Desenvolvimento de uma ferramenta de arrays fotovoltaicos

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Desenvolvimento de uma ferramenta de arrays fotovoltaicos Jaime André Alves Leonor Lima VERSÃO FINAL Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Major Energia Orientador: Prof. Doutor Adriano da Silva Carvalho Co-orientador: Eng. José Carlos Amador Março de 2013

2 Jaime Lima, 2013 ii

3 Resumo Nos dias de hoje, as energias renováveis têm um papel cada vez mais importante na nossa sociedade, sendo necessário estudos cada vez mais aprofundados, com o propósito de se obter melhores rendimentos/desempenhos e a custos cada vez mais baixos. Os painéis fotovoltaicos são uma das opções possíveis de aproveitamento das energias renováveis e neste trabalho propõe-se fazer um algoritmo de otimização, a partir da disposição destes num array. Para isso foi feita uma pesquisa bibliográfica de forma a compreender melhor o funcionamento dos painéis, bem como os seus modelos elétricos, e também as várias formas de ligação à rede. O algoritmo criado tem, assim, como objetivo otimizar a potência que um array pode fornecer. Isto por sua vez implica a alteração da disposição dos painéis. Este algoritmo foi implementado em linguagem C. De forma a testar os resultados, foi usado um programa em que é possível fazer a simulação de painéis fotovoltaicos. A partir deste algoritmo é possível aumentar a potência de um array, conseguindo assim melhorar o seu rendimento. Palavras-chave: Painel fotovoltaico, algoritmo, string, array, MPP, potência, corrente e tensão. iii

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5 Abstract Nowadays, renewable energies have an increasingly important role in our society, requiring ever more detailed studies, in order to obtain better yields / performance and costs ever lower. The photovoltaic panels are one of the possible options for harnessing renewable energy, and this paper proposes to make an optimization algorithm, based on the provision of an array. For this was made a literature search in order to better understand the functioning of the panels, as well as their electric models, as well as various forms of network connection. The algorithm created thus has focused on optimizing the power that an array can provide. This in turn implies changing the layout of panels. This algorithm was implemented in C language. To test the results, we used a program where you can make the simulation of photovoltaic panels. From this algorithm can increase the power of an array, thus improving their performance. Keywords: photovoltaic panels, algorithm, string, array, MPP, active power, current e voltage. v

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7 Agradecimentos Este é o momento para homenagear e agradecer a todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para a elaboração e sucesso desta dissertação. Em primeiro lugar gostaria de dirigir um agradecimento especial ao meu orientador e responsável pelo tema da dissertação, o Professor Doutor Adriano Carvalho, por todo o apoio, orientação e conselhos transmitidos que colaboraram positivamente para a realização deste trabalho. Assim como ao Eng. Nuno Martins e o Eng. José Carlos Amador por que me acolheram de braços abertos na Martifer, pela paciência, incentivo e a pela disponibilidade sempre demostrada. Gostaria de agradecer de uma forma muito especial aos meus pais, por todo o apoio, compreensão, paciência e incentivo que me deram ao longo da minha vida, sem eles nada teria sido possível. Por último, queria agradecer à minha Fofinha por tudo, pois nos momentos mais difíceis ela sempre me incentivou e me transmitiu confiança e vontade para continuar em frente. A todos um MUITO OBRIGADO. vii

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9 Índice Resumo... iii Abstract... v Agradecimentos... vii Índice... ix Lista de figuras... xi Lista de tabelas... xiii Abreviaturas e Símbolos... xiv Capítulo Introdução Motivação Objetivos Estrutura... 3 Capítulo Estado da Arte... 4 Resumo Painéis Fotovoltaicos Tipos de células Fotovoltaicas Células Fotovoltaicas de Concentração (CPV) Algoritmos Maximum Power Point Tracking, MPPT Configurações possíveis para interligar os painéis fotovoltaicos à rede Capítulo Análise do sistema Resumo Introdução Caraterísticas do sistema Caraterização do módulo Equações Associadas a um Painel Fotovoltaico Capítulo Otimização do arranjo do painel Resumo ix

10 4.1 Introdução Formulação do Algoritmo Implementação do Algoritmo Capítulo Resultados para o sistema fotovoltaico Resumo Introdução Resultados após execução do algoritmo Resultados após simulação no PSim Capítulo Conclusões e trabalhos futuros Principais contribuições Principais conclusões Desenvolvimentos futuros Referências Anexos x

11 Lista de figuras Figura 2.1 Composição de um painel fotovoltaico [1]... 5 Figura 2.2 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica [1]... 5 Figura 2.3 Grandezas características de uma célula fotovoltaica. Curva de corrente/tensão e a tracejado curva de potência/tensão [1]... 6 Figura 2.4 Efeito de Rs e de Rp com a variação de corrente e tensão [1]... 7 Figura 2.5 Variação do gráfico V/I com a radiação solar [1]... 8 Figura 2.6 Variação Célula de tripla junção Figura 2.7 Células de múltipla juncão Figura 2.8 Primeiro sistema CPV Figura 2.9 Sistema CPV parabólico Figura 2.10 Curva de ângulo de aceitação medido a um nível de sistema Figura Funções pertença das entradas e saídas do controlador Figura Esquema de ligação à rede de painéis fotovoltaicos Figura Disposição dos módulos CPV Figura Modelo do circuito equivalente do módulo fotovoltaico As expressões que representam o circuito da Figura 3.2 são as seguintes: Figura Fluxograma do algoritmo Figura Estruturas Figura Ordenação do vetor por corrente Impp Figura Insere módulos na string Figura Calcula a corrente, tensão e potência MPP de cada string Figura Calcula a corrente e potência de cada string sabendo a tensão do array xi

12 Figura Troca módulos Figura Saída dos dados Figura Esquema elétrico do array Figura 5.2 Código para encontrar o pior caso xii

13 Lista de tabelas Tabela 3.1 Valores standards do módulo Tabela 3.2 Valores de entrada no inversor Tabela 3.3 Valores do módulo Tabela 3.4 Características dos módulos Tabela 5.1 Dados de entrada Tabela 5.2 Dados após ordenação por ordem decrescente da corrente Impp Tabela 5.3 Disposição final do array Tabela 5.4 Valores do sistema inicial Tabela 5.5 Valores do sistema após ordenação por corrente Tabela 5.6 Valores do sistema após ordenação completa Tabela 5.7 Disposição do array no pior caso possível Tabela 5.8 Valores do sistema no pior caso Tabela 5.9 Ganho do melhor caso, comparativamente com os restantes casos xiii

