valor do duty-cycle, ou seja, ao controlo dos tempos on e off. Na Figura 4.12 é mostrado um diagrama de blocos de um controlador PWM [32]. 74 Universidade do Minho

100 V ref + Amplificador v control Comparador Sinal V o - v st PWM Figura Diagrama de blocos do controlador PWM [32] Analisando a Figura 4.2, verifica-se que o bloco amplificador tem como função amplificar o sinal de erro, através da diferença entre o valor da tensão de referência (V ref ) e o valor da tensão de saída do conversor (V o ). A variável V ref representa o valor de tensão que se pretende ter à saída do conversor, enquanto que V o simboliza a tensão que realmente está à saída do mesmo. O resultado desta subtracção é um sinal de erro denominado V control. Este sinal é utilizado no bloco seguinte (comparador), para ser comparado com uma onda do tipo dente de serra (Sawtooth Wave). A onda resultante dessa operação apresenta uma frequência fixa com um período igual a T s. Na Figura 4.13 está representada o processo de comparação de v control com v st. vst = Sawtooth voltage Vcontrol vst 0 t Vcontrol > vst On On ton Ts Off toff Off Vcontrol < vst Figura 4.13 Comparação dos sinais V control e v st [32] Universidade do Minho 75

101 Quando o sinal de v vontrol é maior que o valor de v st, o semicondutor está ligado (estado t on ) e como tal o sinal PWM é alto. Pelo contrário, quando o sinal de v control é menor que o valor de v st, o semicondutor está desligado (t off ) e por isso o sinal PWM é baixo. O valor do duty-cycle pode ser determinado pela equação (4.34) [32]. = = (4.34) Desta forma, verifica-se que o semicondutor deve estar mais tempo em condução quando o valor da tensão de saída (V o ) está mais distante do valor da tensão de referência (V ref ). Por outro lado, o semicondutor deve estar mais tempo desligado na situação em que o valor da tensão de saída está mais próximo do valor de V ref. Na Figura 4.14 está representado o esquema do circuito step-up com controlo PWM. Figura 4.14 Circuito eléctrico do conversor step-up com controlo PWM Dimensionamento do Step-Up Tendo por base os fundamentos teóricos apresentados na secção 4.3, procedeu-se ao dimensionamento de todos os componentes constituintes do conversor de tensão. 76 Universidade do Minho

102 Para os cálculos efectuados assumiu-se que: V d = 200V V o = 230V f = 25kHz T s = 40µs R = 100Ω =1% Tensão máxima gerada pelo conjunto dos painéis fotovoltaicos Tensão desejada à saída do conversor step-up Frequência de comutação Período de comutação Carga do conversor step-up Ripple da tensão de saída O valor do duty-cyle é calculado através da relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada expressa na equação = = 1 1 =13% (4.35) O valor mínimo da indutância da bobina é dado pela equação 4.36: (1 ) (1 0.13) μ (4.36) Assumindo 1% como o valor máximo de ripple para a tensão de saída, o condensador é calculado através da equação 4.37: = 1% μ ,2μ (4.37) Na Tabela 4.1 tem-se um resumo dos valores calculados para a implementação do conversor de tensão. Universidade do Minho 77

103 Tabela Componentes do step-up Componente Valor Bobina (L) 197µH Condensador (C) 5.2µF Resistência (R) 200Ω 4.4. Inversor Nos sistemas fotovoltaicos a tensão produzida pelos painéis é contínua, enquanto que a tensão da rede é alternada. Assim, é necessário efectuar a inversão da tensão (CC/CA) para que esta possa ser injectada na rede eléctrica. Os inversores são circuitos eléctricos que efectuam a conversão CC/CA. Este tipo de circuitos é muito utilizado em aplicações industriais, por exemplo, em sistemas de accionamento de motores de corrente alternada, em filtros activos de potência e em fontes de tensão reguladas. Num sistema fotovoltaico, este circuito é o último elemento do sistema, fazendo a interface entre o painel fotovoltaico e a rede. Os conversores CC/CA, conhecidos como inversores, possibilitam a geração de tensões alternadas com amplitude e frequência variáveis a partir de uma fonte de tensão CC. Existem várias topologias de inversores CC/CA. Estes podem ser monofásicos ou trifásicos, e consoante o tipo de alimentação podem ser VSI (Voltage Source Inverter) ou CSI (Current Source Inverter) [34]. Para a realização deste trabalho utilizou-se um inversor monofásico do tipo VSI, uma vez que o objectivo é produzir uma tensão com valores de amplitude e frequência controlados, para ser injectada na rede. Por sua vez, os inversores VSI estão divididos em três categorias distintas, inversores PWM, inversores de onda quadrada e inversores monofásicos com cancelamento de tensão [32]: a) Inversor PWM: neste tipo de inversor, a tensão de entrada é constante em magnitude. O inversor controla a magnitude e a frequência da 78 Universidade do Minho

104 tensão de saída, através da modulação por largura de impulso, para obter uma tensão de saída o mais próxima possível de uma onda sinusoidal [32]. b) Inversor de onda quadrada: neste tipo de inversor, a tensão de entrada CC é controlada, com o objectivo de controlar a magnitude da tensão de saída CA. Portanto, o inversor tem apenas de controlar a frequência da tensão de saída. A tensão de saída tem a uma forma de onda semelhante a uma onda quadrada [32]. c) Inversor monofásico com cancelamento de tensão: com este tipo de inversor é possível controlar a magnitude e a frequência da tensão de saída, apesar de a tensão de entrada CC ser constante e os interruptores do inversor não serem comandados por PWM. A forma de onda da tensão de saída é uma onda quadrada. Portanto, este inversor combina as características dos dois inversores anteriormente descritos. A técnica de anulação de tensão apenas funciona em inversores monofásicos [32] Inversor Half-Bridge Na Figura 4.15 está representado um inversor Half-Bridge ou em meia ponte, onde se pode constatar que os dois interruptores existentes, através dos condensadores, dividem a tensão de entrada CC em duas partes. Os condensadores, ligados em serie, têm valores iguais, apresentando por isso, cada um deles, uma tensão de V d /2 V. Quando o interruptor T+ é ligado, T+ e D+ entram em condução, dependendo do sentido da corrente de saída e i o divide-se igualmente pelos dois condensadores. Similarmente, quando T- é ligado, T- e D- entram em condução, consoante o sentido da corrente da corrente de saída, i o, e esta divide-se igualmente pelos dois condensadores [32]. Este comportamento pode ser observado na Figura O inversor de meia ponte é recomendado para aplicações em baixa potência, pois o nível de tensão na carga é duas vezes menor que a topologia inversora em ponte completa (analisada no tópico seguinte) com a mesma tensão no barramento CC. Universidade do Minho 79

