SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS DE BAIXO CUSTO PARA DETECÇÃO DE FALHAS

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1 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS DE BAIXO CUSTO PARA DETECÇÃO DE FALHAS NELIO N. LIMA, GUSTAVO M. BUIATTI, LUIZ C. DE FREITAS, JOÃO B. V. JÚNIOR, LUIZ C. G. FREITAS, ERNANE A. A. COELHO Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência(NUPEP), Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT), Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Av. João Naves de Ávila, 2121 Campus Santa Mônica Uberlândia MG. CEP s: Abstract This paper presents a characterization system of low cost PV panels. For this, was used a boost converter operating as controlled electronic load. The voltage and current, obtained varying the electronic charge at terminals of the panel will be used to trace the IV curve. These values are compared with a reference. By this comparison is possible to determine whether the panel runs under normal conditions. Operational problems in photovoltaic panels, such as partial shade, may cause the effect of local maximum, which negatively affect traditional MPPT algorithms. Keywords PV Module Characterization, Electronic load, Boost Converter. Resumo Este trabalho apresenta um sistema de caracterização de painéis fotovoltaicos de baixo custo. Para isso, foi usado um conversor boost operando como carga eletrônica controlada. Os valores de tensão e corrente, obtidos da variação da carga eletrônica nos terminais do painel, serão usados para traçar a curva I-V. Estes valores foram comparados com uma referência. Problemas operacionais em painéis fotovoltaicos, como sombreamento parcial, podem causar o efeito de máximos locais, que afetam negativamente algoritmos de MPPT tradicionais. Palavras-chave Caracterização de painéis solares, carga eletrônica, conversor boost. 1 Introdução Observa-se na atualidade um aumento significativo na aplicação de painéis fotovoltaicos em sistemas de geração de energia elétrica. Nos Estados Unidos, por exemplo, a quantidade de painéis instalados mais que dobrou entre 2010 e 2011 (Hull, 2012). Este crescimento expõe a necessidade de sistemas de caracterização de painéis in-loco (Solmetric) para a detecção de eventuais defeitos ou sombreamentos causados por objetos, os quais prejudicam a produção de energia elétrica; ou ainda para uso em algoritmos de Maximum power point tracking (MPPT) (Kajihara, 2005). Várias são as formas de caracterização de painéis fotovoltaicos (Silvestre, 2007), entre elas há a curva I-V (Duran et al, 2008), a qual será explorada neste trabalho. Embora esta curva não represente o comportamento dinâmico do painel, permite identificar distúrbios causados por sombreamento parcial persistente, oriundo de sujeira sobre o painel (Patel & Agarwal, 2008). O sistema de caracterização desenvolvido é baseado em uma carga eletrônica controlada que pode substituir os sistemas de caracterização de painéis convencionais disponíveis no mercado, os quais apresentam um custo superior. Tradicionalmente o conversor Buck é utilizado como carga eletrônica para painéis fotovoltaicos (Kazerani, 2007), mas para este trabalho foi usado um conversor Boost, devido a sua entrada operar como fonte de corrente, ou seja, uma corrente em condução contínua no indutor implica condução contínua para a corrente de entrada. 2 Objetivos O presente trabalho procura desenvolver um sistema para caracterização de painéis fotovoltaicos de baixo custo e investigar as curvas obtidas, para que seja possível no futuro, alimentar algoritmos de identificação de MPPT. O sistema procura determinar o ponto em que o conjunto de painéis opera em máxima potência, mesmo sob condição de sombreamento parcial. O baixo custo deste sistema, comparado com outros sistemas comerciais, o viabiliza para aplicação dedicada. Para se obter a curva característica I-V do painel, foi usado um conversor Boost operando como carga eletrônica controlada por um microcontrolador, o qual provê a aquisição dos dados de tensão e corrente, enviando-os, via comunicação serial, a um computador compatível PC para o traçado da curva correspondente. Através da forma da curva o operador ou software especialista pode identificar problemas na operação do painel. 2656

