Fonte de Alimentação Portátil para Notebooks Usando Energia Fotovoltaica

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1 Universidade Federal do Ceará PET Engenharia Elétrica Fortaleza CE, Brasil, Abril, 2013 Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia Elétrica PET Engenharia Elétrica UFC Fonte de Alimentação Portátil para Notebooks Usando Energia Fotovoltaica Autores: René P. Torrico Bascopé, Dr; Caio César N. Guerra; Carlos F. de Vasconcelos; Matheus F. do Vale Sampaio; Rômulo Bandeira P. Drummond;

2 Sumário 1. Motivação do trabalho 2. Potência de saída dos carregadores de bateria 3. Escolha dos módulos fotovoltaicos 4. Dimensionamento do banco de baterias 5. Controlador de carga das baterias 6. Conversor elevador de tensão 7. Resultados Simulados 8. Fotografia do protótipo 9. Conclusões

3 1. Motivação do Trabalho A implementação deste projeto deu-se pelo estudo do funcionamento dos painéis fotovoltaicos e suas aplicabilidades em geração energética. Modelos de fontes comerciais na China Fig. 1 - Fonte portátil de 20 W Fig. 2 - Fonte portátil de 100 W

4 1. Motivação do Trabalho Regulamentação da ANEEL para sistemas intermitentes A legislação brasileira sobre as energias limpas dita : Art. 1 - O Poder Executivo incentivará a geração de energia alternativa fotovoltaica, solar, térmica e eólica com vistas a proteger o meio ambiente, aumentar a eficiência, a produção e a redução de custos para o consumidor por intermédio: A justificativa é que :Nosso país possui uma das maiores incidências de luz solar do mundo, entretanto ainda é um dos que menos aproveitam essa fonte de energia. A energia solar é incomparável a qualquer outro sistema de energia convencional por tratar-se de uma fonte 100% natural, ecológica, gratuita, inesgotável e não agressora ao meio ambiente.

5 1. Motivação do Trabalho Através desse raciocínio, utilizou-se esse conceito de captação energética com o fim de alimentar uma fonte de notebook. Conversor Controlador de Carga CC CC Conversor Elevador de Tensão CC CC Carregador do Notebook Notebook Módulos Fotovoltaicos Baterias Fig. 3 - Diagramas de blocos da fonte de alimentação portátil proposta

6 1. Motivação do Trabalho Módulos Fotovoltaicos V Mod 17,4V Conversor Controlador de Carga das Baterias L1 D1 R3 Conversor Elevador de Tensão Lmp Tr Lms D3 C4 R V C1 S1 C2 Ibat R1 Vbat 21V-28V + R2 R4 S2 D2 C3 Co R6 Vo - Circuito de Controle com MPPT Proteção de sobretensão das baterias Proteção de subtensão das baterias Controle usando UC3842 ou UC Vref=2,5V Módulos 0,85 V Mod 14V-18V FONTE PORTÁTIL Controlador de Carga 0,90 Baterias 0,95 Conversor Elevador 0,90 V o P o 250V 120W Carregador Notebook 0,90 Fig. 5 Diagrama das partes do circuito divididas em seus rendimentos

7 2. Potência de saída dos carregadores de bateria Tabela I.: Dados de notebooks de 14 Fig. 6 - Tabela com dados dos notebooks informados pelos fabricantes.

8 2. Potência de saída dos carregadores de bateria Tabela II.: Dados de notebooks de 15 Fig. 7 - Tabela com dados dos notebooks informados pelos fabricantes.

9 2. Potência de saída dos carregadores de bateria Tabela III: Dados de notebooks de 17 Fig. 8 - Tabela com dados dos notebooks informados pelos fabricantes.

10 3. Escolhendo os Módulos Fotovoltaicos Os Painéis Solares são constituídos por células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício (Si) e podendo ser constituídas de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo. Fig. 9 Painel Monocristalino Este tipo de células fotovoltaica representam a primeira geração. O seu rendimento eléctrico é relativamente elevado (aproximadamente 16%, podendo subir até cerca de 23% em laboratório).por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia na sua fabricação, devido à exigência de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita.

