DOUGLAS PEREIRA DA SILVA

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1 DOUGLAS PEREIRA DA SILVA SISTEMA ELETRÔNICO PARA PROCESSAMENTO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, OPERANDO NA MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA, COM APLICAÇÃO NA ALIMENTAÇÃO DE REFRIGERADORES CONVENCIONAIS FLORIANÓPOLIS 2003.

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMA ELETRÔNICO PARA PROCESSAMENTO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, OPERANDO NA MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA, COM APLICAÇÃO NA ALIMENTAÇÃO DE REFRIGERADORES CONVENCIONAIS Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. DOUGLAS PEREIRA DA SILVA Florianópolis, Março de ii

3 SISTEMA ELETRÔNICO PARA PROCESSAMENTO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, OPERANDO NA MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA, COM APLICAÇÃO NA ALIMENTAÇÃO DE REFRIGERADORES CONVENCIONAIS Douglas Pereira da Silva Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Eletrônica de Potência e Acionamento Elétrico e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Orientador Prof. Edson Roberto de Pieri, Dr. Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Banca Examinadora: Prof. Enio Valmor Kassick, Dr. Prof. Hans Helmut Zürn, PhD Prof. João Carlos dos Santos Fagundes, Dr. iii

4 iv Aos meus pais, Nair e Nelson

5 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Denizar Cruz Martins, pela orientação e oportunidade do trabalho. Aos membros da banca, Prof. Fagundes, Prof. Kassick e Prof. Hans, pela atenta leitura e valiosas contribuições. A todos os professores do INEP, por seus ensinamentos, por contribuírem para minha formação em Eletrônica de Potência e pela solícita ajuda nos momentos difíceis. A todos os amigos do INEP que sempre estiveram ao meu lado nos bons e maus momentos e que também muito contribuíram para este trabalho. Prefiro não citar nomes aqui para não cometer a injustiça de deixar alguém de fora. Aos funcionários técnico-administrativos que, com sua cordialidade e competência, viabilizaram a execução deste trabalho, em especial à Dulcemar, Rafaell e Coelho. Ao André Andrade e Jean Farley pela substancial ajuda na reta final. À Luciana por seu amor, compreensão e apoio. Aos meus pais, Nair e Nelson, que com seu suporte propiciaram-me a tranqüilidade necessária para dedicação única e exclusiva aos estudos, e que sem os quais nada disso teria sido realizado. v

6 Resumo da Dissertação apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. SISTEMA ELETRÔNICO PARA PROCESSAMENTO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, OPERANDO NA MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA, COM APLICAÇÃO NA ALIMENTAÇÃO DE REFRIGERADORES CONVENCIONAIS DOUGLAS PEREIRA DA SILVA Março de 2003 Orientador: Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Área de Concentração: Eletrônica de Potência e Acionamento Elétrico Palavras-chave: Sistema fotovoltaico isolado, rastreamento do ponto de máxima potência, alimentação de refrigeradores, energia solar, fontes não-convencionais de energia. Número de Páginas: 225. O presente trabalho apresenta o estudo, projeto e implementação prática de um sistema isolado de processamento de energia solar fotovoltaica, operando na máxima transferência de potência, de forma a se maximizar a eficiência de conversão desta forma de energia, aplicado na alimentação de refrigeradores comerciais. A operação no ponto de máxima transferência de potência é implementada analógica e digitalmente, sendo os resultados comparativos apresentados. Por se tratar de um sistema isolado, há necessidade de armazenamento do excedente da energia processada. Dessa forma, o sistema compreende a utilização de um banco de baterias. A alimentação do refrigerador é feita a partir do barramento do banco de baterias e de dois outros estágios: um estágio elevador, regulador da carga e responsável pelas dinâmicas do refrigerador, e um estágio inversor com modulação PWM senoidal a três níveis, para acionamento com tensão senoidal de baixíssima distorção harmônica. vi

7 Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY PROCESSING SYSTEM, WITH MAXIMUM POWER POINT TRACKING, APPLIED IN ORDINARY REFRIGERATORS POWER SUPPLYING DOUGLAS PEREIRA DA SILVA March / 2003 Advisor: Prof. Denizar Cruz Martins, Dr. Area of Concentration: Power Electronics and Electrical Drives. Keywords: Photovoltaic power systems, non-grid connected, maximum power point tracking, refrigerators power supplying, alternative energy sources Number of Pages: 225. This work presents the study, design and assembly of a non-grid connected photovoltaic processing system, working with maximum power point tracking in order to maximize the photovoltaic conversion rate, applied in ordinary refrigerator power supply. The maximum power point tracking is analogically and digitally implemented with comparative results presented. As the system is non-grid connected, batteries are need for storage of the excess of processed energy. Power supplying of the refrigerator is done from these batteries in two stages: a step-up, load regulator stage concerned with the refrigerator dynamics, and a sinusoidal three-level PWM modulated inverter for low distortion voltage driving. vii

8 SUMÁRIO SIMBOLOGIA...xiii INTRODUÇÃO GERAL... 1 CAPÍTULO SISTEMAS FOTOVOLTAICOS APLICADOS EM REFRIGERAÇÃO Introdução Os painéis Tecnologias de fabricação Características elétricas Sistemas isolados e sistemas interligados Aplicação em refrigeração Conclusão CAPÍTULO DEFINIÇÃO, ANÁLISE DA ESTRATÉGIA E PROJETO DO SISTEMA DE RASTREAMENTO DO MPP Introdução Modelagem da fonte de alimentação Arranjo de painéis fotovoltaicos Definição do conversor CC-CC para rastreamento do MPP e carga das baterias Conversor Buck Conversor Forward Conversor Boost Conversor Flyback Conversor Buck com filtro de entrada Metodologia de projeto do conversor Buck com filtro de entrada para operação no MPP Especificações e definições preliminares Filtro de saída Filtro de entrada Interruptor principal Diodos Cálculo de perdas Cálculo do dissipador Revisão das estratégias de operação no MPP Controle da tensão de entrada de um conversor CC-CC com referência fixa viii