14 Abreviaturas e Símbolos Lista de abreviaturas CPV LID MPP MPPT PID Painel Fotovoltaico de Concentração Light Induced Degradation Ponto de máxima potência (Maximum Power Point) Maximum Power Point tracker Degradação Induzida pelo Potencial Lista de símbolos E g I DO I MPP I ph I pmax I SC K N s P max P MPP q S S ref T T ref V MPP V OC V pmax V t Banda de energia do semicondutor Constante dependente apenas das características do painel Corrente de máxima potência Fonte de corrente dependente do circuito equivalente do painel fotovoltaico Corrente correspondente ao P max Corrente de curto-circuito C. Boltzman Número de células em série Potência máxima Potência de máxima potência Carga do eletrão (C) Radiação solar (W/m2) Radiação solar de referência (W/m2) Temperatura da célula (K) Temperatura de referência da célula (K) Tensão de máxima potência Tensão de circuito aberto Tensão correspondente ao P max Tensão térmica xiv

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17 Capítulo 1 Introdução As consecutivas crises petrolíferas fizeram aumentar de forma significativa os preços dos combustíveis fósseis e, em conjunto com grandes alterações ambientais, deram origem a uma procura por energias alternativas. Nos últimos anos, a utilização de fontes de energia renovável tem-se tornado uma alternativa interessante aos combustíveis fósseis, principalmente devido aos problemas ambientais e de eficiência energética. A energia solar é um dos elementos mais importantes do conjunto de fontes de energia renovável. Não gera nenhum tipo de substâncias que poluem o ambiente, sendo uma energia abundante e inesgotável. Há poucos dias a Sun Power Corp. pagou entre 2 e 2,5 mil milhões de dólares, pela aquisição de dois mega projetos de energia solar a implementar na Califórnia. Estes projetos do Antelope Valley Solar, que serão desenvolvidos pela Sun Power, ficarão localizados em Kern e Los Angeles e vão ter no total uma capacidade de 579 Megawatts, fornecendo energia a quase um milhão de pessoas e tornando-se o maior complexo fotovoltaico de energia solar do mundo. Os projetos devem começar a ser implementados no primeiro trimestre de 2013 e devem estar concluídos no final de Segundo as estimativas da agência norte-americana para proteção ambiental, o complexo levará a que sejam evitadas emissões de 775 mil toneladas de dióxido de carbono, o equivalente a retirar quase três milhões de carros das autoestradas da Califórnia. Assim, a partir deste tipo de iniciativas, podemos denotar que tem existido um forte investimento na energia solar fotovoltaica. À parte do investimento inicial, com compra e instalação do equipamento, a energia elétrica gerada pelo sistema fotovoltaico não tem outros custos, dado que os painéis exigem pouca manutenção. Com a evolução tecnológica, o prazo de retorno deste investimento inicial é cada vez menor. Além disso, tal energia é autossuficiente e, portanto, mais segura em termos de abastecimento, principalmente para os consumidores corporativos, para quem a falta de energia pode significar perdas de produção. A energia fotovoltaica também é a solução mais barata para a eletrificação de grandes propriedades rurais formadas por sistemas elétricos dispersos. Os sistemas fotovoltaicos também têm sido uma fonte de energia ideal para áreas remotas. Estes sistemas proporcionam energia confiável para uso comercial, ligação à rede, navegação, saúde pública, telecomunicações e militar. 1

18 Portugal é um dos países Europeus privilegiados quanto à quantidade de irradiação solar diária, tendo cerca de mil e setecentas horas de sol por ano [26]. Sendo que, por este motivo, torna-se inevitável que a produção fotovoltaica seja uma peça chave na produção de energia renovável. Quando se fala na produção de energia o objetivo é produzir o máximo de energia possível pelo menor preço. No caso da energia fotovoltaica pode-se melhorar em três vertentes: na eficiência do painel, no inversor MPPT ou, por fim, no arranjo dos painéis. Neste trabalho pretende-se melhorar a eficiência da exploração da produção fotovoltaica, atuando no arranjo do array e, assim, retirar uma maior rentabilidade de novos produtos para o mercado solar fotovoltaico Motivação Hoje em dia verifica-se uma crescente procura de formas de energia alternativa devido à escalada dos preços dos combustíveis fósseis. Cada vez mais a utilização de energias renováveis mostra-se como uma alternativa viável. Entre elas encontra-se a energia fotovoltaica, que tem apresentado um crescimento bastante acentuado ao longo dos últimos anos. Mesmo com uma massificação na produção de painéis fotovoltaicos a nível mundial, a verdade é que o rendimento destes módulos encontra-se ainda muito abaixo do pretendido, na ordem dos 15-20% nas versões comerciais e 25% em testes efetuados em laboratório (silício policristalino). Pretende-se por isso, hoje em dia, encontrar soluções que possam otimizar o rendimento da conversão de energia solar para energia elétrica, de forma, a diminuir o tempo de retorno do investimento. Os painéis fotovoltaicos quando saem da fábrica deviam à partida sair com o mesmo valor de potência, mas na realidade isso não acontece. Os valores de corrente e tensão de máxima potência, bem como a potência máxima que se consegue retirar dos painéis varia de uns para os outros, ou seja, as características internas de cada um dos painéis são diferentes. Assim, quando se faz um arranjo de painéis deve-se ter em atenção à posição onde o painel é colocado. Esta colocação do painel pode fazer variar o valor do rendimento do array. A eficiência do painel fotovoltaico ainda é muito reduzida quando comparada com outras tecnologias de produção de energia, sendo ela renovável ou não. Assim, sempre que é possível aumentar a eficiência da produção energética fotovoltaica, está-se a contribuir para uma maior aceitação desta tecnologia no mercado. Devido a esse facto é necessário criar mecanismos que permitam obter alta eficiência energética, de modo a tornar rentável o investimento efetuado. É, assim, importante desenvolver um mecanismo que consiga extrair a potência máxima de um array. É nesse sentido que este projeto se torna um tema interessante a desenvolver. 2

