UMA PROPOSTA DE TÉCNICA DE RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO DAIANE REZENDE CARRIJO, RODRIGO SOUSA FERREIRA, SEBASTIÃO CAMARGO GUIMARÃES JR. (DR.), JOSÉ ROBERTO CAMACHO (PHD) Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia, Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Avila, 2121, CEP: 38400-902, Uberländia, MG, Brasil E-mails: daianecarrijo51@gmail.com, rodrigosfufu@gmail.com, scguimaraes@ufu.br, jrcamacho@ufu.br Abstract The output characteristic of a photovoltaic array is nonlinear due to changes in solar irradiation and the cell's temperature. Therefore, a Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique is needed to draw peak power from the solar array to maximize the produced energy. Therefore, this paper presents a technique for tracking the point of maximum power of photovoltaic cells, which utilizes an analog control circuit, and although it is extremely simple, the results show robustness and reliability. The experimental results and simulations, using PSIM software, confirm the effectiveness of the proposed system. Keywords Photovoltaic Array, MPPT, Temperature, Solar Irradiation, PSIM. Resumo A característica de saída de uma célula fotovoltaica é não-linear devido a variações da irradiação solar e da temperatura da célula. Desta forma, uma técnica de procura do Ponto de Máxima Potência (MPPT) é necessária para obter-se da célula fotovoltaica a máxima energia produzida. Sendo assim, neste trabalho é apresentada uma técnica de rastreamento do ponto de máxima potência de células fotovoltaicas, que utilisa um circuito de controle analógico, e embora ele seja extremamente simples, os resultados obtidos mostram suas robustez e confiabilidade. Os resultados experimentais e de simulações, usando o software PSIM, confirmam a e- ficácia do sistema proposto. Palavras-chave Célula Fotovoltaca, MPPT, Temperatura, Irradiação Solar, PSIM. 1 Introdução A conversão solar fotovoltaica é uma das formas de energia alternativa mais citada para substituir os métodos convencionais de geração de eletricidade. Atualmente a energia fotovoltaica é utilizada nas mais diversas áreas, com o objetivo de geração de energia elétrica aliada às seguintes vantagens: simplicidade de instalação, facilidade de expansão, elevado grau de confiabilidade do sistema, redução das perdas por transmissão de energia devido à proximidade entre geração e consumo e pouca necessidade de manutenção. Além disso, os sistemas fotovoltaicos são fontes, silenciosas e não poluentes, de geração de energia elétrica. Os painéis solares fornecem uma ampla gama de tensão e corrente de saída, porém apenas determinados valores são capazes de produzir uma máxima potência. A característica I(V) dos painéis depende da irradiação solar e da temperatura da célula fotovoltaica e estas variações causam flutuações no ponto de potência máxima. Dessa forma, conversores estáticos controlados são alocados entre geradores fotovoltaicos e cargas, com a finalidade de manter o sistema trabalhando no ponto de máxima potência. ( BELLACHAT; LARBES; BARAZANE; KHARZI, 2007) Estes controles conhecidos como MPPT (Maximum Power Point Tracking) são associados com conversores, os quais acoplam os geradores fotovoltaicos e as cargas, de maneira a forçar o primeiro a fornecer a potência máxima. Visando maximizar a potência fornecida pelo painel fotovoltaico são utilizados circuitos de controle MPPT, os quais possuem como base principal de funcionamento a busca pelo ponto de máxima potência. Devido à complexidade desse controle, atualmente vários estudos são desenvolvidos no ramo da eletrônica com o objetivo de propor novas configurações de controle MPPT. (LIM; HAMILL, 2000) Dessa forma, neste trabalho é proposto um circuito analógico que comanda um conversor do tipo buck, com o objetivo de fazer com que um painel fotovoltaico forneça sempre a máxima potência para uma carga. 2.1 Circuito equivalente 2 Energia Fotovoltaica A produção de energia fotovoltaica baseia-se no principio do efeito fotovoltaico, o qual permite converter diretamente energia luminosa, proveniente dos raios solares, em eletricidade. Para a geração de energia fotovoltaica são utilizados painéis fotovoltaicos que são formados por um conjunto de células fotovoltaicas. Desta forma o modelo de um circuito elétrico equivalente de uma célula fotovoltaica é mostrado na Figura 1. Tal circuito é deduzido da característica de uma junção PN (Equação 1), das quais são formadas as células fotovoltaicas. q( Vpan + I Rs ) V nkt pan + I Rs Ipan = I0 I sat e 1 (1) R sh Onde: I : é a corrente de saturação do diodo; sat q: é a carga elementar, de valor -19 1,6 10 C ; 2543