2 3 Conversor Boost Operando como Carga Eletrônica Controlada O conversor boost foi escolhido como carga eletrônica em decorrência de sua simplicidade, já que dentre os conversores básicos monochaveados, o boost é o único que apresenta a corrente de entrada contínua, o que garante a melhor opção para a caracterização dos painéis. Para utilização do conversor boost como carga eletrônica controlada é necessário se conhecer a fonte de entrada. Para este trabalho foram usados dois painéis fotovoltaicos Kyocera KD135SX-UPU conectados em série, cujas características são mostradas na Tabela 1, considerando uma irradiação de 1000W/m² e temperatura de célula de 25 C. Estes painéis foram colocados em uma base fixa, no topo do prédio do Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) da UFU. São ao todo oito painéis, organizados em quatro pares constituídos de módulos em série. Cada par pode ser acessado de forma independente dos outros. feita primeiramente com o próprio PSIM, que possui uma ferramenta chamada Solar Module (Physical Model), onde foram inseridos os parâmetros mostrados na Tabela 1. As curvas I-V e P-V são estimadas, conforme é apresentado na Figura 2 e Figura 3. Figura 2 - Curva I-V obtida com a ferramenta Solar Module do PSIM. Tabela 1 - Especificações Elétricas (KYOCERA) Máxima Potência 135 W Tolerância ±5% Tensão de Máxima Potência 17.7 V Corrente de Máxima Potência 7.63 A Tensão de Circuito Aberto 22.1 V Corrente de Circuito Aberto 8.37 A Tensão Máxima do Sistema 600 V Coef. de Temp. da Corrente (Icc) 5.02x10-3 A/ C Coef. de Temp. da Tensão (Vca) -8.0x10-2 V/ C Um modelo para estes painéis operando em série e conectado a carga eletrônica foi feito no software PSIM, conforme mostra a Figura 1. Figura 3 - Curva P-V obtida com a ferramenta Solar Module do PSIM. A Figura 4 apresenta a curva obtida por meio da simulação da carga eletrônica operando sob as mesmas condições de irradiação e temperatura considerados na Figura 2 e Figura 3. Figura 1 - Simulação no Software PSIM. Para que a carga eletrônica possa operar de modo a controlar a corrente drenada dos painéis, é necessário utilizar uma fonte de tensão independente na saída, de modo a manter uma tensão superior a tensão a vazio dos painéis, polarizando reversamente o diodo do conversor. Isto impede que os painéis alimentem a carga na partida do processo de caracterização, onde a corrente é nula ou próxima de zero. A validação do conversor boost como carga eletrônica controlada para painéis fotovoltaicos pôde ser Figura 4 - Curva I-V obtida através da simulação da carga eletrônica. Observa-se que a Figura 4 apresenta comportamento semelhante ao encontrado na Figura 2, mostrando que o conversor boost operando como carga eletrônica é capaz de caracterizar o comportamento do painel fotovoltaico. A Figura 5 apresenta a potência fornecida do painel para a simulação da Figura

3 (5) A Figura 7 apresenta a relação entre R in e R out. Figura 5 - Potência fornecida para a simulação da carga eletrônica. A Figura 5 também apresentou comportamento semelhante ao mostrado na Figura 3. 