19 1.2 - Objetivos O principal objetivo desta dissertação é criar e implementar um algoritmo para otimizar uma instalação fotovoltaica. O objetivo deste estudo passa, então, por encontrar o melhor arranjo de painéis, de forma, a construir um array que consiga produzir o máximo de energia possível. A criação deste algoritmo tem em conta a corrente elétrica que passa em cada string e a tensão entre strings. Para a concretização deste trabalho, o algoritmo vai ser implementado em C. Inicialmente é necessário saber como se comporta um painel fotovoltaico, sendo necessário criar um modelo do circuito equivalente de cada um dos módulos, de forma a se poder retirar as equações características de um painel. Por fim, pretende-se verificar se após a implementação e execução do algoritmo criado, o valor de potência que o array pode produzir aumenta Estrutura O trabalho desenvolvido apresentado neste documento está dividido em seis capítulos. No capítulo um pretende-se dar a conhecer a principal motivação na escolha deste tema, os objetivos propostos e o modo como serão atingidos tais objetivos. No capítulo dois, é feita uma abordagem à energia fotovoltaica e às diferentes tipologias existentes em instalações fotovoltaicas, bem como os diferentes tipos de algoritmos MPPT existentes. No capítulo três é feita uma análise do sistema, bem como uma caracterização dos painéis fotovoltaicos usados neste trabalho. O capítulo quatro explana como foi feita a formulação do algoritmo e descrita a sua implementação. No capítulo cinco são expostos os resultados obtidos neste trabalho. E, por fim, no capítulo seis apresentam-se as principais conclusões deste projeto, bem como algumas sugestões de melhorias futuras. 3

20 Capítulo 2 Estado da Arte Resumo Este capítulo está organizado em cinco partes distintas. A secção 2.1 retrata os painéis fotovoltaicos, nomeadamente a sua origem, o seu modelo elétrico e os parâmetros que influenciam o seu desempenho. A secção 2.2 refere-se aos diferentes tipos de células existentes no mercado, bem como a sua eficiência e composição. De seguida, a secção 2.3 apresenta o funcionamento de um CPV e os diferentes tipos existentes. Na secção 2.4 explora os diferentes tipos de Algoritmos MPPT. Por fim, a secção 2.5 retrata as várias formas como os painéis fotovoltaicos podem ser ligados à rede de distribuição. 2.1 Painéis Fotovoltaicos A primeira vez que foi observado o efeito fotovoltaico foi em 1839 por Edmond Becquerel. Mas só mais tarde é que o fenómeno fotovoltaico foi explicado, por Albert Einstein em 1905, através da teoria de bandas e a física dos semicondutores. O efeito fotovoltaico consiste na produção de energia elétrica através da incidência de luz. As células fotovoltaicas são feitas de um material semicondutor, sendo normalmente usado o silício. Este é feito através de duas camadas, camada N e camada P. A dopagem de silício com fósforo faz com que este material possua eletrões livres (silício tipo N). A dopagem com Boro faz com que o silício tenha falta de eletrões (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Na figura seguinte é possível ver a composição de uma célula. 4

21 Figura 2.1 Composição de um painel fotovoltaico [1] Devido à presença de um condutor externo, ligado entre as duas camadas, como mostra a figura, é gerado um fluxo de eletrões, ou seja corrente elétrica. A intensidade de corrente varia proporcionalmente com a intensidade luminosa. A tensão da célula deve-se ao efeito de difusão dos portadores na junção p-n. O efeito de difusão e o campo elétrico da junção neutralizam-se, mantendo um equilíbrio que depende da corrente na carga. A recombinação de portadores na junção é tanto maior quanto maior a tensão externa da célula. Esta recombinação de portadores dá origem à corrente de díodo ID. Figura 2.2 Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica [1] A resistência Rs representa as perdas de tensão e a resistência Rp representa as perdas de corrente. Uma característica das células fotovoltaicas é que esta não acumula energia. Este facto é facilmente verificado pelo seu circuito equivalente, que não tem nenhum acumulador de energia. Uma célula fotovoltaica apresenta a seguinte curva de funcionamento, relação tensão/corrente e tensão/potência: 5

22 Figura 2.3 Grandezas características de uma célula fotovoltaica. Curva de corrente/tensão e a tracejado curva de potência/tensão [1] Sempre que se utiliza qualquer objeto tenta-se retirar deste o maior rendimento possível. Com os painéis fotovoltaicos não é exceção, visto que a aquisição de um equipamento destes obriga a estabelecer o prazo em que o investimento é amortizado. Para conseguir retirar o maior rendimento deste, é utilizado um sistema que controla a corrente e tensão. A este controlador dá-se o nome de MPPT. Este termo deriva da linguagem Anglo-saxónica e significa Maximum Power Point Trackers. Este algoritmo faz com que a combinação entre a corrente e a tensão que é possível extrair do painel, consiga maximizar a potência que é possível retirar do painel fotovoltaico. Existem vários algoritmos MPPT, sendo que vários destes são usados como soluções de mercado, atingindo estes eficiências acima de 97% [6]. Na figura 2.3 é possível ver o ponto de máxima potência. Este corresponde ao ponto em que a corrente I pmax e a tensão V pmax se intercetam. A potência que é possível extrair de um painel fotovoltaico tem uma variação bastante significativa com a variação da temperatura. Na figura 2.4 representa a variação das resistências Rp e Rs, do circuito equivalente do painel, à variação de tensão e de corrente [1]. 6