k: é a constante de Boltzmann de valor ; 23 1,38 10 J / k T: é a temperatura da célula em Kelvin; n Constante de idealidade do diodo (usual 1.5). Figura 2. Comportamento da corrente de saída de um painel fotovoltaico em função da tensão. Figura 1. Modelo de um circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico. Este circuito é composto por: uma fonte de corrente ( I 0 ) : representa a corrente de curto-circuito da célula, fornecida pela fonte, sendo proporcional à intensidade luminosa; um diodo em paralelo (D): representando a corrente na junção PN; uma resistência em série ( R s ) : representando as perdas por contato e condução; uma resistência em paralelo ( R sh ) perdas devido às correntes de fuga. : representando as As células solares são geralmente associadas em série e em paralelo, depois encapsuladas sobre um vidro para obter-se um módulo fotovoltaico. Um gerador fotovoltaico (PV) é constituído de módulos interconectados para produzir uma unidade que produza uma potência relativamente elevada e compatível com a carga conectada em seus terminais. Os módulos PV são, habitualmente, ligados em série para aumentar a tensão de saída e em paralelo para elevar a intensidade da corrente fornecida pelo painel. Os módulos são interconectados sobre suportes metálicos e inclinados seguindo o ângulo desejado em função do local de instalação do painel. Os painéis são vendidos com diodos de proteção para evitar uma corrente negativa e para limitar a tensão reversa a um valor aceitável em situação de desequilíbrio. (KININGER; ENERGIEWANDLUNG, 2003) 2.2 Curvas características Levando em consideração o circuito equivalente mostrado anteriormente, pode-se traçar as curvas características do PV. Na Figura 2 é mostrado o comportamento da corrente de saída do painel ( I pan ) em função da tensão fornecida pelo painel ( V pan ). De maneira análoga pode-se também traçar o comportamento da potência fornecida pelo painel fotovoltaico ( P pan ) em função da tensão de saída ( V pan ) mostrado na Figura 3., conforme Figura 3. Comportamento da potência de saída de um painel fotovoltaico em função da tensão. Com a variação da temperatura e/ou da intensidade luminosa as curvas mostradas anteriormente variarão. Desta forma o ponto, no qual se tem a potência máxima fornecida pelo painel fotovoltaico é também variável, sendo assim necessário estudar princípios para fazer com que se trabalhe sempre no ponto de rendimento máximo, aproveitando sempre a máxima capacidade de geração do painel. 3 Ponto de Potência Máxima - MPPT Conforme citado anteriormente, se a temperatura e/ou a intensidade luminosa variam as curvas características de um painel fotovoltaico também variam. Desta forma, as Figuras 4 e 5, mostram a variação da característica da potência fornecida pelo painel em função de sua tensão de saída, para diferentes valores de, irradiação solar (Figura 4) e temperatura (Figura 5). Figura 4. Características de potência para uma irradiação solar (kw/m²) variável e temperatura constante. 2544
Figura 6. Circuito do conversor conectado ao circuito característico do painel fotovoltaico e à carga. Figura 5. Características de potência para T ( C) variável e irradiação solar constante. Nota-se nas curvas apresentadas um ponto em destaque, o qual se refere ao instante em que o painel fotovoltaico pode fornecer a máxima potência. Nota-se também que para determinados valores de temperatura e irradiação, existe um valor de tensão que pode maximizar o valor de potência fornecido. Desse modo, a fim de assegurar o funcionamento do sistema à máxima potência, qualquer que seja a carga a ele conectada e as condições de irradiação solar e temperatura do ambiente de trabalho, os sistemas alimentados por painéis fotovoltaicos são freqüentemente conectados a estes por meios de conversores, os quais asseguram o funcionamento do sistema à máxima potência, fazendo com que o painel fotovoltaico opere com uma tensão pela qual se tem tal potência, de acordo com a curva característica. O conversor tem por objetivo alterar a tensão de alimentação da carga (variando a razão cíclica) de acordo com a curva característica