ILUMINAÇÃO BASEADA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: ANÁLISE DE DESEMPENHO SOB CONDIÇÕES DE TENSÃO NÃO-SENOIDAL

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1 ILUMINAÇÃO BASEADA EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: ANÁLISE DE DESEMPENHO SOB CONDIÇÕES DE TENSÃO NÃO-SENOIDAL Fábio Mendes da Silva NEA-Núcleo de Energias Alternativas, DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP , Brasil. Nelson José Camelo DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP , Brasil. Osvaldo R. Saavedra DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP , Brasil. Walbermark M. dos Santos NEA-Núcleo de Energias Alternativas, DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP , Brasil. Resumo. Neste trabalho investiga-se e analisa-se a influência das formas de ondas de tensões senoidais e não-senoidais, geradas por inversores de sistemas de fontes alternativas de energia, quando aplicados na alimentação de lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) e tubular (LFT), esta com reator eletromagnético e eletrônico. Testes são realizados com uma bateria de 12V- 120Ah, como fonte primária de energia, utilizando-se três inversores: um senoidal de 1100 W, um de onda sonoidal modificada de 1000 W e outro de onda quadrada de 50 W. Foram usadas uma LFC de 15 W e uma LFT de 20 W. São avaliados formas de ondas de tensão e corrente, com seus respectivos espectros de harmônicos, e demais parâmetros como, potência ativa, fator de potência, distorção harmônica total de corrente, lux, entre outros. Os resultados permitem um conhecimento amplo de vários parâmetros e características que servem de base para análise de desempenho, ou de critérios para escolha de pares de inversor-lâmpada, entre as configurações testadas. Sobretudo quando se trata de configurações de sistemas alternativos de energia para uso exclusivo em iluminação pública. Palavras-chaves. Distorção harmônica, sistemas fotovoltaicos, inversores, lâmpadas fluorescentes. 1. Introdução A energia elétrica é comprovadamente o principal fator para a melhoria de índices tais como de crescimento econômico e de desenvolvimento humano das nações. Por esta razão, surgem programas como o de universalização da energia elétrica, no caso do governo brasileiro. No entanto, se torna economicamente inviável levar energia convencional às comunidades de regiões rurais isoladas. Para esse fim, a energia solar fotovoltaica desponta como solução alternativa, economicamente viável e ecologicamente correta. Salvo algumas aplicações, geralmente a energia solar fotovoltaica - e inclusive a eólica - é armazenada em banco de baterias, para a seguir ser tratada por um inversor estático que transforma tensão contínua em alternada, de amplitude e freqüência definidas. No entanto, por questão de economia e simplicidade de projeto, estes inversores nem sempre têm uma tensão de saída totalmente senoidal. Os inversores com forma de onda quadrada são mais baratos e fáceis de implementar. Seus principais inconvenientes são: alta taxa de distorção harmônica na tensão, superior a 40%, e baixa eficiência, em torno de 60 a 80%. Os inversores com saída senoidal modificada apresentam eficiência de 80 a 95% e taxa de distorção harmônica de tensão de 15 a 35%. Além disso, tanto os primeiros quanto estes ainda mantém o inconveniente de não conseguir regular o pico de tensão, que varia com o estado da bateria. A forma de onda do inversor senoidal é quase idêntica à forma de onda da concessionária e tem a vantagem de oferecer um melhor controle da freqüência e amplitude de tensão. Sua alta eficiência (85 a 95 %) e baixa taxa de distorção harmônica (1 a 5 %) tornam o inversor senoidal tecnicamente desejável. No entanto o seu alto preço o torna inviável para muitas aplicações. Para se fazer uma escolha criteriosa, do ponto de vista técnico e econômico, são necessários mais parâmetros de desempenho desses inversores, principalmente relacionados com a aplicação ou tipo de carga a ser usada no caso particular, foco deste trabalho -, iluminação com lâmpadas fluorescentes. Justifica-se, este trabalho, pelo fato de uma porcentagem razoável da energia elétrica destinarse à iluminação, onde este tipo de lâmpadas têm se tornado prioritário. Diante do grande predomínio das lâmpadas fluorescentes frente as incandescentes, devido principalmente às suas vantagens econômicas e ao crescente uso de sistemas alternativos de energia, como o fotovoltaico, diversos trabalhos têm sido publicados com o intuito de investigar o comportamento dessas lâmpadas sob condições de alimentação com forma de onda não-senoidal, entre eles alguns que analisam: o comportamento de dez lâmpadas alimentadas, ora com uma senóide pura e depois com senóides distorcidas (Arseneu; Quellette, 1993); as características das lâmpadas fluorescentes sob condições problemáticas de tensão da concessionária (Fu; Chen, 1995); o desempenho de inversores de pequeno porte com diferentes formas de onda, quando aplicados à alimentação de lâmpadas fluorescentes compactas