23 Figura 2.4 Efeito de Rs e de Rp com a variação de corrente e tensão [1] Quando ocorre um aumento da temperatura, esta provoca uma maior agitação e recombinação dos portadores, provocando uma diminuição da tensão. Uma diminuição da tensão nos terminais provoca uma diminuição da corrente do díodo ID, sendo que esta por sua vez provoca um aumento da corrente da célula. No entanto este aumento de corrente não é suficiente evitar uma diminuição da potência. A diminuição da potência provoca, por sua vez, um aumento da temperatura, amplificando este efeito [3]. Outro fator ambiental também muito num sistema fotovoltaico é a húmida de relativa. Quando a humidade relativa é muito elevada, esta condensa no módulo, facilitando a condução e tornando-se um importante agente condutor das correntes de fuga. Esta humidade cria uma pelicula fina por cima na superfície do vidro, aumentando a sua condutividade. Este efeito também ocorre na parte de traz do painel, sendo que a espessura de água é que limita a sua as perdas de corrente [3] Um módulo ou painel fotovoltaico consiste num número de células solares ligadas eletricamente, normalmente em série, mas também em paralelo, encapsuladas e montadas numa estrutura. Um painel fotovoltaico típico está formado por 30 a 36 células em série. Uma célula típica de 100 cm2 pode produzir entre 1.7 W (uns 0.6V em circuito aberto e 3.5 A em curto-circuito). [1] A corrente de saída varia com a mudança da intensidade da radiação solar para qualquer valor de tensão. [1] 7

24 Figura 2.5 Variação do gráfico V/I com a radiação solar [1] 2.2 Tipos de células Fotovoltaicas Silício Cristalino A maioria dos painéis fotovoltaicos usa no fabrico das suas células silício. As células podem ser construídas através de silício amorfo, policristalino e monocristalino. Esta tecnologia é bastante madura, visto ser a tecnologia usada com mais anos de funcionamento, o que implica já não ter grande margem de evolução. Monocristalino A célula de silício monocristalino é a mais usada e comercializada como conversor direto de energia solar em eletricidade. A tecnologia necessária à sua fabricação é um processo muito bem constituído. A fabricação da célula de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício. Este material é desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. O silício, na indústria eletrónica, além do elevado grau de pureza deve ter a estrutura monocristalina e uma baixa densidade de defeitos. Considerando as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências, sendo no entanto, as mais caras. As fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência até 15% podendo chegar a 18% em células testadas em laboratórios [17]. 8

25 Policristalino As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício monocristalino por ser um processo de preparação das células menos rigoroso. Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Porém a eficiência é menor em comparação as células de silício monocristalino. Basicamente, as técnicas de fabricação de células policristalinas são as mesmas na fabricação das células monocristalinas, porém com menor rigor de controlo. Atingem uma eficiência de 13% podendo chegar a 15% em células feitas em laboratórios [17]. Tem como desvantagem a perda elevada de eficiência quando exposta a radiação difusa e temperaturas elevadas. Filme Fino Silício Amorfo A célula de silício amorfo é apresenta uma estrutura cristalina, completamente diferentes das células referidas anteriormente. Esta apresenta enorme desordem na estrutura dos seus átomos. Um célula de silício amorfo formada apenas por átomos de silício tem várias ligações não compensadas que dão origem a centros de recombinação de eletrões sendo por isso o material não próprio para aplicações em células solares (para formação de díodos). Colocando átomos de hidrogénio permite que partes dessas ligações fiquem compensadas tornando o material com propriedades electroópticas mais interessantes, passando a chamar se de silício amorfo hidrogenado, Si-a:H. O uso de silício amorfo para fabricação de painéis fotovoltaicos apresenta vantagens no processo de fabrico assim como nas suas propriedades elétricas. As células podem ser fabricadas através da deposição de vários tipos de substratos, sendo que esta célula tem uma maior capacidade de absorção da radiação solar na faixa visível. Esta tecnologia apresenta um custo baixo mas tem como desvantagens uma baixa eficiência, quando comparadas com o silício mono e policristalino. Além disto, as células sofrem uma degradação nos primeiros meses de funcionamento, denominada de LID (Light Induced Degradation). Estas células funcionam com tensões elevadas, quando comparadas com as cristalinas, sendo que por este motivo estas são mais suscetíveis ao aparecimento do PID. A eficiência desta tecnologia varia entre os 5% e os 7% [17]. 9

26 Células de CdTe Esta tecnologia utiliza como elemento principal o telureto de cádmio, podendo ter uma redução de custos quando produzida em grandes quantidades. O grande problema da sua utilização encontra-se no uso de produtos contaminantes e venenosos. A eficiência apresentada é de 16% em laboratório, no entanto, em células comercializadas o seu valor não vai além de 8%. Estas células apresentam uma estrutura é homogénea, tendo também, uma gama de cores varia entre o verde-escuro e o preto. Apresenta como arma principal, a alta absorção de luz, funcionando bem com radiação difusa [17]. Células de CIS (CuInSe2) Esta tecnologia utiliza como elemento principal o Disseleneto de Cobre-Índio. Este tipo de células de pelicula fina CIS, são as que atualmente apresentam uma maior eficiência, dentro das células de pelicula fina. Não apresentam uma grande deterioração por indução de luz como as células de silício amorfo. No entanto, este tipo de célula apresenta problemas quando instaladas em ambientes húmidos e quentes. Contra este tipo de ambientes, é usada uma boa selagem contra este tipo de ambientes. Seria bom haver uma produção em massa deste tipo de célula de forma, a que o custo de produção possa vir a baixar em relação ao custo das células de silício cristalino. Apresenta uma eficiência que se situa-se entre os 7,5 e os 9% nas células comercializadas [17]. Células de CIGS Estas células também são constituídas pelos mesmo elementos das CIS mas com a particularidade de o índio formar uma liga com o gálio podendo assim obter melhores desempenhos. A eficiência máxima testada em laboratório é de 19,5% [13]. Células de Elevada Performance Existem as células denominadas Very high Performance Cells, de grande eficiência mas ainda não são muito usadas devido aos materiais usados, assim como a complexidade de construção e montagem, tornando o seu preço inviável face a outras tecnologias já aqui expostas [22]. 10

27 Uma e duas junções (GaAs) Estas células apresentam uma eficiência de 24% na célula de dupla junção e 21% na célula de junção única. Estas são compostas por materiais como o Gálio (Ga) e o Índio (In). Esta tecnologia concentra os fotões de luz numa segunda zona com células de alta eficiência [22]. A principal desvantagem desta tecnologia é mesmo o seu preço. Células de Múltipla Junção As células de múltipla junção têm rendimentos acima dos 40%. O rendimento destas depende do número de junções da mesma. Existem células de uma até seis junções. Cada junção capta um determinado comprimento de onda solar. Na figura 2.6 seguinte mostra o comprimento de onda captado por uma célula de tripla junção bem como a sua constituição. Figura 2.6 Variação Célula de tripla junção Como é possível verificar através do gráfico esta célula capta uma parte muito significativa da largura de onda emitida pelo sol bem como quase todo o sem comprimento. Por este motivo as células de alta eficiência tem um rendimento muito elevado, de 41% nas células de III junção, 55% nas de V junção e 58% nas células de VI junção. 11