do sistema, para que independente das condições ambientais (irradiação solar e temperatura) e da carga conectada, o painel fotovoltaico forneça sempre a máxima potência. Considerando o ponto ótimo de funcionamento do painel (melhores condições de irradiação e temperatura), para uma carga igual a R carga dada, a razão cíclica é igual a α=α ot. Desse modo, para uma potência incidente, a potência transferida para a carga será máxima quando a razão cíclica do conversor for igual à α ot (PPM). Como mostrada na Figura 7 para uma potência incidente igual a W 1, a potência máxima é transferida à carga quando a razão cíclica do conversor é igual a α 1ot (ponto PPM 1 ). Se a potência incidente varia para um valor igual a W 2, o ponto de máxima potência passa a ser o ponto PPM 2 e o ponto de funcionamento do gerador fotovoltaico será P f. Desse modo, para atingir o ponto de funcionamento PPM 2, é necessário o ajuste da razão cíclica para um valor igual a α 2ot. 3.1 Associação do gerador fotovoltaico e um conversor CC-CC. O conversor CC-CC é um dispositivo de eletrônica de potência, que apresenta uma ou mais chaves controladas, por meio das quais se pode modificar o valor de tensão de saída, em relação à tensão de entrada, de acordo com as necessidades. Nos casos em que a tensão de saída do conversor apresenta um valor inferior à tensão aplicada no mesmo, este é conhecido como conversor Buck, e no caso contrário, conversor Boost. Os conversores Buck-Boost, combinam as características de abaixadores e elevadores e são usados para converter uma tensão de entrada em um valor menor ou maior, de acordo com a necessidade. (NUNES, 2008) Durante a operação do conversor, a chave é fechada por um período igual a α T, e é mantida aberta por um período de ( 1 α)t. Em que: T: período de chaveamento; α: razão cíclica do chaveamento ( [ 0,1] ) α. Para tal aplicação é utilizado um conversor buck que conecta o painel fotovoltaico à carga. Desta forma, na Figura 6 é apresentado o esquema do circuito de potência que é proposto neste trabalho, ou seja, o circuito equivalente do painel fotovoltaico, o conversor buck e a carga. Figura 7. Variação do ponto de máxima potência com mudança da irradiação. A mesma mudança ocorre quando o valor da carga é alterado, como apresentado na Figura 8. Para se atingir o ponto de máxima potência, deve-se atuar diretamente na razão cíclica do sistema. Assim, em um sistema fotovoltaico independente e autônomo, a regulação do ponto de funcionamento do painel deve ser realizada automaticamente, a fim de garantir o funcionamento do sistema sempre no ponto de máxima potência. Figura 8. Variação do ponto de máxima potência com mudança da carga. 2545
3.2 Circuito de controle A seção anterior destacou a importância dos conversores estáticos no processo de conversão de energia fotovoltaica, evidenciando a necessidade de controles automáticos que atuem no sentido de extrair a máxima potência fornecida pelo painel. Vários circuitos de controle foram desenvolvidos com o objetivo de extrair o máximo de energia do gerador fotovoltaico. (AMRANI; REKIOUA, 2007) Estes circuitos possuem como principio básico de funcionamento a variação do ponto de atuação do sistema em torno do MPPT, de dp Pan > o sistema passa a atuar em um modo que para 0 dt dp ponto cujo V Pan é maior que o anterior, e para Pan < 0 dt o sistema atua com V Pan menor, oscilando em torno da potência máxima. O desempenho do controle está relacionado com a rapidez com que o ponto ótimo é atingido, com a oscilação em torno do mesmo, e também com o que tange a robustez do controle quando o sistema é submetido a grandes variações de carga e irradiação. Na Figura 9, é mostrado o circuito de comando utilizado no controle analógico MPPT desenvolvido e proposto neste trabalho. Este comando analógico utiliza diretamente a tensão e corrente do painel fotovoltaico (obtidas por resistências que atuam como sensores de tensão e corrente) para encontrar o ponto de operação correspondente à máxima potência. Como apresentado no circuito de controle utilizado, o sistema apresenta dois comparadores, o primeiro compara a derivada de tensão v& e o segundo a derivada de potência p&, ambos comparados com o valor 0. Desse modo, caso o sistema esteja operando em um ponto inferior ao de máxima potência, em que v Vppm, o controle deverá atuar de forma a abrir a chave do conversor, proporcionando o