2 (Galhardo; Pinho, 2002); e a resposta de lâmpadas fluorescentes com reatores eletromagnéticos, quando alimentada com tensão distorcida (Emanuel; Peretto, 1997). Neste artigo propõe-se investigar e analisar os efeitos das principais formas de ondas, Fig. (1), de inversores de sistemas alternativos de energia quando usados com dispositivos de iluminação do tipo lâmpada fluorescente, com reator eletromagnético ou eletrônico, e compacta. São avaliados formas de ondas de tensão e corrente, com seus respectivos espectros de componentes harmônicos, e demais parâmetros como, potência ativa, fator de potência, distorção harmônica total de corrente, lux, entre outros. Os resultados permitem um conhecimento amplo de vários parâmetros e características que servem de base para análise de desempenho ou como critérios para escolha de pares de inversor-lâmpada, entre as configurações testadas. 2. Descrição dos Testes Na Fig. (1) mostram-se os sinais de saída que são gerados pelos inversores usados para teste. Figura 1. Formas de ondas de tensão dos inversores testados. Na Fig. (2) mostra-se o diagrama de testes para análise de desempenho das configurações com inversor, lâmpada e reator propostas neste trabalho. Compõe-se de: uma bateria solar de 12 V e C=120 Ah, como fonte primária de energia; um inversor senoidal, de 1100 W; um de onda senoidal modificada, de 1000 W; e outro de onda quadrada, de 50 W, implementado no laboratório do Núcleo de Energias Alternativas da Universidade Federal do Maranhão. Foram utilizadas duas lâmpadas: uma fluorescente compacta (LFC) de 15 W e uma fluorescente tubular (LFT) de 20 W, sendo esta acionada, ora com um reator eletromagnético, ora com um eletrônico, pelo mesmo inversor sob teste. Os dados foram coletados com um osciloscópio e um luxímetro digitais. Foram obtidos: formas de ondas de tensão e corrente, e seus respectivos espectros de componentes harmônicos, bem como, demais parâmetros mostrados na Tab. (1). Figura 2. Diagrama de testes. 3. Resultados Nas figuras seguintes mostram-se os gráficos resultantes, relativos a todas as configurações testadas, em função do inversor, lâmpada e reator.

3 3.1. Lâmpada Fluorescente Tubular com Reator Eletromagnético (a) (b) Figura 3. Corrente e tensão na LFT com reator eletromagnético e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada. (a) (b) Figura 4. Harmônicos de tensão na LFT com reator eletromagnético e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada (a) (b) Figura 5. Harmônicos de corrente na LFT com reator eletromagnético e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada.

4 (a) (b) Figura 6. Variação de iluminação da LFT com reator eletromagnético e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada. Nota: O inversor de onda quadrada não conseguiu ativar a LFT com reator eletromagnético. Experiência semelhante foi publicada por (Galhardo; Pinho, 2002), no caso, com inversor de onda senoidal modificada e LFCs. 3.1 Lâmpada Fluorescente Tubular com Reator Eletrônico Figura 7. Corrente e tensão na LFT com reator eletrônico e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada. Figura 8. Harmônicos de tensão na LFT com reator eletrônico e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada.

5 Figura 9. Harmônicos de corrente na LFT com reator eletrônico e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada. Figura 10. Variação de iluminação da LFT com reator eletrônico e: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada. 3.2 Lâmpada Fluorescente Compacta Figura 11. Corrente e tensão na LFC com: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada.

6 (a) (b) c) Figura 12. Harmônicos de tensão na LFC com: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada. Figura 13. Harmônicos de corrente na LFC com: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada. Figura 14. Variação de iluminação da LFC com: (a) inversor senoidal, (b) inversor de onda senoidal modificada e (c) inversor de onda quadrada.