9 2.5.2 Controle da tensão de entrada de um conversor CC-CC com amostragem periódica da tensão de circuito aberto do painel Controle da potência de entrada a partir de sua derivada em função da tensão Controle da tensão de entrada de um conversor CC-CC através de algoritmo auto-adaptivo e autoperturbado Análise das estratégias de operação no MPP adotadas Controle analógico da tensão de entrada com referência fixa Circuito de controle e comando Estudo por simulação Controle digital da potência de entrada a partir de sua derivada Algoritmo de controle Implementação com microcontrolador Conclusão CAPÍTULO DEFINIÇÃO DA TOPOLOGIA DO ESTÁGIO DE POTÊNCIA PARA APLICAÇÃO EM REFRIGERAÇÃO Introdução Característica da carga Modelo do compressor para tensão nominal Ensaio: Tensão nominal de 220 V, sem capacitor de partida Ensaio: Tensão nominal de 220 V, com capacitor de partida Modelo do compressor para subtensão Ensaio: Subtensão de 130 V, sem capacitor de partida Ensaio: Subtensão de 130 V com capacitor de partida Definição da topologia do estágio de potência Topologias para estágio de potência único entre baterias e refrigerador Inversor Full-Bridge bidirecional em corrente com modulação PWM senoidal isolado Inversor Push-Pull alimentado em tensão, com modulação PWM senoidal Inversor alimentado em corrente avançado Topologias para dois estágios de potência entre baterias e refrigerador Conversor Flyback de 350 W em Modo de Condução Contínua Conversor Push-Pull de 350 W em Modo de Condução Contínua Conversor Push-Pull com saída em ponte completa Análise comparativa dos conversores CC-CC analisados Inversor Full-Bridge PWM senoidal Sistema proposto Princípio de funcionamento do segundo e terceiro estágios Etapas de operação do conversor Push-Pull Formas de onda do conversor Push-Pull Etapas de operação do Inversor Full-Bridge PWM Senoidal a três níveis alimentando carga RL Formas de onda do Inversor Full-Bridge PWM Senoidal a três níveis ix

10 3.6 Conclusão CAPÍTULO PROJETO E SIMULAÇÃO DOS ESTÁGIOS APLICADOS EM REFRIGERAÇÃO Introdução Conversor CC-CC Push-Pull Especificações gerais Dimensionamento dos esforços Corrente no interruptor principal e nos enrolamentos primários Corrente no enrolamento secundário Corrente no indutor de saída Corrente nos diodos retificadores Tensão nos interruptores principais Tensão nos diodos retificadores Projeto do transformador Cálculo do produto de áreas Cálculo dos números de espiras dos enrolamentos Razão cíclica de partida Cálculo da bitola ideal para minimizar o efeito pelicular Cálculo dos condutores para cada enrolamento Cálculo de perdas Especificação dos interruptores principais Especificação dos diodos retificadores Dimensionamento e projeto do indutor de saída Cálculo do produto de áreas Cálculo do número de espiras Cálculo do entreferro Cálculo da bitola do condutor Cálculo de perdas Dimensionamento dos capacitores de saída Influência do inversor sobre o conversor Push-Pull Dimensionamento e especificação dos capacitores de saída considerando a influência do inversor Avaliação do projeto do indutor de saída considerando a influência do inversor Projeto dos circuitos de ajuda à comutação Circuito snubber dos interruptores principais Circuito de grampeamento dos diodos retificadores Projeto de controle Malha de controle da tensão de saída Malha de controle da corrente de entrada Implementação prática do circuito de controle e comando Inversor Full-Bridge PWM Senoidal Filtro LC Projeto do indutor de filtragem Cálculo do produto de áreas Cálculo do número de espiras, do entreferro e da bitola do condutor Dimensionamento dos esforços nos interruptores principais x

11 4.3.4 Especificação dos interruptores principais Capacitores de grampeamento Circuito de comando e geração de sinais Simulações Conversor Push-Pull alimentando carga resistiva com snubber nos interruptores Conversor Push-Pull alimentando carga resistiva com grampeador nos diodos retificadores Conversor Push-Pull alimentando carga resistiva com controle da tensão de saída Conversor Push-Pull alimentando carga resistiva com controle da tensão de saída e da corrente de entrada Inversor Full-Bridge PWM Senoidal alimentando refrigerador na partida Conversor Push-Pull conectado ao Inversor Full-Bridge PWM Senoidal alimentando o refrigerador na partida Conversor Push-Pull conectado ao Inversor Full-Bridge PWM Senoidal alimentando o refrigerador na partida com controle da tensão de saída e da corrente de entrada Conclusão CAPÍTULO RESULTADOS EXPERIMENTAIS Introdução Primeiro estágio: Carregador do banco de baterias e controlador do MPP Conversor Buck com filtro de entrada Formas de onda do sistema de rastreamento do MPP com controle digital da potência de entrada Comparação entre o sistema de rastreamento analógico e o digital Avaliação do sistema de rastreamento do MPP Segundo estágio: Estágio elevador de tensão, isolador e regulador Conversor CC-CC Push-Pull Terceiro estágio: Estágio inversor Inversor Full-Bridge PWM Senoidal com modulação a três níveis Sistema interligado Formas de onda Rendimento Conclusão CONCLUSÃO GERAL APÊNDICE A CÓDIGO-FONTE DO PROGRAMA DE RASTREAMENTO DO MPP APÊNDICE B PROJETO DE UMA FONTE AUXILIAR PARA O SISTEMA PROPOSTO B.1 Especificações xi

