Universidade do Minho Interface entre Painéis Solares

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Departamento de Eletrónica Industrial
Rui Avelino Oliveira Barros
Interface entre Painéis Solares
Fotovoltaicos e uma Carga
Monofásica
Dissertação de Mestrado do
Curso de Engenharia Eletrónica
Industrial e Computadores
Novembro de 2012
iv
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Departamento de Eletrónica Industrial
Rui Avelino Oliveira Barros
Interface entre Painéis Solares
Fotovoltaicos e uma Carga
Monofásica
Dissertação
submetida
à
Universidade do Minho para a
obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Eletrónica industrial e
de Computadores
Dissertação realizada sob orientação do
Professor Doutor Manuel João Sepúlveda
Mesquita de Freitas
Professor do Departamento de Eletrónica
Industrial de Universidade do Minho
Novembro de 2012
iv
Agradecimentos
Agradeço ao Professor Doutor Manuel João Sepúlveda Mesquita de Freitas, pela
orientação,
conselhos,
apoio
e
disponibilidade
demonstrada
ao
longo
do
desenvolvimento deste trabalho de dissertação.
Aos meus colegas de laboratório, pela amizade, pelo apoio, pela companhia e
interesse no desenvolvimento deste trabalho de dissertação.
A todos os meus amigos, sem querer destacar alguém em especial visto todos
eles terem sido importantes, pela ajuda que apresentaram em diversos momentos do
desenvolvimento da dissertação, de uma forma explícita ou implícita, assim como pelo
apoio e incentivo prestado ao longo da execução da dissertação.
Aos técnicos do Departamento de Eletrónica pela sua disponibilidade, incentivo,
simpatia e ajuda.
Às empresas Microchip e Vishay pelo envio de amostras gratuitas, assim como
ao Laboratório de Eletrónica de Potência pela cedência do programador,
imprescindíveis para a implementação do trabalho.
À minha irmã, Susana Silva, à minha mãe Júlia Silva e ao meu pai José Silva,
assim como à minha “Avó” Maria Fernanda Freitas, por todo o apoio e paciência
demonstrada, mesmo nos momentos mais difíceis, na realização deste projeto de
dissertação, assim como agradeço tudo aquilo que me proporcionaram ao longo da
minha vida, tal como o esforço feito em determinados momentos, para que fosse
possível frequentar um curso superior. Pelo amor, pelo carinho e ajuda, um muito
sincero obrigado.
iii
iv
Resumo
A produção de energia elétrica através da queima de combustíveis fósseis,
contribui para a emissão de CO2 para a atmosfera. As atuais preocupações ambientais e
económicas levam à procura de alternativas, tais como as energias renováveis, de forma
a obter-se um mercado de energia sustentável, reduzindo a dependência energética face
ao exterior. Esta dissertação tem como objetivo a promoção das potencialidades que a
energia solar fotovoltaica possui, principalmente em Portugal pela sua elevada
exposição solar, assim como o estudo e implementação de um sistema solar fotovoltaico
para alimentar uma carga monofásica.
O sistema foi dimensionado para alimentar uma carga monofásica com 230V e
50Hz, e para tal, visto a impossibilidade de ligação dos painéis solares fotovoltaicos
diretamente à carga, foram desenvolvidos os respetivos circuitos de interface.
Desenvolveu-se então um conversor elevador de tensão DC-DC (Corrente
Contínua-Corrente Contínua) denominado Boost, que em conjunto com o seu sistema de
controlo, fosse capaz de extrair a potência máxima gerada pelo painel. Para isso, foi
implementado o algoritmo de controlo MPPT (Maximum Power Point Tracking) de
perturbação e observação. Após o conversor DC-DC, foi desenvolvido o conversor
DC-AC (Corrente Contínua – Corrente Alternada), ou seja, um inversor monofásico em
ponte completa e o seu respetivo sistema de controlo com recurso à técnica de PWM
(Pulse Width Modulation) Unipolar, para conversão da tensão contínua em tensão
alternada com 230V de valor eficaz e 50Hz de frequência. Ambos os sistemas de
controlo foram efetuados com recurso ao microcontrolador PIC18F4431 da Microship,
programado com linguagem C.
Para a realização desta dissertação, foi feito um estudo teórico para possibilitar o
dimensionamento e implementação de todos os circuitos de interface entre os painéis
solares fotovoltaicos e uma carga monofásica, apresentando-se os resultados de
simulação e experimentais feitos a esses circuitos.
Palavras-Chave: Energia Solar Fotovoltaica, Painel Solar Fotovoltaico, Conversor
DC-DC, Conversor Boost, Conversor DC-AC, Inversor Monofásico, MPPT (Maximum
Power Point Tracking), PIC18F4431.
v
vi
Abstract
The production of electricity through the burning of fossil fuels contributes to
the emission of CO2 into the atmosphere. The current economic and environmental
concerns lead to the search for alternatives, such as renewable energy, in order to obtain
a sustainable energy market, reducing energy dependence abroad. This dissertation aims
to promote the potential that solar photovoltaic possess, especially in Portugal for its
high sun exposure, as well as the study and implementation of a solar photovoltaic to
provide energy to a single-phase load.
The system was designed to provide energy to a single-phase load with 230V
and 50Hz, and for that, as it is impossible connecting photovoltaic solar panels directly
to the load, were developed the respective interface circuits. Then, it was developed a
DC-DC (Direct Current – Direct Current) voltage converter, called Boost, which
together with his own system control, was able to extract the maximum power
generated by the panel. For this, was implemented the MPPT (Maximum Power Point
Tracking) control algorithm perturbation & observation. After the DC-DC converter,
was developed the DC-AC (Direct Currente – Alternating Current) converter, i.e. a
single-phase full-bridge inverter and its respective control system using the PWM
technique (Pulse Width Modulation) with Unipolar Voltage Switching to convert the
continuous current into alternating current with 230V and 50Hz. Both control systems
were performed using the Microchip PIC18F4431 microcontroller, programmed with C
language.
For the realization of this dissertation, a theoretical study was done to enable the
design and implementation of all the interface circuits between the photovoltaic solar
panels and grid, presenting simulation and experimental results of these circuits.
Keywords: Solar Photovoltaic Energy, Solar Photovoltaic Panel, DC-DC Converter,
Boost Converter, DC-AC Converter, Single-Phase Inverter, MPPT (Maximum Power
Point Tracking), PIC18F4431.
vii
viii
Índice
Agradecimentos ............................................................................................................. iii
Resumo ............................................................................................................................. v
Abstract ......................................................................................................................... vii
Índice de Figuras ............................................................................................................xi
Lista de Símbolos e Siglas .......................................................................................... xvii
Capítulo 1
Introdução ........................................................................................... 1
1.1
Identificação do Problema ............................................................................................. 1
1.2
Motivação do Trabalho .................................................................................................. 6
1.3
Objetivos do Trabalho ................................................................................................... 7
1.4
Estrutura da Dissertação ................................................................................................ 7
Capítulo 2
2.1
2.2
2.3
Sistema Solar Fotovoltaico ................................................................ 9
Tecnologia Solar Fotovoltaica ....................................................................................... 9
2.1.1
O Sol...................................................................................................................... 9
2.1.2
Efeito Fotovoltaico e Células Solares Fotovoltaicas ........................................... 11
2.1.3
Painéis Solares Fotovoltaicos .............................................................................. 21
2.1.4
Tipos e Aplicações de Sistemas Solares Fotovoltaicos ....................................... 24
2.1.5
Vantagens e Desvantagens dos Sistemas Solares Fotovoltaicos ......................... 28
Interface entre o Painel Solar Fotovoltaico e uma Carga Monofásica ......................... 29
2.2.1
Conversor de Tensão DC/DC .............................................................................. 30
2.2.2
Maximum Power Point Tracking (MPPT) .......................................................... 43
2.2.3
Inversor................................................................................................................ 50
2.2.4
Topologias de ligação entre painéis solares fotovoltaicos e a rede elétrica ........ 57
Conclusões ................................................................................................................... 59
Capítulo 3
Dimensionamento e Simulações Computacionais ......................... 61
3.1
Painel Solar Fotovoltaico ............................................................................................. 61
3.2
Conversor Boost........................................................................................................... 63
3.3
Maximum Power Point Tracking (MPPT) ................................................................... 68
3.4
Inversor Monofásico em Ponte Completa.................................................................... 71
3.5
Conclusões ................................................................................................................... 77
Capítulo 4
Implementação e Resultados ........................................................... 79
ix
4.1
Sistema de Controlo ..................................................................................................... 80
4.1.1
Microcontrolador ................................................................................................. 81
4.1.2
Acopladores Óticos ............................................................................................. 83
4.1.3
Unidade de Medida ............................................................................................. 86
4.2
Conversor Boost........................................................................................................... 89
4.3
Inversor Monofásico em Ponte Completa.................................................................... 97
4.4
Controlo do Conversor Boost com MPPT ................................................................. 104
4.5
Controlo do Inversor .................................................................................................. 105
Capítulo 5
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ............................... 109
5.1
Conclusões ................................................................................................................. 109
5.2
Propostas de Trabalho Futuro .................................................................................... 112
x
Índice de Figuras
Figura 1.1 – Taxa da dependência energética de Portugal [4] ...................................................... 3
Figura 1.2 – Mapa da radiação solar na Europa [6] ...................................................................... 4
Figura 1.3 – (a) Mapa do número médio anual de horas de exposição solar em Portugal (b)
Mapa da energia solar incidente por metro quadrado em Portugal [7] ......................................... 5
Figura 1.4 – Potência de energia solar fotovoltaica instalada em Portugal entre 2000 e 2010 [8] 5
Figura 2.1 – Interações da energia solar com a atmosfera e superfície terrestre ......................... 10
Figura 2.2 - Ligações dos átomos de silício com os átomos de boro e fósforo [15] ................... 12
Figura 2.3 – Camadas interiores de uma célula solar fotovoltaica [11] ...................................... 12
Figura 2.4 – Corte transversal de uma célula solar fotovoltaica [12] .......................................... 13
Figura 2.5 – Tipo de células solares fotovoltaicas (a) Célula de silício monocristalino [13] (b)
Célula de silício policristalino [13] (c) Célula de silício amorfo[17] .......................................... 15
Figura 2.6 – Produção de células solares por tecnologia em 2010 [18] ...................................... 15
Figura 2.7 – Circuito elétrico equivalente completo de uma célula solar fotovoltaica ............... 16
Figura 2.8 – Circuito elétrico equivalente simplificado de uma célula solar fotovoltaica .......... 17
Figura 2.9 – Curvas características da célula solar fotovoltaica [11] .......................................... 18
Figura 2.10 Efeito da temperatura nas curvas características da célula solar fotovoltaica (a)
Curvas I-V em função da temperatura (b) Curvas P-V em função da temperatura..................... 20
Figura 2.11 Efeito da radiação solar nas curvas características da célula solar fotovoltaica (a)
Curvas I-V em função da radiação solar (b) Curvas P-V em função da radiação solar .............. 20
Figura 2.12 – Constituição de um painel solar fotovoltaico [21] ................................................ 22
Figura 2.13 – Curvas características de um painel solar fotovoltaico ......................................... 24
Figura 2.14 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos isolados ........................................... 26
Figura 2.15 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos ligados à rede elétrica ...................... 27
Figura 2.16 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos híbridos ........................................... 27
Figura 2.17 – Conversor DC-DC (a) Conversor Boost (b) Conversor Buck (c) Conversor
Buck/Boost (d) Conversor Full-Bridge [22] ................................................................................ 31
Figura 2.18 – Conversor Boost.................................................................................................... 31
xi
Figura 2.19 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do conversor Boost no modo de
condução contínua (a) Circuito equivalente do conversor Boost no estado
equivalente do conversor Boost no estado
(b) ) Circuito
[22] ................................................................. 34
Figura 2.20 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do conversor Boost no limite da
condução contínua [22] ............................................................................................................... 34
Figura 2.21 – Formas de onda de
e
com
constante [22] ........................................ 35
Figura 2.22 - Forma de onda da tensão e corrente na bobina no modo de condução descontínuo
[22] .............................................................................................................................................. 37
Figura 2.23 – Curva característica do conversor Boost com
constante [22] ......................... 39
Figura 2.24 – Efeito dos elementos parasitas na conversão de tensão no conversor Boost [22] . 39
Figura 2.25 – Ripple na tensão de saída do conversor Boost [22]............................................... 40
Figura 2.26 – Modulação por largura de impulso (a) Diagrama de blocos do controlo PWM (b)
Comparação dos sinais
com
[22] ....................................................................... 41
Figura 2.27 – Circuito elétrico do conversor Boost com controlo por PWM [22] ...................... 42
Figura 2.28 – Curva característica I-V de um painel solar fotovoltaico ..................................... 43
Figura 2.29 – Diagrama de blocos de um sistema MPPT ........................................................... 44
Figura 2.30 – Curva I-V do painel solar fotovoltaico [26] .......................................................... 45
Tabela 2.2.1– Comportamento da potência em função da perturbação [24] ............................... 46
Figura 2.31 – Fluxograma do método da Perturbação & Observação ........................................ 47
Figura 2.32 – Curva P-V do painel solar fotovoltaico [26] ......................................................... 48
Figura 2.33 – Fluxograma do método da condução incremental [25] ......................................... 50
Figura 2.34 – (a) Inversor monofásico em meia ponte (b) Inversor monofásico em meia ponte
com T+ em condução (c) Inversor monofásico em meia ponte com T- em condução[27] ......... 52
Figura 2.35 – (a) Inversor monofásico em ponte completa (b) Inversor monofásico em ponte
completa com
e
e
em condução (c) Inversor monofásico em ponte completa com
em condução[27] .................................................................................................. 53
Figura 2.36 – Modulação por largura de impulso [22]................................................................ 54
Figura 2.37 – Modulação PWM com tensão de comutação bipolar [22] .................................... 55
Figura 2.38 – Modulação PWM com tensão de comutação unipolar [22] .................................. 57
Figura 2.39 – Topologias de ligação entre painéis solares fotovoltaicos e a rede elétrica (a)
Inversor Central (b) Inversor String (c) Inversor Multi-String (d) Painel AC ............................ 59
xii
Figura 3.1 – Modelo físico de um painel solar fotovoltaico disponibilizado pelo software de
simulação PSIM .......................................................................................................................... 62
Figura 3.2 – Parâmetros e curvas características do painel solar fotovoltaico MSX-60 da Solarex
..................................................................................................................................................... 62
Figura 3.3 - Parâmetros e curvas características do conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos
MSX-60 da Solarex conectados em série .................................................................................... 63
Figura 3.4 – Conversor Boost implementado no PSIM............................................................... 65
Figura 3.5 – Tensão de entrada (
) e tensão de saída (
Figura 3.6 – Ripple na tensão de saída (
Figura 3.7 – Corrente na saída (
) do conversor Boost.............. 66
) do conversor Boost .......................................... 66
) do conversor Boost ......................................................... 66
Figura 3.8 – Corrente na bobina .................................................................................................. 67
Figura 3.9 – (a) Tensão drain-source (
) no MOSFET (b) Corrente de drain (
) do
MOSFET ..................................................................................................................................... 67
Figura 3.10 – (a) Comparação entre a onda triangular (
) e a tensão de controlo (
(b) Sinal PWM gerado pela comparação da onda triangular (
(
)
) e da tensão de controlo
) ................................................................................................................................. 68
Figura 3.11 - Conversor Boost implementado no PSIM com MPPT .......................................... 69
Figura 3.12 – Valor da radiação solar incidente no conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos
..................................................................................................................................................... 70
Figura 3.13 – Formas de onda da máxima potência gerada pelos painéis (
de entrada (
) do conversor Boost e da potência de saída (
), da potência
) do conversor Boost ........ 70
Figura 3.14 – Tensão de controlo gerada pelo MPPT ................................................................. 70
Figura 3.15 – Inversor Monofásico em Ponte Completa implementado no PSIM ..................... 71
Figura 3.16 – Controlo do Inversor por PWM Unipolar ............................................................. 72
Figura 3.17 – Sinais de controlo dos MOSFETS do inversor ..................................................... 73
Figura 3.18 – Formas de onda da tensão (
) e da corrente (
) na saída do inversor sem