7 Os resultados dos testes são resumidos na Tab. (1), onde são apresentadas as medidas de eficiência de iluminação (EI), corrente de saída dos inversores (I), potência aparente (S), potência ativa (P), fator de potência (fp), distorção harmônica de corrente (THDi) com carga e distorção harmônica de tensão (THDv) sem carga. Aqui, usa-se EI como definida em (Vervaart; Nievwenhout, 2000): relação entre as grandezas iluminação e potência consumida (lux/watt), expressa por suas respectivas unidades, lx/w. Tabela 1. Parâmetros resultantes de testes dos conjuntos de inversor, lâmpada e reator. Inversor de Forma de onda SENOIDAL 220 Vrms THDv = 1,20% sem carga LFT de 20 W com reator Grandezas Eletromagnético Eletrônico LFC 15 W EI (lx/w) 66,04 99,45 102,51 I (ma) ,00 S (VA) 79,80 38,20 22,20 P (W) 27,00 18,34 13,54 fp 0,339 0,48 0,61 THDi (%) 14,23 156,08 110,87 SENOIDAL MODIFICADA 220 Vrms THDv = 33,18% sem carga EI (lx/w) 68,60 106,00 108,53 I (ma) 325,00 178,00 149,00 S (VA) 68,80 37,80 31,60 P (W) 25,00 16,50 12,66 fp 0,362 0,438 0,402 THDi (%) 14,26 206,37 224,66 EI (lx/w) 97,38 102,44 QUADRADA I (ma) 90,20 84, Vrms S (VA) 17,36 16,60 THDv = P (W) 11,84 9,82 40,42% fp 0,682 0,592 sem carga THDi (%) 79,35 111,52 4. Análise a) Com relação aos parâmetros referentes à coluna do reator eletromagnético, Tab. (1), não se observam diferenças significativas. No entanto, mesmo com THDi equivalentes, nota-se, na Fig. (5), que no caso do inversor senoidal predominam os harmônicos ímpares de 3ª e 5ª ordem, e no de onda senoidal modificada destacam-se os ímpares de 3ª a 11ª ordem. b) Com relação aos parâmetros referentes à coluna do reator eletrônico, com os inversores senoidal e de onda senoidal modificada, Tab. (1), também não se observam diferenças significativas, com exceção da THDi. O inversor de onda senoidal modificada apresenta 32,22% a mais de THDi. Predominam os harmônicos ímpares no caso do inversor de onda senoidal modificada, Fig. (9) (b), e os pares, em menor intensidade, para o de onda senoidal, Fig. (9) (a). Já com o inversor de onda quadrada notam-se diferenças significativas como: aumento do fp, diminuições da P (W) e da THDi. Embora o fator EI (lx/w) seja equivalente, neste caso implica menos intensidade luminosa pelo fato de apresentar menor valor de P (W), ou seja, de consumo de potência ativa. c) Com relação à lâmpada fluorescente compacta, o inversor de onda senoidal modificada apresenta parâmetros de desempenho piores do que o de onda senoidal, com exceção do EI e P (W). Por consumir menos potência ativa, a intensidade luminosa obtida é equivalente ao caso da onda senoidal. De modo geral, o inversor de onda quadrada apresenta parâmetros de desempenho melhores, com equivalência apenas entre os fastores THDi, EI e fp do inversor senoidal. No entanto, o menor consumo de potência com este inversor, em relação aos outros, implica, neste caso, menor intensidade luminosa para a mesma lâmpada. d) Outro aspecto a ser observado é que os picos mais elevados de corrente, cerca de 1A, ocorrem justamente com a LFC alimentada com o inversor de onda senoidal modificada, conforme a Fig. (11) (b). Essa situação merece a atenção do projetista. e) Finalmente, comparando-se as Figs. (6), (10) e (14), nota-se que as formas de onda de iluminação, expressas em lx, apresentam muito menor ondulação com o reator eletrônico e com a fluorescente compacta.