105 Figura Inversor Half-bridge a) b) Figura Estados de operação do inversor de tensão half-bridge: a) T+ ligado; b) T- ligado Inversor Full-Bridge O inversor Full-Bridge ou em ponte completa, representado na Figura 4.17 é formado por dois inversores, permitindo assim, com a mesma tensão de entrada CC, obter na saída o dobro do valor máximo da tensão obtida num inversor de meia ponte. Isto implica que, para a mesma potência, o valor das correntes de saída e dos semicondutores de potência são reduzidas para metade, comparativamente ao inversor de meia ponte. Esta diminuição da corrente e aumento da tensão é particularmente útil em sistemas de elevada potência, uma vez que exige menos dispositivos em paralelo. Por isso, e segundo [32], esta configuração é preferida relativamente a outras para aplicações de maior potência. A operação de funcionamento do circuito pode ser dividida em duas situações distintas como se monstra na Figura Um primeiro momento, em 80 Universidade do Minho

106 que os interruptores T A + e T B - estão fechados simultaneamente e a tensão na carga é V d. Um segundo momento, onde os interruptores T A - e T B + estão juntamente fechados, invertendo assim a tensão na carga (-V d ). Desta forma, os interruptores funcionam de forma complementar. id + + Vd 2 - C+ TA+ A DA+ TB+ DB+ io + Vd + B vo - - Vd 2 - C- TA- DA- TB- DB- Figura Inversor Full-bridge a) b) Figura Estados de operação do inversor de tensão full-bridge: a) TA+ e TB- ligados; b) TA- e TB+ ligados Controlo do Inversor com PWM O controlo da comutação dos semicondutores de potência do inversor monofásico é efectuado através do método da modulação de largura de impulso PWM. O objectivo é produzir na saída do inversor uma onda sinusoidal com valores de amplitude e frequência previamente estabelecidos (230 V e 50 Hz). A fim de gerar na saída do inversor uma forma de onda sinusoidal com uma frequência e amplitude desejadas é necessário controlar a comutação dos semicondutores de potência. Assim, os sinais de controlo dos semicondutores Universidade do Minho 81

107 são obtidos através da comparação de um sinal de controlo sinusoidal (V control ) com uma onda triangular (V tri ). O sinal de controlo é usado para modular a relação da frequência de comutação e apresenta uma frequência f 1 (também designada de frequência da onda moduladora), que é a frequência fundamental desejada da tensão de saída do inversor. Por sua vez, a onda triangular (também chamada de onda portadora) apresenta uma frequência f s que estabelece a frequência com o que os interruptores do inversor são comutados e geralmente é mantida constante ao longo da sua amplitude. A tensão à saída do inversor é representada por uma onda rectangular de amplitude igual à tensão de entrada de alimentação do mesmo e de duração variável. Após uma filtragem desta onda obtém-se uma onda sinusoidal, no entanto, esta não será perfeita, uma vez que contém componentes harmónicas à frequência f h, em que h representa a ordem do harmónico. A amplitude de modulação m a é definida como: = Ṽ Ṽ (4.38) Em que Ṽ control é o valor de pico do sinal de controlo. A amplitude de Ṽ tri do sinal triangular geralmente é mantida constante. A partir da intersecção da onda triangular, com a onda de controlo sinusoidal vão surgir impulsos com uma duração variável, que terão uma sinusóide como componente fundamental, como se observa na Figura Figura 4.19 Modelação de largura por impulso [32] 82 Universidade do Minho

108 Controlo com PWM Unipolar No controlo por PWM com uma tensão unipolar de comutação, os semicondutores de potência dos dois braços do inversor de ponte completa não comutam simultaneamente, tal como acontece no PWM bipolar que será analisado na secção seguinte. Neste tipo de controlo os braços A e B são controlados separadamente, através da comparação de v tri com v control e v control, respectivamente como se verifica na Figura Figura 4.20 Comparação de V tri com V control na modulação por PWM com tensão unipolar de comutação [32] Tal como se observa na Figura 4.21 a comparação de v control com a onda triangular resulta nos seguintes sinais lógicos de controlo do braço A: > : = < : =0 (4.39) Para controlar a comutação dos semicondutores do braço B, a onda v control é comparada com a mesma onda triangular, produzindo os seguintes sinais lógicos de controlo representados na Figura 4.21: ( )> : ( )< : 0 (4.40) Universidade do Minho 83

109 Figura 4.21 Sinais de controlo dos braços A e B do inversor [32] Desta forma, verifica-se que devido à comutação dos semicondutores, a tensão de saída varia entre 0 e V d ou entre 0 e V d como comprova Figura Figura 4.22 Tensão de saída do inversor [32] As formas de onda das figuras anteriores, correspondentes ntes ao controlo do inversor por PWM com uma tensão unipolar de comutação, mostram que existem quatro combinações possíveis de comutação dos semicondutores, resultando nos seguintes níveis de tensão: 1., :, 0; 2., : 0, ; 3., :, ; 0 4., : 0, 0; 0 (4.41) Do conjunto de equações 4.41 facilmente se conclui que quando os dois semicondutores da parte superior ou inferior são ligados em simultâneo a tensão à saída do inversor é zero. 84 Universidade do Minho

110 Controlo com PWM Bipolar No controlo do inversor de ponte completa com PWM bipolar os semicondutores de potência operam em pares (T A+, T B- ) e (T A-, T B+ ), ligando e desligando alternadamente. Assim, a tensão de saída no braço A do inversor de ponte completa (ver Figura 4.17), é idêntica à tensão de saída do inversor em meia ponte, em que a forma de onda resulta da comparação entre V control e V tri como está representado na Figura Por seu lado, a saída do inversor no braço B é o inverso da saída do braço A. Quando T A+ e T B- estão ligados e. Então: (4.42) Logo: 2 (4.43) Figura 4.23 Modulação PWM com tensão de comutação bipolar [32] Tipos de Instalações Conectadas à Rede Segundo [35], actualmente existem quatro topologias diferentes de instalações fotovoltaicas ligadas à rede eléctrica, as quais, em função das suas respectivas características, vantagens e desvantagens, oferecem boas Universidade do Minho 85