11 3. Escolhendo os Módulos Fotovoltaicos Fig. 9 Painel policristalino As células poli-cristalinas têm um custo de produção inferior por necessitarem de menos energia na sua fabricação, mas apresentam um rendimento eléctrico inferior (entre 11% e 13%, obtendo-se até 18% em laboratório). Esta redução de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao sistema de fabricação. Painel Solar composto por células de silício amorfo As células de silício amorfo são as que apresentam o custo mais reduzido, mas em contrapartida o seu rendimento eléctrico é também o mais reduzido (aproximadamente 8% a 10%, ou 13% em laboratório). As células de silício amorfo são películas muito finas, o que permite serem utilizadas como material de construção, tirando ainda o proveito energético.

12 3. Escolhendo os Módulos Fotovoltaicos No sistema fotovoltaico foi escolhido dois módulos fotovoltaicos de 54 W, da Kyocera como é mostrado. Fig. 10 Painel Kyocera A avançada tecnologia de processamento e a produção automatizada da Kyocera têm produzido módulos policristalinos de alta eficiência. A eficiência de conversão das células é acima de 16%

13 4. Dimensionamento do Banco de Baterias * Energia Total Ideal de Ambos os Módulos E np T E Tot _ Módulos _ Ideal Módulo Radiação _ Média _ Diária ,5 594Wh Tot Módulos Ideal * Energia Total Real de Ambos os Módulos E E E Tot _ Módulos _ Real 1 Tot _ Módulos _ Id eal Re 0, ,9Wh Tot Módulos al * Energia Total que Deve Armazenar as Baterias E E Tot _ Armaz _ Baterias 2 Tot _ Módulos _ Real 0,9 504,9 454, 41Wh Tot Armaz Baterias E

14 4. Dimensionamento do Banco de Baterias * Corrente Total de Recarga das Baterias I Tot _ Recarg a _ Baterias V E Tot _ Armaz _ Baterias T Banco _ Baterias Radiação _ Média _ Diária * Capacidade Ideal das Baterias ITot _ Recarg a _ Baterias CBaterias _ Ideal 0,2 CBaterias _ e I Id al Tot _ Rec arg a _ Baterias 3,94 19,7 Ah 0,2 454, 41 21,0 5,5 3,94 A * Capacidade Real das Baterias C Baterias _ Real C Baterias _ Id eal P rof _ Desc arg a C Baterias _ Real 19,7 0,60 32,84 Ah

15 4. Dimensionamento do Banco de Baterias 2500 Ciclos Ciclo de vida Profundicade de descarga Fig Curva de ciclo de vida em função da profundidade de descarga

16 4. Dimensionamento do Banco de Baterias Tipos de baterias: Automotiva: A bateria automotiva foi desenvolvida com tecnologia para fornecer alta descarga de energia em poucos segundos para fazer o motor de partida e todo o sistema elétrico do veículo funcionar. Estacionária :Já a bateria estacionária, ao contrário da automotiva, não foi desenvolvida para suportar picos de fornecimento de energia. Sua tecnologia fornece baixa corrente elétrica por longo período de tempo, para manter um dispositivo funcionando. Exemplos de aplicações estacionárias: iluminação de emergência, sistemas nobreak, telecomunicações, energia solar e eólica, PABX e outras. Nesse projeto, foi usada a bateria estácionária.

17 4. Dimensionamento do Banco de Baterias A vida útil das baterias é relacionada com a corrente de descarga. Percebe-se que, quanto maior a descarga, de corrente menor será seu tempo de fornecimento de energia. A bateria escolhida foi DF500 da FEEDOM, a qual possui uma grade com liga de chumbo,cálcio e prata. Fig. 11 Tabela com informações de algumas baterias segundo os fabricantes e o gráfico da vida útil x descarga.