8 5. Conclusões Os resultados obtidos com este trabalho permitem um conhecimento amplo de vários parâmetros e características, que servem de base para análise de desempenho ou como critérios para escolha de pares de inversor-lâmpada, entre as configurações testadas. Por exemplo, de acordo com os resultados, conclui-se que, ao escolher um inversor de onda quadrada, tem-se a vantagem de menor consumo de energia e a desvantagem de perda de intensidade luminosa. No entanto, trata-se de um inversor mais barato e simples de ser implementado. Neste caso, desejando-se aumentar a iluminação, pode-se recorrer à combinação de duas ou mais lâmpadas, ou a uma de potência maior, algo a ser estudado do ponto de vista técnico e custo-benefício. Outra opção razoável é usar o inversor de onda senoidal modificada, com que se obtém maior intensidade luminosa, porém com maior consumo de energia e maior custo de aquisição, ou de implementação. Portanto, os dados obtidos permitem uma análise criteriosa, sobretudo quando se trata de escolha de inversores e lâmpadas para configuração de sistemas alternativos de energia para uso exclusivo em iluminação pública. 6. Referências Arseneu, R., Quellette, M., 1993, The Effects of Supply Harmonic on the Performance of compact Fluorescent Lamps, IEEE Transactions On PWRD, Vol. 8, nº 2, pp Barrett, J., 1992, Effects of Electronic Ballasts on Utility voltage Stability, Industry Applications Society Annual Meeting, Conference Record of the 1992 IEEE, Vol. 2, pp Braun, D., Rodnunsky, L., Steen, M., Koval, D., 1996, Harmonic and Electrical Characteristics of Fluorescent Ballasts, Electrical and Computer Engineering, Canadian Conference on, Vol. 2, pp Chang, Y. N., Moo, C. S., Jeng, J. C., 1993, Harmonic Analysis of Fluorescent Lamps with Electromagnetic Ballasts, TENCON 93. Proceedings, Computer, Communication, Control and Power Engineering, IEEE Region 10 Conference on Issue 0, Vol. 5, pp Chang, W. N., Wu, C. J., Yen, S. S., 1997, The influence of voltage flicker on residential lamps, Power Electronics and Drive Systems. Proceedings, International Conference on, Vol. 1, pp Emanuel, A. E., Peretto, L., 1997, The Response of Fluorescent Lamp with Magnetic Ballast to Voltage Distorcion, Power Delivery, IEEE Transactions on, Vol. 12, Issue 1, pp Fu, C. M., Chen, M. T., 1995, The characteristics of fluorescent lamps under problematic utility voltage, Energy Management and Power Delivery, Proceedings of EMPD'95, International Conference on, Vol. 1, pp Galhardo, M. A. B., Pinho, J. T., 2002, "Análise do Desempenho de Inversores de Pequeno Porte com Diferentes Formas de Onda". AGRENER IV Encontro de Energia no Meio Rural, Unicamp - Campinas. Gluskin, E., 1990, High Harmonic Current in Fluorescents in Lamps Circuits, IEEE Transactions on IA, Vol. 26, nº 2, pp Gonos I. F., Kostic, M. B., Topalis, F. V., 1999, Harmonic distortion in electric power systems introduced by compact fluorescent lamps, Electric Power Engineering. PowerTech Budapest 99. International Conference on, pp Pileggi, D.J., Gentile, T. J., Emanuel, A. E., 1993, The Effects of Modern Compact Fluorescent Lights on Voltage Distortion, IEEE Transactions on PWRD, Vol. 8, nº 3, pp Prado, R. N. do, Bonaldo, S. A., Moreira, M. C., Vidor, D. L. R., 1996, Electronic ballast with a high power factor for fluorescent lamps, Power Electronics Specialists Conference. PESC'96 Record, 27th Annual IEEE, Vol. 2, pp Vokas, G. A., Gonos, I.F., Korovesis, F. N., Topalis, F. V., 2001, Influence of compact fluorescent lamps on the power quality of weak low-voltage networks supplied by autonomous photovoltaic stations, Power Tech Proceedings, IEEE Porto, Vol. 1, 5 pp. Vervaart, M. R., Nievwenhout, F. D. J., 2000, Manual for design modification of solar home system components ECN- Netherlands Energy Research Fundation Petten, Vol Copyright Notice The authors are the only responsible for the printed material included in his paper. PHOTOVOLTAIC-BASED LIGHTING SYSTEMS: PERFORMANCE ANALYSIS UNDER NON SINUSOIDAL VOLTAGE CONDITIONS Abstract. In this work the influence of sinusoidal and non sinusoidal voltage waveform, generated by inverters used in photovoltaic systems supplying LFC and LTF type fluorescent lamps, is analyzed. Tests have been performed using as primary source a 12V-120Ah battery and three inverters: the first is an 1100W sinusoidal type; the second is based on sinusoidal modified waveform, and the last is based on square waveform. In the evaluation tests, current and voltage waveforms, harmonic spectrum and other parameters such as active power, power factor, total distortion harmonic and lux have been considered. Results provide important information and knowledge about several parameters and characteristics that are very useful as base for performance analysis and help the choice of pairs inverter-lamp among the configurations tested, specially when the application is a photovoltaic- based public lighting.

9 Keywords: Distortion harmonic, photovoltaic systems, inverters, fluorescent lamps