111 soluções técnicas, tendo em conta as condições locais e a finalidade do projecto. As quatro topologias, de seguida explicadas são: inversor central, inversor string, inversor multi-string e inversor com módulo integrado ou módulo CA Inversor Central Neste tipo de instalação é utilizado apenas um inversor com vários painéis solares associados em paralelo formando um gerador de alta potência (> 10 kw). Os inversores centrais oferecem uma elevada eficiência e gastos específicos reduzidos. No entanto, a adopção de módulos com características diferentes ou com defeitos, reduz o aproveitamento óptimo de cada painel, diminuindo a eficiência energética do gerador. Outra desvantagem é o facto de a instalação estar dependente de um único inversor, o que em caso de falhas do mesmo, compromete toda a instalação [35]. Na Figura 4.24 apresenta-se um esquema ilustrativo deste tipo de instalação. Figura 4.24 Inversor Central Inversor String A instalação conectada à rede com inversor string apresenta algumas semelhanças, em termos de aplicações fotovoltaicas, ao inversor central, onde os painéis se subdividem. No entanto, cada conjunto de painéis solares está ligado apenas a um inversor, desta forma este funciona no seu ponto de máxima potência. Assim, este tipo de instalação reduz os acoplamentos defeituosos, diminui as perdas devido ao aparecimento de sombras e evita as perdas nos díodos de bloqueio. Trata-se de uma configuração de custo 86 Universidade do Minho

112 reduzido e com uma eficiência energética superior. Apresenta também melhor fiabilidade já que a instalação não está dependente de um único inversor [35]. A Figura 4.25 ilustra o esquema de ligação do tipo de instalação com inversor string. Figura 4.25 Inversor String Inversor Multi-string A topologia inversor multi-string, possibilita a ligação de vários conjuntos de painéis fotovoltaicos, os quais operam no seu ponto de máxima potência através de um conversor CC/CC, tal como se demonstra na Figura Figura 4.26 Inversor Multi-String Universidade do Minho 87

113 Este tipo de instalações apresenta todas as vantagens das restantes topologias e pode funcionar com óptimo rendimento energético. Esta configuração é aplicada em sistemas de energias que operam na faixa de potência de 3 até 10 kw [35] Módulo com Inversor Integrado ou Módulo CA O inversor com módulo integrado recebe na sua entrada um único módulo. Esta configuração não produz nenhum tipo de perda por adaptação e é empregada em baixas potências, de 50 até 400 W. Todavia, a eficiência deste inversor é inferior à apresentada pelo inversor string. Esta topologia necessita de cabos maiores para a ligação à rede eléctrica, uma vez que estes são ligados directamente à rede [35]. Esta topologia é representada pela Figura Figura 4.27 Inversor com Módulo Integrado ou Módulo CA 4.5. Conclusões Neste capítulo foram apresentados os estudos relativos aos conversores CC-CC e CC-CA. O estudo desta temática serviu para compreender o modo de funcionamento dos circuitos de maneira a escolher a topologia que melhor satisfaz as necessidades do projecto. 88 Universidade do Minho

114 Assim, neste capítulo é feita uma exposição do funcionamento do step-up, bem como o seu controlo por PWM. Foi também feito dimensionamento dos componentes do conversor step-up para o modo de condução contínua. Para o conversor CC-CA optou-se pela configuração em ponte completa, porque, com a mesma tensão no lado CC do inversor obtém-se na sua saída o dobro da tensão relativamente à montagem de meia ponte. Foram também analisadas as técnicas de controlo com PWM unipolar e bipolar. Universidade do Minho 89

115

116 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 5. Simulações Computacionais 5.1. Introdução A evolução dos circuitos electrónicos, torna indispensável o uso de ferramentas de simulação, de forma a permitirem a realização de estudos comportamentais dos circuitos eléctricos que se pretende implementar. Desta forma, com programas computacionais adequados, é possível manipular as diferentes variáveis de um circuito electrónico em várias situações de funcionamento. O recurso a simulações computacionais permite fazer uma previsão do comportamento de um determinado circuito eléctrico, prevenindo assim a prática de erros aquando da fase da implementação prática. Os softwares de simulação permitem também o estudo do comportamento de um determinado circuito em condições extremas de operação, ou seja, para além dos limites impostos. Este leque de vantagens traduz-se num aumento da segurança do investigador e dos equipamentos envolvidos, numa diminuição dos custos e do tempo de investigação, contribuindo assim para uma maior eficiência do projecto. A análise do sistema simulado facilita o processo de compreensão do sistema real, uma vez que permite o ajuste de parâmetros e a comparação de diferentes alternativas, contribuindo assim para o aperfeiçoamento do desempenho do sistema. É fundamental que as ferramentas de simulação se aproximem tanto quanto possível do comportamento real dos diversos componentes electrónicos, de maneira a que o modelo simulado apresente comportamentos fidedignos e próximos da realidade. Neste capítulo são apresentadas as simulações computacionais realizadas, nomeadamente as simulações de um painel solar fotovoltaico, de um conversor CC-CC step-up, de um circuito para extrair a máxima potência (MPPT) e de um circuito inversor. O software usado para as simulações computacionais do sistema solar fotovoltaico foi o MATLAB/Simulink. A escolha desta ferramenta de simulação Universidade do Minho 91

117 deveu-se ao facto de existir maior experiência de manuseamento, relativamente a outras ferramentas, adquirida em trabalhos anteriores. O Simulink é um ambiente para simulação e desenho de sistemas dinâmicos e integrados. Disponibiliza uma interface gráfica interactiva com o utilizador e um conjunto personalizável de bibliotecas de blocos que permitem projectar, simular, implementar e testar uma variedade de sistemas variáveis no tempo. Como o Simulink é parte integrante do MATLAB é possível interagir com este, aproveitando assim ao máximo, os recursos oferecidos pelos dois ambientes [36]. O Simulink apresenta também uma biblioteca dedicada exclusivamente à simulação e desenho de sistemas de electrónica de potência, chamada SimPowerSystems. A utilização desta ferramenta permite a modelação e simulação de geração, transmissão, distribuição e consumo de energia eléctrica. Fornece também modelos de muitos componentes usados nesses sistemas, incluindo máquinas trifásicas, motores eléctricos e bibliotecas de modelos específicos de aplicação, tais como sistemas flexíveis de transmissão de corrente alternada e geração de energia eólica. A análise harmónica, o cálculo da distorção harmónica total, o fluxo de carga e outras análises do sistema de energia são processos automatizados. Os modelos SimPowerSystems possibilitam ainda a discretização do sistema de modo a acelerar as simulações [37] Simulação do Painel Solar Fotovoltaico Apesar de ser conhecida a indisponibilidade de utilizar um painel solar fotovoltaico para a implementação prática do projecto, considerou-se essencial o desenvolvimento de um modelo para a simulação do mesmo, para uma melhor compreensão, não só do próprio painel, mas de todo o sistema de interface à rede eléctrica. Deste modo, simulou-se o painel solar fotovoltaico da Kyocera, modelo KC85T-1, por este possuir características que satisfazem as necessidades do projecto. As características deste mesmo painel solar estão indicadas no subcapítulo 2.4, relativo ao módulo solar fotovoltaico. O modelo do painel fotovoltaico desenvolvido no Simulink e representado na Figura 5.1, permite gerar as curvas de corrente vs tensão e potência vs 92 Universidade do Minho