carregamento do capacitor e então o aumento da tensão de saída do painel (tal descrição corresponde às linhas 1 e 2 da Tabela 1). O caso contrário pode ser notado quando v > V ppm (linhas 3 e 4 da Tabela 1), em que a chave do conversor deve ser fechada visando uma redução no valor da tensão fornecida pelo painel. Para obter as derivadas de tensão e potência, foram u- tilizados amplificadores operacionais operando como derivadores. As derivadas de tensão e potência são utilizadas nos comparadores de tensão e potência, respectivamente, de modo que se as derivadas são negativas o valor de saída de cada comparador é zero, caso contrário é 1. Para obter a lógica do comando, mostrada na Tabela 1, é utilizada uma porta lógica do tipo OU exclusivo que é ligada a um flipflop que gera os pulsos de comando para a chave do conversor Buck. 4 Simulações Visando verificar o bom funcionamento do circuito de comando proposto, foram realizadas simulações no software PSIM. Inicialmente foi feita uma simulação utilizando uma carga variável, que tem por objetivo verificar os valores de tensão e corrente, para o valor de potência máxima. O circuito utilizado para esta simulação está mostrado na Figura 10. Figura 9. Diagrama de blocos do comando analógico proposto. 3.3Princípio de funcionamento do circuito de controle Como citado anteriormente o princípio do controle escolhido está relacionado com a alteração do ponto de funcionamento do sistema, sendo observado pelas derivadas instantâneas da potência e tensão. A idéia base do controle é apresentada na Tabela 1. Tabela 1. Princípio de funcionamento do circuito de controle Condição p& v& X P X V v V ppm > 0 > 0 1 1 0 v V ppm 0 0 0 0 0 v > V ppm > 0 0 1 0 1 v > V ppm 0 > 0 0 1 1 S V Saída do comparador Interruptor Aberto Aberto Fechado Fechado Aumento Aumento Redução Redução Figura 10: Esquema para verificação do ponto de potência máxima. Dados nominais do painel utilizado na simulação: P = 50W, V = 16,6V e I = 3,05A. Verificando o circuito, constatou-se que foi inserido o circuito equivalente do painel fotovoltaico (foi inserida uma fonte de tensão de 15V no lugar de vários diodos que poderiam também ser inseridos em série para também se ter 15V), que por sua vez é conectado à carga variável (resistência variável). Foi constatada também a presença de um resistor de 0,82 ohms, representando a resistência shunt do sensor de corrente. Ressalta-se aqui que a resistência foi inserida, uma vez que a mesma influencia no valor da carga alimentada pelo painel fotovoltaico. Os resultados da simulação são mostrados nas Figuras 11 e 12. 2546
11. Comportamento da corrente em função da tensão. Figura 12. Comportamento da potência em função da tensão. Figura Verificando os gráficos anteriores, constata-se que a máxima potência fornecida pelo painel é de 35,3W para uma tensão de 12,65V e uma corrente de 2,79A. Pode-se agora verificar o funcionamento do circuito de comando MPPT, tendo em vista que para o seu bom funcionamento o sistema deve operar com estes valores de tensão e corrente. Para a simulação do circuito do painel fotovoltaico e o circuito de comando, foi usado o esquema mostrado na Figura 13. Vpan = 12, 66V, Ipan = 2, 79A e Ppan = 35, 32W. Desta forma pode-se perceber que o comando faz com que o conversor Buck opere com uma razão cíclica, para a qual resulta a potência máxima, o que mostra o bom funcionamento do circuito de comando. Para se verificar ainda mais a eficiência do sistema de controle proposto, foi feita uma simulação, onde em um determinado momento foi inserido um degrau de corrente negativo no circuito. Fisicamente isso quer dizer que houve uma redução da irradiação solar sobre o painel fotovoltaico. Para esta simulação foi utilizado o esquema mostrado na Figura 15. Os resultados obtidos para esta simulação estão mostrados na Figura 16. Figura 15. Esquema de simulação do painel fotovoltaico e o circuito de comando, com alteração da intensidade luminosa. Figura 13. Esquema de simulação do painel fotovoltaico e o circuito de comando. Pode-se perceber que este circuito possui exatamente o circuito de comando MPPT descrito anteriormente, embora neste momento estejam representados os valores de resistências e capacitores utilizados no comando. Além disso, na simulação foi utilizada como carga uma bateria de 12V que é representada por uma fonte de tensão em série como uma resistência. As formas de onda obtidas estão mostradas na Figura 14 a seguir. Figura 16. Formas de onda.de corrente, tensão e potência, do circuito simulado com alteração da intensidade luminosa. Observando os resultados obtidos, verifica-se que o circuito operava no ponto de potência máxima, para uma corrente de 3,1A, quando houve uma redução da irradiação solar, fazendo com que a curva do sistema se alterasse. O circuito de comando agiu no sentido de fazer com que o painel operasse no novo ponto de potência máxima, alterando a razão cíclica de operação do conversor Buck, e consequentemente a tensão fornecida pelo painel. 