12 B.2 Projeto do estágio de potência B.2.1 Corrente no interruptor principal B.2.2 Corrente nos diodos de saída B.2.3 Tensão reversa no interruptor principal B.2.4 Tensão reversa nos diodos de saída B.2.5 Capacitância de saída B.3 Projeto do transformador B.3.1 Cálculo do entreferro B.3.2 Correntes no primário e secundários B.3.3 Cálculo do número de espiras B.3.4 Cálculo da bitola dos condutores B.3.5 Cálculo térmico do transformador B.4 Projeto do estágio de controle e comando B.4.1 Modelo do conversor Flyback operando em condução descontínua B.4.2 Cálculo do compensador B.4.3 Sistema em laço aberto B.5 Circuitos auxiliares B.5.1 Circuito de ajuda à comutação B.5.2 Circuitos externos ao UC B.6 Resultados de simulação B.7 Conclusão REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xii

13 SIMBOLOGIA Símbolo Significado Unidade A e Área da perna central de um núcleo magnético E cm 2 A w Área da janela de um núcleo magnético E cm 2 A e A w Produto de áreas de um núcleo magnético E cm 4 B Densidade de fluxo magnético T C Dr Capacitância de junção de um diodo retificador de saída F C f Capacitor de filtragem da componente fundamental da tensão de saída do inversor F C gramp Capacitor do grampeador do conversor Push-Pull F C in Capacitor do filtro de entrada de um conversor F C out Capacitor do filtro de saída de um conversor F C snubber Capacitor do snubber do conversor Push-Pull F D d max D r D RL D snubber Razão cíclica Diâmetro máximo do condutor para a profundidade de penetração da corrente Diodo retificador de saída de um conversor Diodo de roda livre Diodo do snubber do conversor Push-Pull cm Perturbação na razão cíclica do conversor no modelo de pequenos d () ^s sinais f 0 Freqüência de corte de um filtro, planta ou compensador Hz f c Freqüência de cruzamento Hz f s Freqüência de comutação de um conversor Hz FT at (s) FT av (s) FT avt (s) FT ci (s) FT id (s) Função de transferência do compensador atraso de fase Função de transferência do compensador avanço de fase Função de transferência do compensador avanço-atraso de fase Função de transferência do compensador de corrente Função de transferência da corrente média de entrada pelo razão cíclica xiii

14 FT vd (s) Função de transferência da tensão de saída pela razão cíclica FTLA avt (s) Função de transferência de laço aberto compensado da malha de controle da tensão FTLA ci (s) Função de transferência de laço aberto compensado da malha de controle da corrente FTLA i (s) Função de transferência de laço aberto não-compensado da malha de controle da corrente FTLA v (s) Função de transferência de laço aberto não-compensado da malha de controle da tensão G 0 H Ganho estático de um compensador Ganho do sensor de tensão de saída do conversor Push-Pull H i Ganho do sensor da corrente de entrada do conversor Push-Pull Ω I 120 Componente de 120 Hz drenada pelo inversor A I Cout Corrente por um capacitor de saída de um conversor A I Dr Corrente por um diodo retificador de saída A I Ldis Corrente pela indutância de dispersão do transformador Push-Pull A I in Corrente de entrada de um conversor A I Lin Corrente por um indutor de filtragem de entrada A I Lout Corrente por um indutor de filtragem de saída A I mpp Corrente do painel fotovoltaico no ponto de máxima potência A I out Corrente de saída de um conversor A I S Corrente por um interruptor principal A I sc Corrente de curto-circuito A Perturbação na corrente média de entrada do conversor Push-Pull no A iin ^s () modelo de pequenos sinais J Densidade de corrente A/cm 2 K Pri Fator de utilização do primário do transformador K PWM Ganho do modulador PWM V -1 K u Fator de utilização da janela do transformador L dis Indutância de dispersão do transformador Push-Pull H L f Indutor do filtro da componente fundamental da corrente de saída do inversor xiv

15 lg Comprimento do entreferro mecânico de um indutor mm L in Indutor do filtro de entrada de um conversor H L out Indutor do filtro de saída de um conversor H MLT Comprimento da espira média de um núcleo magnético E cm N esp N par N Pri N Sec P gramp Número de espiras de um indutor Número de condutores em paralelo em um determinado condutor Número de espiras do enrolamento primário do transformador Push- Pull Número de espiras do enrolamento secundário do transformador Push-Pull Potência dissipada no resistor do grampeador do conversor Push- W Pull P in Potência de entrada de um conversor W P out Potência de saída de um conversor P J Perdas Joule W P mag Perdas magnéticas W Q c Fator de qualidade do sistema em laço aberto compensado da malha de controle da tensão R cd Resistência térmica entre cápsula e dissipador ºC/W R DS Resistência de condução de um interruptor principal Ω R gramp Resistor do grampeador do conversor Push-Pull Ω R jc Resistência térmica entre junção e cápsula ºC/W R SE Resistência série equivalente de um capacitor Ω R snubber Resistência do snubber do conversor Push-Pull Ω R th Resistência térmica de um núcleo magnético ºC/W V 1 Amplitude da tensão fundamental de saída do inversor V S cm Área da seção de um condutor de determinado enrolamento cm 2 V Cgramp Tensão sobre o capacitor de grampeamento V V Cin Tensão sobre um capacitor de filtragem de entrada V V Dr Tensão reversa sobre um diodo retificador de saída V V in Tensão de entrada de um conversor V V M Valor de pico do sinal dente-de-serra do modulador PWM V xv

16 V mpp Tensão dos painéis fotovoltaicos no ponto de máxima potência V V oc Tensão de circuito aberto V V out Tensão de saída de um conversor V V R Valor de pico da senóide de referência do inversor V V ref Tensão de referência de um compensador V V S Tensão sobre um interruptor principal V V SAT Tensão de saturação de um amplificador operacional V V T Valor de pico de um sinal triangular V V TH Tensão de limiar de um comparador com histerese V ^ vout () s Perturbação na tensão de saída do conversor Push-Pull no modelo de pequenos sinais W Csnubber Energia armazenada no capacitor do snubber J W Ldis Energia armazenada na indutância de dispersão do transformador J Push-Pull δ Comprimento do entreferro elétrico de um indutor mm Profundidade de penetração da corrente em um condutor cm X Ondulação ou variação sobre a grandeza X T Elevação de temperatura ºC Ω x_100ºc η ξ Resistividade elétrica de um condutor de determinada bitola AWG a 100 ºC Rendimento de um conversor Coeficiente de amortecimento de um filtro Φ Fluxo magnético Wb Ψ Fase desejada para o sistema em laço aberto compensado da malha de controle da tensão de saída na freqüência de cruzamento ψ av Fase do compensador avanço de fase na freqüência de cruzamento º Ψ FTLA Fase do sistema em laço aberto não-compensado da malha de controle da tensão na freqüência de cruzamento ω 120 Freqüência angular da componente de 120 Hz rad/s V Ω.m º º xvi