28 Figura 2.7 Células de múltipla juncão Células Fotovoltaicas de Concentração (CPV) As células fotovoltaicas de concentração são uma tecnologia que começou a ser desenvolvida no final da década de 70 por Sandia National Laboratories. Este sistema usa um conjunto de lentes que concentra a luz solar que incide nelas e foca quase na sua totalidade num ponto. Esse ponto é o local onde a célula fotovoltaica se encontra. O sistema utiliza um seguidor de dois eixos, de forma, a que os módulos fotovoltaicos sigam o sol. As células fotovoltaicas utilizadas neste sistema são de silício. Figura 2.8 Primeiro sistema CPV 12

29 Com o estudo desta tecnologia o sistema foi evoluindo para sistemas distintos. Foram usados novos sistemas de concentração, denominados de sistemas de concentração parabólicos. Estes sistemas utilizam um sistema de espelhos que reflete toda a luz incidente e a foca numa célula. Este tipo de focagem consegue ter um rácio de concentrações de 500x. O módulo usa, como o sistema anterior, um seguidor de dois eixos que segue a direção solar. Este sistema tem duas configurações diferentes que são ilustradas na figura 2.9. Figura 2.9 Sistema CPV parabólico O CPV que utiliza lentes também foi melhorado e em vez de usar apenas uma lente começou a usar um espelho de lentes, constituído por duas lentes. Este sistema consegue atingir rácio de concentrações de 500x. Os módulos apresentam uma potência máxima quando a irradiância solar é perpendicular à superfície, que é o eixo principal do sistema de células de lente. Com desvio crescente entre o eixo principal e o ponto de irradiação solar o foco deixa o centro da célula. Isto resulta numa perda de potência definido pela medição do ângulo de aceitação. Para a medição do ângulo de aceitação o seguidor está fixado em uma posição que o sol vai chegar dentro de um determinado período de tempo. Em seguida, o desempenho elétrico é medido continuamente enquanto o sol está a passar a posição ideal. Esta medida não só pode ser realizada com sistemas de células e módulos individuais, mas com um seguidores completos também. Figura 2.10 mostra uma curva de ângulo de aceitação medido a um nível de sistema. Com uma incidência de sol de ± 0,36 o desempenho do rastreador é de 95% e com um ângulo de ± 0,49, o desempenho é ainda menos de 90%. 13

30 Figura 2.10 Curva de ângulo de aceitação medido a um nível de sistema Como é possível verificar a precisão do seguidor é fundamental num CPV, pois um pequeno desvio do ângulo de incidência solar, provoca uma perda de potência muito elevada. Neste caso em concreto o desvio de um grau provoca uma perda de quase 50% da potência. Quando se utiliza a tecnologia de concentração o grande objetivo é obter o máximo rendimento, nunca esquecendo o fator custo/rendimento. Por este motivo é usado, de uma forma geral, células de múltipla junção. Este tipo de células tem um custo mais elevado que qualquer outro tipo de células, mas o seu rendimento é mais elevado e com a tecnologia de concentração a área de células usada é substancialmente mais reduzida do que se não se usasse esta tecnologia. 2.4 Algoritmos Maximum Power Point Tracking, MPPT Num módulo fotovoltaico, a potência máxima está dependente do nível de tensão e corrente, conforme a temperatura e radiação existente. Qualquer ponto de funcionamento que não seja o MPP faz diminuir a eficiência do sistema. O nível de potência da carga deve ser ajustado de acordo com a curva de eficiência fotovoltaica para aumentar o rendimento do sistema. Este pode ser implementado recorrendo a controladores que seguem o ponto de potência máximo (MPPT). Estas implementações têm como princípio de funcionamento controlar a potência da carga a partir da tensão de saída ou abertura/fecho de interruptores de grupos de carga [15]. 14

31 Existem algoritmos de controladores MPPT. As seguintes são as mais utilizadas [20]: - Perturbação e Observação - Condutância Incremental - Tensão Constante - Lógica Difusa - Rede Neuronal Perturbação e Observação A principal vantagem deste método encontra-se no facto de este efetuar a procura do ponto de máxima potência independentemente das condições ambientais, para isso este necessita de medir a corrente e tensão de saída. Assim, a potência de saída é calculada a partir do produto da tensão e corrente de saída, adquiridas por sensores, sendo de seguida efetuada uma perturbação no duty-cycle. A potência de saída é novamente calculada e comparada com o valor anterior, se for menor então a direção da perturbação é mantida, caso contrário a direção é invertida. Obviamente que o passo da perturbação irá ditar a velocidade com que o ponto de potência máxima é atingido e a quantidade de oscilação à sua volta [20]. Tensão Constante Este método tem a vantagem de só usar um sensor. A tensão é adquirida de forma a alterar o duty-cycle D do conversor sendo que este fixa uma tensão específica na saída do painel. Para temperatura constante, a variação de radiação resulta num MPP cuja tensão é sempre constante independentemente da radiação. Torna-se assim possível efetuar a pesquisa do MPP quando a temperatura é constante, porém quando esta varia, a relação deixa de ser linear sendo que este método não seja aplicado, pois para cada valor de radiação apresenta um valor de tensão diferente. Este método tem a vantagem de ser facilmente implementado e só usa um sensor, no entanto apresenta uma dependência do valor da temperatura do PV [20]. 15

