Estudo Comparativo de Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência para Geração de Energia Solar Fotovoltaica

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1 Estudo Comparativo de Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência para Geração de Energia Solar Fotovoltaica Adilson L. Stankiewicz Universidade Regional Integrada - Erechim Av. Sete de Setembro, , Erechim RS Brasil adilsonluis@uricer.edu.br Roberto Buerger, Rene Alfonso Reiter, Adriano Péres Universidade Regional de Blumenau (FURB) Rua São Paulo, , Blumenau SC Brasil aperes.furb@gmail.com Resumo Este artigo apresenta um estudo comparativo entre três técnicas de rastreamento de máxima potência (MPPT) aplicáveis a um sistema de geração de energia solar fotovoltaica utilizando conversor Push-Pull com entrada em corrente. Os métodos MPPT analisados são: Tensão Constante (CV), Perturba& Observa (P&O) e Temperatura (T). Os métodos são simulados em ferramenta computacional e experimentados utilizando um dispositivo DSC (Digital Signal Controller). Define-se o indicador de desempenho e efetua-se a comparação entre os métodos a partir dos resultados coletados em simulação e experimentalmente. Palavras-chave Conversor Push-Pull com Entrada em Corrente, Controlador Digital de Sinais (DSC), MPPT, Painel Fotovoltaico. I. INTRODUÇÃO A produção de energia elétrica deve estar alinhada com a preservação do meio ambiente e os processos sustentáveis e renováveis tendem a receber mais espaço na matriz energética das nações. Em função disto se buscam métodos que aperfeiçoem os processos de geração e conversão de energia elétrica. A geração de energia elétrica fotovoltaica se apresenta como uma fonte alternativa limpa e renovável, uma vez que sua fonte de energia é o sol. Nos últimos anos têm-se experimentado uma evolução interessante dos materiais utilizados neste processo tornando-os cada vez menos onerosos e mais eficientes. O princípio da geração de energia elétrica fotovoltaica se baseia no fato de que se houver a exposição de uma junção pn de um semicondutor à incidência de fótons, estes proverão a energia necessária para deslocar os elétrons da camada de valência para a banda de condução. Desta forma os elétrons presentes no cristal tipo n serão acelerados em direção ao cristal tipo p provocando uma diferença de potencial. A isto se denomina efeito fotovoltaico [1]. Com o objetivo de se adequar os valores de tensão e corrente fornecidos pelas células fotovoltaicas estas são associadas em conjuntos série-paralelo formando os módulos fotovoltaicos. As características de tensão, corrente e potência dos módulos fotovoltaicos são descritas através de suas curvas IxV e PxV, que descrevem o comportamento do elemento associado as alterações na carga. Estas características são dependentes de fatores externos: temperatura e irradiação. A Fig. 1 mostra a curva IxV do painel Kyocera KD-140SX. A Fig. 2 mostra a curva PxV do mesmo painel. Ambas foram levantadas utilizando-se as características fornecidas pelo fabricante com o método proposto por GIMENES [2] utilizando o Matlab. As curvas foram levantadas utilizando-se o STC (Standard Test Condition T=25 o C, S=1000 W/m 2 ). Figure 1. Curva IxVdo Painel Kyocera KD-140SX Figure 2. Figura 2. Curva PxVdo Painel Kyocera KD-140SX.

2 Como o sistema fotovoltaico está sujeito a variações de irradiação e temperatura, estas provocam alterações na potência fornecida. De forma geral, deseja-se que o sistema forneça sempre a máxima potência disponível para as condições a que está submetido. Esta é a função do MPPT. A Fig. 3 apresenta a curva PxV sob variações de irradiação. A Fig. 4 apresenta a curva PxV sob variações de temperatura. Os valores disponibilizados pelo fabricante foram carregados no PSim ao utilizar o circuito apresentado na Fig. 5. O sistema proposto para este estudo pode ser visualizado na Fig. 6. Figure 6. Visão geral do sistema proposto. Figure 3. Curva PxV com variação de irradiação. II. SISTEMAS RASTREADORES DE MÁXIMA POTÊNCIA Um sistema de rastreamento de máxima potência é composto de duas partes básicas: um algoritmo que recebe as informações do sistema fotovoltaico e uma etapa de potência que se encarrega de solicitar os valores de tensão e corrente que correspondam ao desejado. Para realizar este estudo foram selecionados 3 métodos: Tensão Constante, Perturba& Observa e Temperatura. Os métodos foram selecionados por serem utilizados com frequência comercialmente e possuírem dinâmicas de funcionamento bastante distintas. A seguir descrevem-se os três métodos em estudo. A. Tensão Constante (CV) É um método simples que consiste na manutenção da tensão do painel fotovoltaico em um valor de referência que corresponde ao ponto de máxima potência obtido do gráfico PxV do módulo. Utiliza apenas um sensor de tensão. O algoritmo apresentado por [3] pode ser visto na Fig. 7. A atuação se dá monitorando a tensão do painel e alterando a razão cíclica que irá impor esta tensão de referência como ponto de operação. A Fig. 3 demonstra que o MPP apresenta uma pequena alteração para mudanças significativas de irradiação. No entanto, alterações na temperatura provocam mudanças consideráveis na tensão de máxima potência, conforme é demonstrado na Fig. 4. Neste caso, o controle por tensão constante não se mostra efetivo fazendo com que o sistema opere fora do MPP. Figure 4. Curva PxV com variação de temperatura. Figure 5. Circuito utilizado no levantamento das curvas. Figure 7. Algoritmo para o método de Tensão Constante (CV) [3].