17 Índices e sub-índices: Símbolo Significado _ Separador entre um índice e um sub-índice ou entre dois sub_índices av Grandeza do compensador avanço de fase ef Valor eficaz de uma grandeza i Grandeza sobre o compensador de corrente in Grandeza sobre ou por um elemento de entrada k Amostra digital de uma grandeza max Máximo valor de uma grandeza med Valor médio de uma grandeza mín Mínimo valor de uma grandeza out Grandeza sobre ou por um elemento de saída P Grandeza sobre ou por um elemento no instante da partida do compressor pico Valor de pico de uma grandeza pp Valor de pico a pico de uma grandeza Pri Enrolamento primário de um transformador RP Grandeza sobre ou por um elemento em regime permanente Sec Enrolamento secundário de um transformador sub Grandeza ou valor sobre ou por um elemento na condição de subtensão do compressor vd Tensão de saída pela razão cíclica 120 Componente de 120 Hz sobre uma grandeza xvii

18 Símbolos utilizados nos diagramas esquemáticos: Símbolo C D E I L Q R S U V Significado Capacitor Diodo Fonte de tensão controlada por tensão Fonte de corrente Indutor Transistor de junção bipolar Resistor Interruptor principal Circuito integrado Fonte de tensão Acrônimos e abreviaturas: Símbolo A/D AWG BJT CA CC CI DSP IGBT INEP MPP MPPT MPR TDH Significado Analógico para digital Bitola de um fio na American Wire Gauge Transistor de junção bipolar (Bipolar Junction Transistor) Corrente alternada Corrente contínua Circuito integrado Processador digital de sinais (Digital Signal Processor) Transistor bipolar de gatilho isolado (Insulated Gate Bipolar Transistor) Instituto de Eletrônica de Potência da Universidade Federal de Santa Catarina Ponto de máxima potência (Maximum power point) Rastreador do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracker) Razão de máxima potência (Maximum Power Rate) Taxa de distorção harmônica xviii

19 INTRODUÇÃO GERAL O Sol é e sempre foi a fonte de energia primária deste planeta. A partir da energia irradiada por este astro tiveram início todos os processos orgânicos e inorgânicos que deram origem à matéria e à vida tal qual se conhece. Todas as fontes energéticas naturais existentes no planeta Terra são formas diversas da energia irradiada pelo Sol e absorvida por seres vivos ou não, desta ou de outras eras. Dessa forma, não se pode ignorar tamanha fonte energética no seu estado puro. Como o Sol é uma fonte de energia altamente potente, mas na superfície da Terra é extremamente variável devido às variações climáticas e aos movimentos de rotação e translação do planeta, os potenciais consumidores desta fonte de energia tiveram que desenvolver meios de armazenar parte dela para utilização nos momentos em que a mesma não estivesse disponível, ou não fosse possível seu uso de forma direta. As plantas, por exemplo, através da fotossíntese sintetizam açúcares que são substâncias altamente energéticas e que provêm energia por meio de reações químicas em qualquer instante. Este processo tem um custo, ou seja, demandou à planta um mecanismo complexo de conversão de energia, todavia forneceu a ela energia abundante e estável. Fitoplânctons e algas também realizam o mesmo processo e junto com as plantas terrestres formam a base da conhecida cadeia alimentar. Todos os seres vivos de alguma forma obtêm proveito deste mecanismo de conversão de energia, sendo consumidores primários ou não. O interessante é que o excedente de energia armazenado nunca é perdido, está sempre havendo alguma forma de conversão da energia armazenada de uma forma para outra. Devido a algumas condições especiais acontecidas na história geológica, a matéria orgânica das plantas que converteram a energia solar em energia química e dos seres vivos que se beneficiaram deste processo foi convertida em um material altamente energético e que é uma das bases energéticas atuais, o petróleo. Dessa forma, em última instância pode-se afirmar que o petróleo nada mais é que energia solar armazenada. Ou seja, de uma forma ou de outra sempre se está processando energia solar, o meio pela qual ela foi convertida é que varia..

20 2 Na segunda metade do século XX começaram a surgir alguns materiais para a conversão fotovoltaica da energia solar; um processo já conhecido anteriormente, mas que até então era inviável tecnologicamente. A conversão fotovoltaica se propõe, portanto, a fornecer um mecanismo para se converter diretamente a energia solar em energia elétrica. Contudo, como já foi dito, a energia solar é altamente variável e a energia elétrica não pode ser armazenada em sua forma pura. Sendo assim, este fato costuma ser apontado como o calcanhar de Aquiles quando se trata de energia solar fotovoltaica. Porém, reportando-se ao texto até aqui, que forma de conversão de energia não utilizou processos de armazenamento? Portanto, é totalmente justificável a utilização de alguma forma de estocagem da energia captada do sol e convertida pelo processo fotovoltaico, seja ela mecânica, química ou biológica. É o ônus que a natureza sempre pagou, cabendo à humanidade desenvolver materiais ou métodos para uma eficiente forma de armazenamento. Os processos de conversão da energia solar da natureza são altamente ineficientes se comparados à conversão de outras formas de energia. Na fotossíntese, por exemplo, estima-se, segundo [1], que apenas 0,2% da energia irradiada sobre as folhas de uma planta seja convertida e absorvida. Os painéis fotovoltaicos, entretanto, são muito melhores na conversão da energia solar e contam com uma taxa de conversão na faixa de 10 a 15%. Motores à combustão comuns têm taxa de conversão de aproximadamente 20%. Por ser uma fonte de energia não-poluente e modular a conversão fotovoltaica tem recebido apoio de políticas públicas de muitos governos pelo mundo, sendo considerada muito promissora. Em países como a Alemanha e Japão, o governo investiu pesado no desenvolvimento da tecnologia, e lá a energia solar fotovoltaica já faz parte do dia-a-dia. No Brasil, onde a energia elétrica sempre foi um artigo barato, pouco se preocupou e se desenvolveu na área de conversão fotovoltaica. Com usinas hidrelétricas administradas pelo Estado e amortizadas, o custo desta energia não incentivava a pesquisa por formas alternativas. No entanto, com a crescente globalização da economia brasileira e com a venda de muitas empresas estatais do setor elétrico, a energia elétrica neste país passou a ser uma fonte de investimento. Como os investidores, muitos internacionais, não investem para ter prejuízos, a energia elétrica no Brasil começou a se tornar um artigo caro, tornando, dessa forma, outras fontes de energia aptas a concorrer com a conversão hidráulica.