32 Condutância Incremental Para a implementação deste método é necessário medir a tensão e corrente. A potência é calculada através da derivada em função da tensão, dp/dv. Esta é normalmente calculada do seguinte modo: (2.1) O valor do duty-cycle varia conforme varia o valor da derivada. Sempre que o valor da derivada toma valor positivo significa que o sistema esta a trabalhar no lado esquerdo da curva P-V, o que significa que o valor do duty-cycle tem que ser aumentado. No caso de a derivada tomar valor de valor negativos significa que o sistema está a trabalhar no lado direito da curva, significa que o duty-cycle deve ser diminuído. Se o sistema estiver a operar no MPPT, o valor da derivada toma como valor o zero, ou um valor muito próximo deste. Este sistema é um sistema que usa dois sensores tal como o método perturbação observação, no entanto é muito mais rápido que o método perturbação observação. Apesar de se tratar de um método mais complexo, este apresenta uma oscilação menor em torno do MPP [15]. Lógica Difusa Este modelo está dividido em três fase bem definidas, sendo estas fuzzificação, tabela de regras e desfuzzificação. Na primeira fase as variáveis de entrada são convertidas gama linguística diferente, tipo funções de pertença semelhantes Fig [15]. Figura Funções pertença das entradas e saídas do controlador No caso observado são usados cinco níveis fuzzy, no entanto quanto maior for o numero de níveis usados maior é a precisão do sistema. Os níveis usados não têm de ser simétricos como acontece neste caso, principalmente se se pretender dar mais importância a um 16

33 determinado nível. Normalmente as entradas dos controladores fuzzy são o erro E e a variação deste ]E. No caso do controlador MPPT sabe-se que a derivada da potência no ponto de potência máxima é nula, então o valor do erro poderá tomar essa grandeza, sendo assim a seguinte aproximação poderá ser usada para o erro e respetiva variação [15]. (2.2) Quando ocorre a primeira fase, a tabela é aplicada. O resultado da saida vai fazer corresponder um valor na tabela que por sua vez faz corresponder um valor linguistico que é convertido em um valor real que corresponde ao valor do duty-cycle D [15]. O método apresenta um bom comportamento às variações atmosféricas, mas a sua eficiência depende muito da forma como o utilizador define a tabela de regras. Existe uma alternativa a esta técnica de lógica difusa. Trata-se de usar um controlador difuso adaptável, em que a tabela e as funções pertença são calibradas de forma a obter o melhor desempenho [15]. 2.5 Configurações possíveis para interligar os painéis fotovoltaicos à rede De forma a interligar os painéis fotovoltaicos com a rede elétrica, existem várias configurações possíveis para isso. Ao longo dos anos estas configurações têm sofrido alterações, para assim poder garantir uma melhor eficácia e eficiência, bem como uma diminuição no número de componentes necessários, havendo uma diminuição do custo de investimento neste tipo de sistemas de conversão de energia [23]. Na figura 2.12 é possível visualizar as configurações mais usuais de ligação de painéis fotovoltaicos à rede elétrica. 17

34 Figura Esquema de ligação à rede de painéis fotovoltaicos No esquema a) da figura 2.12 está representado o esquema denominado de centralizado, sendo que este já um modelo pouco usado. Este modelo ainda tem aplicabilidade em instalações de elevada potência e tem um custo bastante baixo, pois apenas utiliza um conversor em toda a instalação. Esta configuração tem a desvantagem de ocupar uma área substancial e para além disso não é possível otimizar cada um dos painéis, de forma individual o que faz com que haja perdas. Outro problema é no caso de haver uma avaria com o inversor, todos os painéis deixam de produzir, sendo que para além do custo de reparação do inversor ainda acresce a não produção de energia [23]. No esquema b) da figura 2.12 é possível visualizar o esquema conhecido por string, sendo que este é usado em aplicações de menor dimensão, nomeadamente em telhados de habitação. A cada string de painéis fotovoltaicos está ligado um conversor DC/AC, tornando todos os conjuntos de painéis independentes entre si. Desta forma cada conjunto de painéis tem o seu próprio MPPT, tornando-se um sistema com maior rendimento comparando com o esquema a). Assim, quando ocorre uma avaria num conversor, apenas a string associados a esse conversor é que não produz. Devido ao facto de este esquema apresentar mais conversores isso também implica maior despesa [23]. O esquema c) da figura 2.12 é chamado de multi-string, e considerado o futuro das ligações à rede de sistemas fotovoltaicos. Nesta configuração, cada string do sistema está ligado a um conversor DC/DC, que executa o controlo MPPT. Sendo que por fim os conversores se ligam a um único conversor DC/AC. Este sistema de ligação à rede apresenta a vantagem de conseguir otimizar o rendimento por string bem como o facto de só usar um único DC/AC, o que faz baixar os custos quando comparado com a situação b) [23]. No esquema d) da figura 2.12 está representado um sistema modular, em que tem um conversor por painel fotovoltaico. Desta é possível otimizar cada painel individualmente, sendo a configuração que apresenta um rendimento mais elevado, mas por sua vez também é 18

35 o que apresenta um maior custo. Porém, tem como vantagem a utilização dos painéis fotovoltaicos sem necessidade de muitos conhecimentos sobre sistemas fotovoltaicos [23]. 19

36 Capítulo 3 Análise do sistema Resumo Este capítulo está organizado em quatro partes distintas. A secção 3.1 faz uma breve abordagem ao sistema que está a ser implementado no Campus da Martifer Solar. A secção 3.2 fala-nos um pouco dos componentes do sistema e suas características. De seguida a secção 3.3 faz a caracterização dos módulos usados, sendo estes o principal objeto de estudo. Por fim a secção 3.4 são expostas todas as equações do painel bem como as simplificações feitas para serem aplicadas no algoritmo. 3.1 Introdução No campus da Martifer Solar está a ser instalado um array de 40 módulos CPV. Estes estão dispostos em oito séries de cinco módulos, como se mostra na figura 3.1. O módulos instalados são protótipos que vão ser estudados de forma a entender o seu funcionamento, bem como perceber melhor as vantagens e desvantagens desta tecnologia. 20