filtro LC....................................................................................................................................... 74
Figura 3.19 – Zoom da forma de onda da tensão (
Figura 3.20 – Formas de onda da tensão (
) na saída do inversor sem filtro LC .. 74
) e da corrente (
) na saída do inversor
com filtro LC ............................................................................................................................... 75
Figura 3.21 – Tensão drain-source (
) dos MOSFETS do inversor ...................................... 76
xiii
Figura 3.22 – Corrente de drain (
) nos MOSFETS do inversor.............................................. 76
Figura 4.1 – Bancada de trabalho ................................................................................................ 79
Figura 4.2 – Diagrama de blocos de todo o sistema implementado ............................................ 80
Figura 4.3 – Conjunto do retificador e VARIAC (para simular o painel solar fotovoltaico) ...... 80
Figura 4.4 – Microcontrolador PIC 18F4431 da Microship ........................................................ 81
Figura 4.5 – Diagrama de pinos do microcontrolador PIC 18F4431 [30]................................... 82
Figura 4.6 – Programador MPLAB ICD 2 .................................................................................. 82
Figura 4.7 – Esquema elétrico do microcontrolador PIC 18F4431 ............................................. 83
Figura 4.8 – Esquema elétrico interno do Acoplador Ótico VO3120 da Vishay[31] .................. 84
Figura 4.9 – Esquema elétrico do circuito do Acoplador Ótico VO3120 da Vishay[31] ............ 84
Figura 4.10 – (a) Sinal PWM para controlo do MOSFET do conversor Boost na entrada do
Acoplador Ótico (b) Sinal PWM para controlo do MOSFET do conversor Boost na saída do
Acoplador Ótico .......................................................................................................................... 85
Figura 4.11 – (a) Sinais de PWM complementares para controlo dos MOSFETS num dos braços
do inversor na entrada do Acoplador Ótico (b) Sinais de PWM complementares para controlo
dos MOSFETS num dos braços do inversor na saída do Acoplador Ótico................................. 85
Figura 4.12 – Placa com o sistema de controlo implementado ................................................... 86
Figura 4.13 – Transdutor de tensão de efeito de hall LV 25-P da LEM [32] .............................. 87
Figura 4.14 – Esquema elétrico do transdutor de tensão [32] ..................................................... 87
Figura 4.15 – Transdutor de corrente de efeito de hall LA 55-P da LEM[33] ............................ 88
Figura 4.16 – Esquema elétrico do transdutor de corrente [33] .................................................. 89
Figura 4.17 – Esquema da associação de condensadores do conversor Boost ............................ 90
Figura 4.18 – Esquema da associação de bobinas do conversor Boost ....................................... 91
Figura 4.19 – Circuito Turn-Off Snubber .................................................................................... 92
Figura 4.20 – Esquema elétrico do conversor Boost implementado ........................................... 93
Figura 4.21 – Circuito do conversor Boost implementado .......................................................... 94
Figura 4.22 – Formas de onda da tensão de entrada e da tensão de saída do conversor Boost ... 95
Figura 4.23 – Forma de onda da corrente na bobina do conversor Boost ................................... 96
Figura 4.24 – Forma de onda da tensão drain-source no MOSFET do conversor Boost com
circuito snubber ........................................................................................................................... 96
xiv
Figura 4.25 – Esquema elétrico do inversor monofásico em ponte completa implementado sem
filtro LC....................................................................................................................................... 98
Figura 4.26 – Circuito do inversor monofásico em ponte completa implementado.................... 99
Figura 4.27 – Forma de onda de dois semi-ciclos positivos da tensão na saída do inversor sem
filtro LC..................................................................................................................................... 100
Figura 4.28 - Esquema elétrico do inversor monofásico em ponte completa implementado com
filtro LC..................................................................................................................................... 101
Figura 4.29 – Associação de condensadores e bobina usados no filtro LC .............................. 101
Figura 4.30 – Forma de onda dos semi-ciclos positivos da tensão na saída do inversor com filtro
LC.............................................................................................................................................. 102
Figura 4.31 – Forma de onda da corrente na saída do inversor com filtro LC .......................... 103
Figura 4.32 – Forma de onda da tensão na saída do inversor com filtro LC............................. 103
Figura 4.33 – Curva da corrente vs tensão do painel solar fotovoltaico (curva de cor preta) e da
fonte DC com a resistência em série (curva de cor vermelha) .................................................. 104
Figura 4.34 – Modo Continuous Up/Down Count[].................................................................. 106
Figura 4.35 – Sinais PWM complementares gerados pelo microcontrolador ........................... 107
Figura 4.36 – Dead-time dos sinais PWM complementares gerados pelo microcontrolador ... 107
xv
Lista de Símbolos e Siglas
Símbolo
Descrição
A
Área
C
Condensador
D
Díodo
dI
Ampere (A)
I
Diferença entre a corrente atual e a corrente
anterior
Diferença entre a potência atual e potência
anterior
Diferença entre a tensão atual e a tensão
anterior
Corrente
L
Bobina
Henry (H)
ƞ
Rendimento
P
Potência
Watt (W)
R
Resistência
Ohm (Ω)
T
Temperatura
Kelvin (K)
V
Tensão
Volt (V)
θ
Temperatura
Celsius (°C)
Capacidade equivalente
Farad (F)
Condensador do Snubber
Farad (F)
dP
dV
Unidade
Farad (F)
Watt (W)
Volt (V)
Ampere (A)
Díodo do Snubber
Radiação solar incidente
Radiação solar incidente nas condições
nominais de teste
Corrente nominal no lado do primário
Ampere (A)
Valor máximo da corrente que atravessa a
carga
Corrente gerada em função da radiação solar
incidente
Corrente nominal no lado do secundário
Ampere (A)
Corrente de curto-circuito
Ampere (A)
Corrente gerada pelo painel solar fotovoltaico
Ampere (A)
Corrente média de entrada
Ampere (A)
xvii
Ampere (A)
Ampere (A)
Símbolo
Descrição
Unidade
Corrente média na bobina
Ampere (A)
Corrente média na bobina no limiar entre a
condução contínua e descontínua
Valor de pico da corrente instantânea da
bobina
Corrente média na saída no limiar entre a
condução contínua e descontínua
Corrente gerada pela célula solar fotovoltaica
em função da radiação
Corrente média de saída
Ampere (A)
Indutância equivalente
Henry (H)
Número de células solares fotovoltaicas
ligadas em paralelo
Número de células solares fotovoltaicas
ligadas em série
Potência de saída
Watt (W)
Potência no ponto de máxima potência
Watt (W)
Potência de entrada
Watt (W)
Potência de entrada
Watt (W)
Potência máxima gerada pelo painel solar
fotovoltaico
Potência de saída
Watt (W)
Resistência limitadora de corrente no primário
Ohm (Ω)
Resistência de medida no secundário
Ohm (Ω)
Resistência do Snubber
Ohm (Ω)
Resistência paralela
Ohm (Ω)
Resistência série
Ohm (Ω)
Ampere (A)
Ampere (A)
Ampere (A)
Ampere (A)
Watt (W)
Semicondutores de potência
Período de comutação
Segundos (s)
Tensão média de saída
Volt (V)
Tensão na entrada do microcontrolador
Volt (V)
Tensão no ponto de máxima potência
Volt (V)
Tensão em circuito aberto
Volt (V)
Tensão gerada pelo painel solar fotovoltaico
Volt (V)
Tensão média de entrada
Volt (V)
Tensão drain-source do MOSFET
Volt (V)
xviii
Símbolo
Descrição
Unidade
Valor máximo da tensão que se pretende
medir
Valor máximo da tensão do painel solar
fotovoltaico em circuito aberto
Tensão média de saída
Volt (V)
Tensão de pico da onda dente de serra
Volt (V)
Frequência de comutação
Hertz (Hz)
Corrente instantânea na saída
Ampere (A)
Corrente instantânea na bobina
Ampere (A)
Volt (V)
Volt (V)
Constante de tensão
Constante de corrente
Razão da modulação em amplitude
Razão da modulação de frequência
Current Fall Time
Segundos (s)
Tempo em que o semicondutor de potência
está ao corte
Tempo em que o semicondutor de potência
está em condução
Tensão instantânea da onda triangular
Segundos (s)
Tensão de saída gerada pelo braço A do
inversor
Tensão de saída gerada pelo braço B do
inversor
Tensão instantânea do sinal de controlo
Volt (V)
Valor de pico do sinal de controlo
Volt (V)
Tensão instantânea da onda triangular
Volt (V)
Tensão de pico da onda triangular
Volt (V)
Frequência de corte
xix
Segundos (s)
Volt (V)
Volt (V)
Volt (V)
Sigla
Descrição
AC
Alternating Current – Corrente Alternada
ADC
Analog-to-Digital Converter – Conversor Analógico Digital
CV
Tensão Constante
DC
Direct Current – Corrente Contínua
IncCond
Condutância Incremental
MPP
Maximum Power Point - Ponto de Máxima Potência
MPPT
P&O
Maximum Power Point Tracking - Seguidor do Ponto de Máxima
Potência
Perturbação e Observação
PCB
Printed Circuit Board – Placa de circuito impresso
PIC
Programmable Integrated Circuit
PWM
Pulse Width Modulation – Modulação por largura de impulso
STC
Standard Test Conditions – Condições nominais de teste
VSI
Voltage Source Inverter – Inversor Fonte de Tensão
xx
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo serão abordadas as formas de obtenção de energia tais como, as
fontes de energia não renováveis das quais o Mundo está dependente, e as fontes de
energia renováveis que começaram a ganhar um lugar de destaque na geração de
energia elétrica ao longo das duas últimas décadas. O grande consumo de combustíveis
fósseis tem causado impactos de ordem ambiental, social e económica levando a
comunidade mundial a tomar medidas de incentivo ao uso de fontes de energia
renovável. Motivado pela disponibilidade de radiação solar a que Portugal está sujeito,
pelo desenvolvimento tecnológico que se tem verificado nesta área, pela redução no
preço de sistemas para obtenção de energia solar fotovoltaica e pelos incentivos
financeiros por parte do governo, incentivaram a realização desta dissertação, sendo que
os objetivos e a estrutura da dissertação serão também explicitados neste capítulo.
1.1 Identificação do Problema
Desde o início da evolução da espécie humana que o homem iniciou a busca por
fontes de energia e ainda nos dias de hoje existem inúmeras pesquisas que visam o
desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas para obtenção de energia, conciliando a
máxima capacidade de geração com os mínimos custos e impactos ambientais.
O consumo de energia elétrica desde que esta se tornou disponível tem vindo a
aumentar ao longo dos anos devido ao desenvolvimento do sector industrial e à maior
utilização de aparelhos eletrónicos úteis nas mais diversificadas atividades humanas. Só
em Portugal, a procura energética aumentou 61% entre 1990 e 2002 [1]. O aumento do
consumo de energia elétrica foi acompanhado pelo aumento do uso de fontes de energia
de origem fóssil como o carvão e o petróleo, utilizados também na produção de energia
elétrica, provocando enorme preocupação à comunidade mundial principalmente no que
respeita a aspetos ambientais.
O uso de combustíveis fósseis para a produção de energia elétrica causa um
impacto ambiental bastante negativo. A queima destes combustíveis resulta na emissão
de gases nocivos para a atmosfera contribuindo para o efeito estufa e para a diminuição
da camada do ozono, podendo culminar com consequências catastróficas a longo prazo.
Universidade do Minho
1
Introdução
Desde que a Terra se formou que as alterações climatéricas existem, embora de forma
ligeira e perfeitamente normal, mas no último século o nível destas alterações tem
aumentado de forma surpreendente levando a temperatura do planeta a aumentar a um
ritmo incomum, ao aumento do nível do mar, a ocorrência de catástrofes naturais, à
desertificação entre outras [2]. A revolução industrial, ampliando a atividade humana,
levou ao aumento das emissões de dióxido de carbono para a atmosfera com a queima
de combustíveis fósseis a ser principal causa.
As ameaças ambientais assim como a escassez de combustíveis fósseis têm sido
um desafio que a todos diz respeito, levando a comunidade mundial a reunir forças para
a criação de medidas de forma a contrariar o aumento do uso destes combustíveis
poluentes e consequente redução na emissão de gases nocivos à atmosfera. São vários
os exemplos nacionais e internacionais na tomada de medidas, sendo um deles o
protocolo de Quioto, estabelecido em Dezembro de 1997, que criou objetivos para os
países industrializados no que concerne às suas emissões de Gases com Efeito de
Estufa, segundo o qual a União Europeia, na altura constituída por 15 países, se propôs
a reduzir as suas emissões de gases nocivos à atmosfera em 8% e outros 39 países
industrializados de todo o mundo, em 5%, em relação aos níveis de 1990, entre o ano de
2008 e o ano de 2012, através de ações básicas a acontecer em várias atividades, entre
as quais impulsionar o uso de energias renováveis [3]. No entanto, cada estado membro
da União Europeia tem metas diferentes dependentes da sua capacidade de redução das
suas emissões. Portugal tem uma meta de redução das suas emissões de gases poluentes
em 27% relativamente a 1990, estando esse objetivo longe de ser alcançado [3].
Sendo Portugal um país com poucos recursos energéticos próprios, mais
concretamente no que respeita a fontes de energia de origem fóssil, as chamadas fontes
de energia não renováveis, a sua dependência energética, relativamente a combustíveis
fósseis, do exterior é bastante elevada. Em 2010, Portugal apenas produziu cerca de
23,3% da energia total que consumiu importando os restantes 76,7%, como mostra a
Figura 1.1, o que tem vindo a sofrer uma redução, mas que ainda assim se reflete numa
enorme ameaça do ponto de vista económico do país [4].
2
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 1.1 – Taxa da dependência energética de Portugal [4]
De forma a evitar esta conjuntura, a solução passa pelas fontes de energia
renováveis disponíveis em todo o mundo com Portugal a assumir um local de destaque
pois oferece uma rede hidrográfica considerável, uma extensa frente marítima sujeita
aos ventos atlânticos e à força das ondas assim como uma elevada exposição solar
média anual, colocando em evidência a potencialidade de aproveitamento das energias
renováveis, ajudando não só a reduzir a dependência energética externa mas também a
reduzir as emissões de gases poluentes para atmosfera.
Motivado por este facto, o Governo estabeleceu um plano energético para o país
de forma a reduzir a dependência energética exterior apostando então nas energias
renováveis, numa maior eficiência energética e redução das emissões de dióxido de
carbono, aprovando em Março de 2010 a nova Estratégia Nacional para a Energia (ENE
2020). Com esta estratégia é esperada uma redução para 74% da dependência energética
de combustíveis fósseis externa em 2020, sendo 31% da energia elétrica produzida
proveniente de recursos renováveis. Com isto, no âmbito das energias renováveis,
Portugal tem como meta atingir no ano de 2020 uma potência instalada de 8500 MW
para a energia eólica, 8600 MW para a energia hídrica e 1500 MW para a energia solar
com atualização do programa de microgeração e a introdução de um programa de
minigeração, assim como outros projetos relevantes para geração de energia através de
Universidade do Minho
3
Introdução
fontes como a biomassa, das ondas, geotérmica e também através dos biocombustíveis
[5].
Do conjunto das fontes de energia renovável, destaca-se a energia solar por ser
uma fonte de energia inesgotável tanto como fonte de calor como de luz, com excelente
fiabilidade e operação silenciosa quando comparada com outras formas de geração de
energia, como por exemplo a energia eólica. Dos países da Europa, Portugal surge como
um dos países com maior disponibilidade de radiação solar, como se pode observar na
Figura 1.2:
Figura 1.2 – Mapa da radiação solar na Europa [6]
Com uma localização geográfica privilegiada, Portugal dispõe de um elevado
número médio anual de horas de exposição solar na ordem das 2200 a 3000 horas Figura 1.3(a), assim como grandes valores de energia solar incidente por metro
quadrado - Figura 1.3(b), mostrando o forte potencial que esta fonte de energia
apresenta neste país.
De forma a aproveitar a maior exposição solar em terreno nacional, as maiores
centrais fotovoltaicas do país encontram-se na zona sul de Portugal, mais concretamente
no Alentejo, contribuindo com a maior parte da produção de energia elétrica a partir da
energia solar fotovoltaica.
4
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 1.3 – (a) Mapa do número médio anual de horas de exposição solar em Portugal (b) Mapa da energia
solar incidente por metro quadrado em Portugal [7]
Em 2010, o mercado fotovoltaico Português cresceu 22% atingindo um total de
potência de energia solar fotovoltaica instalada de 130,85 MW [8], como se pode
observar na Figura 1.4.
Figura 1.4 – Potência de energia solar fotovoltaica instalada em Portugal entre 2000 e 2010 [8]
Perante a estratégia definida até 2020, os sistemas solares fotovoltaicos
providenciarão uma ajuda preciosa para alcançar os objetivos. Apesar das vantagens que
estes sistemas apresentam, eles têm também desvantagens, tais como o custo de
produção de energia elétrica, pois ainda é elevado quando comparado com outros
métodos de geração. A importância no desenvolvimento de novos painéis com maior
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5
Introdução
eficiência e menor custo, apostando também na sua versatilidade, levando à sua maior
utilização e consequente aumento de produção, são fatores decisivos para a diminuição
dos custos de geração de energia através destes sistemas considerando ainda os
incentivos governamentais.
Com esta perspetiva em mente, esta dissertação concentrou-se na elaboração do
interface entre painéis solares fotovoltaicos e uma carga monofásica (230V, 50Hz).
1.2 Motivação do Trabalho
Num mundo dominado pelas fontes de energia de origem fóssil, a busca de
energia através de fontes de energia limpa e renovável é cada vez maior, verificando-se
um grande crescimento no uso destas fontes nos últimos anos.
A energia solar fotovoltaica apresenta grandes vantagens a nível social,
ambiental e económico, podendo Portugal aproveitar estas vantagens pois tem grande
potencial de aproveitamento desta fonte de energia renovável dado o seu elevado
número médio anual de horas de sol a que está exposto assim como os grandes valores
de radiação solar a que está sujeito. De forma a incentivar o aproveitamento desta fonte
de energia renovável, o Governo apostou na construção de duas grandes centrais
fotovoltaicas familiarizando a população com a tecnologia e impulsionando o seu uso.
As políticas governamentais de apoio à micro e minigeração são também um estímulo,
fomentando o interesse na execução desta dissertação, permitindo a aplicação desta
tecnologia principalmente na indústria e em habitações, minimizando a dependência da
energia da rede elétrica. Além disso, sendo a energia produzida nas horas de maior
consumo por parte da indústria, ou seja, durante o dia, e a ligação do sistema à rede
elétrica nacional permitindo a venda do excedente de energia produzida mediante uma
compensação financeira, evita o uso de acumuladores atenuando o investimento inicial
para a instalação destes sistemas.
Desta forma, a presente dissertação apresenta a elaboração de um sistema solar
fotovoltaico com ligação a uma carga monofásica, com desenvolvimento dos seus
circuitos de interface.
6
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
1.3 Objetivos do Trabalho
O objetivo principal desta dissertação é a ligação entre painéis solares
fotovoltaicos e uma carga monofásica, de forma a promover esta tecnologia. Este
sistema é composto por dois conversores, um elevador de tensão DC/DC para ajustar o
nível de tensão dos painéis para uma tensão de barramento, permitindo ao inversor, o
segundo conversor, modular uma tensão alternada com as características da rede elétrica
nacional. A conclusão deste projeto levou a elaboração de várias etapas, como:

Uma pesquisa sobre topologias de ligação entre painéis solares e a rede elétrica;

Desenvolvimento de um conversor de tensão DC/DC;

Desenvolvimento de um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) que
altera o ponto de funcionamento eletrónico dos painéis para que estes funcionem
sempre no ponto de potência máxima;

Desenvolvimento de um inversor monofásico;

Testes experimentais ao sistema desenvolvido e registo dos resultados obtidos.
Esta dissertação tem como intento a utilidade a oferecer a todos os que queiram
iniciar a sua atividade nesta área ajudando no desenvolvimento de um sistema solar
fotovoltaico e no dimensionamento dos circuitos de interface que constituem o sistema.
1.4 Estrutura da Dissertação
A presente dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos, com os quais se
pretende demonstrar cada etapa efetuada para a realização deste trabalho,
organizando-se da seguinte forma:
No primeiro capítulo faz-se uma pequena introdução ao trabalho, identificando o
problema que este trabalho visa resolver, assim como são apresentadas as motivações e
os objetivos para a realização do mesmo.
No segundo capítulo, dividido em dois subcapítulos, onde no primeiro
subcapítulo faz-se uma abordagem à tecnologia solar fotovoltaica, num contexto mais
próximo da Física, com análise ao efeito fotovoltaico e às células solares, mas também
se faz estudo teórico sobre tipos e aplicações de sistemas solares fotovoltaicos assim
como as vantagens e desvantagens destes sistemas. No segundo subcapítulo, é
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7
Introdução
contextualizado na vertente eletrónica, com a análise teórica aos circuitos de interface
entre o painel solar fotovoltaico e uma carga monofásica.
No capítulo três, faz-se o dimensionamento dos circuitos elétricos e a sua devida
simulação em ambiente computacional, apresentando-se todos os cálculos efetuados e
resultados das simulações computacionais.
Seguidamente no capítulo quatro é feita a descrição sobre a implementação dos
circuitos eletrónicos, assim como dos componentes usados em cada circuito, mas
também sobre todo o material eletrónico usado para a realização desta dissertação,
apresentam-se de seguida todos os resultados práticos obtidos para os circuitos
implementados.
Por fim, no quinto capítulo são feitas as conclusões finais a todo o trabalho,
apresentado sugestões de trabalho futuro para aperfeiçoamento do sistema
implementado.
8
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Capítulo 2
Sistema Solar Fotovoltaico
Este capítulo divide-se em dois subcapítulos descrevendo-se no primeiro a
tecnologia solar fotovoltaica e explicando-se o funcionamento das células solares
fotovoltaicas e o efeito fotovoltaico, topologias de sistemas solares fotovoltaicos,
apresentando-se também as suas vantagens e desvantagens. No segundo subcapítulo é
feita uma descrição pormenorizada aos circuitos elétricos constituintes de um sistema
solar fotovoltaico apresentando-se os esquemas elétricos e o seu funcionamento.
2.1 Tecnologia Solar Fotovoltaica
O sol fornece energia sob a forma de radiação sendo esta indispensável à vida na
Terra. A captação de energia luminosa proveniente do sol e a sua transformação num
tipo de energia permitindo ao Homem usá-la, tem por nome energia solar, sendo esta a
fonte de energia mais abundante no planeta. Quando a energia solar é convertida
diretamente para energia elétrica através do efeito fotovoltaico, designa-se por energia
solar fotovoltaica.
2.1.1 O Sol
O sol é a principal fonte de energia para a Terra, pois é um recurso praticamente
inesgotável e constante quando comparado com a escala de existência humana, sendo
responsável pelas mais variadas formas de vida no nosso planeta. É também o
responsável, direta ou indiretamente, pela origem de outras fontes de energia conhecidas
atualmente. O início do ciclo da água, a evaporação, é a partir da energia do sol, assim
como a sua radiação induz a circulação de massas de ar na atmosfera em larga escala
provocando os ventos ou aquecimento das águas do mar provocando correntes
marítimas. Os combustíveis de origem fóssil, como petróleo, carvão e gás natural, são
gerados a partir de resíduos de plantas e animais, os quais se desenvolveram através da
energia solar irradiada para a Terra. Com tudo isto, o sol é hoje encarado, tanto como
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9
Sistema Solar Fotovoltaico
fonte de calor como de luz, uma alternativa energética promissora para enfrentar os
desafios energéticos futuros [9].
No centro do sol, uma região com o nome de fotosfera solar, a energia resultante
das reações de fusão dos núcleos dos átomos de hidrogénio, originando núcleos de
hélio, é radiada para o espaço sob a forma de energia eletromagnética. Esta energia ao
chegar à atmosfera e superfície terrestre pode ter diferentes interações - absorção,
reflexão e difusão - determinadas por três fatores como a geometria da Terra e os seus
movimentos de rotação, a sua superfície terrestre considerando a elevação, inclinação e
orientação e por fim a atenuação atmosférica pelos gases, partículas sólidas e liquidas e
também pelas nuvens. A radiação solar incidente numa superfície perpendicular ao eixo
Terra-Sol, situada no topo da atmosfera, é em média de
e a radiação solar
que atinge a superfície terrestre, considerando os fatores acima referidos, é a radiação
direta e difusa como está representado na Figura 2.1, e tem um valor aproximado
num dia de céu relativamente limpo. [9]
Figura 2.1 – Interações da energia solar com a atmosfera e superfície terrestre
Ao nível do solo, o recurso energético solar apresenta ainda grande variabilidade
devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e dos períodos de passagem de
nuvens com ou sem ocorrência de chuvas.
Então, a energia solar direta que consegue atingir a superfície terrestre pode
então ser captada sob três diferentes formas [10]:
- A captação por organismos biológicos tais como as plantas na realização da
fotossíntese;
- A captação térmica recebendo a energia radiante para aproveitamento sob a
forma de calor;
- A captação solar térmica e solar fotovoltaica para a geração de energia elétrica.
10
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Quando a energia solar é convertida diretamente para energia elétrica através do
efeito fotovoltaico, designa-se por energia solar fotovoltaica, sendo a forma de captação
relevante na realização desta dissertação.
2.1.2 Efeito Fotovoltaico e Células Solares Fotovoltaicas
O aproveitamento da energia gerada pelo sol é cada vez mais umas das fontes
energéticas alternativas com maior potencial no futuro. A obtenção de energia através
da conversão direta da luz solar em energia elétrica é o fenómeno físico designado por
efeito fotovoltaico, descoberto pelo físico Edmond Becquerel em 1839, e que engloba
outros três fenómenos físicos interligados: a absorção de luz pelo material, a
transferência de energia dos fotões para as cargas elétricas e a geração de uma corrente
elétrica. Analisando o próprio termo – fotovoltaico – pode perceber-se que resulta da
junção da palavra “foto”, que significa luz, com a palavra “voltaico”, que representa
uma diferença de potencial entre dois pontos distintos através de uma reação química.
Isto permite ter uma noção do significado deste efeito a partir do próprio termo. O
dispositivo base para essa conversão é a célula solar fotovoltaica, o elemento mais
pequeno de um sistema solar fotovoltaico e constituída por materiais semicondutores,
ou seja, possui características intermédias entre um condutor e um isolante, aumentando
a sua condutividade quando exposta à radiação solar. Os materiais semicondutores são
caracterizados pela presença de bandas de energia, uma com excesso de eletrões –
banda de valência – e por outra banda com falta de eletrões chamada banda de
condução. O material semicondutor mais usado é o silício sendo a célula de silício
cristalino a mais comum. Apresentando-se normalmente na forma de areia sílica,
abundante no nosso planeta, o silício na sua forma pura só se obtém através de métodos
adequados. Os elementos do grupo IV da tabela periódica, como o silício,
caraterizam-se por possuírem quatro eletrões de valência que se ligam aos átomos
vizinhos através de ligações covalentes formando uma rede cristalina. No entanto, um
cristal de silício puro não contém eletrões livres tornando-o num mau condutor elétrico.
Para contrariar este facto, o silício é submetido a um processo de dopagem
adicionando-lhe outros elementos químicos, normalmente fósforo e boro. Um átomo de
fósforo possui cinco eletrões de valência e quando adicionado ao silício, estabelece
quatro ligações covalentes com o átomo de silício, ficando com um eletrão em excesso
estando livre para estabelecer uma ligação covalente, ficando a sua ligação com o átomo
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11
Sistema Solar Fotovoltaico
de origem enfraquecida. Com isto, uma pequena quantidade de energia irá fazer com
que o eletrão livre de ligações se liberte do átomo e salte para a banda de condução,
fazendo do fósforo um dador de eletrões do tipo N, formando no silício uma camada de
silício do tipo N. De forma inversa, um átomo de boro apenas possui três eletrões de
valência e quando adicionado ao silício, existe a falta de um eletrão para estabelecer as
ligações covalentes com os átomos de silício formando uma lacuna. Então com uma
pequena quantidade de energia, um eletrão de um local vizinho irá deslocar-se pela
banda de condução e virá ocupar a lacuna existente fazendo do boro um aceitador de
eletrões do tipo P, formando no silício uma camada de silício do tipo P
[11][12][13][14]. Na Figura 2.2 pode observar-se as ligações entre os átomos de silício
com os átomos de boro e fósforo e na Figura 2.3 as camadas interiores de uma célula
solar fotovoltaica.
Figura 2.2 - Ligações dos átomos de silício com os átomos de boro e fósforo [15]
Figura 2.3 – Camadas interiores de uma célula solar fotovoltaica [11]
A camada superior é um revestimento anti-reflexo (ARC) aumentando o efeito
da luz solar, a camada do tipo N é a camada dopada com fósforo e a camada tipo P é a
dopada com boro. Separadamente, as camadas P e N são eletricamente neutras, no
12
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
entanto, ao serem ligadas, como as lacunas e os eletrões se atraem, elas criam um campo
elétrico permanente através da junção P-N, na qual se dá uma transferência de eletrões
livres do lado N para o lado P, que irão preencher as lacunas. Isto provoca a acumulação
de eletrões no lado P tornando-o negativamente carregado e reduz os eletrões no lado N
tornando-o positivamente carregado. O equilíbrio é alcançado quando o campo elétrico
é capaz de impedir a passagem de eletrões livres do lado N para o lado P [11][14].
Quando a luz solar incide sobre a junção P-N da célula solar fotovoltaica, os
fotões da luz vão chocar com os eletrões fornecendo-lhes energia para que saltem da
banda de valência para a banda de condução, ou seja, os fotões arrancam os eletrões das
suas ligações covalentes formando pares eletrões – lacunas que são acelerados pelo
efeito do campo elétrico em sentidos opostos. Este movimento das cargas dá origem a
uma diferença de potencial entre as extremidades opostas da célula - efeito fotovoltaico.
Esta diferença de potencial denomina-se por tensão de circuito aberto. Se as duas
extremidades da célula forem conectadas por um fio condutor, isto é, ligando a camada
tipo N à camada tipo P através de um condutor externo, cria-se um fluxo de eletrões –
corrente elétrica – enquanto a luz solar incidir na célula como se pode observar na
Figura 2.4 [12][14].
Figura 2.4 – Corte transversal de uma célula solar fotovoltaica [12]
A corrente elétrica produzida depende da intensidade da radiação solar incidente
e da área iluminada, designada de corrente de curto – circuito, e a tensão gerada é uma
fração de Volt, que para as células solares fotovoltaicas de silício cristalino é de
aproximadamente 0,5V [11]. De forma a se obter um maior nível de tensão, é necessária
a ligação em série de várias destas células e para se obter um maior nível de corrente é
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13
Sistema Solar Fotovoltaico
feita a ligação em paralelo, formando ambas as diferentes ligações, um conjunto ao qual
se dá o nome de painel solar fotovoltaico [14].
Sendo esta uma tecnologia em desenvolvimento, é graças aos novos processos
de fabrico que a eficiência das células solares fotovoltaicas tem melhorado, existindo já
uma grande variedade de células, umas mais caras e de fabrico complexo e outras mais
baratas e de maior simplicidade de fabrico. Desse agregado, as células são na sua
maioria fabricadas usando o silício (Si), com as células de silício cristalino a dominar a
indústria fotovoltaica desde o início e sendo hoje uma tecnologia conhecida e fiável, é
natural serem as líderes no mercado, com as principais a serem constituídas por cristais
monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.