118 tensão, para os valores de temperatura e radiação solar previamente especificados pelo utilizador. Figura 5.1 Modelo do painel fotovoltaico desenvolvido no Simulink a) modelo do painel solar b) subsistema do modelo desenvolvido A Figura 5.1 a) representa o modelo do painel solar desenvolvido em Simulink, que tem como parâmetros de entrada a radiação solar e temperatura, sendo estes passíveis de ser alterados pelo utilizador, e na sua saída são disponibilizadas os sinais de tensão e corrente produzidos pelo mesmo. Este bloco é depois ligado ao circuito MPPT, como se demonstra na secção 5.4., reservada à simulação do circuito MPPT. A Figura 5.1 b) afigura o subsistema que está contido no bloco Painel Fotovoltaico e é onde é feita a modulação do módulo fotovoltaico, baseada nos pressupostos apresentados nas secções 2.3. e 2.4., através do bloco programável Embedded MATLAB Function2. As Figura 5.2 a) e b) representam respectivamente as curvas corrente vs tensão e potência vs tensão do painel solar fotovoltaico simulado para as condições padrão STC, ou seja, radiação solar no valor de 1000W/m 2 e temperatura de 25ºC. 93 Universidade do Minho

119 Figura 5.2 a) Curva Corrente vs Tensão b) Curva Potência vs Tensão 5.3. Simulação do circuito Step-Up Para analisar o funcionamento do conversor step-up, foi simulado em Simulink o modelo representado na Figura 5.3. Esta simulação permitiu validar os cálculos efectuados na secção 4.3.7, relativos ao dimensionamento do conversor CC-CC, bem como observar o comportamento do mesmo e, dessa forma, retirar as devidas conclusões para a sua implementação prática. Figura Conversor step-up simulado em Simulink O modelo simulado é alimentado por uma fonte de tensão contínua (Vi) de 200V, sendo esta elevada para 230V à sua saída. O conversor foi simulado de 94 Universidade do Minho

120 forma a funcionar no modo de condução contínua, ou seja, a corrente na bobina nunca é zero. Assim, a bobina L e o condensador C apresentam, respectivamente, os valores de 250µH e 10µF. A carga, representada pela resistência R, tem o valor de 200Ω. O semicondutor de potência utilizado foi o mosfet, no qual foi aplicado um bloco PWM configurado para gerar uma onda com uma frequência de 25KHz e com um duty-cycle de 13%. Os valores dos componentes utilizados na simulação estão de acordo com os que foram calculados e apresentados anteriormente, tal como se pode comprovar através da Tabela 5.1. Tabela 5.1- Valores dos componentes do step-up nos cálculos e na simulação Componente Valor (Cálculos) Valor (Simulação) Bobina (L) 197µH 250µH Condensador (C) 5.2µF 10µF Resistência (R) 200Ω 200Ω De modo a analisar o funcionamento do conversor CC-CC simulado, procedeu-se ao visionamento das formas de onda de tensão e corrente dos componentes electrónicos constituintes do step-up. Na Figura 5.4 estão representadas simultaneamente as formas de onda da tensão à entrada e à saída do conversor. A tensão de entrada apresenta um valor de 200V, enquanto que a tensão de saída tem o valor de 230V, tal como esperado. Figura Tensão de entrada e saída no step-up 95 Universidade do Minho

121 Pela análise da Figura 5.5 verifica-se que o conversor step-up simulado funciona efectivamente no modo de condução contínua. Os valores da corrente na bobina variam entre um mínimo de cerca de 0,5A e um máximo de cerca de 4,6A, portanto esta nunca o corrente na bobina nunca é zero. Figura 5.5 Corrente na bobine A análise da tensão drain-source (V ds ) e da corrente na drain (I d ) no mosfet, são também importantes para saber qual o mosfet que melhor pode servir às necessidades do projecto. Através da análise, das formas de onda v ds e i d, representadas na Figura 5.6, constata-se que o mosfet deve suportar uma tensão na ordem dos 250V e uma corrente de 6A. Figura 5.6 Tensão e Corrente no Mosfet 96 Universidade do Minho

122 5.4. Simulação do circuito MPPT Um dos objectivos desta dissertação era a simulação computacional de um circuito MPPT (Maximum Power Point Tracking) para o controlo do conversor CC-CC step-up,, e dessa forma extrair a potência máxima de um painel, ou um conjunto de painéis fotovoltaicos. Na Figura 5.7 está representado o modelo do circuito MPPT implementado em Matlab/Simulink. Figura Modelo do circuito MPPT simulado O bloco MPPT do modelo desenvolvido aceita como parâmetros de entrada, a potência gerada pelo conjunto dos painéis no instante actual (P pv ) e no instante anterior (P pv_ant ), a tensão produzida pelo conjunto dos painéis (V pv ), a radiação solar incidente (G) e a temperatura (T) a que estão sujeitos os painéis fotovoltaicos, para que, através do algoritmo Perturbação & Observação, consiga atingir o ponto de máxima potência, gerando a correspondente tensão de controlo (v controlo ). Assim, a tensão de controlo deve ser capaz de detectar o ponto de máxima potência e estabilizar em torno deste. A Figura 5.8 mostra o resultado de uma simulação, para as condições STC (radiação igual a 1000W/m 2 e temperatura igual a 25ºC), de um conjunto de painéis solares fotovoltaicos ligados em série, verificando-se que para uma potência máxima de cerca de 960W a tensão de controlo estabiliza em torno de 217V, que é de facto a tensão de máxima potência do arranjo fotovoltaico. 97 Universidade do Minho