37 Figura Disposição dos módulos CPV Qualquer módulo tem valores de corrente, tensão e potência diferentes entre eles. Estes, devido ao facto de serem protótipos, os valores de corrente, tensão e potência têm uma diferença ainda maior quando comparados com os módulos fabricados em série, com o processo de fabrico maduro. Por este motivo, torna-se ainda mais importante e estimulante realizar este trabalho, pois assim é possível minimizar as perdas de potência. 3.2 Caraterísticas do sistema Para uma melhor rentabilidade do sistema este vai ser partido em duas partes, isto é, as strings de módulos vão ser divididas em dois arrays compostos por quatro strings, sendo assim possível integrar dois sistemas MPPT. O ideal seria ter um sistema MPPT por cada um dos módulos, pois era garantido que se retiraria a máxima potência de cada um deles. Uma solução que também tem resultados quase tão bons como a solução apresentada anteriormente é colocar um sistema MPPT por cada uma das strings [21]. No entanto, estas últimas soluções não são viáveis, visto que o valor do sistema aumentava de forma significativa devido aos custos dos inversores. Apesar de o sistema ser dividido em dois, esta solução apenas usa um inversor. Isto é possível, pois este possui duas entradas de forma a poder retirar a máxima potência de dois sistemas separados, sendo que neste caso é um sistema apenas, mas que vai funcionar como dois e de forma independente. O inversor usado é da marca SMA sendo que o modelo é o SUNNY BOY 4000TL21. No anexo1, encontra-se a folha de características deste inversor. Este inversor tem quatro entradas, mas apenas duas delas é que possuem 21

38 um sistema MPPT. Por este motivo, é que o sistema está apenas dividido em dois e não em quatro. Os módulos CPV são constituídos por vinte e quatro células, estando estas ligadas em série entre si. As características standard do módulo estão descritas na tabela 3.1. Estes valores são os valores médios dos 20 módulos dos quais existem dados. Tabela 3.1 Valores standards do módulo. Grandezas Valores I MPP 1,56271A V MPP 66,211V V OC 74,690V I SC 1,61112A P MPP 103,468W A tensão do array é dada pelo número de módulos ligados em série. A corrente do array é dada pela soma das correntes das strings. Uma string é composta por cinco módulos em série. Assim, cada uma das entradas do inversor vai apresentar valores próximos dos valores apresentados na tabela 3.2. Tabela 3.2 Valores de entrada no inversor. Grandezas Valores I MPP 6,028A V MPP 331,055V V OC 373,454V I SC 6,444A P MPP 2069,372W O sistema CPV tem, então, uma potência instalada de aproximadamente 4,4KW com uma tensão de 331,055V uma corrente de aproximadamente 12,502A. Esta potência instalada é o somatório das potências MPP de cada um dos módulos, mas estes módulos não estão a funcionar no MPP, estão num ponto perto deste. Consoante o arranjo série e paralelo que se faz com estes a potência extraída do array é maior ou menor 22

39 [21]. Dessa forma, pretende-se então, fazer o melhor arranjo possível com os módulos, de forma a estes funcionarem todos o mais próximo do seu MPP estando o array a produzir o máximo de potência possível com estes módulos. 3.3 Caraterização do módulo O módulo CPV que está a ser usado é composto por vinte e quatro células sendo estes de tripla junção. Cada célula apresenta uma eficiência de 38%. As lentes usadas têm um zoom ótico de 500x, tendo uma eficiência de aproximadamente 81%. Desta forma, o módulo apresenta uma eficiência global de aproximadamente 31%. As características do módulo podem ser consultadas no anexo2. Tabela 3.3 Valores do módulo 3. Grandezas Valores I MPP 1,56640A V MPP 66,381V V OC 74,876V I SC 1,61801A P MPP 103,9799W Os valores I MPP e I SC são calculados como a média das correntes de cada uma das células. O valor da V OC, V MPP e P MPP da célula é calculado como a soma das respetivas grandezas de cada uma das células. O estudo é realizado por módulo e não por célula. O circuito equivalente de um módulo fotovoltaico está representado na figura 3.2. Este circuito é composto por uma resistência série (Rs), que representa as perdas de tensão do módulo e uma resistência paralelo (Rp), que representa as perdas de corrente do mesmo. Figura Modelo do circuito equivalente do módulo fotovoltaico 23

40 O valor de Rs e Rp são valores que variam de módulo para módulo. Na tabela seguinte estão representadas as características das 20 células usadas. Tabela 3.4 Características dos módulos. Módulo Isc(A) Voc(V) Impp(A) Vmpp(V) Rp(Ω) Rs(Ω) 1 1, ,726 1, , ,0010 0, , ,801 1, , ,4118 0, , ,876 1, , ,6960 0, , ,950 1, , ,7310 0, , ,025 1, , ,2886 0, , ,025 1, , ,9284 0, , ,175 1, , ,8523 0, , ,249 1, , ,1224 0, , ,324 1, , ,9566 0, , ,399 1, , ,1355 0, , ,986 1, , ,0974 0, , ,060 1, , ,0053 0, , ,134 1, , ,2588 0, , ,208 1, , ,4253 0, , ,282 1, , ,7129 0, , ,356 1, , ,7484 0, , ,430 1, , ,1075 0, , ,504 1, , ,8824 0, , ,578 1, , ,9916 0, , ,652 1, , ,1418 0,

41 3.4 Equações Associadas a um Painel Fotovoltaico Uma vez apresentado o esquema elétrico equivalente de um módulo fotovoltaico é agora possível associar, a cada elemento, a respetiva equação. As expressões que representam o circuito da Figura 3.3Erro! A origem da referência não foi encontrada. são as seguintes: I = I ph I d I r (3.1) A fonte de corrente dependente, I ph, equação (3.2), varia em função da radiação solar e da temperatura a que se encontra o painel. I SC é a corrente de curto-circuito do painel, J 0 o coeficiente de temperatura, T a temperatura do módulo fotovoltaico, T ref a temperatura de referência. K a constante de Boltzmann, E g a banda de energia do semicondutor, S é a radiação solar em W/m 2 e S ref a radiação solar de referência. I ph S = [ISC + J o (T Tref )]. S ref (3.2) A corrente do díodo, I d, (3.3) em paralelo com a fonte de corrente apresenta um comportamento não linear dependente da temperatura do painel bem como do estado de funcionamento em que este se encontra. Esta é equação principal associada ao díodo. A variável I o (3.4) é a corrente de saturação inversa do díodo. q (I R s + V) I = I exp 1. (3.3) d o N s n K T 3 T q Eg 1 1 I = I exp (3.4) o DO Tref n K Tref T Por fim, as equações associadas às variáveis I DO e E g. I DO é uma constante dependente apenas das características fixas do painel. I DO ISC = q VOC exp n K T N s 1 (3.5) 25