18 4. Dimensionamento do Banco de Baterias * Energia Útil na Entrada do Notebook EÚtil EÚtil E Tot _ Armaz _ Baterias 0,95 0,90 0,90 454, ,67Wh * Autonomia das Baterias da Fonte Portátil Autonomia P E Útil Carg a Autonomia 349, ,84horas

19 5. Controlador de Carga das Baterias O controlador de carga foi implementado usando o conversor Boost clássico. O MPPT foi implementado usando a técnica P&O, cuja lógica é apresentada na figura. Inicío Consiste em uma incrementação ou decrementação periódica da tensão de saída terminal do PV e comparando a potência obtida no ciclo atual com a potência do ciclo anterior. Este sistema possui um controle que muda o ponto de operação na direção onde a potência aumente através da variação da tensão. Não Atualiza valor da corrente na bateria Ibat[n] Ibat[n-1]? Sim D[n] D[n-1]? Sim Não D[n] D[n-1]? Não Decrementa D Sim Incrementa D Fig. 12 Diagrama MPPT Usado o microcontrolador PIC16F870 para implementar o circuito de controle.

20 6. Conversor Elevador de Tensão Conversores CC-CC Fig Conversor Boost Clássico Conversores elevadores deste tipo não possuem um bom rendimento quando é exigido um alto ganho de tensão, já que não trabalham operando ao mesmo tempo com alta corrente de entrada e alta tensão de saída. Fig Conversor Buck-Boost Fig Conversor SEPIC

21 6. Conversor Elevador de Tensão Vantagens: - Baixo estresse de tensão sobre os transistores; -Simplicidade para controlar (UC3843), -Alto ganho de tensão. Fig Topologia do Conversor Boost-Flyback Ganho Estático do Conversor: Desvantagens: -A corrente de entrada é pulsada, portanto, necessita um filtro LC de alta freqüência; -A comutação do interruptor é dissipativa. Gv Vo Vi 1 n D 1 D

22 7. Resultados Simulados Especificações do Conversor Elevador de Tensão Tensão de Entrada V i = 21V DC - 28V DC Freqüência de Comutação f s = 50kHz Potência de Saída P o = 200W Número de Enrolamentos Sec. K = 1 Tensão de Saída V o = 250V Relação de Transformação a = 4

23 7. Resultados Simulados Fig Circuito simulado Boost controlador de carga

24 7. Resultados Simulados 7. Resultados Simulados A tensão de entrada é praticamente contínua e igual à tensão nominal dos painéis e a corrente no indutor é variável com a freqüência do chaveamento. Fig Gráfico da Tensão de Entrada (verde) e da Corrente no Indutor (vermelho)

25 7. Resultados Simulados Fig Circuito simulado Boost-Flyback

26 7. Resultados Simulados A figura mostra a tensão e corrente de saída do conversor boost-flyback quando no mesmo é aplicada carga nominal e em seguida, através de chaveamento, simula-se a metade da carga. A tensão sofre uma pequena variação, mas logo volta para seu valor de 250Vcc e a corrente dobra o valor, como era esperado. Fig Tensão (verde) e corrente de saída (amarelo) do conversor de alto ganho boost-flyback.

27 7. Resultados Simulados As correntes do indutor no primário e no secundário em MDC para o regime permanente: Fig Corrente no Primário em relação ao PWM Fig Corrente no Secundário em relação ao PWM

28 8. Fotografia do Protótipo Fig. 23 Fotografia do protótipo do projeto.

29 9. Conclusões Esta pesquisa foi proposta para um sistema portátil de baixo custo para alimentar notebooks com energia fotovoltaica; Para o desenvolvimento foram adotados dois módulos fotovoltaicos de material policristalino de 54W da Kyocera; O controlador de carga das baterias com MPPT foi implementado usando o conversor Boost clássico A tensão de 24V nos terminais de duas baterias em série foi elevada a 250V usando o conversor boost-flyback. O controle foi simulado usando o integrado dedicado UC3843. O sistema implementado apresenta uma autonomia teórica maior que 3 horas. Esta autonomia depende da exigência operacional do notebook.

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