21 3 Por sua modularidade, a conversão de energia solar fotovoltaica adquiriu caráter social. No Brasil, algumas vilas carentes e isoladas da rede elétrica já receberam painéis fotovoltaicos, em caráter experimental, para alimentar pouco mais de uma lâmpada. Este tipo de aplicação da energia solar fotovoltaica é chamado de sistema isolado. Ao contrário de um outro tipo chamado sistema interligado onde a energia elétrica é processada e injetada na rede elétrica, os sistemas isolados têm como função alimentar cargas específicas em regiões onde não seja viável a extensão da rede elétrica pública, seja por motivos de ordem econômica ou ambiental, como por exemplo numa reserva indígena por onde não se pode passar linhas de distribuição. É neste contexto, portanto, que se apresenta este trabalho, o estudo e implementação de um sistema eletrônico para processamento da energia solar fotovoltaica para aplicação na alimentação de uma carga específica e especial, um refrigerador residencial comum num sistema isolado da rede elétrica. Há muitas motivações que levam a este trabalho, dentre elas contribuições sociais no sentido de propiciar melhor qualidade de vida a populações que vivem isoladas da rede pública de energia elétrica, bem como contribuições tecnológicas, por se tratar da alimentação de uma carga especial, um compressor acoplado a um motor de indução monofásico. Tanto é fato que se trata de uma carga especial, que o custo de um inversor para um motor de indução monofásico é o mesmo que para um inversor trifásico de mesma potência. Isto se deve à característica que apresenta o motor de indução monofásico na partida. Este trabalho visa, portanto, oferecer uma solução para a alimentação de um refrigerador comum, a partir da energia solar fotovoltaica, explorando características do motor e propondo uma estratégia de partida que torne tecnicamente viável este sistema. A estrutura deste trabalho é formada por cinco capítulos e dois apêndices. O primeiro capítulo faz uma abordagem das características de um sistema fotovoltaico aplicado em refrigeração. Para tanto é feita uma pequena revisão sobre os painéis fotovoltaicos, suas características e tecnologias de fabricação e o que são sistemas isolados e interligados, bem como sobre a aplicação em refrigeração. No segundo capítulo são abordados os sistemas de rastreamento do ponto de máxima potência de painéis fotovoltaicos. Uma revisão dos métodos de rastreamento é feita, sendo proposta a implementação de dois deles, um analógico, extremamente simples, e outro

22 4 digital mais elaborado. A definição e o projeto do estágio de potência deste conversor, bem como dos métodos de controle são aí apresentados. O terceiro capítulo apresenta um pequeno estudo da carga baseado em ensaios, de forma a gerar um modelo para projeto e simulação. Uma revisão sobre conversores para aplicação em refrigeração é feita, bem como um estudo comparativo entre duas topologias. Neste capítulo é proposto o sistema completo a ser implementado. O quarto capítulo é dedicado ao projeto completo do sistema aplicado em refrigeração, baseado nas considerações feitas sobre a carga no terceiro capítulo. A estratégia de controle utilizada, bem como um projeto detalhado deste item é realizado. No quinto capítulo são apresentados os resultados experimentais dos conversores isolados e do sistema interligado. Uma análise da eficácia dos sistemas de rastreamento do ponto de máxima potência, bem como considerações sobre este tipo de sistema baseado na experiência adquirida é feita. No apêndice A é apresentado o código-fonte do controle digital implementado para o sistema de rastreamento do ponto de máxima potência e no apêndice B é apresentado o projeto de uma fonte auxiliar para incorporação ao sistema proposto.

23 CAPÍTULO 1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS APLICADOS EM REFRIGERAÇÃO 1.1 INTRODUÇÃO Num mundo com escassez de recursos naturais, é interessante a utilização de fontes de energia renováveis, sobretudo as não-poluentes. A energia solar, dentre outras, encaixase nesse perfil, além de estar disponível em grande quantidade e gratuitamente. A conversão da energia solar, realizada pelos painéis fotovoltaicos, é silenciosa e não requer elementos mecânicos móveis, necessitando, portanto, de pouca ou nenhuma manutenção. Os painéis fotovoltaicos são o meio pelo qual se faz atualmente a conversão da energia irradiada pelo Sol em energia elétrica, através do efeito fotovoltaico, e constituemse num arranjo de células fotovoltaicas. Este tipo de célula consiste em uma junção PN semicondutora. A incidência de fótons sobre esta junção provê energia para que os elétrons das camadas mais externas libertem-se e na existência de um circuito fechado circulem. O custo de implantação de um sistema fotovoltaico tem como fator relevante o preço dos painéis, que embora tenha caído sensivelmente nos últimos anos, atualmente ainda é elevado. A Fig. 1.1 apresenta a evolução do custo específico do painel..