3 Uma constante k 1 de ajuste define o degrau da razão cíclica do conversor. A tensão do módulo é lida por um sensor de tensão e comparada com a tensão de referência. A diferença entre ambos gera o erro que determina o valor de k 1 e, consequentemente, o novo valor da razão cíclica. B. Perturba e Observa (P&O) O algoritmo de P&O é o mais utilizado na prática por sua facilidade de implementação. Utiliza um sensor de tensão e outro de corrente. Supondo-se que o sistema está operando à esquerda do MPP na Fig. 2, o algoritmo provoca a perturbação de um incremento na razão cíclica, resultando em uma alteração de potência ΔP que é armazenada. Se a variação de potência é positiva, o ponto de operação foi movido em direção ao MPP. Variações consecutivas levarão o sistema até o MPP. Se a variação ΔP for negativa o sistema está se afastando do MPP e muda-se o sentido da perturbação. de V MPP (Tensão de máxima potência) se relaciona proporcionalmente com a temperatura do painel por (1) [7]: ( ) ( ) ( ) Sendo u VMPP o coeficiente de temperatura indicado pelo fabricante do painel fotovoltaico. Da mesma forma, T ref e V MPP (T ref ) são características do painel. Utilizando-se (1) calcula-se o valor de V MPP para a temperatura indicada pelo sensor. Deste ponto em diante o método é idêntico ao Tensão Constante, onde se altera a razão cíclica do conversor de forma que se imponha o valor de V MPP à tensão fornecida pelo painel. O algoritmo proposto por COELHO [7] é demonstrado na Fig. 9. No entanto, este algoritmo apresenta uma deficiência que se expõe quando ocorrem variações rápidas na irradiação [4]. Caso haja um incremento na irradiação durante uma perturbação provocada pelo MPPT, pode haver um incremento de potência, mesmo que o ponto de operação do sistema tenha sido levado em sentido contrário ao MPP. Várias propostas foram experimentadas no sentido de minimizar este efeito. Em uma delas utiliza-se de 3 medidas consecutivas antes de tomar a decisão de mudar o sentido da perturbação [5]. Apesar do método ser eficaz ele torna o rastreamento do MPP mais lento e incrementa a necessidade de capacidade de processamento. Outra desvantagem é a oscilação em torno do ponto de MPP, quando o sistema é estabilizado, proporcional ao incremento utilizado no controle da razão cíclica. O algoritmo proposto por DOLARA [6] para o método P&O, e implementado neste estudo, é apresentado na Fig. 8. Figure 9. Algoritmo para o método Temperatura. C. Temperatura (T) Figure 8. Algoritmo para o método P&O. É um método que alia a simplicidade do Tensão Constante com a velocidade de convergência e precisão do Condutância Incremental [7]. O método de Temperatura utiliza um sensor de tensão e outro de temperatura. A tensão Como os métodos anteriores, este algoritmo apresenta vantagens e desvantagens. Como vantagem o sistema é um rastreador de máxima potência real e resulta numa operação no MPP, não se tratando de uma aproximação, desde que os dados fornecidos pelo fabricante sejam precisos. Por lidar com uma variável de dinâmica lenta como a temperatura, o sistema reage suavemente a alterações das condições climáticas, evitando oscilações erráticas na busca pelo MPP. Entretanto, como desvantagem, sob rápidas variações de irradiação a temperatura variará lentamente e o sistema atuará da mesma forma sob estas condições, podendo operar por algum tempo fora do MPP até ter sua temperatura estabilizada. III. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO O modelo de simulação utilizado é um conjunto composto de um conversor Push-Pull com entrada em corrente e um painel fotovoltaico com os parâmetros e componentes propostos em [8], utilizando a ferramenta PSim. Para simular o DSC carregado com o algoritmo MPPT utilizou-se a função