4 Características do Conversor Boost Operando como Carga Eletrônica A Figura 6 apresenta o conversor boost, o qual permite o controle do fluxo de energia de entrada para a saída através da razão cíclica aplicada à chave. Figura 6 - Conversor Boost. Admitindo que o indutor do boost seja projetado para a obtenção da condução contínua para praticamente toda a faixa de excursão da variável de controle d [0 a 1], pode-se definir a relação para a tensão de saída (V out ) e tensão de entrada (V in ), assim como a relação entre as correntes de entrada (I in ) e saída (I out ), mostradas em (1) e (2) respectivamente. Figura 7 - R in/r out em função da razão cíclica do conversor boost. Conforme pode-se observar na Figura 7, apesar da relação quadrática entre R in e R out, é possível o controle em uma ampla faixa de excursão. Como a resistência R in para a razão cíclica nula é finita e igual R out, torna-se necessário a inserção de uma fonte de tensão contínua independente na saída, de forma a polarizar reversamente o diodo de saída, impondo um circuito aberto visto da entrada. Devido às características dinâmicas dos painéis fotovoltaicos, o conversor deve excursionar toda a razão cíclica o mais rápido possível, para que não aconteçam variações na irradiação solar durante o processo de caracterização. Assim, a banda passante do conversor deve ser elevada o suficiente para permitir a rápida entrada em regime da corrente de entrada para um dado d, permitindo assim a varredura de d em toda a faixa num pequeno espaço de tempo. A Figura 8 apresenta o tempo de transição do conversor mostrado na Figura 1 para uma variação de carga na saída do conversor. (1) (2) Onde d é a razão cíclica do conversor, determinada pelo chaveamento de T e expresso por (3): (3) Onde T on é o tempo em que a chave T permanece ligada e T é o período de chaveamento. Assim, a carga eletrônica opera como uma resistência variável. Desta forma, para determinar a relação entre a resistência de entrada (R in ), vista pelo painel fotovoltaico, e a resistência de saída do conversor (R out ), utiliza-se (4). Para deduzir a relação entre as resistências e a razão cíclica, utiliza-se também (1) e (2) para se determinar (5). (a) (b) Figura 8 - Ripple na fonte de entrada do conversor (a) e (b) detalhe. (4) 2658

4 Pode-se observar que o tempo de transição da corrente é de aproximadamente 1 ms para uma variação de corrente maior que 25 A. 5 Sistema de Caracterização Para o controle do conversor boost, assim como a aquisição dos valores de tensão e corrente do painel, foi utilizado o microcontrolador Microchip PIC32MX795F512 de 32 bits, 80MHz, arquitetura Harvard, 512K de Flash e 128K RAM, com AD de 16 canais de 10 bits (MICROCHIP), mostrado na Figura 9. Figura 11 - Sistema de interface com GUI. O sistema mostrado na Figura 11 aciona o microcontrolador a cada quinze minutos, iniciando o processo de aquisição. Os valores de tensão e corrente são enviados ao GUIDE, que mostra em sua tela o gráfico I-V da última aquisição. Os valores de tensão, corrente e horário da medição também são gravados em arquivo em formato texto, para que possam ser usados em uma posterior verificação. 6 Resultados Figura 9 - Plataforma ChipKIT MAX32 com microcontrolador PIC32MX795F512. A Figura 10 apresenta o fluxograma completo do sistema de caracterização. Para a realização dos testes, alguns painéis receberam a aplicação de sombra forçada de tamanhos diferenciados, conforme é apresentado na Figura 12. Conjunto 1 Conjunto 2 Conjunto 3 Conjunto 4 Figura 10 - Fluxograma. O microcontrolador controla a razão cíclica d do conversor, recebe os dados e envia os valores de tensão (V) e corrente (I) ao Matlab, que irá traçar a curva I-V. Um sistema supervisório foi desenvolvido com a ferramenta GUIDE do Matlab para que fosse feita a integração com o microcontrolador. Este sistema é mostrado na Figura 11. Figura 12 - Painéis fotovoltaicos sobre o prédio do NUPEP. Conforme se pode observar, o primeiro conjunto (conjunto 1) de painéis, da esquerda para a direita, não apresenta sombra forçada. O segundo conjunto (conjunto 2) apresenta uma sobra em forma de circunferência que não cobre totalmente uma célula, com raio de aproximadamente 8 cm. O terceiro (conjunto 3) apresenta uma sombra que cobre completamente a primeira e parcialmente a segunda fileira de células, de aproximadamente 67x30 cm. O quarto conjunto (conjunto 4) de painéis apresenta uma sombra que cobre completamente uma célula, de 16x16 cm. As curvas obtidas com o sistema de caracterização desenvolvido foram comparadas com as curvas obtidas pelo analisador Mini-KLA da empresa Ingenieurbüro, apresentado na Figura 13. As características deste equipamento são mostradas na Tabela