24 6 Fig. 1.1 Evolução do custo específico dos painéis fotovoltaicos [1]. É neste contexto que este capítulo faz uma breve abordagem sobre os painéis fotovoltaicos: analisando as tecnologias existentes e as características elétricas. 1.2 OS PAINÉIS Segundo [1], dentre as diversas tecnologias de semicondutores utilizadas para a produção de células solares fotovoltaicas destacam-se, por ordem decrescente de maturidade e utilização, a do silício cristalino (c-si); a do silício amorfo hidrogenado (a- Si:H ou simplesmente a-si); o telureto de cádmio (CdTe) e as dos compostos relacionados ao dissulfeto de cobre e índio (CuInSe2 ou CIS). O silício cristalino é a tecnologia mais tradicional dentre as citadas e é a única que faz uso de lâminas cristalinas, com diâmetro aproximado de 10 cm, relativamente espessas (300 a 400 µm), representando uma limitação nos custos de produção. As outras tecnologias utilizam filmes delgados (ordem de 1 µm) de semicondutor, residindo aí o potencial de redução nos custos.

25 TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO Silício cristalino Os painéis fotovoltaicos produzidos com silício cristalino são os que apresentam maior escala de produção industrial, entretanto seu custo é bem elevado e as possibilidades de reduzi-lo já estão praticamente esgotadas. Há dois tipos de silício cristalino utilizados, o monocristalino e o policristalino. O primeiro possui custo elevado de fabricação, porém com rendimento maior na conversão. O segundo é um pouco menos eficiente, entretanto o seu custo é mais atraente. Silício amorfo hidrogenado Foi a primeira tecnologia empregada em películas delgadas no início dos anos 80, despontando como tecnologia ideal para aplicação em calculadoras, relógios e dispositivos de baixo consumo. Por terem resposta espectral voltada mais para o azul mostram-se mais eficientes sob iluminação artificial, principalmente sob iluminação fluorescente. Os filmes de silício amorfo podem ser depositados sobre substratos de baixo custo, como vidro, aço inox e alguns plásticos. Com aparência estética melhor que os de silício cristalino e com possibilidade de aplicação em substratos flexíveis, o silício amorfo pode ser integrado na construção civil, como pode-se ver na Fig De acordo com [1], o silício amorfo apresenta uma característica que a princípio se mostrou uma limitação para esta tecnologia. Painéis de silício amorfo sofrem um decréscimo intrínseco, mas reversível, em seu desempenho que se estabiliza após um declínio em eficiência de aproximadamente 15 a 20%. É o chamado efeito Staebler- Wronski.

26 8 Fig. 1.2 Aplicação dos painéis de silício amorfo na construção civil [1]. Telureto de cádmio É o mais recente competidor dos painéis de silício, estando disponível em filmes delgados. Já vem sendo utilizado há cerca de uma década em calculadoras, mas somente agora é que começam a ser comercializados painéis de grandes áreas. Possuem boa aparência estética. Os baixos custos de produção, assim como o do silício amorfo, são atraentes, embora devido à disponibilidade dos elementos envolvidos e a toxicidade dos mesmos devam ser considerados se esta tecnologia atingir grande escala de produção. Disseleneto de cobre e índio Outro sério competidor a entrar no mercado fotovoltaico. Os painéis comercializados constituídos destes elementos terão eficiência entre 9 e 10 %. Assim como os painéis de telureto de cádmio, a boa aparência estética deve favorecer as aplicações arquitetônicas. Assim como o anterior, os elementos envolvidos são tóxicos e não são abundantes CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS O modelo elétrico equivalente mais comum para uma célula fotovoltaica é o apresentado na Fig. 1.3, onde se tem uma fonte de corrente que gera a corrente I Ph proveniente da excitação luminosa e um diodo D que representa a junção PN existente no painel e a característica I x V da célula. O resistor R S representa a queda de tensão existente nos terminais da célula com o aumento da corrente, tendo ordem de grandeza de décimos de ohm, e o resistor R P representa um caminho para correntes de fuga, com ordem de grandeza de centenas de ohms.

27 9 Fig. 1.3 Modelo usual da célula fotovoltaica [2]. Em um painel fotovoltaico, tem-se um arranjo destas células, conectadas tanto em série como em paralelo, resultando em uma determinada característica terminal. Um exemplo de conexão série das células fotovoltaicas e seu efeito na característica terminal do painel é apresentado, respectivamente, nas Fig. 1.4 e 1.5. Fig. 1.4 Associação série de células fotovoltaicas [2]. Fig. 1.5 Efeito da associação série de células fotovoltaicas [2]. Percebe-se pela Fig. 1.5 que a associação série das células resulta numa tensão terminal maior e mesma corrente. Para aumentar a capacidade de corrente faz-se necessário, portanto, a associação destas células em paralelo. Por meio de um arranjo adequado, pode-se obter a característica I x V final desejada.

28 10 Na Fig. 1.6 estão apresentadas algumas curvas típicas de um painel fotovoltaico para alguns níveis de insolação e temperatura. De acordo com [3], tem-se que a insolação afeta principalmente a corrente de saída do painel, enquanto a temperatura afeta principalmente a tensão de saída. Fig. 1.6 Característica I x V de um painel fotovoltaico em função da temperatura e da irradiação [4]. A operação no ponto de máxima transferência de potência de um painel fotovoltaico consiste em trabalhar com tensão e corrente tais que a potência seja máxima. A importância de se operar neste ponto é devida ao máximo aproveitamento da energia solar incidente sobre as células, o que será destacado posteriormente na seção 1.4. Para curvas do tipo apresentado na Fig. 1.6 existe um único ponto de máximo para o produto I x V, como se pode verificar na Fig. 1.7, e a tarefa de um rastreador do ponto de máxima potência, MPPT do inglês Maximum Power Point Tracker, é determinar este ponto.