4 C-Block, que permite escrever o programa em linguagem C de forma análoga ao que ocorre com o dispositivo real. O circuito completo de simulação é apresentado na Fig. 10. Figure 12. TF obtido por simulação para método Perturba e Observa. Figure 10. Circuito de simulação. Como critério de comparação de desempenho entre os métodos MPPT utiliza-se o TF (Tracking Factor). Conforme visto em [9], a relação entre a energia fornecida (Pin) e a energia disponível (Pmax) para dadas condições de irradiação e temperatura pelo painel é uma medida essencial de eficiência de um sistema fotovoltaico. O método utilizado para a obtenção do TF foi a aplicação de degraus de irradiação de 800 e 1000 W/m 2 e degraus de temperatura de 25 e 50 o C. Da mesma forma aplicaram-se rampas de irradiação e temperatura defasadas em 90 o entre os valores de S = 800W/m 2 a 1000 W/m 2 e T = 25 a 50 o C. Esta metodologia busca aproximar a simulação do ambiente real, já que um acréscimo de irradiação provocará um incremento de temperatura após algum tempo decorrido. As Fig. 11 a 13 demonstram os resultados obtidos por simulação. Figure 11. TF obtido por simulação para método Tensão Constante. Figure 13. TF obtido por simulação para método Temperatura. IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS A análise experimental foi efetuada utilizando o DSC da Freescale MC56F8257 para a implementação do MPPT, um conversor Push-Pull com entrada em corrente conforme desenvolvido em [8] e um painel Kyocera KD140-SX. O método consistiu em medidas de potência de entrada, temperatura, irradiação e potência de saída do sistema fotovoltaico. Para cada par de temperatura e irradiação medidos foi calculado a potência máxima disponível (Pmax) utilizando a ferramenta Solar Module Physical Model do PSim, carregada com os parâmetros do painel KD140-SX. Esta potência máxima (Pmax) é comparada com a potência efetivamente retirada do painel Pin, resultando no TF experimental. A Fig. 14 demonstra o conjunto experimental. As medidas foram efetuadas em dias de condições climáticas com pouca nebulosidade no período das 9:00 às 17:00 em novembro de 2013, na cidade de Erechim RS.

5 Figure 14. Conjunto experimental. As Fig. 15 a 17 demonstram os resultados de TF obtidos experimentalmente para os métodos de Tensão Constante, Perturba e Observa e Temperatura, respectivamente. Figure 15. TF obtido experimentalmente para método Tensão Constante. Figure 16. TF obtido experimentalmente para método Perturba e Observa. V. CONCLUSÕES Quanto ao desempenho dos métodos MPPT pode-se verificar que apesar do método Tensão Constante se mostrar muito eficiente para variações de irradiação, quando submetido a variações de temperatura seu desempenho é consideravelmente reduzido. O método Perturba e Observa mostra-se eficiente tanto em variações de irradiação quanto temperatura, no entanto, nos testes experimentais foi possível perceber uma tendência a sair do MPP quando submetido a rápidas variações de irradiação. Dessa forma, não se recomenda seu uso. O método de Temperatura mostrou-se tão preciso quanto o P&O, sem apresentar o problema de se distanciar do MPP quando submetido a variações rápidas de irradiação. Ainda pode-se considerar que o método P&O independe do painel utilizado, enquanto o método de Temperatura necessita o conhecimento das características elétricas de painel. REFERÊNCIAS [1] GUIMARÃES, A. P., RIBEIRO, C. M., BASTOS, L. E. G., VALENTE, L. C. G., et al. Manual de Engenharia Para Sistemas Fotovoltaicos. Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sergio Salvo de Brito. Rio de Janeiro, [2] GIMENES, T. P., Sistema de Processamento de Energia Para Conexão de Painéis Fotovoltaicos à Rede Elétrica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Centro de Ciências Tecnológicas, Fundação Universidade Regional de Blumenau. Blumenau, [3] MARTINS, D. C., COELHO, R. F., SANTOS, W. F. dos, Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência Para Sistemas Fotovoltaicos: Revisão e Novas Propostas. Short Course 3.XI Brazilian Power Electronics Conference (COBEP).Natal, [4] HOHM, D. P., ROPP, M. E., Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, p. 11:47-62, [5] XIAO, W., DUNFORD, W. G., A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems. Proc. 35th Annual IEEE Power Electron. Spec. Conf., p , [6] DOLARA, A., FARANDA, R. LEVA, S., Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for PV Systems. J. Electromagnetic Analysis & Applications JEMAA, p. 3: , [7] COELHO, R. F., CONCER, F. M., MARTINS, D. C., A MPPT Approach Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems. Industry Applications (INDUSCON), th IEEE/IAS International Conference. p. 1-6, [8] STANKIEWICZ, A. L. Estudo Comparativo de Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência para Geração de Energia Solar Fotovoltaica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Centro de Ciências Tecnológicas, Fundação Universidade Regional de Blumenau. Blumenau, [9] BRITO,M. A. G., JUNIOR, L. G., SAMPAIO, L. P., MELO, G. A. e, CANESIN, C. A., et al. Main Maximum Power Point Tracking Strategies Intended For Photovoltaics. XI Brazilian Power Electronics Conference (COBEP). Natal, Figure 17. TF obtido experimentalmente para método Temperatura.