Células de silício monocristalino (c-Si): são o tipo de células mais
usadas e comercializadas como conversoras diretas de energia solar em
energia elétrica. Das células produzidas a partir do silício, estas são as
que apresentam maior eficiência, atingindo entre 14% a 17% [16] de
eficiência numa utilização prática. 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, atingindo um
grau de pureza de 98% a 99%, que do ponto de vista energético e
económico é razoavelmente eficiente. No entanto, para que o silício
monocristalino possa funcionar como células solares, necessita de outros
dispositivos semicondutores e de um grau de pureza muito próximo dos
100%. As técnicas para a produção deste tipo de células são complexas e
dispendiosas, que se refletem no preço elevado para o consumidor. A
Figura 2.5(a) mostra o aspeto físico de uma célula solar deste tipo [12].

Células de silício policristalino (p-Si): o seu processo de fabrico não é
tão complexo nem dispendioso, resultando numa pequena diminuição da
eficiência, quando comparadas com as células de silício monocristalino,
para valores entre 13% e 15% [16]. O seu rendimento é mais baixo pois o
seu processo de fabrico, apesar de idêntico ao das células de silício
monocristalino, não é tão rigoroso, apresentando o silício algumas
imperfeições. No entanto, o seu custo é um pouco mais reduzido
apresentando este tipo de células – Figura 2.5(b) - uma melhor relação
preço/rendimento [12].
14
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica

Células de silício amorfo (a-Si): diferem-se por apresentar alto grau de
desordem na estrutura dos átomos. Podem ser fabricadas por deposição
de camadas muito finas de ligas de silício sobre vários tipos de materiais,
apresentando também uma absorção da radiação solar mais produtiva e
com custo de produção mais baixo quando comparado com as células de
silício mono e policristalino. A sua grande vantagem é a possibilidade de
obter células com grandes áreas, como se pode observar na Figura 2.5(c).
No entanto, este tipo de células apresentam menor eficiência, situando-se
na ordem dos 5% a 7% [16] e “as células são afetadas por um processo
de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a
eficiência ao longo da vida útil” [12].
Figura 2.5 – Tipo de células solares fotovoltaicas (a) Célula de silício monocristalino [13] (b) Célula de silício
policristalino [13] (c) Célula de silício amorfo[17]
Existem ainda outros tipos de células com maior eficiência onde a sua aplicação
não se preocupa com o seu custo. No entanto, e como é visível na Figura 2.6, cerca de
83% das células produzidas em 2010 (contabilizando apenas as células produzidas por
empresas que utilizam a tecnologia padrão) foram de silício cristalino o que prova
serem as mais usadas atualmente [18].
Figura 2.6 – Produção de células solares por tecnologia em 2010 [18]
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15
Sistema Solar Fotovoltaico
Modelo Elétrico e Matemático de uma célula solar fotovoltaica
De modo a compreender-se o funcionamento de uma célula fotovoltaica, é
comum usar-se um circuito elétrico equivalente completo, representado na Figura 2.7.
Este é o modelo mais complexo constituído por uma fonte de corrente contínua
representando a corrente gerada pela célula fotovoltaica na conversão da energia solar
em energia elétrica. A junção P-N está representada como um díodo D, pois funciona
como tal e é percorrida por uma corrente unidirecional
dependente do valor da tensão
V. As duas resistências presentes no modelo representam as perdas na célula, onde
representa a resistência oferecida pelos contactos elétricos entre os terminais e o
semicondutor e
representa as perdas devido a correntes parasitas que circulam na
célula, sendo o valor de
normalmente elevado, costumando ignorar-se essa
resistência, facilitando a análise do funcionamento da célula solar [14][19][20]
Figura 2.7 – Circuito elétrico equivalente completo de uma célula solar fotovoltaica
Para melhor compreensão do funcionamento de uma célula, o circuito de menor
complexidade, representado na Figura 2.8, é suficiente. Este é o modelo mais simples
que se pode analisar e como numa só célula as perdas são muito pequenas, será
analisado este modelo ideal, com base em [13][14][19][20]. Este circuito é composto
por uma fonte de corrente contínua
a qual representa a corrente elétrica gerada pela
célula fotovoltaica na conversão da energia solar em energia elétrica. A junção P-N, está
representada como um díodo D, pois funciona como tal e é percorrida por uma corrente
unidirecional
16
dependente do valor da tensão V.
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Figura 2.8 – Circuito elétrico equivalente simplificado de uma célula solar fotovoltaica
Aplicando as Leis de Kirchoff ao circuito, é possível estudar o comportamento
elétrico da célula, onde se obtém a seguinte relação para a soma das correntes no nó:
(2.1)
Onde
é dada pela expressão:
(2.2)
Em que:

– Corrente inversa máxima de saturação do díodo;

V – Tensão aos terminais da célula;

m – Fator de idealidade do díodo (díodo ideal: m = 1; díodo real: m > 1);

– Designado por potencial térmico

k – Constante de Boltzmann

T – Temperatura absoluta da célula em Kelvin;

q – Carga elétrica do eletrão
;
);
;
o Para as condições nominais de teste (STC – Standard Test
Conditions): Temperatura de 298,16 K (θ = 25 ºC) e radiação
incidente de
, obtém-se
;
Substituindo
na equação 2.1, obtém-se:
(2.3)
Universidade do Minho
17
Sistema Solar Fotovoltaico
Analisando-se a equação 2.3, verifica-se que se desconhecem os parâmetros
,
e m. A determinação desses parâmetros é possível pela análise dos dados das
especificações técnicas fornecidos pelo fabricante, nomeadamente dos valores da tensão
e corrente na carga nos três principais pontos de funcionamento da célula solar
fotovoltaica. Esses três pontos: o circuito aberto, o curto-circuito e o ponto de máxima
potência, estão caracterizados nas curvas características da célula, como as que estão
representadas na Figura 2.9. A curva característica da corrente versus tensão,
representada a cor verde, pode ser definida como a representação dos valores de saída
da célula fotovoltaica em cada instante de tempo, em função do valor de tensão e das
condições de radiação solar e da temperatura. Esta curva irá permitir observar o ponto
de circuito aberto e o ponto de curto-circuito. A curva de cor vermelha, é a curva
característica da potência versus tensão, que nos indicará o valor de tensão para a qual a
potência é máxima.
Figura 2.9 – Curvas características da célula solar fotovoltaica [11]
No ponto de funcionamento em curto-circuito, obteve-se:
(2.4)
(2.5)
Ou seja, pela equação 2.1:
(2.6)
18
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Nesta situação pode dizer-se que a tensão na carga é nula e que a corrente de
curto-circuito,
, é o valor máximo da corrente que atravessa a carga, igual ao valor
máximo de corrente gerado pela célula, característica dela própria e fornecido pelo
fabricante.
Na situação de circuito aberto, obteve-se:
(2.7)
Onde pela equação 2.3:
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
Neste ponto de funcionamento, a tensão em circuito aberto,
, corresponde ao
valor máximo de tensão aos terminais da célula quando esta está em vazio. É
característica dela própria e fornecida pelo fabricante.
O ponto de máxima potência é o ponto de funcionamento onde a célula fornece à
carga a máxima potência possível,
. Neste caso, estão aplicados à carga os valores
de tensão e corrente correspondentes aos valores no ponto de máxima potência,
e
, respectivamente, resultando o produto dos dois valores no valor da máxima
potência:
(W)
(2.12)
O parâmetro m é calculado pela equação 2.13:
(2.13)
Universidade do Minho
19
Sistema Solar Fotovoltaico
É importante frisar que os valores da corrente em curto-circuito, da tensão em
circuito aberto e o ponto de máxima potência variam os seus valores em função das
condições ambientais tais como a temperatura e a radiação solar.
Com a alteração da temperatura, a variação da corrente gerada pela célula não é
muito significativa, ao contrário do que acontece com o valor da tensão em circuito
aberto, que decresce com o aumento da temperatura, visível na Figura 2.10(a). A Figura
2.10(b) permite observar o deslocamento do ponto de máxima potência, MPP, em
função do aumento da temperatura, ou seja, quanto mais alta é a temperatura menor é a
potência de saída.
A variação da intensidade da radiação solar incidente provoca uma variação
proporcional na corrente gerada pela célula - Figura 2.11(a). No entanto, o valor da
tensão em circuito aberto, excetuando os casos onde a radiação incidente é muito baixa,
pouco se altera. Desta forma, com a diminuição da radiação incidente, a potência de
saída também diminui - Figura 2.11(b).
Figura 2.10 Efeito da temperatura nas curvas características da célula solar fotovoltaica (a) Curvas I-V em
função da temperatura (b) Curvas P-V em função da temperatura
Figura 2.11 Efeito da radiação solar nas curvas características da célula solar fotovoltaica (a) Curvas I-V em
função da radiação solar (b) Curvas P-V em função da radiação solar
20
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
De forma a uniformizar a informação dada pelos fabricantes, os dados
fornecidos são obtidos através das condições nominais de teste: Temperatura de 298,16
K (θ = 25 ºC) e radiação incidente –
- de
. Deste modo, a corrente
gerada com outros valores de radiação incidente é dada por [13]:
(2.14)
Nas células solares fotovoltaicas, a radiação incidente e a temperatura afetam o
seu rendimento. O rendimento das células, ƞ, resulta do quociente entre a máxima
potência fornecida pela célula,
(
(W), e a multiplicação da radiação incidente, G
), pela área da superfície da célula, A (
) [13][14], como indica a equação
2.15:
(2.15)
A qualidade das células pode ser dada pelo valor do fator de forma, FF, ou seja,
quanto mais elevado for esse valor, maior será a máxima potência que a célula pode
fornecer,
. O fator de forma é dado pelo quociente entre o produto da corrente e
tensão no ponto de máxima potência,
tensão em circuito aberto,
e
respetivamente, e o produto da
, pela corrente de curto-circuito,
[13][14], representado
pela equação 2.16:
(2.16)
2.1.3 Painéis Solares Fotovoltaicos
Um painel solar fotovoltaico é constituído por várias células solares, pois não se
usa apenas uma célula isoladamente na produção de energia elétrica devido à sua baixa
produção, dado que dificilmente supera os 2 W. Desta forma, podem ser ligadas em
série ou em paralelo, dependendo da necessidade da aplicação em ter maiores tensões
ou correntes. A ligação das células em série permite obter maiores valores de tensão na
saída do painel, pois resulta do somatório da tensão de cada célula constituinte do
painel. Por sua vez, a ligação em paralelo, permite obter maiores valores de corrente na
Universidade do Minho
21
Sistema Solar Fotovoltaico
saída do painel, pois é resultado do somatório da corrente gerada por cada célula que o
constitui [13].
Após serem soldadas, as células solares são encapsuladas de forma a isolá-las e a
protegê-las das condições climatéricas, assim como para dar maior rigidez ao painel.
Assim, e como mostra a Figura 2.12, o painel é geralmente constituído pelas seguintes
camadas [13]:

Vidro de alta transparência e temperado;

Ethylene-vinyl-acetate (EVA);

Células solares;

Polyvinyl fluoride film (Tedlar).
De seguida é colocado num caixilho em alumínio para fechar, proteger e
tornando-o robusto de forma a facilitar a instalação.
Figura 2.12 – Constituição de um painel solar fotovoltaico [21]
Os painéis fotovoltaicos são caraterizados eletricamente por um conjunto de
parâmetros determinados pelos fabricantes nas condições de referência (STC – Standard
Test Conditions). Esses parâmetros são:

Potência máxima (
): valor máximo de potência que o painel pode
fornecer;

Tensão nominal (

Corrente nominal (
): valor da tensão no ponto de máxima potência;
): valor da intensidade da corrente no ponto de
máxima potência;

Potência máxima garantida: valor da potência máxima garantida por vinte
anos;

Corrente de curto-circuito (
): valor máximo da intensidade de corrente
que atravessa a carga;
22
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica

Tensão de circuito aberto (
): valor máximo da tensão entre os terminais
do painel quando está em circuito aberto;

Coeficiente de temperatura da tensão em circuito aberto: variação da
tensão de circuito aberto por cada grau de variação de temperatura;

Coeficiente de temperatura da corrente em curto-circuito: percentagem
de variação da corrente de curto-circuito por cada grau de variação de
temperatura;

Temperatura normal de operação da célula (NOCT – Normal Operating
Cell Temperature): esta temperatura da célula é determinada com a
condição de
de radiação solar incidente, temperatura ambiente de
20°C e com velocidade do vento de 1m/s;

Número de células (
ligadas em paralelo (
): número de células ligadas em série ( ) ou
) que formam o painel solar fotovoltaico.
O comportamento elétrico de um painel solar fotovoltaico é feito com suporte às
equações que modelizam uma célula solar ideal, alterando apenas o parâmetro relativo
ao número de células ligadas em série e/ou paralelo –
e
respetivamente. Desta
forma, a corrente de saída de um painel é dada pela equação 2.17:
(2.17)
Em contraste com outras tecnologias, os sistemas solares fotovoltaicos
raramente operam nas condições nominais de funcionamento, pois isso só ocorre nas
condições de referência STC. Assim, os painéis solares fotovoltaicos têm uma curva
característica dele, que relaciona a corrente com a tensão e uma outra curva que
relaciona a potência com a tensão, ambas para os valores à saída do painel, de forma a
possibilitar a análise do funcionamento destes. O desempenho e as curvas características
dos painéis dependem da temperatura das células assim como da radiação incidente,
com a intensidade de corrente produzida ser praticamente proporcional à variação da
radiação recebida ao longo do dia. Já a tensão no ponto de máxima potência permanece
praticamente constante com as variações da radiação incidente, para valores de
temperatura das células constantes. A Figura 2.13 permite então observar o
comportamento de um painel solar fotovoltaico.
Universidade do Minho
23
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.13 – Curvas características de um painel solar fotovoltaico
2.1.4 Tipos e Aplicações de Sistemas Solares Fotovoltaicos
Inicialmente, o desenvolvimento deste tipo de sistemas tinha como principal
objetivo a alimentação de unidades autónomas em aplicações espaciais, tais como
satélites artificiais terrestres.
Atualmente, estes sistemas são utilizados em diversas aplicações, principalmente
em locais isolados onde a produção de energia elétrica da forma convencional ou o seu
transporte até essas zonas são dispendiosos. Os sistemas solares fotovoltaicos são
capazes de extrair e também armazenar a energia elétrica proveniente dos painéis
solares fotovoltaicos. Estes sistemas podem ter várias aplicações dentro de três grupos
distintos [15][20]:

Aplicações de alta potência: grandes centrais solares fotovoltaicas que
geram potências na ordem de algumas dezenas de MW (megawatts).