29 11 Fig. 1.7 Corrente e potência versus tensão numa célula fotovoltaica. Para todas as condições de operação do painel pode-se determinar uma grandeza que é chamada de razão de máxima potência, MPR do inglês Maximum Power Rate. Ela é definida como sendo a razão entre a tensão de máxima potência e a tensão de circuito aberto numa mesma condição. Com algumas considerações teóricas, feitas em [5], sobre o modelo do painel chega-se a um valor igual a 0,86. Entretanto, o próprio autor admite que devido às resistências série e paralela do modelo esse valor prático fica na faixa de 0,74 a 0, SISTEMAS ISOLADOS E SISTEMAS INTERLIGADOS A energia solar fotovoltaica é normalmente utilizada em sistemas isolados, na alimentação de equipamentos onde não seja viável economicamente ou mesmo tecnicamente a chegada de energia elétrica convencional, ou em sistemas interligados à rede elétrica, em regime de geração distribuída. Embora haja os mais diversos propósitos para a utilização da energia solar fotovoltaica, em todos os casos há a dependência de um conversor estático, como interface entre a célula fotovoltaica e a carga, já que a energia produzida pela primeira é instável e variável. Existem diversas topologias apropriadas de conversores para o processamento da energia solar fotovoltaica, tendo cada uma vantagens e desvantagens que devem ser levadas em consideração do ponto de vista da sua complexidade, do seu volume e do seu custo e também da carga a ser alimentada.

30 12 Tratando-se dos sistemas isolados, é imperativo o uso de baterias acumuladoras, para os períodos em que não haja insolação. Dessa forma, uma aplicação da célula fotovoltaica será a de carregador de baterias, exigindo ou não um conversor CC-CC. Dependendo da carga, faz-se necessário o uso de conversores CC-CA, seja na conversão de energia da bateria para a carga ou diretamente da célula fotovoltaica para a carga. Os sistemas interligados à rede elétrica não dependem do uso de baterias acumuladoras, atuando como usinas geradoras. Os sistemas interligados podem ser de dois tipos, conforme [1]: central fotovoltaica ou integrada a prédio urbano. No primeiro tipo, normalmente os painéis estão instalados em regiões distantes dos centros urbanos, onde o preço do terreno seja baixo, pois há necessidade de grandes áreas. O segundo tipo é incorporado à arquitetura do prédio, suprindo-o totalmente ou parcialmente durante o período de insolação. A energia solar e a geração de energia elétrica pelo processo fotovoltaico vêm tendo um destaque relevante nos programas públicos nacionais. O Ministério de Minas e Energia, em dezembro de 1994, instituiu um programa para desenvolvimento auto-sustentável, social e econômico, de localidades isoladas não atendidas pela rede de energia elétrica pública, obtendo energia de fontes renováveis locais, o PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energético dos Estados e Municípios. Segundo estimativas do PRODEEM para propostas de projetos de sistemas fotovoltaicos, sistemas isolados são normalmente viáveis técnica e economicamente em projetos onde a distância da rede elétrica mais próxima seja igual ou superior a 5 km. 1.4 APLICAÇÃO EM REFRIGERAÇÃO Há vários fatores que motivam o uso da energia solar em aplicações de refrigeração, sobretudo em aplicações situadas em locais isolados. No Brasil, ainda há muitas comunidades vivendo em áreas desprovidas de rede elétrica e de recursos energéticos convencionais, tais como sistemas hidráulicos ou a combustível fóssil ou vegetal. Estas áreas que, na sua grande parte localizam-se nas regiões Norte e Nordeste do Brasil, recebem intensa irradiação solar, sendo naturalmente propícias para a implantação de sistemas fotovoltaicos isolados. Através do PRODEEM, conforme já mencionado, estas regiões vêm recebendo recursos para projetos utilizando fontes renováveis, incluindo a energia solar fotovoltaica.

31 13 A importância de sistemas de refrigeração nestas localidades é tão grande quanto à da iluminação e de aplicações em outros equipamentos eletrodomésticos. Os sistemas de refrigeração para estas localidades não necessitam de grande capacidade. Como o próprio PRODEEM estipula em um de seus formulários de proposta, um sistema de refrigeração deve ter capacidade de alimentar um refrigerador de baixa potência (do tipo frigobar) durante dez horas intermitentes. Mesmo com a preocupação atual com a universalização do fornecimento de energia elétrica, que se torna presente na legislação e em contratos de concessão, há motivação para o investimento em sistemas como este, haja vista a também crescente preocupação com a preservação do meio-ambiente. No aspecto de saúde pública, a possibilidade de se ter um sistema de refrigeração autônomo em áreas isoladas é fundamental. Refrigeradores de pequeno porte podem ser usados de forma viável, alimentado por um sistema fotovoltaico, para o armazenamento de vacinas, remédios e materiais para exames clínicos. Comunidades indígenas também podem tirar proveito desta tecnologia para o seu desenvolvimento sem agressão ao meio-ambiente em que estão inseridos e sem a necessidade de deslocamento para regiões adjacentes às que possuem rede elétrica. Com sistemas fotovoltaicos modulares, pode-se obter energia elétrica no próprio local de consumo para aplicação em vários setores, sobretudo no de refrigeração, o que proveria um ganho significativo de qualidade de vida. Para a aplicação da energia solar fotovoltaica em um sistema de refrigeração é necessário um conveniente processamento da energia elétrica. Através de conversores estáticos é possível disponibilizar a energia elétrica gerada pelos painéis fotovoltaicos em níveis de tensão e qualidade apropriados para a alimentação da carga. Por se tratar de uma aplicação isolada, há necessidade de armazenamento da energia solar excedente. Como já mencionado na seção 1.3, o armazenamento de energia em sistemas isolados normalmente é feito em baterias acumuladoras. Dentre estas, as mais utilizadas são as de chumbo-ácido, principalmente as automotivas, por serem mais baratas, pela sua grande capacidade de armazenamento, pela sua robustez e por sua versatilidade. A utilização de baterias acumuladoras requer certos cuidados. A tensão terminal das baterias de chumbo-ácido automotivas atuais é de 12 Volts, podendo flutuar, sem risco de danificação e com manutenção de sua vida últil, entre 10,5 V e 14,4 V. Nota-se, portanto, que as baterias num sistema isolado, além de ser um ponto vital, é um ponto crítico.