5 A Figura 16 apresenta a potência em função da tensão do sistema de caracterização. Figura 13 - Mini-KLA (Ingenieurbüro). Tabela 2 - Especificações técnicas do Mini-KLA (Ingenieurbüro) Mini-KLA Current Range Voltage Range Port: Supply Memory Accessories Standard 4 and 8 A 30, 60 and 120 V RS232 NiCd 25 curves Si-Sensor, Software Conforme se pode observar na Tabela 2, o Mini-KLA possui uma limitação de 8 A de corrente e tensão máxima de 120 V. O primeiro teste realizado foi com a série de dois painéis sem sombra (conjunto 1). A Figura 14 apresenta a curva obtida pelo sistema de caracterização desenvolvido, e a Figura 15 apresenta a curva obtida através do Mini-KLA. Figura 16 - Potência em função da tensão obtida através do sistema de caracterização. A diferença entre as medidas do sistema de caracterização e do Mini-KLA se deve a não simultaneidade do processo de caracterização, tornando os resultados sujeitos à variação da irradiação solar entre o tempo de conexão de um e outro equipamento. O ruído presente na medida do sistema de caracterização é decorrente da precisão das medidas, que foram feitas usando um conversor AD de 10 bits e um sensor regulado para um sistema bipolar. A Figura 17 apresenta a curva obtida pelo sistema de caracterização para o segundo conjunto de painéis, que contém a sombra circular, mostrado na Figura 12. Figura 14 - Curva I-V para série de painéis sem sombra obtida pelo sistema desenvolvido. Figura 17 - Curva I-V para série de painéis com sombra circular, obtida pelo sistema desenvolvido. A Figura 18 apresenta a curva obtida para o conjunto 2 com o Mini-Kla. Figura 15 - Curva I-V para série de painéis sem sombra obtida pelo analisador Mini-KLA. Figura 18 - Curva I-V do Conjunto 2 obtida com o analisador Mini-KLA. 2660

6 A Figura 19 apresenta a potência fornecida pelo painel durante a caracterização. Observa-se que o ponto de máxima potência apresenta um valor próximo ao encontrado com o Mini-KLA na Figura 18. Assim como no resultado anterior, a diferença de valores é decorrente da assincronia das caracterizações. Figura 21 - Curva I-V para o conjunto 3 obtida pelo sistema de caracterização. Figura 19 - Potência obtida através do sistema de caracterização para o conjunto 2 de painéis. Conforme pode-se observar na Figura 18, há uma queda no valor da corrente para valores de tensão maiores que 15 V. Efeito também observado na Figura 17. No entanto, o sistema desenvolvido apresenta esta queda de forma mais visível para uma radiação maior, conforme pode ser visto na Figura 20. O conjunto 3 apresenta, em sua curva característica I- V, uma queda acentuada de corrente para os valores de tensão entre 20 e 30 V. Isto se deve os diodo de bypass do painel que possui a sombra forçada. A Figura 22 apresenta a curva I-V obtida pelo Mini- KLA. Figura 20 - Curva I-V obtida para o conjunto 2 de painéis sob incidência maior de raios solares. Pode-se observar na Figura 20 uma queda da corrente para valores de tensão entre 15 e 20 V, semelhante as curvas apresentadas nas Figuras Figura 17 e Figura 18. No entanto, o Mini-KLA não foi capaz de obter os dados no momento em que a Figura 20 foi realizada, pois como pode-se observar, a corrente atinge um valor maior que 8 A. Valor esse, maior que o máximo para o Mini-KLA, conforme Tabela 2. A seguir foi realizado o teste para o conjunto 3, onde há uma sombra forçada com área maior que as duas anteriores. A curva I-V obtida pelo sistema de caracterização é mostrada na Figura 21. Figura 22 - Curva I-V do conjunto 3 obtida pelo Mini-KLA. A Figura 23 apresenta a curva da potência em função da tensão, onde pode se observar o efeito de máximo global para os valores de tensão entre 20 e 25 V, e também o máximo local entre 35 e 40 V. Figura 23 - Curva P-V obtida pelo sistema de caracterização. O formato da curva I-V mostrada na Figura 21 apresenta uma forma característica, que se repete para outros valores de intensidade luminosa incidente. A Figura 24 apresenta a curva I-V para o conjunto 3 com irradiação menor que a presente na Figura