123 Figura 5.8 Potência do arranjo fotovoltaico e tensão de controlo do controlo MPPT O aumento do valor da perturbação provoca também uma oscilação maior em torno do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico, como se pode ver na Figura 5.9, que representa a variação da tensão de controlo em torno do ponto de tensão correspondente potência máxima, para três valores diferentes de perturbação ( V) da tensão de controlo. Para uma perturbação de 0,5V a tensão de controlo, em regime permanente oscila entre 212,2V e 211,6V, enquanto que para V=0,2V, a tensão de controlo tem como valor máximo 212.0V e como mínimo cerce de 211,8V. Por sua vez, como uma perturbação de 0,1V a tensão de controlo varia entre 211,9V e 211,8V. Figura 5.9 Tensão de controlo em regime permanente a) V=0,5V b) V=0,2V c) V=0,1V 98 Universidade do Minho

124 Depois de gerada a tensão de controlo (v control ), esta entra no bloco de geração do sinal PWM, representado na Figura 5.10, onde é comparada com uma onda dente de serra de 25kHz, de forma a gerar o duty-cycle para aplicar no mosfet do conversor de tensão CC-CC step-up. Figura 5.10 Bloco desenvolvido em Simulink para a geração do sinal PWM do MPPT A comparação da tensão de controlo com o dente de serra é mostrada na Figura Figura 5.11 Comparação da onda dente de serra com a tensão de controlo Desta comparação resulta o sinal de PWM para o comando dos mosfets, mostrado na Figura Universidade do Minho

125 Figura 5.12 Sinal PWM resultante do controlo MPPT 5.5. Simulação do circuito Inversor Para o estudo do conversor CC-CA, desenvolveram-se em Simulink, dois modelos de circuitos inversores, um dotado de um filtro LC, representado na Figura 5.13 e outro sem filtro LC. Esta simulação teve como objectivo analisar o funcionamento global do circuito inversor, bem como testar e validar a técnica de controlo a implementar no inversor, na tentativa de minimizar a prática de erros no momento da implementação prática. Os modelos simulados são do tipo full-bridge ou ponte completa e o controlo da comutação dos mosfets é feita por PWM Unipolar. Na simulação utilizou-se uma carga resistiva no valor de 65Ω, tal como na sua montagem. Figura Inversor simulado em Simulink 100 Universidade do Minho

126 Como referido anteriormente, a técnica de controlo utilizada na simulação do circuito inversor foi o PWM unipolar, que consiste na comparação de um sinal v tri (onda triangular) com v control e v control (sinal de controlo sinusoidal), como se pode observar na Figura Figura 5.14 Simulação do controlo do inversor (PWM unipolar) Como se pode observar na Figura 5.14, a onda sinusoidal apresenta um período de 20ms, o que corresponde a uma frequência de 50Hz, uma vez que esta é a frequência desejada na tensão de saída do inversor. A comutação dos mosfets é feita à frequência de 10kHz (frequência da onda triangular) e os respectivos sinais de controlo, representados na Figura 5.15, resultam da comparação das ondas da figura anterior da seguinte forma: > < > < 101 Universidade do Minho

127 Figura 5.15 Sinais de controlo dos mosfets Na Figura 5.16 estão representadas as formas de onda da tensão dos quatro mosfets do circuito inversor, resultantes da aplicação dos sinais de controlo anteriores. Figura Formas de onda da tensão nos mosfets 102 Universidade do Minho

128 Na Figura 5.17 estão representadas as quatro formas de onda das correntes dos mosfets do inversor. Figura Forma de onda da corrente nos mosfets A análise das formas da onda das tensões e das correntes nos semicondutores de potência tem por objectivo seleccionar o mosfet que melhor satisfaz as necessidades do projecto, bem como verificar o correcto funcionamento do circuito de potência. Para uma tensão de entrada contínua no inversor de 325V sem a aplicação do filtro LC, obteve-se a tensão de saída apresentada na Figura Pela análise da imagem verifica-se que a tensão de saída apresenta-se como uma onda quadrada como resultado da modulação por largura de pulso, com uma frequência de 50Hz e uma tensão alternada de 325V. A imagem apresenta também um zoom onde se verifica com mais detalhe a modulação da tensão de saída. 103 Universidade do Minho

129 Figura 5.18 Tensão de saída do inversor sem filtro LC A corrente na carga resistiva, ligada à saída do inversor, está ilustrada na Figura 5.19, onde se verifica que esta está em fase com a tensão de saída e apresenta um valor máximo de cerca de 5A. Figura 5.19 Corrente na carga do inversor sem filtro LC 104 Universidade do Minho

130 Para o mesmo valor de tensão contínua (325V) à entrada do inversor, mas desta feita com a aplicação de um filtro LC, com uma indutância de 1,49mH e um condensador de 1,75µF, obteve-se na saída do conversor CC-CA a forma de onda da tensão apresentada na Figura Figura Tensão de saída do inversor com aplicação de um filtro LC A corrente na resistência de carga do inversor está representada na Figura 5.21 e encontra-se em fase com a tensão de saída, apresentando um valor de pico de cerca de 5A. Figura Corrente na carga do inversor com filtro LC A filtragem das ondas de tensão e corrente moduladas por impulsos, resultam numa tensão e corrente sinusoidais como demonstram as figuras anteriores. 105 Universidade do Minho