32 14 Num sistema como este, há três elementos críticos que podem se tornar sérias restrições à aplicação que se deseja, são eles: Custo dos painéis fotovoltaicos; Custo das baterias acumuladoras e utilização sob certos cuitados; Intermitência da energia solar. A utilização de sistemas que operam no Ponto de Máxima Potência (MPP), pode minimizar, ou pelo menos reduzir, a influência destas restrições. O ganho em termos de energia drenada dos painéis, com um sistema operando no MPP, pode vir a reduzir o número de painéis, diminuindo os custos associados ao arranjo de painéis necessários. A operação no MPP pode favorecer uma carga mais rápida do banco de baterias do sistema, minimizando o efeito da intermitência da energia solar. Juntamente com um sistema que rastreie o MPP de um arranjo de painéis fotovoltaicos pode-se associar um controlador de carga para as baterias, aumentando dessa forma sua vida útil e minimizando também a segunda restrição. Os níveis de tensão envolvidos tanto no arranjo de painéis fotovoltaicos quanto nas baterias são baixos, fazendo-se necessária, então, a elevação deste nível de tensão. Isolação galvânica entre entrada e saída também é desejável, como forma de segurança. Um refrigerador comercial pode ser encarado, do ponto de vista de carga, como um motor de indução monofásico acoplado a um compressor mecânico acionado por um pistão. Por se tratar de um motor de indução, é interessante alimentá-lo com corrente senoidal ou muito próxima desta (baixa distorção harmônica), para que se tenha longa vida útil do mesmo, baixo aquecimento e baixa fadiga gerada por torques pulsantes. Pelas considerações realizadas, pode-se destacar como características desejáveis do sistema os seguintes itens. Controle de carga da bateria; Operação constante no MPP; Elevação dos níveis de tensão; Saída em corrente alternada senoidal com baixa distorção harmônica; Isolação galvânica; Simplicidade e robustez.

33 15 Diante dos requisitos mencionados, é possível avaliar uma estrutura de refrigeração alimentada por energia solar fotovoltaica. A Fig. 1.8 apresenta em diagrama de blocos uma estrutura baseada nestes requisitos. - Controle de carga da bateria - Operação no MPP - Isolação galvânica - Saída em corrente alternada senoidal - Elevação dos níveis de tensão - Saída regulada Módulo Fotovoltaico Baterias Refrigerador Fig. 1.8 Estrutura de um sistema fotovoltaico isolado para aplicação em refrigeração. A conexão entre o módulo de painéis fotovoltaicos e as baterias acumuladoras exige um controle de carga destas e a operação dos painéis no ponto de máxima potência. Estes requisitos caracterizam o primeiro estágio da estrutura, que deve se tratar de um conversor CC-CC controlado por alguma técnica para operação no MPP. O terceiro bloco apresentado na Fig. 1.8 representa a conexão entre as baterias e o refrigerador, agregando vários requisitos. Estes requisitos podem ser realizados diretamente em um único estágio inversor ou indiretamente em dois estágios constituídos por um conversor CC-CC elevador e um inversor. Há também outras possibilidades de estruturas fotovoltaicas aplicadas em refrigeração. A estrutura apresentada é a que mais se adapta aos requisitos exigidos e é sobre ela que são desenvolvidos os próximos capítulos. 1.5 CONCLUSÃO O presente capítulo apresentou um pequeno panorama dos sistemas fotovoltaicos, focalizando-se nas características tecnológicas de fabricação e características elétricas dos painéis. Estas características são novamente abordadas no desenvolvimento do sistema de MPP. Tratando-se de sistemas fotovoltaicos, deve-se ter sempre em mente qual o regime de operação, se num sistema isolado ou de geração distribuída. Para a proposta em questão,

34 16 que é de um sistema isolado de alimentação, é imprescindível o uso de baterias para armazenamento de energia nos períodos em que não houver insolação. Como tratado na seção 1.3, a distância em relação à rede elétrica de um sistema deve ser levada em consideração, do ponto de vista da viabilidade econômica, na implantação de um sistema fotovoltaico. Entretanto, este trabalho não tem como objetivo analisar tal viabilidade dos sistemas isolados, mas como já dito, propor uma alternativa viável para a alimentação de refrigeradores em locais isolados e com insolação abundante.

35 CAPÍTULO 2 DEFINIÇÃO, ANÁLISE DA ESTRATÉGIA E PROJETO DO SISTEMA DE RASTREAMENTO DO MPP 2.1 INTRODUÇÃO Este capítulo trata do sistema responsável pela operação no MPP e pelo controle de carga do banco de baterias, conforme Fig De acordo com as características elétricas das células fotovoltaicas vistas no Capítulo 1, tem-se que para a potência fornecida em função da tensão de operação há um único ponto de máximo no intervalo de operação. Sendo os painéis fotovoltaicos um ponto crítico do sistema, devido ao seu elevado custo e também pelo fato de que um painel fotovoltaico fornece uma quantidade de energia limitada, é interessante que se possa sempre operá-lo neste ponto de máxima potência, de forma a se minimizar o número de painéis para uma determinada demanda. A função deste sistema é, portanto, operar como um rastreador do ponto de máxima potência, visando entregar sempre o máximo de energia disponível, independentemente da carga que esteja conectada em seus terminais de saída, suprindo os estágios posteriores durante o período de insolação e usando o excedente de energia para carregar o banco de baterias acumuladoras. A implementação deste sistema requer a consideração de vários fatores relevantes, sendo eles: a característica da alimentação; o projeto do conversor CC-CC; e as técnicas de operação no MPP. Cada um destes itens é abordado detalhadamente nas seções posteriores. 2.2 MODELAGEM DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO As células fotovoltaicas têm comportamento muito peculiar com relação a sua curva I x V, além do fato de que se tratam de geradores de energia elétrica sensíveis às condições atmosféricas, tais como irradiação luminosa e temperatura. Dessa forma, para a realização.