7 também são semelhantes entre os dois sistemas, conforme pode ser visto na Figura 27. Figura 24 - Curva I-V para o conjunto 3. O valor máximo de corrente na Figura 21 foi de 7,1A, e na Figura 24 foi de 1,8A. Porém, para as duas curvas, a corrente apresentou uma queda de aproximadamente 80% para o intervalo de tensão entre 20 e 30 V. Em ambos os casos o resultado é coerente com a expectativa, considerando o sombreamento provocado. A Figura 25 apresenta a curva característica do conjunto 4 de painéis obtida pelo sistema de caracterização. Figura 25 - Curva I-V do conjunto 4 obtida pelo sistema de caracterização. A Figura 26 apresenta a curva obtida pelo Mini- KLA. Figura 27 Potência obtida através do sistema de caracterização para o conjunto 4 de painéis. 7 Conclusão Os resultados obtidos pelo sistema de caracterização se mostraram semelhantes aos resultados do Mini-KLA, o que demonstra que o sistema desenvolvido é capaz de operar como carga eletrônica controlada para painéis fotovoltaicos. Através dos resultados obtidos foi possível identificar um padrão de comportamento na curva I-V em cada tipo de sombreamento provocado. Desta forma, é possível prever se há uma sombra persistente sobre o painel com as mesmas características das que foram estudadas, assim como se pode determinar o ponto de operação para máxima potência do painel. Entre os dois sistemas, a limitação do Mini-KLA dificultou a aquisição dos dados, pois era preciso esperar que a corrente de curto circuito dos painéis fosse inferior a 8 A. Este problema não foi apresentado pelo sistema de caracterização desenvolvido. Agradecimentos A FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelo apoio e suporte financeiro. A FATECIB (Faculdade de Tecnologia SENAI Ítalo Bologna) pelo apoio. Ao Núcleo de Pesquisa em Fontes Alternativas e E- nergia da Faculdade de Engenharia Elétrica da UFU. Ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico). Referências Bibliográfica Figura 26 - Curva I-V do conjunto 4 obtida pelo Mini-KLA. A mesma característica presente para os outros conjuntos com presença de sombra é apresentada na Figura 26. O valor da corrente sofre uma queda mais acentuada para valores de tensão entre 20 e 30 V. A potência máxima e valor correspondente de tensão Duran, E.; Piliougine, M.; Sidrach-de-Cardona, M.; Galán, J.; Andújar, J.M.. Different Methods To Obtain The I-V Curve Of PV Modules: A Review. Photovolatic Specialists Conference, PVSC 08.33rd IEEE 1-6, PVSC Hull, D. (14 de 03 de 2012). Marin Independent Journal. Acesso em 15 de 04 de 2012, disponível em marinij.com: 2662

8 olar-installations-doubled-last-year Ingenieurbüro. (s.d.). Ingenieurbüro Mencke & Tegtmeyer. Acesso em 16 de 04 de 2010, disponível em Ingenieurbüro Mencke & Tegtmeyer: Kajihara, H. (14-17 de 12 de 2005). Model of photovoltaic cell circuits under partial shading. Industrial Technology, ICIT IEEE International Conference. Kazerani, M. (2007). A High-Performance Controllable DC Load. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, KYOCERA. (s.d.). Kyocera. Acesso em 15 de 04 de 2012, disponível em Kyocera Solar: module-folder/kyocera/kd135sx-upu.html MICROCHIP. (s.d.). Microchip Technology. Acesso em 16 de 04 de 2012, disponível em MICROCHIP: s.aspx?ddocname=en Patel, H., & Agarwal, V. (03 de 2008). MATLAB- Based Modeling to Study the Effects of Partial Shading on PV Array Characteristics. IEEE Transactions on Energy Conversion, pp Silvestre, S. (02 de 02 de 2007). Shading effects in characteristic parameters of PV modules. Electron Devices, 2007 Spanish Conference on, pp Solmetric. (s.d.). Acesso em 07 de 06 de 2012, disponível em Solmetric PV Analyzer: DS-Jul-11.pdf 2663