131 5.6. Conclusões Neste capítulo foram apresentadas todas as simulações e os respectivos resultados dos diferentes circuitos constituintes do sistema de interface de um painel solar à rede eléctrica, designadamente a simulação do painel fotovoltaico e as simulações dos circuitos step-up, MPPT e inversor. O desenvolvimento do modelo de simulação do painel solar, baseou-se no estudo apresentado nos capítulos 2.3 e 2.4 acerca da célula e do módulo fotovoltaico, e, de acordo com os resultados obtidos, conclui-se que o modelo simulado se adequa aos objectivos pretendidos e ao projecto, uma vez que possibilita a reprodução fidedigna das curvas de tensão, corrente e potência do painel fotovoltaico para diversas situações de radiação solar e temperatura. A simulação do conversor de tensão CC-CC revelou-se bastante útil, não só para a legitimação dos valores dos componentes dimensionados por intermédio de cálculos, mas também para uma compreensão mais exacta do funcionamento do mesmo. A diferença entre os valores dos componentes calculados e os valores dos mesmos utilizados na simulação, deve-se aos melhores resultados obtidos. De acordo com o que foi estudado no capítulo 4.3 o conversor de tensão CC-CC deve funcionar no modo de condução contínua, o que se veio a verificar na simulação efectuada. O modelo de simulação implementado possibilitou atestar a competência do funcionamento do conversor CC-CC como circuito step-up, uma vez que é capaz de elevar a tensão de entrada. O circuito MPPT simulado constatou a satisfação dos requisitos necessários ao rastreamento do ponto de máxima potência do painel solar, validando desta forma o algoritmo perturbação & observação para a fase de implementação prática. Os resultados apresentados neste capítulo, bem como os demais recolhidos, atestam a capacidade do circuito MPPT em, para cada valor de radiação solar e temperatura, seguir o ponto de máxima potência, optimizando assim, a potência produzida pelo painel fotovoltaico. Para o conversor CC-CA foram simulados dois circuitos diferentes, um com um filtro LC e outro sem esse mesmo filtro. Através dos resultados apresentados conclui-se que ambos os sistemas apresentam bons resultados, sendo capazes de inverter de forma controlada a tensão de saída para os 106 Universidade do Minho

132 níveis da rede eléctrica, 325V e 50Hz. Na simulação do controlo da comutação dos semicondutores de potência, não foi tida em conta a necessidade da existência de um tempo morto (dead-time) entre os dois mosfets de cada braço inversor, pelo facto de o software de simulação não fazer exigência destes tempos para o correcto funcionamento do circuito. No entanto, a ausência desse parâmetro não impede a obtenção de resultados satisfatórios, quer ao nível do controlo, quer ao nível global do funcionamento do inversor, no se refere à simulação. 107 Universidade do Minho

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134 Interface do Painel Solar à Rede Eléctrica 6. Implementação e Resultados Experimentais 6.1. Introdução Neste capítulo serão apresentados e explicados todos os circuitos implementados e respectivos resultados, necessários para a interface de um painel solar fotovoltaico à rede eléctrica. Os resultados provenientes do funcionamento dos circuitos implementados serão também aqui apresentados e serão sujeitos a uma análise crítica relativamente à sua implementação e ao seu desempenho, com o intuito de aferir os aspectos positivos e negativos resultantes do trabalho. A Figura 6.1 representa a bancada de trabalho onde todo o sistema foi desenvolvido. Figura 6.1 Bancada de trabalho Universidade do Minho 109

135 6.2. Descrição do Sistema Implementado Para a interface entre o painel solar e a rede eléctrica foram desenvolvidos e implementados vários circuitos electrónicos que, ainda de forma simplificada, estão representados no diagrama de blocos da Figura 6.2. Painel Fotovoltaico Conversor CC-CC step-up Inversor Rede Sinal PWM Sinal PWM Tensão Corrente Microcontrolador (PIC 18F4431) Cálculo potência PV, controlo MPPT, controlo do inversor Figura 6.2 Diagrama de blocos do sistema implementado Apesar de inicialmente ter sido proposto a utilização de um painel solar fotovoltaico, este não foi utilizado devido ao facto de no período de realização desta dissertação não existir qualquer módulo fotovoltaico disponível, de acordo com o que foi comunicado pelo professor orientador. Assim, recorreu-se ao uso do rectificador representado na Figura 6.3, que ao rectificar a tensão proveniente da rede eléctrica e em conjunto com um VARIAC possibilitou emular o painel solar fotovoltaico. Assim, ao longo desta dissertação, sempre que relativamente ao trabalho efectuado seja referido a utilização de um painel solar, deve ter-se em conta que este foi substituído pelo conjunto rectificador mais VARIAC. 110 Universidade do Minho

136 Figura 6.3 Rectificador usado para emular o painel solar O sistema de interface do painel solar fotovoltaico implementado pode dividir-se em duas partes, unidade de potência e sistema de comando, sendo que dentro do sistema de comando pode identificar-se claramente a unidade de medida e a unidade de controlo. A unidade de potência apresenta e descreve os circuitos de potência implementados, nomeadamente o conversor CC-CC step-up e o inversor. O sistema de comando, formado por duas unidades distintas, é responsável por efectuar todas as operações de leitura e processamento de variáveis, de modo a actuar na unidade de potência de forma correcta, para que o sistema global funcione de acordo com o previsto. As duas unidades constituintes do sistema de comando são a unidade de leitura, onde estão compreendidos os sensores de tensão e corrente, e a unidade de controlo que engloba os circuitos acopladores ópticos e o microcontrolador PIC. O desenvolvimento do trabalho prático desta dissertação foi realizada em duas etapas, uma primeira fase em que foi projectado e montado o circuito do conversor CC-CC step-up e o desenvolvimento do respectivo circuito de controlo, e uma segunda fase respeitante à projecção e montagem do circuito inversor e implementação do seu circuito de comando. O conversor step-up foi montado e testado em malha aberta e em malha fechada. Na montagem em malha aberta a unidade de medida é desactivada e a unidade de controlo gera um sinal de PWM com duty-cycle constante para 111 Universidade do Minho

137 aplicar na gate do mosfet. Esta montagem permitiu aferir se o conversor CC-CC estava a funcionar correctamente. Na montagem em malha fechada a unidade de controlo recebe os valores da tensão e da corrente do painel solar lidos pela unidade de medida e gera o sinal PWM de duty-cycle variável, tendo por base o algoritmo de controlo MPPT Perturbação e & Observação. O sinal de controlo gerado é aplicado ao mosfet e os valores da tensão, corrente e potência do painel solar, bem como o duty-cycle actual do conversor são mostrados no LCD Nokia. No que respeita ao circuito inversor, foi implementado um inversor de tensão monofásico em ponte completa, cuja técnica de controlo desenvolvida para a comutação dos mosfets foi o controlo com PWM Unipolar Unidade de Potência A unidade de potência é constituída pelo circuito do conversor de tensão CC-CC step-up e pelo circuito do conversor de tensão monofásico CC-CA (inversor). Optou-se pela implementação de um inversor controlado por tensão porque o objectivo é produzir uma tensão, para ser injectada na rede, com valores de amplitude e frequência controlados. A adopção de uma topologia em ponte completa deve-se ao facto de este, com a mesma tensão no barramento CC, obter na saída o dobro do valor máximo da tensão obtida num inversor de meia ponte. Utilizou-se o conversor step-up para elevar o nível de tensão produzido pelo painel solar e, em conjunto com o algoritmo MPPT, optimizar a potência gerada pelo painel. Nas secções a seguir serão apresentados e descritos os conversores de tensão implementados durante a realização da presente dissertação Conversor de Tensão CC-CC (Step-Up) O conversor de tensão CC-CC implementado teve por base o dimensionamento efectuado e apresentado na secção (Dimensionamento do Step-Up), bem como a sua simulação efectuada no MATLAB/Simulink e mostrada na secção 5.2, respeitante às simulações computacionais. 112 Universidade do Minho