5 Resultados práticos Figura 14. Formas de onda, de corrente, tensão e potência do circuito simulado. Analisando os gráficos mostrados anteriormente, verificam-se os seguintes valores de operação: A fim de validar os estudos teóricos, as simulações obtidas e, consequentemente a funcionalidade do comando proposto, alguns ensaios práticos foram realizados no protótipo do circuito montado em laboratório, o qual é mostrado na Figura 17. 2547
Figura 17. Protótipo desenvolvido. Na seção 3.1 foi citada uma maneira de validar o funcionamento do circuito no MPPT, a qual consiste na imposição de uma variação na carga conectada ao sistema. Essa variação provoca uma alteração no ponto de funcionamento, o qual é controlado pelo circuito de comando de forma a oscilar sempre em torno do ponto de máxima potência. Para comprovar essa funcionalidade, o circuito de controle, juntamente com o conversor Buck, foi montado e conectado a uma fonte de tensão, que possuía um controle no valor da corrente fornecida (simulando o painel fotovoltaico), e um reostato (carga variável). Realizou-se uma série de medidas de tensão e corrente nos terminais de saída do circuito, cada qual para um valor diferente de resistência. Com os resultados das primeiras medidas, foram construídas as curvas características do painel (I(V) e P(V)). Em seguida, o circuito foi submetido a variações aleatórias da carga, para cada qual, notou-se uma variação na tensão e na corrente, fornecidos pelo painel, oscilando em torno da região de máxima potência do sistema, comprovando assim o bom funcionamento do circuito proposto. Os gráficos apresentados nas Figuras 18 e 19 foram construídos com os valores obtidos por meio dos ensaios práticos realizados. Figura 18. Valores práticos de I versus V. Figura 19. Valores práticos de P versus V. 6 Conclusão Com base na política de preservação dos recursos não renováveis de energia e a busca por fontes renováveis que atraiam benefícios ao crescimento tecnológico e preservação do meio ambiente, neste trabalho foi apresentado um circuito de controle utilizado para se extrair a máxima potência de um sistema fotovoltaico. Trata-se de um circuito de controle analógico relativamente simples. Para validar o sistema proposto foram feitas simulações utilizando o software PSIM e ensaios práticos no protótipo montado. Os resultados obtidos, da simulação e dos experimentos práticos, mostram que o sistema proposto opera conforme esperado, ou seja, fazendo com que o painel fotovoltaico forneça sempre a máxima potência, independente das características do meio ambiente, tais como temperatura e intensidade luminosa, e o valor da carga conectada em seus terminais; validando a utilização do circuito de controle em instalações fotovoltaicas de pequeno e médio porte. Referências Bibliográficas Almeida, M. L. S., Rodrigues, P. e Camacho, J. R., 2009, Modelagem computacional de células fotovoltaicas, artigo publicado na VII Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica VII CEEL, Universidade Federal de Uberlândia. Amrani O. e Rekioua, D., 2007, Etude et Identification des Differents Modèles Electriques Photovoltaïques, Université de Bejaia, (Algérie). Belhachat F., Larbes, C., Barazane, L. e Kharzi, S., 2007, Commande Neuro-Floue d un Hacheur MPPT, Article 4 th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP 2007. Kininger, F. e Energiewandlung, R.,2003, Photovoltaic Systems Technology, Universität Kassel. Lim, Y. H. e Hamill, D.C., 2000, Simple Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Arrays. Nunes F. M., 2008, Inversor Flyback a quarto transistors controlado por um dispositivo FPGA para obter MPPT em sistemas fotovoltaicos, Universidade Federal de Uberlândia. PSIM.EXE. Versão 8.0.5 Programa de simulação de Circuitos Elétricos. PowerSim 2548