42 Neste caso, pretende-se saber qual é a disposição ótima dos módulos. Como referido no capítulo anterior, o comportamento das células fotovoltaicas variam com a temperatura. Apesar de a temperatura de funcionamento ser dentro dos 65ºC, esta não tem grande influência na disposição dos módulos. As células usadas neste estudo são do mesmo tipo, ou seja, tripla junção. O comportamento destas com a temperatura é igual em todas as células. Se uma célula apresenta melhor comportamento a 25ºC que outra, também vai a melhor comportamento a 65ºC. Por este motivo, a temperatura de funcionamento do módulo é a mesma que a temperatura de referência, assim como, o valor radiação solar é igual ao seu valor de referência. Como temperatura de referência foi usada os 25ºC e como valor radiação solar 1000W/m 2, pois estes foram os valores de referência dos testes feitos para saber as características de cada um dos módulos. Assim, na equação 3.2 o valor de I ph toma o valor de I sc pois T-T ref =0. Quanto à equação 3.4 o valor de I 0 toma o valor de I d0, pois o valor dentro do expoente é igual a zero e o fator multiplicativo (T/T ref ) toma o valor de um. Após as simplificações as expressões 3.2 e 3.4 ficam respetivamente: I ph = I SC. (3.6) I o = I (3.7) DO O valor que circula pela resistência paralelo é aproximadamente zero, por isso a expressão que dá o valor da corrente que é extraída do painel pode ser simplificada e escrita da seguinte forma: I = I ph I d (3.8) Sendo ainda possível escrever esta da seguinte forma: q (I R s + V) I = I ph Io exp 1 N s n K T (3.9) 26

43 Através da expressão 3.9 é possível saber o valor da tensão extraída do painel quando este tem uma corrente I. Para isso, basta apenas escrever a expressão em ordem a V. Sendo assim, esta passa a ter a forma da expressão 3.10: Iph I ln + 1 Io V = Ns n K T - I q ( Rs) (3.10) Como é possível ver pela expressão 3.10 o valor da tensão só é possível calcular sabendo a corrente. Outro facto a salientar é que a expressão pode ainda ser simplificada. O valor da tensão Rs que está representado como IxRs tem um valor muito pequeno. Esta pequena parcela pode trazer um peso computacional acrescido, pois pode originar um maior número de iterações. Desta forma, a expressão passa a ter a representar-se da seguinte maneira: Iph I ln + 1 I o V = Ns n K T q (3.11) Apesar de esta expressão ser melhor para o processamento de dados, esta não apresenta o valor mais correto. Se o valor de IxRs fosse igual em todos os módulos esta fração poderia ser eliminada, visto estar à procura de um conjunto de módulos que produz mais potência e não de valor exato de potência produzida. Tendo o modelo do painel caracterizado, torna-se então possível saber os diferentes modos de funcionamento do painel e, consequentemente, o modo de funcionamento do array. Queremos com isto dizer, que torna-se possível saber a tensão do painel quando sabemos a sua corrente e vice-versa. 27

44 Capítulo 4 Otimização do arranjo do painel Resumo Neste capítulo é analisado todo o código implementado nesta tese bem como o algoritmo que está por trás deste. Desta forma, o capítulo está organizado em 3 partes distintas: A secção 4.1 faz uma breve introdução ao programa realizado. Na secção 4.2 apresenta uma descrição de todo o algoritmo que foi implementado neste trabalho. Na secção 4.3 é descrito e explicado o código construído na realização desta dissertação. 4.1 Introdução O algoritmo criado é do tipo de algoritmo MPPT, fazendo uma procura pelo ponto de máxima potência do array. Para isso, é alterada sucessivamente a disposição dos módulos no array, trocando-os de posição e calculando a potência que o array produz com esse arranjo. O objetivo é encontrar o arranjo que produza a maior potência possível. Como já se referiu anteriormente, a linguagem utilizada para a implementação do algoritmo, que fez a otimização do array, foi a linguagem C. 28

45 4.2 Formulação do Algoritmo O algoritmo princípia com a iniciação dos módulos. Em seguida, os módulos são ordenados por ordem decrescente de corrente MPPT. As strings são construídas por cinco módulos. Então, após a ordenação dos módulos, estes são introduzidos nas strings. O motivo pelo qual há uma ordenação de corrente é para garantir que a corrente MPP que passa em cada string seja o mais próximo da corrente MPP de cada um dos módulos. A corrente MPP de cada uma das strings tem de se encontrar entre a corrente MPP mais baixa dos módulos com os quais ela é constituída e a corrente MPP mais alta. Ao ordenar os módulos por ordem decrescente e colocá-los nas strings garante-se que a diferença entre essas duas correntes seja o mais curta possível, ou seja, a corrente MPP da string encontra-se muito perto das correntes MPP de cada um dos módulos. Se os módulos fossem ordenados por ordem crescente o resultado seria exatamente o mesmo para o arranjo das strings e, consequentemente, para o array. Num array, as strings estão ligadas em paralelo. Isto tem uma implicação no circuito elétrico, é que o valor da tensão tem que ser obrigatoriamente igual em todas as strings. Então, calcula-se todas as tenções MPP de cada uma das strings e define-se como tensão do array a tensão de menor valor. Desta forma, é facilmente possível calcular o valor da corrente que atravessa cada uma das strings do array. Agora, já se tem todas as variáveis que são precisas para calcular a potência do array, pois este vai ser a soma das potências de cada uma das strings. O passo para o cálculo da primeira iteração está completo. Um array funciona na sua máxima potência quando as curvas de potência de cada uma das strings são o mais próximo possível umas das outras e a tensão MPP destas são iguais, idealmente, o mais próximo possível umas das outras [21]. Neste momento, basta trocar o módulo de uma string pelo módulo de outra string e executar o mesmo procedimento que foi acima descrito. Se a potência do array aumentar, este mantém a troca efetuada, caso contrário, volta a ter o mesmo arranjo que tinha antes da troca. Este procedimento é executado enquanto todas as trocas possíveis ainda não tiverem sido efetuadas. Para uma melhor compreensão do que foi descrito, na figura 4.1 está representado o fluxograma do algoritmo. 29