138 No entanto, devido à inexistência nas oficinas de apoio do Departamento de Electrónica de condensadores que suportassem uma tensão de 230V (tensão máxima à saída do conversor), e com uma capacidade 10µF foi necessário fazer uma associação de condensadores para contornar este problema. Desta forma, ligaram-se cinco condensadores em série, cada um com uma capacidade de 68µF e uma tensão de 68V. De forma a garantir que cada condensador tem a mesma queda de tensão ligou-se a cada um deles uma resistência em paralelo, tal como mostra a Figura 6.4. Figura 6.4 Associação série de condensadores do conversor CC-CC Como os condensadores estão ligados em série a capacidade equivalente (C eq ) é dada pela equação 6.1 (6.1) 68μ 5 13,6μ Em que n é o número de condensadores ligados em série. As resistências foram dimensionadas de forma a que a corrente por elas consumida fosse na ordem dos 100mA. Assim através da equações 6.2, 6.3 e 6.4 calculou-se o seu valor. 113 Universidade do Minho

139 μ = C (6.2) Como os condensadores são todos iguais V 1 = V 2 = V 3 = V 4 = V 5 = =50 (6.3) Desta forma, impondo i R1 = 100mA = =500 (6.4) Assim, foi ligada em paralelo com cada um dos condensadores uma resistência no valor de 500Ω, tal como é mostrado na Figura 6.5. Figura 6.5 Condensadores no conversor step-up Foi ainda dimensionado e implementado um circuito snubber para proteger o semicondutor de potência contra os picos de tensão resultantes da comutação, evitando assim o mau funcionamento deste e consequentemente do conversor CC-CC. O circuito snubber é constituído por uma resistência R s, um condensador C s, e um díodo D s e é ligado ao mosfet de acordo com a Figura Universidade do Minho

140 Figura 6.6 Circuito Snubber Tendo por base as equações 6.5 e 6.6 disponíveis em [32], dimensionou-se os componentes do circuito snubber. 2 =820 (6.5) = 0,2 =100 (6.6) Onde, I d representa a corrente no mosfet, V d a tensão drain-source do mosfet e t f simboliza o fall time do mosfet. Na Figura 6.7 está representado o circuito sunbber implementado no conversor step-up. Figura 6.7 Circuito snubber implementado 115 Universidade do Minho

141 Quanto à constituição do step-up, para a sua montagem utilizou-se uma bobina com uma indutância de 253µH, um díodo rápido cuja referência é BY329X da Philips Semiconductors, um circuito snubber RCD, cujos valores são R s 100Ω de 15W, C s 820nF e um díodo de referência BY229, um mosfet da International Rectifier IRFB18N50K com as seguintes características: V DSS = 500V, R DS(on) = 0,26Ω e I D = 17A, um conjunto de condensadores ligados em série com um capacidade equivalente de 13,6µF e uma carga resistiva no valor de 200Ω. A Tabela 6.1 mostra a comparação entre os valores dos componentes calculados, simulados e implementados. Tabela 6.1 Resumo dos valores dos componentes do step-up Componente Valor (Cálculos) Valor (Simulação) Valor (Montagem) Bobina (L) 197µH 250µH 253µH Condensador (C) 5,2µF 10µF 13,6µF Resistência (R) 200Ω 200Ω 200Ω Na Figura 6.8 está representado o esquema eléctrico do circuito step-up montado. 253µH BY329X 68µF 470Ω 68µF 470Ω Fonte de Tensão CC IRFB18N50K BY Ω/15W 68µF 820nF 470Ω 200Ω 68µF 470Ω 68µF 470Ω Figura 6.8 Esquema eléctrico do circuito step-up 116 Universidade do Minho

142 O circuito step-up foi montado numa placa veroboard, como se vê na Figura 6.9, onde se podem identificar todos os componentes constituintes do mesmo. Bobine Controlo Entrada IRFB18N50K Saída/Carga Figura Circuito step-up implementado Depois de terminada a montagem do circuito step-up procedeu-se aos respectivos testes e recolha de resultados. O conversor CC-CC step-up, tal como explicado no capítulo 4, permite obter à sua saída uma tensão superior àquela que é aplicada à sua entrada, funcionando portanto, como elevador de tensão. Desta forma, os resultados experimentais recolhidos, respeitantes ao conversor CC-CC permitem avaliar o funcionamento do mesmo. Num dos ensaios realizados aplicou-se à entrada do conversor CC-CC uma tensão constante de 160V, tendo-se obtido à sua saída uma tensão constante de 234V, tal como comprova a Figura Universidade do Minho

143 Figura 6.10 Tensão na entrada e na saída do step-up Para efectuar a medição da corrente na indutância colocou-se uma resistência de baixo valor (cerca de 1Ω) em série com a mesma, e mediu-se assim a tensão nessa resistência, obtendo-se assim uma tensão que é proporcional ao valor da corrente (Lei de Ohm). Devido ao baixo valor da resistência usada pode afirmar-se que o valor de tensão medido é muito próximo do valor real da corrente na bobina. Através do processo anteriormente descrito visualizou-se a forma de onda da Figura 6.11, que representa a corrente na indutância e permite constatar que o conversor step-up está a funcionar no limite do modo de condução contínua, visto que a corrente na bobine vai a zero no final do intervalo de tempo em que o mosfet esteve ligado. Figura 6.11 Corrente na bobina 118 Universidade do Minho

144 Como supramencionado, desenvolveu-se um circuito snubber para proteger o semicondutor de potência contra os picos de tensão e também para melhor os tempos de turn-off deste, uma vez que a forma de onda da tensão drain-source (V ds ) do mosfet utilizado, apresentava o aspecto da Figura Figura 6.12 Tensão drain-source no mosfet sem circuito snubber A Figura 6.13 apresenta a forma de onda de V ds após a ligação do circuito snubber. Como se pode verificar ainda existem picos de tensão, no entanto a amplitude destes é inferior à tensão máxima do mosfet. Também o tempo de turn-off, por acção do circuito snubber, é reduzido e o mosfet passa a desligarse correctamente em cada comutação. Figura 6.13 Tensão drain-source no mosfet com circuito snubber 119 Universidade do Minho

145 Conversor de Tensão CC-CA (Inversor) O conversor de tensão CC-CA implementado foi baseado nas simulações efectuadas e apresentadas na secção 5.4 (Simulação do circuito Inversor). Inicialmente era pretendido desenvolver um inversor capaz de converter a saída do painel fotovoltaico num sistema alternado de 230V e 50Hz, no entanto, parte desse objectivo não foi concretizado, não tendo sido conseguido atingir os 230V na sua saída. O ruído existente na placa montada, bem como as fontes CC-CC isoladas, susceptíveis de originarem problemas, utilizadas na unidade de controlo do circuito inversor podem explicar as limitações ao funcionamento do inversor. O inversor monofásico em ponte completa implementado é controlado por tensão e é alimentado pelo mesmo rectificador que emula o painel solar fotovoltaico, obtendo-se na sua saída uma tensão alternada de 50Hz. Os semicondutores de potência utilizados para a sua montagem foram os mosfets da marca International Rectifier, modelo IRFP450 que têm como principais características tensão drain-soure (V DSS ) igual a 400V e corrente máxima admissível na drain (I D ) igual a 14A. Na Figura 6.14 pode ver-se o circuito inversor implementado numa placa veroboard, onde são bem visíveis os dois braços do inversor monofásico. A ligação dos mosfets aos dissipadores está devidamente isolada para evitar curto-circuitos entre os mosfets. Figura 6.14 Circuito inversor implementado 120 Universidade do Minho

146 A Figura 6.15 mostra a onda de saída do inversor, apresentando esta uma frequência de 50Hz e uma tensão de pico de cerca de 97V, sendo este o valor máximo conseguido à sua saída. Figura 6.15 Tensão à saída do inversor 6.4. Unidade de Medida A unidade de medida tem como função realizar a medição da tensão e da corrente gerada pelo painel fotovoltaico, de forma a processar o algoritmo MPPT, responsável pelo controlo do conversor step-up. Baseado nas medições efectuadas, a unidade de controlo actualiza o valor do duty-cycle do conversor CC-CC com o intuito de extrair a potência máxima do painel solar. Para realizar as mensurações do valor da tensão e corrente utilizaram-se sensores de tensão e corrente de efeito Hall. A Figura 6.16 mostra a placa da unidade de medida implementada. 121 Universidade do Minho

147 Figura 6.16 Placa da unidade de medida Sensor de Tensão de Efeito Hall O sensor de tensão de efeito Hall utilizado para a medição do valor da tensão do painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de tensão LV 25-P da LEM, representado na Figura Figura 6.17 Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P Este sensor, cuja relação de transformação é de 2500:1000, apresenta como principais características no lado primário tensão nominal de 500V e corrente nominal de 10mA, enquanto que no lado secundário a corrente nominal tem o valor de 25mA. A alimentação do sensor pode ser feita a partir 122 Universidade do Minho

148 de: +15V, GND e -15V ou +12V, GND e -12V [38]. Na Figura 6.18 está representado o esquema de ligações do sensor de tensão utilizado. Figura 6.18 Esquema de ligações do sensor de tensão LV 25-P A resistência R 1 limita o valor da corrente no sensor, de forma a que este não ultrapasse o valor nominal (I PN = 10mA). Assim, e a partir da equação 6.7 pode determinar-se o valor de R 1, tendo por base o valor máximo de tensão que se pretende medir (V max ). 6.7 Por sua vez, a resistência de medida (R M ) deve ser dimensionada de maneira a que a tensão aos seus terminais não ultrapasse os 5V, uma vez que o microcontrolador usado só admite na sua entrada tensões entre 0 e 5V. Deste modo, e tendo por base a corrente nominal do secundário do sensor, a resistência R M é calculada através da equação Na realização deste trabalho admitiu-se que a tensão máxima produzida pelos painéis solares fotovoltaicos é de 250V. Assim, através das equações 6.9 e 6.10 é possível calcular o valor das resistência R 1 e R M, respectivamente = Universidade do Minho

149 Na Figura 6.19 pode observar-se um exemplo de uma medição da tensão na entrada do conversor CC-CC, CC, onde se verifica que o valor de tensão medido pelo sensor (valor no LCD) é muito próximo da grandeza medida pelo multímetro digital. Figura 6.19 Medição do valor da tensão no step-up Sensor de Corrente de Efeito Hall O sensor de corrente de efeito Hall utilizado para a medição da corrente gerada pelo painel solar fotovoltaico, foi o transdutor de corrente LA 55-P da LEM, representado na Figura Figura 6.20 Sensor de corrente de efeito Hall LA 55-P 124 Universidade do Minho

150 Este sensor permite efectuar medições de corrente até uma máximo de 50A, cujo valor corresponde à corrente nominal no primário. Com uma relação de transformação de 1:1000, apresenta um valor corrente nominal no secundário de 50mA. Tal como o sensor de corrente de tensão, anteriormente apresentado, a sua alimentação pode ser +15V, GND e -15V ou +12V, GND e -12V [39]. Na Figura 6.21 está representado o esquema de ligações do sensor utilizado. Figura Esquema de ligações do sensor de corrente LA 25-P A resistência de medida R M, tal como no sensor de tensão, deve ser dimensionada para que a tensão no microcontrolador não ultrapasse os 5V e a corrente no secundário do sensor não exceda os 50mA. Assim, a resistência de medida pode ser calculada através da equação = Na Figura 6.22 está representado um exemplo de uma medição do valor da corrente na entrada do conversor CC-CC, na qual se constata que a corrente medida pelo sensor de corrente (valor no LCD) é muito semelhante ao valor medido pelo multímetro digital. 125 Universidade do Minho

151 Figura 6.22 Medição do valor da corrente no step-up 6.5. Unidade de Controlo A unidade de controlo, constituída pelos circuitos acopladores ópticos e microcontrolador, assume-se como parte fundamental e essencial para o bom funcionamento de todo o sistema, sendo esta responsável por controlar o funcionamento da unidade de potência. Assim, foram implementados dois circuitos de comando distintos, um para o controlo do step-up e outro para o controlo do inversor. Na Figura 6.23 pode ver-se o diagrama de blocos da unidade de controlo. Figura 6.23 Diagrama de blocos do sistema de controlo 126 Universidade do Minho