Aplicações de média potência: eletrificação rural entre unidades de kW
(quilowatts) e centenas de kW, como sistemas individuais ou em
mini-rede, sistemas de bombagem de água e irrigação, abastecimento de
cargas domésticas em locais remotos sem rede ou como complemento de
abastecimento de locais remotos com ou sem rede. São também
aplicados para produção descentralizada ligada à rede.

Aplicações de baixa potência: na ordem das décimas de watt até um
quilowatt, tais como calculadoras e relógios, sinalização rodoviária,
24
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
ferroviária e marítima, parquímetros, iluminação exterior de habitações e
jardins, vedações elétricas, telefones de emergência, sistemas de
telecomunicações, carregamento de baterias em veículos de campismo,
etc.
Os sistemas solares fotovoltaicos são classificados conforme as suas exigências
funcionais e operacionais, a configuração dos seus componentes e a sua forma de
ligação a outras fontes de energia e às cargas elétricas. Estes são projetados para
fornecer corrente contínua e/ou corrente alternada, podendo em ambos os casos estar
conectados a outras fontes de energia e a sistemas de armazenamento de energia, mas
podem também estar ligados à rede elétrica no caso de fornecer corrente alternada,
permitindo utilizações nas mais diversificadas aplicações.
Um sistema solar fotovoltaico pode ser dividido em três diferentes tipologias de
ligação, tais como sistemas isolados, sistemas ligados à rede elétrica e sistemas híbridos
[12].
Sistemas Solares Fotovoltaicos Isolados
As primeiras aplicações desta tecnologia foram a partir deste tipo de sistema. É
geralmente aplicado onde o fornecimento de energia através da rede elétrica não existe
ou então por razões técnicas e/ou económicas. Este tipo de aproveitamento solar é
geralmente aplicado em sistemas de baixa/média potência como bombeamento de água,
iluminação, calculadoras e relógios, sistemas de vigilância e sinalização rodoviária e
ferroviária, sistemas de telecomunicações entre outros.
Como nem sempre a necessidade de energia é coincidente com a sua geração,
neste tipo de sistemas é de considerar um sistema de armazenamento, como por
exemplo baterias, em conjunto com um controlador de carga para monitorizar a carga e
descarga das baterias protegendo-as de descargas profundas ou sobretensões,
aumentando-lhes a sua fiabilidade e tempo de vida útil. Como os painéis solares
fotovoltaicos produzem corrente continua, no caso de existirem cargas de corrente
alternada, será também necessário um inversor DC/AC [12]. A Figura 2.14 mostra os
tipos de ligações destes sistemas.
Universidade do Minho
25
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.14 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos isolados
Nos casos dos sistemas isolados ou ligados a outras fontes de energia renovável,
estes são competitivos em locais onde as soluções convencionais são do ponto de vista
económico e ambientais, inferiores. Nos sistemas ligados a rede elétrica, a situação
toma outros contornos pois, os sistemas solares fotovoltaicos estão ainda longe de ser
competitivos quer com outras fontes de energia convencionais, quer com outras fontes
de energia renovável. O elevado investimento e a baixa utilização anual da potência
instalada são as razões que afastam esta tipologia da competitividade, o que poderá
mudar futuramente com a evolução desta tecnologia. O aumento da produção mundial
de painéis solares fotovoltaicos e com maior rendimento, a elevada concorrência na
produção, a preocupação ambiental que vigora atual e futuramente, assim como o facto
de a energia produzida por este tipo de sistema ser fornecida à rede quando esta é mais
precisa, ou seja, durante o dia, faz prever mudanças na sua competitividade e aplicação.
Sistemas Solares Fotovoltaicos Ligados à Rede
Este tipo de sistemas assemelham-se a uma pequena central de produção de
energia elétrica utilizando grande número de painéis solares fotovoltaicos, não tendo um
sistema de armazenamento, uma vez que toda a energia produzida, ou grande parte, é
injetada na rede elétrica [12], como ilustra a Figura 2.15, podendo uma pequena parte
ser consumida pelo utilizador quando necessária. Este é um sistema que tem vindo a
ganhar relevo perante a sociedade devido aos apoios financeiros do governo assim como
as tarifas de venda atrativas e rentáveis, amortizando o investimento inicial.
Inicialmente, eram colocados no topo dos telhados dos edifícios, estando atualmente em
expansão, seja por empresas do sector ou investidores privados, grandes projetos de
centrais fotovoltaicas construídas à superfície do solo. A injeção na rede elétrica da
26
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
energia produzida é feita através de inversores, convertendo a corrente contínua
produzida pelos painéis solares fotovoltaicos em corrente alternada, sendo estes muito
importantes pois devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança para que a
rede não seja afetada.
Figura 2.15 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos ligados à rede elétrica
Sistemas Solares Fotovoltaicos Híbridos
Os sistemas solares fotovoltaicos híbridos, são sistemas independentes da rede
elétrica, gerando energia através do conjunto de várias fontes de energia renovável, tais
como eólica e solar fotovoltaica, auxiliadas com fontes de energia convencionais tais
como geradores a diesel, para o caso do consumo de energia ser superior à energia
gerada pelas fontes renováveis ou para as situações em que a energia gerada pelas fontes
renováveis é insuficiente [12], como mostra a Figura 2.16.
A utilização de várias fontes de energia torna a unidade de controlo mais
complexa, pois será necessária a otimização de todas elas para que exista máxima
eficiência na entrega da energia às cargas [12].
Figura 2.16 – Diagrama de sistemas solares fotovoltaicos híbridos
Universidade do Minho
27
Sistema Solar Fotovoltaico
A opção por qualquer um dos sistemas acima descritos, dependerá da aplicação
do sistema e da disponibilidade de recursos energéticos.
2.1.5 Vantagens
e
Desvantagens
dos
Sistemas
Solares
Fotovoltaicos
Os sistemas solares fotovoltaicos apresentam um grande número de vantagens
quando comparados com outros tipos de sistemas de geração de energia, tais como:

Alta fiabilidade pois não tem peças móveis, ou seja, sendo uma estrutura
estática é muito útil para locais isolados;

Facilidade de manutenção, necessitando apenas de limpeza periódica dos
painéis solares fotovoltaicos;

Fácil portabilidade e adaptabilidade dos painéis permitindo montagens
simples e adaptáveis às várias necessidades energéticas;

Custo operacional reduzido devido à reduzida manutenção, não necessitando
de combustível, nem transporte de trabalhadores altamente qualificados;

Energia limpa e renovável, contribuindo para a redução da dependência
energética através de combustíveis fósseis, sendo o produto final não
poluente, silencioso e com impacto ambiental reduzido;

Possibilidade de armazenamento de energia gerada em baterias quando não
consumida no imediato.
No entanto, apesar de todas as suas vantagens, estes sistemas também têm
contras, sendo as suas principais desvantagens as seguintes:

É necessária tecnologia sofisticada para o fabrico das células solares
fotovoltaicas levando a um custo elevados dos painéis solares fotovoltaicos
aumentando o investimento;

Baixo rendimento dos painéis solares fotovoltaicos na conversão da energia
solar em energia elétrica, tornando estes sistemas pouco competitivos em
comparação com outros sistemas de geração de energia elétrica;

Geração de energia intermitente e sazonal, não gerando durante a noite e com
pouca geração com más condições climatéricas.
28
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica

Países com altas latitudes têm reduzida exposição solar durante os meses de
inverno sofrendo bruscas quedas na geração de energia;

O alto consumo de energia na produção de células solares fotovoltaicas,
colocando em causa se existirá retorno com a energia por elas produzida;

Quando um sistema de armazenamento de energia sob a forma de baterias é
necessário, o investimento inicial aumenta, assim como a sua manutenção
devido ao baixo tempo de vida útil das baterias;

O rendimento das células solares fotovoltaicas diminui com a idade das
mesmas;

No fim do seu ciclo de vida, as células solares fotovoltaicas resultam em
materiais poluentes.
Concluindo, não existem dúvidas quanto às vantagens da tecnologia solar
fotovoltaica tendo em conta a preocupação atual com o meio ambiente do nosso planeta.
A energia gerada através desta tecnologia é “limpa”, ou seja, com reduzidos impactos
ambientais, tornando o nosso meio ambiente mais agradável e menos poluído.
Por outro lado, com o custo elevado dos painéis solares fotovoltaicos e o seu
baixo rendimento colocam esta tecnologia em desvantagem quando comparada com
outras formas de geração de energia poluentes. Através dos incentivos e campanhas de
sensibilização, a mentalidade das populações muda, levando muita gente a optar por
formas de geração de energia não poluentes, como por exemplo através da tecnologia
solar fotovoltaica, que apesar de mais cara, permite outras formas de conforto na
geração de energia elétrica como o silêncio e ausência de substancias poluidoras, que
com o crescimento na sua utilização levará a um aumento na produção de painéis
solares fotovoltaicos e consequentemente a uma redução do seu preço.
2.2 Interface entre o Painel Solar Fotovoltaico e uma Carga
Monofásica
Um sistema solar fotovoltaico é formado por um agregado de componentes que
em conjunto trabalham para atingir um objetivo único, sendo ele a conversão de energia
luminosa, geralmente o sol, em energia elétrica com as características desejadas.
Dependendo da tipologia do sistema solar fotovoltaico e da sua aplicação, o número de
Universidade do Minho
29
Sistema Solar Fotovoltaico
componentes assim como a sua configuração pode variar, em função de ser um sistema
isolado, híbrido ou a operar em sintonia com a rede elétrica. Como a presente
dissertação se insere no contexto dos sistemas solares fotovoltaicos com ligação a uma
carga monofásica, será feita uma descrição neste subcapítulo da constituição dum
sistema dessa natureza.
2.2.1 Conversor de Tensão DC/DC
Os conversores DC-DC são circuitos eletrónicos bastante aplicados em fontes de
tensão DC, em aplicações com motores DC, em sistemas solares fotovoltaicos e
micro-eólicos, entre outras, e são utilizados para converter uma tensão contínua não
regulada numa tensão contínua regulada. Num sistema solar fotovoltaico, este conversor
tem como função adaptar o nível de tensão fornecido à carga no valor pretendido ou
extrair a máxima potência dos painéis solares fotovoltaicos, usando o controlo MPPT. A
constituição destes conversores depende da topologia pretendida, existindo várias,
diferenciando-se pela sua constituição e função. O conversor Buck (Step-Down) e o
Boost (Step-Up) são as topologias básicas, em que a sua combinação resulta na
topologia Buck-Boost (Step-Up/Down), existindo ainda a topologia Full-Bridge que
deriva do conversor Buck, sendo estes os quatro principais conversores de tensão
DC-DC representadas na Figura 2.17.
Na realização desta dissertação, foi necessário elevar a tensão fornecida pelos
painéis solares fotovoltaicos para um nível de tensão pretendido no barramento DC de
400V, de modo a possibilitar ao conversor DC/AC obter na saída uma tensão com 230V
de valor eficaz. Para isso foi usado um conversor de tensão Boost, ao qual será feita uma
análise pormenorizada com base no livro Power Electronics: Converters, Applications
and Design.
30
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 2.17 – Conversor DC-DC (a) Conversor Boost (b) Conversor Buck (c) Conversor Buck/Boost (d)
Conversor Full-Bridge [22]
Conversor Boost (Step-Up)
Sendo este um conversor elevador de tensão, implica que a tensão de saída seja
sempre maior que a tensão de entrada. Além disso, o conversor representado na Figura
2.18, é não isolado, ou seja, a tensão de saída e a tensão de entrada partilham a mesma
massa.
Figura 2.18 – Conversor Boost
Como se pode observar na Figura 2.18, este conversor é constituído por uma
bobina L, que em conjunto com o condensador C formam um filtro à saída, um
interruptor, ou seja, um semicondutor de potência, normalmente um MOSFET de canal
Universidade do Minho
31
Sistema Solar Fotovoltaico
n, que irá ser repetidamente ligado (
) e desligado (
) durante o seu
funcionamento, operação que será governada pelo circuito de controlo do conversor,
que irá ser abordado posteriormente.
Quando o interruptor está ligado, a energia da fonte de entrada
será aplicada
apenas à bobina L, uma vez que o díodo fica inversamente polarizado impedindo a
passagem de energia para o condensador C e para a carga R. Nesta etapa, a bobina
acumula energia, enquanto a carga R está a ser alimentanda pela energia acumulada no
condensador C. Desligando o interruptor, o díodo fica polarizado, fazendo com que a
energia acumulada na bobina L e a energia proveniente da fonte de entrada
percorram todo o circuito, fornecendo energia tanto à carga R, como ao condensador
C para que este se recarregue.
Em função da corrente que circula na bobina L, este conversor pode operar em
dois modos distintos. Quando a corrente que percorre a bobina nunca é zero, ou seja,
quando a corrente percorre a bobina continuamente, o conversor opera no modo de
condução continua, de outra forma, o conversor está a operar no modo de condução
descontínua.
Modo de condução contínua:
Operando neste modo, a corrente percorre a bobina continuamente,
,
como se pode observar na Figura 2.19, onde são apresentadas as formas de onda da
corrente e tensão na bobina. Durante um período
(
), o conversor
opera em dois estados diferentes, o estado ON em que o interruptor está ligado,
estado OFF em que o interruptor está desligado,

,eo
.
Estado ON: Este é o estado onde a bobina armazena a energia
proveniente da fonte de entrada onde a corrente que a percorre a
aumenta, e a carga está a ser alimentada pelo condensador - Figura
2.19(a). O valor de duty-cycle D, permite aferir o tempo em que o
interruptor está ligado durante um período, pela equação 2.18:
(2.18)
32
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica

Estado OFF: Neste estado, a corrente que percorre a bobina diminui,
pois a energia armazenada na bobina e a proveniente da fonte de entrada,
alimentam a carga e recarregam o condensador - Figura 2.19(b). O tempo
em que o interruptor está desligado é dado pela equação 2.19:
(2.19)
Em regime permanente, o aumento da corrente na bobina no estado ON e a
diminuição da mesma no estado OFF, são iguais. Assim, e pela observação dos gráficos
da corrente e tensão da Figura 2.19, pode obter-se a relação entre a tensão de entrada e a
tensão de saída do conversor no modo de condução continua, dada pela equação 2.20:
(2.20)
Dividindo ambos os membros por
e simplificando, obtém-se:
(2.21)
Assumindo que o circuito é ideal e não existem perdas,
,
(2.22)
Resultando numa relação entre a corrente de entrada e a corrente de saída dada
por:
(2.23)
Universidade do Minho
33
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.19 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do conversor Boost no modo de condução
contínua (a) Circuito equivalente do conversor Boost no estado
(b) ) Circuito equivalente do conversor
Boost no estado
[22]
Limite do modo de condução contínua:
Neste modo, a corrente na bobina vai a zero no final do intervalo de tempo OFF,
ou seja, no final do intervalo de tempo em que o interruptor esteve desligado, como se
pode observar na Figura 2.20, onde estão representadas as formas de onda da tensão e
corrente na bobina neste modo.
Figura 2.20 – Formas de onda da tensão e corrente na bobina do conversor Boost no limite da condução
contínua [22]
34
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
No limite da condução continua, o valor médio da corrente na bobina é:
(2.24)
(2.25)
, usando a equação 2.21.
(2.26)
Num conversor Boost, a corrente na entrada e a corrente na bobina é a mesma
(
) e usando as equações 2.23 e 2.26 pode verificar-se que a corrente média de
saída no limite da condução contínua é dada por:
(2.27)
Na maior parte dos casos em que o conversor Boost é aplicado, existe o requisito
para que a tensão de saída
seja constante. Nestes casos, mantendo
alterando o duty-cycle D, implica que a tensão de entrada
A Figura 2.21 mostra para
constante e
varie.
constante, as curvas de
e
em função do
duty-cycle D.
Figura 2.21 – Formas de onda de
Universidade do Minho
e
com
constante [22]
35
Sistema Solar Fotovoltaico
Pela análise da Figura 2.21, pode ver-se que
atinge o valor máximo quando
D = 0,5:
(2.28)
Da mesma forma, podemos ver também que
atinge o seu valor máximo em
:
(2.29)
(2.30)
Relativamente aos seus valores máximos,
e
podem ser expressos pelas
equações 2.31 e 2.32, respetivamente.
(2.31)
(2.32)
Os valores, máximo e mínimo, da corrente na bobina são calculados através das
seguintes equações [23]:
(2.33)
(2.34)
No limite entre os modos de condução continua e condução descontínua é
possível calcular o valor mínimo da indutância igualando
a zero:
(2.35)
(2.36)
36
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
A Figura 2.21 mostra que para um determinado valor de duty-cycle, com a
tensão de saída constante, se a corrente na carga assumir valores inferiores a
consequentemente, a corrente média na bobina assumir valores abaixo de
e,
, o
conversor entra no modo de condução descontínua.
Modo de condução descontínua:
Este modo carateriza-se pela corrente na bobina ser zero durante um instante do
período de tempo
. Durante este período de tempo, a corrente na bobina passa por três
fases diferentes distintas como mostra a Figura 2.22.
Inicialmente, com o semicondutor em condução durante
, a corrente começa
em zero aumentando até atingir o seu valor máximo, instante a partir do qual o
semicondutor deixa de conduzir e a corrente diminui até zero, durante
. Durante
, a corrente na bobina mantém-se em zero até se iniciar um novo período de tempo
e isto acontece quando a corrente na saída
desce abaixo de um dado valor,
considerado o seu valor critico.
Figura 2.22 - Forma de onda da tensão e corrente na bobina no modo de condução descontínuo [22]
Igualando o integral da tensão na bobina durante um período a zero, obtém-se:
(2.37)
Resolvendo em ordem a
:
(2.38)
Universidade do Minho
37
Sistema Solar Fotovoltaico
E desprezando as perdas,
, obtém-se a relação entre a corrente de saída e
a corrente de entrada:
(2.39)
O valor médio da corrente na entrada é igual ao valor médio da corrente na
bobina:
(2.40)
Substituindo a equação 2.40 na equação 2.39:
(2.41)
Na prática, como
é mantido constante e D varia em resposta à variação de
,
é mais útil obter-se o valor de D em função da corrente de carga para vários valores de
. Usando as equações 2.39, 2.41 e 2.31, obtém-se:
(2.42)
Na Figura 2.23, D é representado em função de
de forma a manter a tensão de saída
para vários valores de
,
constante, quando a corrente na bobina está no
modo de condução descontínua. No modo de condução descontínua, se
não for
controlado durante cada período de comutação, é transferida da entrada do conversor
para o condensador e para a carga na saída uma determinada quantidade de energia
quantificada pela seguinte equação:
(2.43)
No caso de a carga não consumir toda a energia transferida, a tensão no
condensador irá aumentar até que a potência estabilize, podendo este aumento de tensão
no condensador tomar valores demasiado altos, causando a destruição do mesmo.
38
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 2.23 – Curva característica do conversor Boost com
constante [22]
Efeito de Elementos Parasitas:
Os elementos parasitas num conversor Boost estão associados às perdas na
bobina, no condensador, no semicondutor e no díodo. A Figura 2.24 mostra o efeito
desses elementos parasitas na relação entre
características ideais em que a relação
na prática, a relação
e o duty-cycle D. Ao contrário das
aumenta à medida que D se aproxima de um,
aproxima-se do duty-cycle D unitário.
Figura 2.24 – Efeito dos elementos parasitas na conversão de tensão no conversor Boost [22]
Universidade do Minho
39
Sistema Solar Fotovoltaico
Ripple da Tensão de saída:
A ondulação de pico a pico
da tensão de saída pode ser calculada
considerando as formas de onda da Figura 2.25 para operação em modo contínuo.
Considerando que toda a ondulação da corrente do díodo flui através do condensador e
o seu valor médio flui através da carga resistiva, a área sombreada na Figura 2.25
representa a carga
.
Figura 2.25 – Ripple na tensão de saída do conversor Boost [22]
Assim, a ondulação de pico a pico
, assumindo que a corrente de saída é
constante, é expressa por [22][23]:
(2.44)
(2.45)
O condensador pode então ser dimensionado a partir da ondulação da tensão
adotada, pela equação 2.46:
(2.46)
40
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Controlo do conversor Boost com PWM
Os conversores DC-DC, normalmente usam um ou mais semicondutores de
potência que através das suas comutações transformam um nível de tensão contínua à
entrada, noutro nível de tensão desejado à saída. Neste tipo de conversores, com um
dado valor de tensão na entrada, é possível controlar o nível da tensão na saída
controlando a duração dos tempos de comutação (
e
) do semicondutor de
potência. Um dos métodos usados, denomina-se modulação por largura de impulso,
com a sigla PWM que resulta do inglês Pulse-Width Modulation. Este método aplica
uma frequência de comutação fixa, onde o tempo de um período é
(
), que logicamente é também fixo. Neste método, o sinal PWM é gerado pela
comparação do nível de tensão de
com o nível de tensão de uma forma de onda
repetitiva [22], como se pode observar na Figura 2.26.
Figura 2.26 – Modulação por largura de impulso (a) Diagrama de blocos do controlo PWM (b) Comparação
dos sinais
com
[22]
Universidade do Minho
41
Sistema Solar Fotovoltaico
Pela análise da Figura 2.26, o sinal de
é gerado pela amplificação do
sinal de erro que por sua vez é dado pela diferença entre o valor da tensão desejada e o
valor da tensão atual na saída do conversor. De seguida, o sinal
é comparado
com um sinal de uma onda repetitiva, do tipo dente de serra (Sawtooth Wave),
resultando dessa comparação uma onda de frequência fixa, geralmente na ordem de
alguns kHz até algumas centenas de kHz, e com um período
. Quando o sinal
é maior que a onda dente de serra, o sinal de PWM é alto, estando o semicondutor de
potência em condução (estado ON). Por outro lado, quando o sinal
é menor que
a onda dente de serra, o sinal de PWM é baixo, estando o semicondutor de potência sem
conduzir (estado OFF). O valor do duty-cycle pode ser calculado através:
(2.47)
Variando o duty-cycle, os tempos ON e OFF serão também alterados, deixando o
semicondutor mais ou menos tempo ligado, conforme a relação
.
Na Figura 2.27 está representado um circuito típico de controlo num conversor
Boost.
Figura 2.27 – Circuito elétrico do conversor Boost com controlo por PWM [22]
42
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
2.2.2 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Os sistemas solares fotovoltaicos são usados para fornecer energia a diversas
aplicações elétricas. No entanto, o custo da energia gerada é ainda um obstáculo para
uma maior aposta neste tipo de sistema de geração de energia, dado o baixo rendimento
das células solares e o elevado investimento inicial. Desta forma, é necessário um
método para extrair a máxima potência gerada pelo painel, aumentando a eficiência do
sistema que levará a uma queda no custo da energia gerada.
Na Figura 2.28 está representada a curva I-V de um painel solar fotovoltaico,
onde se pode observar que só existe um valor de tensão (
(
) e um valor de corrente
) no qual o painel fornece a máxima potência. Esse é o ponto de máxima potência
(MPP – Maximum Power Point) de um painel solar fotovoltaico.
Figura 2.28 – Curva característica I-V de um painel solar fotovoltaico
No entanto, o ponto de máxima potência varia a sua posição, pois a curva I-V
também se altera em função das condições atmosféricas como a radiação solar e a
temperatura das células solares. Devido a essa variação, existe então a necessidade de
um sistema que detete e acompanhe o deslocamento desse ponto, extraindo sempre a
máxima potência a cada instante.
O seguidor do ponto de máxima potência, designado por MPPT (Maximum
Power Point Trancking), é um algoritmo de controlo que permite, neste caso, ao
conversor DC/DC colocar os painéis a operarem no ponto de máxima potência em cada
instante, através da variação do valor do duty-cycle do conversor, valor esse calculado
pelo algoritmo. A Figura 2.29 mostra o diagrama de blocos de um sistema MPPT.
Universidade do Minho
43
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.29 – Diagrama de blocos de um sistema MPPT
Métodos de busca do ponto de máxima potência
Atualmente, devido ao grande crescimento do número aplicações desta
tecnologia, existem inúmeros artigos técnicos sobre métodos de busca do MPP. Esses
métodos variam principalmente na complexidade de implementação, velocidade de
convergência, custos, sensores necessários, eficiência, implementação de hardware,
entre outros aspetos. Contudo, apesar de todos os métodos existentes, há aqueles que
são mais usados em detrimento de outros, pelo seu conhecimento mais aprofundado,
onde se destacam os algoritmos de Tensão Constante (CV), Corrente Constante,
Perturbação e Observação (P&O) e Condutância Incremental (IncCond), os quais serão
analisados seguidamente.
Método da Tensão Constante (CV)
Este é um dos métodos mais simples para a busca do MPP. Este método
baseia-se no facto de existir uma relação entre a tensão de máxima potência (
tensão de circuito aberto (
)ea
), assumindo que as variações da radiação solar assim
como a temperatura da célula são insignificantes na tensão de máxima potência [24],
como se pode observar na Figura 2.30, onde está representada a curva característica da
corrente pela tensão do painel.
44
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 2.30 – Curva I-V do painel solar fotovoltaico [26]
Essa relação é dada pela seguinte equação:
(2.48)
Onde
é a constante de proporcionalidade e depende dos parâmetros dos
painéis solares, o qual não é fácil de determinar e é geralmente calculado por meios
empíricos. Este fator assume normalmente valores entre o 0,71 e o 0,78 [24], sendo 0,76
o valor mais usado [25]. Depois de determinado o valor do fator de tensão ( ) e de
medido o valor da tensão de circuito aberto (
máxima potência (
), pode calcular-se o valor da tensão de
) através da equação 2.48.
Uma das desvantagens deste método é que os painéis estão constantemente a ser
desligados do conversor por um curto período de tempo para se medir o valor da tensão
de circuito aberto, levando a uma redução da eficiência do sistema, sendo que este valor
é afetado pela temperatura das células solares podendo induzir um erro na relação
.
Contudo, o facto de o ponto de máxima potência ser encontrado rapidamente, é uma
vantagem deste método [26].
Método da Corrente Constante
Este método baseia-se no facto de que a corrente no ponto de máxima potência
tem uma relação aproximadamente linear com a corrente de curto-circuito (
), mesmo
sob diferentes condições atmosféricas [24]. A relação é dada pela seguinte equação:
(2.49)
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45
Sistema Solar Fotovoltaico
Onde
é a constante de proporcionalidade e da mesma forma que no método
da tensão constante, deve ser calculado de acordo com o painel solar fotovoltaico usado,
mas normalmente assume valores entre 0,78 e 0,92 [24]. Uma vez calculado
medido o valor de
e de
, o valor da corrente no ponto de máxima potência pode ser
calculado pela equação 2.49.
A medição da corrente de curto-circuito é um problema deste método,
solucionado por um interruptor no conversor de potência para possibilitar a criação
periódica de um curto-circuito ao painel solar fotovoltaico, para que através de um
sensor de corrente se possa medir a corrente de curto-circuito. Isto leva ao aumento do
número de componentes e consequente aumento de custos [24].
Método da Perturbação & Observação (P&O)
Este é talvez o método mais usado [24] como seguidor do ponto de máxima
potência pela sua facilidade de implementação. Durante a operação deste método, é
introduzida uma perturbação na tensão do painel e de seguida é feita a mediação da
potência. Se com essa perturbação a potência aumenta, então significa que o ponto de
operação do painel está a mover-se na direção do MPP, devendo a perturbação na
tensão no ciclo seguinte ser no mesmo sentido da perturbação anterior. No caso de a
potência diminuir, significa que o ponto de operação do painel se está a afastar do MPP,
devendo a perturbação no ciclo seguinte ser no sentido oposto ao do ciclo anterior. O
comportamento da potência em função da perturbação é mostrado na Tabela 2.2.1.
Tabela 2.2.1– Comportamento da potência em função da perturbação [24]
Perturbação
Alteração na Potência
Perturbação Seguinte
Positiva
Positiva
Positiva
Positiva
Negativa
Negativa
Negativa
Positiva
Negativa
Negativa
Negativa
Positiva
Uma desvantagem deste método é que nunca se irá atingir realmente o MPP,
visto que a perturbação é contínua. O ponto de operação do painel irá oscilar em torno
do MPP mas sem nunca o atingir. Uma perturbação pequena aproxima o ponto de
operação do painel do MPP, mas torna o sistema muito lento, demorando muito tempo
46
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
para encontrar o MPP. Uma outra desvantagem é o facto de este método poder perder a
localização do MPP sob rápidas mudanças das condições climatéricas. No caso de um
decréscimo na irradiação, que se reflete na curva P-V do painel como mostra a Figura
2.32, e o ponto de operação do painel que se situava no ponto A, irá passar para o ponto
B. Apesar de uma diminuição da potência, esta não foi causada por uma perturbação na
tensão do painel, que no entanto irá induzir o algoritmo em erro, não tendo uma
interpretação correta do sucedido, que por consequência irá introduzir uma perturbação
no sentido errado no ciclo seguinte, levando a mais perdas [26].
O fluxograma deste método está representado na Figura 2.31. Inicialmente, são
lidos os valores da corrente e da tensão do painel solar de forma a ser calculada a
potência. De seguida calcula-se a diferença entre a potência atual e a potência da
medição anterior, e calcula-se também a diferença entre a tensão atual e a tensão da
medição anterior. Se dP>0, significa que a potência aumentou, verificando de seguida se
dV>0, introduzindo uma alteração (ΔV) na tensão de referência em função do resultado
de dV. Da mesma forma, se a potência diminuir, verifica-se a evolução da tensão do
painel, e introduz-se uma alteração na tensão de referência em função dessa evolução.
Figura 2.31 – Fluxograma do método da Perturbação & Observação
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47
Sistema Solar Fotovoltaico
Método da Condutância Incremental (IncCond)
A vantagem deste método sobre o método da Perturbação e Observação é que
este método calcula a direção da variação sem ter que fazer uma variação constante da
tensão [26]. O princípio de operação deste método é baseado na inclinação da curva
característica da potência pela tensão (P-V) do painel solar fotovoltaico, como a da
Figura 2.32.
Figura 2.32 – Curva P-V do painel solar fotovoltaico [26]
Este método é capaz de detetar se o MPP é atingido ou não, pela relação
.O
MPP é atingido quando a relação é igual a zero, está a operar do lado esquerdo do MPP
quando a relação é positiva e do lado direito quando a relação é negativa:
⇒ está a operar do lado esquerdo do MPP
(2.50)
⇒ está a operar do lado direito do MPP
(2.51)
⇒ está a operar no MPP
(2.52)
Como:
(2.53)
48
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Então as equações 2.50, 2.51 e 2.52 podem ser reescritas, respetivamente, por:
⇒ está a operar do lado esquerdo do MPP
(2.54)
⇒ está a operar do lado direito do MPP
(2.55)
⇒ está a operar no MPP
(2.56)
Na Figura 2.33, podemos observar o fluxograma deste método. Inicialmente são
lidos os valores atuais da tensão (
) e corrente (
) do painel solar fotovoltaico e
posteriormente são calculadas as diferenças entre os valores atuais e os valores da
medição anterior . De seguida é verificado se a diferença entre a tensão atual e a tensão
da medição anterior é nula. No caso de não ser, o algoritmo vai fazer a comparação da
relação
com
. No caso de as relações serem iguais, pela equação 2.56, significa
que o painel está a operar no MPP e por isso não é realizada nenhuma operação. No
caso de
e
.terem valores diferentes, o algoritmo ajusta a tensão
de forma a
modificar a tensão de operação do painel até à tensão de máxima potência. Quando o
sistema já opera no MPP, ΔV=0, o algoritmo verifica se a diferença entre a corrente
atual e a corrente da medição anterior é zero. Caso isso se verifique, não é realizada
nenhuma operação, voltando o algoritmo ao início, mas caso isso não se verifique,
será ajustada conforme essa diferença seja positiva ou negativa.
Este é um método que consegue acompanhar o MPP com grande velocidade e
precisão em vez de oscilar em torno deste, mesmo sob rápidas mudanças das condições
climatéricas, quando comparado com o método de P&O. No entanto, requer mais
processos de cálculo diminuindo a velocidade de amostragem, tornado este método
mais complexo, sendo esta a sua principal desvantagem [24].
Universidade do Minho
49
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.33 – Fluxograma do método da condução incremental [25]
2.2.3 Inversor
O inversor é um circuito eletrónico que tem como objetivo produzir uma tensão
sinusoidal à sua saída de magnitude e frequência variáveis, a partir de uma fonte de
tensão DC na sua entrada, sendo circuitos bastante usados em aplicações industriais
como por exemplo motores de corrente alternada e fontes de tensão reguladas.
Num sistema solar fotovoltaico a tensão produzida pelos painéis solares
fotovoltaicos é contínua, enquanto a tensão da rede assim como a tensão consumida pela
generalidade das cargas é alternada, havendo então a necessidade de conversão. Nestes
sistemas, o inversor é o ultimo circuito eletrónico de interface entre o painel e a carga
ou rede elétrica, permitindo obter uma tensão alternada com as características desejadas.
Nesta dissertação, o objetivo é alimentar uma carga monofásica com 230V e 50Hz,
50
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
características da rede elétrica nacional. A seguinte análise ao inversor será feita com
base em [22].
Apenas será feita uma análise aos inversores do tipo VSI (Voltage Source
Inverter) monofásicos, com o objetivo de produzir uma tensão alternada de magnitude e
frequência controladas para alimentar uma carga monofásica. Os inversores VSI podem
ser divididos dentro de três categorias diferentes, tais como:

Inversor PWM: A tensão na sua entrada é contínua e de magnitude
constante, controlando este inversor a magnitude e frequência da tensão
na sua saída através da modulação por largura de impulso, discutida mais
à frente, de forma a obter uma onda o mais próxima possível de uma
onda sinusoidal.

Inversor de onda quadrada: Neste inversor, a tensão contínua na sua
entrada é controlada de forma a controlar a magnitude da tensão
alternada na sua saída. Este inversor apenas responsável por controlar a
frequência da tensão de saída, que tem uma forma de onda similar a uma
onda quadrada.

Inversor monofásico com anulação de tensão: Este tipo de inversor
apenas permite topologias monofásicas e combina as características dos
dois inversores referidos anteriormente, ou seja, este inversor permite
controlar a magnitude e frequência da tensão na sua saída, apesar de a
tensão na sua entrada ser de magnitude constante mas os interruptores do
inversor não serem comandados por modulação de largura de impulso. A
forma da onda na saída deste inversor assemelha-se a uma onda
quadrada.
Inversor Monofásico em Meia Ponte
O inversor monofásico em meia ponte, representado na Figura 2.34(a), tem dois
condensadores de igual capacidade conectados em série paralelamente à entrada,
dividindo a tensão de entrada em duas partes iguais ( ). Quando o semicondutor de
potência T+ é ligado, T+ e D+ entram em condução, dependendo do sentido da corrente
de saída ( ) e esta divide-se igualmente pelos dois condensadores, como mostra a
Figura 2.34(b). Da mesma forma, quando T- é ligado, T- e D- entram em condução,
dependendo do sentido da corrente de saída ( ), dividindo-se esta de forma equitativa
pelos dois condensadores, como ilustrado na Figura 2.34(c).
Universidade do Minho
51
Sistema Solar Fotovoltaico
Figura 2.34 – (a) Inversor monofásico em meia ponte (b) Inversor monofásico em meia ponte com T+ em
condução (c) Inversor monofásico em meia ponte com T- em condução[27]
Inversor Monofásico em Ponte Completa
O inversor monofásico em ponte completa, representado na Figura 2.35(a), é
formado por dois inversores monofásicos em meia ponte, sendo este inversor mais
indicado para aplicações de grande potência, ao contrário do inversor monofásico em
meia ponte, que é mais indicado para aplicações de baixa potência. A tensão de saída
num inversor em ponte completa é duas vezes maior que a tensão de saída de um
inversor em meia ponte, para a mesma tensão no barramento DC. Isto implica que para
a mesma potência, a corrente na saída e nos semicondutores de potência tenha metade
do valor comparativamente ao inversor em meia ponte. Esta é uma grande vantagem
para potências elevadas, pois requer menos dipositivos em paralelo.
O seu funcionamento é dividido em três fases. A primeira fase, representada na
Figura 2.35(b), acontece quando os semicondutores de potência
conduzir em simultâneo e a tensão na carga é
semicondutores de potência
52
e
e
estão a
. Na segunda fase, são os
em condução simultânea, sendo a tensão na
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
carga o inverso da tensão de entrada
, como mostra a Figura 2.35(c). A terceira
fase acontece quando todos os semicondutores de potência
,
,
e
não
estão em condução e a tensão na carga é zero.
Figura 2.35 – (a) Inversor monofásico em ponte completa (b) Inversor monofásico em ponte completa com
e
em condução (c) Inversor monofásico em ponte completa com
e
em condução[27]
Controlo por Modulação de Largura de Impulsos (PWM)
Como dito anteriormente, o objetivo de um inversor é converter uma tensão
contínua de magnitude constante na entrada numa tensão sinusoidal com valores de
magnitude e frequência de 230V e 50Hz, respetivamente. Para isso, o controlo dos
semicondutores de potência do inversor monofásico será por modulação de largura de
impulsos. Assim, os sinais de controlo dos semicondutores de potência são gerados
através da comparação de um sinal de controlo sinusoidal (
onda triangular (
) com uma forma de
) como mostra a Figura 2.36. A onda triangular, também apelidada
de onda portadora, apresenta uma frequência
que define a frequência com que os
semicondutores de potência do inversor são comutados. Quanto ao sinal de controlo,
este é usado para modular a frequência de comutação e tem uma frequência
Universidade do Minho
, também
53
Sistema Solar Fotovoltaico
designada por frequência de onda moduladora, que é a frequência fundamental
pretendida para a tensão na saída do inversor. Obtendo-se então uma onda sinusoidal na
saída do inversor, esta não será perfeita pois contém componentes harmónicas da
frequência
. A relação de modulação em amplitude (
) é dada por:
(2.57)
Onde
é o valor de pico do sinal de controlo e a amplitude de
do
sinal triangular é geralmente mantida constante.
Figura 2.36 – Modulação por largura de impulso [22]
A modulação de frequência é dada por:
(2.58)
54
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Controlo por PWM Bipolar
No controlo do inversor monofásico em ponte completa com PWM bipolar, os
semicondutores de potência funcionam aos pares (
) e (
), ligando e
desligando alternadamente. Com este tipo de controlo, a forma de onda da tensão na
saída no braço A do inversor é semelhante à forma de onda na saída do inversor em
meia ponte, a qual é determinada pelo mesmo método de comparação entre
e
como mostra a Figura 2.37. A saída no braço B do inversor é o inverso da saída no
braço A. Assim, quando
estão em condução e
e
respetivamente:
(2.59)
E:
(2.60)
Figura 2.37 – Modulação PWM com tensão de comutação bipolar [22]
Universidade do Minho
55
Sistema Solar Fotovoltaico
Controlo por PWM Unipolar
Neste tipo de controlo por PWM com uma tensão unipolar de comutação, os
semicondutores de potência nos dois braços do inversor em ponte completa não
comutam em simultâneo, contrariamente ao que se sucede no controlo por PWM
bipolar. O controlo dos braços A e B do inversor em ponte completa é feito
separadamente pela comparação de
e –
com
Figura 2.38(a) mostra a comparação de
com
, respetivamente. A
, resultando nos seguintes
sinais lógicos de controlo do braço A, também representados na Figura 2.38(b):
(2.61)
No controlo dos semicondutores de potência do braço B,
com a mesma onda
é comparado
, que resulta nos seguintes sinais lógicos de controlo, também
representados na Figura 2.38(c):
(2.62)
Na Figura 2.38(d), pode-se observar que a tensão na saída do inversor situa-se
entre 0 e
ou entre 0 e –
.
As formas de onda da Figura 2.38, mostram que existem quatro combinações
para a comutação dos semicondutores de potência com os seguintes níveis de tensão
correspondentes:
1.
2.
3.
(2.63)
4.
Pela análise das equações 2.63, pode-se concluir que quando os dois
semicondutores de potência da parte superior ou inferior do inversor são ligados em
simultâneo, a tensão na saída do inversor é zero.
56
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 2.38 – Modulação PWM com tensão de comutação unipolar [22]
2.2.4 Topologias de ligação entre painéis solares fotovoltaicos
e a rede elétrica
A energia solar fotovoltaica pode ter um grande aumento no seu aproveitamento
quando o custo da energia gerada for mais reduzido, melhorando a eficiência e
fiabilidade destes sistemas de geração de energia. Sendo o inversor um elemento do
sistema com um custo na ordem dos 15 a 25% do custo total [28], as topologias de
Universidade do Minho
57
Sistema Solar Fotovoltaico
ligação com a rede e o seu controlo, parecem ser um assunto pertinente para
melhoramento da eficiência do sistema solar fotovoltaico e consequente redução no
custo da energia gerada. Existem atualmente quatro topologias diferentes, cada uma
com as suas características oferecendo soluções para as diferentes condições locais e
finalidade do sistema [28][29]. As quatro topologias são:

Inversor Central: Inicialmente esta era a topologia usada. Os painéis
podem ser associados em série formando cadeias chamadas strings, que
são depois conectadas em paralelo ao inversor, como mostra a Figura
2.39(a). Esta topologia tem a desvantagem de usar apenas um inversor,
que em caso de falha, afeta todo o sistema. Além disso, pode não ser
muito eficiente pois pode acontecer que os painéis de cada string tenham
orientação e sombreamento diferentes, reduzindo o aproveitamento
ótimo de cada painel. O cabo DC de alta tensão para ligação das várias
strings ao inversor, assim como as perdas nos díodos de cada string irão
também diminuir a eficiência energética. No entanto acaba por ser uma
topologia com baixo custo e ainda assim ter uma boa eficiência [28][29].

Inversor String: Esta topologia, ilustrada na Figura 2.39(b), é muito
idêntica à topologia anterior, com a diferença de cada string ter um
inversor associado, sem díodo e portanto sem as perdas resultantes nele,
ou seja, todas as strings são independentes, aproveitando cada uma o
máximo da energia dos painéis independentemente das outras, reduzindo
os efeitos das diferentes orientações e diferentes sombreamentos sofridos
pelos painéis em cada string. Esta tem sido a topologia tem a
desvantagem em relação ao inversor central de ter um custo um pouco
mais elevado, mas em compensação tem uma maior eficiência [28][29].

Inversor Multi-String: Basicamente esta é uma topologia inversor string
mas com um inversor com duas ou três entradas. A desvantagem é que
necessita de dois estágios conversores. Cada string usa um conversor
DC-DC com um controlo com MPPT e um conversor DC-AC, como
mostra a Figura 2.39(c), permitindo diferentes potências em cada string,
e possibilitando uma vasta gama de tensões na entrada, obtendo-se uma
alta eficiência energética [28][29].

Painel AC: Cada inversor está integrado apenas com um único painel,
como mostra a Figura 2.39(d), podendo ser de tamanho muito reduzido
58
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
devido a baixa potência gerada por cada painel, sendo útil quando a
questão em relação ao espaço é importante tendo também como
vantagem que nesta configuração não existe uma rede de cabos DC.
Contudo apresenta várias desvantagens, como os baixos níveis de
potência gerada por cada unidade levando a uma baixa eficiência e a
elevados custos [28][29].
Figura 2.39 – Topologias de ligação entre painéis solares fotovoltaicos e a rede elétrica (a) Inversor Central (b)
Inversor String (c) Inversor Multi-String (d) Painel AC
A presente dissertação baseou-se na topologia Multi-String, com dois estágios
conversores. Um conversor DC-DC com um controlo com MPPT e um conversor
AC-DC.
2.3 Conclusões
Pode-se então concluir que a análise do circuito elétrico completo de uma célula
solar fotovoltaica não se justifica, pois a sua complexidade de análise não traz melhorias
significativas no rendimento da célula, sendo suficiente a análise ao circuito elétrico
simplificado de forma a compreender o funcionamento da célula. Foram ainda feitas as
deduções matemáticas e analisadas as curvas I-V e P-V tantos dos painéis como das
Universidade do Minho
59
Sistema Solar Fotovoltaico
células, de forma a compreender o seu funcionamento, podendo-se concluir que as suas
características de funcionamento são influenciadas por fatores climatéricos. Então como
analisado, a potência gerada pelo painel solar fotovoltaico é proporcional à radiação
solar incidente. Quando surgem influências na radiação solar, como nuvens, sombras ou
até mesmo a sujidade dos painéis, o rendimento do painel é influenciado. A temperatura
das células do painel afeta também o rendimento do painel, não com o mesmo grau de
influência da radiação incidente, mas ainda assim o rendimento será maior para baixas
temperaturas.
Foram analisados os métodos de busca do ponto de máxima potência mais
usados, como o da Perturbação & Observação, Tensão Constante, Corrente Constante e
Condutância Incremental com o intuito de se analisar as suas vantagens e desvantagem
para uma escolha sustentada de forma a aplicar no trabalho desta dissertação.
Concluiu-se que os métodos da Tensão Constante e Corrente Constante são os métodos
mais simples no que respeita a implementação, no entanto não são os métodos mais
eficientes e necessitam de mais componentes, aumentado os custos. Já o método da
Perturbação & Observação é relativamente de fácil implementação e apresenta uma boa
eficiência. A sua maior desvantagem será o facto de nunca operar no MPP, mas sim em
torno dele, aliando também o facto de este método apresentar alguns problemas perante
mudanças repentinas das condições climatéricas. O método da Condutância Incremental
é o que apresenta maior complexidade de implementação, mas que oferece maior
eficiência e precisão, operando no MPP mesmo sob mudanças repentinas das condições
climatéricas, quando comparado com o método da Perturbação & Observação.
As análises aos circuitos conversores DC-DC e DC-AC foram feitas de forma a
selecionar a topologia que mais se adequava as necessidades do projeto. Foi feita uma
análise pormenorizada ao funcionamento do conversor Boost, assim como à sua técnica
de controlo por PWM, por se tratar de um conversor elevador de tensão, satisfazendo as
necessidades do projeto. Da mesma forma foi feita também uma análise ao
funcionamento dos conversores DC-AC, com o inversor monofásico em ponte completa
a ser preferido em detrimento do inversor monofásico em meia ponte, devido à
capacidade de obter na saída o dobro da tensão, em comparação com o inversor em
meia ponte, para a mesma tensão DC, assim como se analisaram as técnicas de controlo
por PWM Unipolar e Bipolar.
60
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Capítulo 3
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Neste capítulo será apresentado o painel solar fotovoltaico escolhido e será feito
o dimensionamento do conversor Boost e do Inversor monofásico em ponte completa
através da análise feita no capítulo anterior para ambos os circuitos. Após o
dimensionamento, serão feitas simulações computacionais a ambos os circuitos antes da
implementação prática, de forma a ser conhecido previamente o seu comportamento.
Assim, com recurso a um método de simulação computacional adequado é possível
prever os resultados, ajudando também a analisar o comportamento dos circuitos nos
seus limites de operação, reduzindo os custos, os riscos e o tempo de elaboração do
projeto, permitindo ainda melhorar e aperfeiçoar os circuitos simulados.
Cada vez mais, existem no mercado vários softwares de simulação. Para a
elaboração das simulações computacionais nesta dissertação, o software escolhido foi o
PSIM por ser um software projetado para eletrónica de potência e para simulação de um
sistema dinâmico, oferecendo também simulações rápidas e com interface amigável
para o utilizador. Apesar destas vantagens, o facto de ser este o software escolhido
também se deve à experiencia adquirida na elaboração de trabalhos anteriores, que
facilitou a sua utilização.
3.1 Painel Solar Fotovoltaico
Apesar da indisponibilidade de ser usado um painel solar fotovoltaico na
implementação prática do projeto desta dissertação, foi usado o modelo físico de um
painel solar fotovoltaico nas simulações computacionais, disponibilizado pelo software
de simulação PSIM, para melhor compreensão do funcionamento dos painéis. O modelo
disponibilizado tem os parâmetros definidos correspondentes a um painel solar da
marca Solarex, modelo MSX-60, representado na Figura 3.1, e as suas curvas
características I-V e P-V podem ser observadas na Figura 3.2. Este modelo simula o real
comportamento do painel solar tendo em consideração a radiação solar incidente assim
como a temperatura ambiente. As curvas I-V e P-V da Figura 3.2, resultam da
simulação do painel solar fotovoltaico nas condições padrão STC, ou seja, 1000
de radiação solar incidente e 25°C de temperatura ambiente.
Universidade do Minho
61
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Figura 3.1 – Modelo físico de um painel solar fotovoltaico disponibilizado pelo software de simulação PSIM
Figura 3.2 – Parâmetros e curvas características do painel solar fotovoltaico MSX-60 da Solarex
62
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
No entanto, um painel solar apenas, gera pouca potência, cerca de 60W,
surgindo então a necessidade de agrupar vários painéis solares de forma a se obter uma
potência maior. Optou-se então pelo uso de 18 painéis solares, conectados em série,
para que a diferença de potencial entre os terminais do conjunto de painéis seja maior.
Com isto, a potência máxima gerada pelos 18 painéis solares é de 1080W, obtendo-se
uma diferença de potencial entre os terminais do conjunto de painéis de 307,8V para a
potência máxima. Foram então ajustados os parâmetros do modelo físico do painel solar
disponibilizado pelo software de simulação, obtendo-se as seguintes curvas I-V e P-V
representadas na Figura 3.3, correspondentes ao conjunto de 18 painéis solares, nas
condições padrão STC.
Figura 3.3 - Parâmetros e curvas características do conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos MSX-60 da
Solarex conectados em série
3.2 Conversor Boost
O dimensionamento de todos os componentes constituintes deste conversor foi
feito com base na análise teórica feita na secção 2.2.1, e de acordo com as
Universidade do Minho
63
Dimensionamento e Simulações Computacionais
características e configuração do conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos
parametrizados no subcapítulo 3.1.
Pretende-se dimensionar um conversor Boost com as seguintes características:





Assumindo-se um circuito ideal e portanto sem perdas,
:
o
O cálculo do valor de duty-cycle é feito através da relação entre a tensão de saída
e a tensão de entrada expressa pela equação 3.1:
(3.1)
A bobina deve ser dimensionada de forma a garantir que o conversor Boost
funcione no modo de condução contínua. Para isso, o cálculo do valor da indutância
mínima da bobina na qual o conversor funciona no modo de condução contínua é feito
através da igualdade da corrente mínima na bobina a zero. A bobina terá então que ter
um valor de indutância maior ou igual ao valor dado pela equação 3.2:
(3.2)
Assumindo que o valor máximo do ripple na tensão de saída seja de 1%
(
), o valor da capacidade mínima do condensador é calculada pela equação
3.3:
64
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
(3.3)
Seguidamente será feita a simulação computacional ao conversor Boost
dimensionado para análise do seu comportamento, estando o modelo e o seu sistema de
controlo em malha aberta, simulado no PSIM, representado na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Conversor Boost implementado no PSIM
O modelo simulado é alimentado pelo conjunto de 18 painéis solares
fotovoltaicos ligado em série, com 307,8V, sendo esta tensão elevada para 400V à saída
do conversor Boost. O valor da bobina usado nas simulações foi de 500µH e o
condensador com valor igual a 10µF, sendo que estes valores são superiores aos valores
mínimos calculados para que o conversor Boost funcione no modo de condução
contínua. O valor da carga resistiva é de 150Ω. Foi usado um MOSFET como
semicondutor de potência que comuta com uma frequência de 25kHz e um duty-cycle
de 23%. Da simulação, resultaram as formas de onda apresentadas em seguida, que
permitem avaliar o comportamento do conversor.
Na Figura 3.5, estão representadas as formas de onda da tensão de entrada (
e da tensão de saída (
)
) do conversor Boost. Tal como esperado, o conversor eleva a
tensão de entrada no valor de 307,8V para os 400V na saída.
Universidade do Minho
65
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Figura 3.5 – Tensão de entrada (
) e tensão de saída (
) do conversor Boost
A Figura 3.6, representa o ripple na tensão de saída do conversor Boost, o qual
se verifica que está abaixo de 1% tal como estava previsto. Já na Figura 3.7, está
representada a forma de onda da corrente na saída do conversor.
Figura 3.6 – Ripple na tensão de saída (
Figura 3.7 – Corrente na saída (
66
) do conversor Boost
) do conversor Boost
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Na Figura 3.8, está representa a forma de onda da corrente na bobina. Pela
observação desta, é possível verificar que o conversor Boost funciona realmente no
modo de condução contínua pois a corrente na bobina é sempre superior a zero.
Figura 3.8 – Corrente na bobina
De forma a poder ser escolhido um MOSFET que melhor se adeque às
necessidades do projeto, a observação das ondas da tensão drain-source (
),
representada na Figura 3.9(a) e da corrente de drain ( ), representada na Figura 3.9(b),
torna-se fundamental.
Figura 3.9 – (a) Tensão drain-source (
Universidade do Minho
) no MOSFET (b) Corrente de drain ( ) do MOSFET
67
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Assim, pela análise de ambas as formas de onda da Figura 3.9, verifica-se que o
MOSFET deve suportar uma tensão
superior a 400V e uma corrente de drain
superior a 6A.
O sinal de controlo do MOSFET (PWM), representado na Figura 3.10(b), resulta
da comparação dos sinais
e
representados na Figura 3.10(a). Sempre que
, na saída do comparador irá sair um sinal que irá ativar a gate do
MOSFET, entrando este em condução. Quando
, na saída do comparador
não sairá nenhum sinal, desativando a gate do MOSFET, deixando este de conduzir.
Figura 3.10 – (a) Comparação entre a onda triangular (
) e a tensão de controlo (
gerado pela comparação da onda triangular (
) e da tensão de controlo (
) (b) Sinal PWM
)
3.3 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
O MPPT é um método de controlo para que o conversor Boost seja capaz de
otimizar a extração de energia produzida pelos 18 painéis, colocando-os a operar no
ponto de máxima potência. A Figura 3.11, mostra o conversor Boost implementado no
PSIM, com o seu respetivo controlo. O MPPT usa o algoritmo da Perturbação &
Observação (P&O), que vai gerar um sinal de controlo (
ser comparado com uma onda triangular (
para posteriormente
) gerando assim o sinal de PWM
correspondente.
68
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 3.11 - Conversor Boost implementado no PSIM com MPPT
O bloco MPPT tem como entradas o valor da corrente gerada pelo conjunto de
18 painéis solares (
(
), assim como o valor da tensão aos terminais desse conjunto
). Através dos cálculos efetuados pelo algoritmo P&O é então gerada uma tensão
de controlo (
que ao ser comparada com uma onda triangular, gera um sinal de
PWM que comuta o semicondutor de potência de forma a permitir ao conversor Boost
otimizar a extração de energia produzida pelo conjunto de painéis. O modelo do painel
solar usado nas simulações no PSIM, indica qual a máxima potência gerada pelo
conjunto de painéis através de
. Desta forma, para confirmar se o MPPT
acompanha o ponto de máxima potência, fez-se variar a radiação incidente entre
e
potências de entrada (
tal como representado na Figura 3.12, e verificar se as
) e de saída (
) do conversor Boost acompanham a máxima
potência gerada pelo conjunto de painéis (
). Tal como mostra a Figura 3.13,
pode-se concluir então que o sistema de controlo está a rastrear o ponto de máxima
potência do conjunto de painéis solares, pois a potência de entrada assim como a
potência de saída do conversor acompanham a máxima potência gerada.
Universidade do Minho
69
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Figura 3.12 – Valor da radiação solar incidente no conjunto de 18 painéis solares fotovoltaicos
Figura 3.13 – Formas de onda da máxima potência gerada pelos painéis (
), da potência de entrada (
do conversor Boost e da potência de saída (
) do conversor Boost
Na Figura 3.14, está representada a tensão de controlo (
)
) gerada pelo
algoritmo da P&O do MPPT, que é depois comparada com uma onda triangular com
amplitude igual a 492V, para gerar o sinal de PWM.
Figura 3.14 – Tensão de controlo gerada pelo MPPT
70
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
3.4 Inversor Monofásico em Ponte Completa
Foram simulados dois modelos do inversor monofásico em ponte completa, um
com filtro LC passa-baixo na saída, representado na Figura 3.15, e outro sem filtro LC
passa-baixo na saída. Ambos os modelos são formados pelo circuito inversor, assim
como o seu sistema de controlo por PWM unipolar.
Figura 3.15 – Inversor Monofásico em Ponte Completa implementado no PSIM
Nesta dissertação é o conversor Boost que alimenta o inversor, portanto
considera-se que a potência fornecida pelo conversor Boost é aplicada aos terminais do
inversor. Desta forma, para o cálculo da carga resistiva do inversor em função da
potência na saída, deve ter-se em consideração o facto de o valor eficaz da tensão na
saída do inversor depender do índice de modulação (
que divide o valor de pico da onda de controlo (
portadora (
), calculado pela equação 2.57,
) pelo valor de pico da onda
), representadas na Figura 3.16, resultando num índice de modulação
com amplitude dada pela seguinte equação:
(3.4)
Com a inclusão de um filtro LC passa-baixo na saída do inversor, considera-se
que o filtro elimina todos os harmónicos, com exceção da componente fundamental.
Desta forma, pela equação 3.5, o valor de pico da tensão na saída do inversor toma o
valor da tensão do barramento DC (
Universidade do Minho
).
71
Dimensionamento e Simulações Computacionais
(3.5)
Com isto, considerando o inversor um circuito ideal e consequentemente sem
perdas, a potência de entrada é igual à potência de saída. Neste caso, a potência de
entrada, que é fornecida pelo conversor Boost tem o valor de 1080W. Assim, a
resistência de carga foi dimensionada, considerando-se o valor eficaz da tensão na saída
do inversor, pela equação 3.6:
(3.6)
Contudo, sem o filtro LC passa-baixo na saída do inversor, os harmónicos não
são eliminados, o que para a mesma resistência de carga, no valor de 75Ω, a potência na
saída será maior.
No controlo do inversor, optou-se pela técnica de controlo PWM Unipolar em
detrimento da técnica PWM Bipolar, pela vantagem de se obter menor conteúdo
harmónico na tensão na saída do inversor. A técnica de controlo por PWM unipolar
consiste na comparação de uma onda triangular (
) com duas outras ondas
sinusoidais. O controlo do braço A e do braço B do inversor em ponte completa é feito
separadamente pela comparação de
com
e
, respetivamente,
como mostra a Figura 3.16.
Figura 3.16 – Controlo do Inversor por PWM Unipolar
72
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Pela observação da figura, pode-se constatar que
e
tem um
período de 20ms, correspondente a uma frequência de 50Hz, característica pretendida
para a tensão na saída do inversor.
A comutação dos semicondutores de potência do inversor é feita a uma
frequência de 10kHz, que é a frequência correspondente à onda triangular, resultando da
comparação desta com
e
os respetivos sinais de controlo,
representados na Figura 3.17.
Figura 3.17 – Sinais de controlo dos MOSFETS do inversor
Primeiro foi simulado o inversor monofásico em ponte completa sem filtro LC
passa-baixo na saída, com uma tensão contínua de 400V na entrada. A corrente e a
tensão na carga estão representadas na Figura 3.18, com a Figura 3.19 a ser um zoom da
tensão de saída para mostrar com maior detalhe a sequência de impulsos da forma de
onda.
Universidade do Minho
73
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Figura 3.18 – Formas de onda da tensão (
) e da corrente (
Figura 3.19 – Zoom da forma de onda da tensão (
) na saída do inversor sem filtro LC
) na saída do inversor sem filtro LC
De forma a se obter uma forma de onda sinusoidal na saída do inversor, foi
dimensionado um filtro LC passa-baixo. O filtro LC deve ser capaz de filtrar os
componentes harmónicos a partir de sensivelmente uma década abaixo da frequência de
comutação. O filtro LC passa-baixo é um filtro de segunda ordem e permite atenuar os
componentes harmónicos a uma cadência de 40 dB/década. Dado que a frequência de
comutação do inversor foi de 10kHz, a frequência de corte do filtro é:
(3.7)
74
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Considerando-se o uso de uma bobina existente com uma indutância no valor de
1mH, calculou-se o valor da capacidade do condensador do filtro LC pela equação 3.8:
(3.8)
Introduzindo o filtro LC passa-baixo na saída do inversor monofásico em ponte
completa, as formas de onda da tensão e corrente na saída ficam sinusoidais, como se
pode observar na Figura 3.20.
Figura 3.20 – Formas de onda da tensão (
) e da corrente (
) na saída do inversor com filtro LC
Para se selecionar os semicondutores de potência que melhor satisfazem as
necessidades do projeto, torna-se indispensável a observação das ondas da tensão
drain-source (
) e da corrente de drain ( ) nos MOSFETS, representadas na Figura
3.21 e na Figura 3.22, respetivamente.
Universidade do Minho
75
Dimensionamento e Simulações Computacionais
Figura 3.21 – Tensão drain-source (
) dos MOSFETS do inversor
Figura 3.22 – Corrente de drain ( ) nos MOSFETS do inversor
76
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Então, pela observação das ondas da tensão drain-souce e da corrente de drain
dos MOSFETS do inversor, verifica-se que os MOSFETS devem ser selecionados para
suportarem uma tensão drain-source superior a 400V e uma corrente de drain de pelo
menos 9A.
3.5 Conclusões
Neste capítulo foram dimensionados todos os componentes relativos aos
diferentes circuitos de interface entre os painéis solares fotovoltaicos e uma carga
monofásica. Seguidamente foram feitas as simulações computacionais em PSIM a todos
os circuitos constituintes do projeto, tais como o conjunto de 18 painéis solares
fotovoltaicos, o conversor Boost, ao método de controlo MPPT e ao inversor
monofásico em ponte completa.
A simulação do conversor Boost foi bastante útil do ponto de vista de validação
de todos os componentes dimensionados, assim como possibilitou um estudo mais
aprofundado ao funcionamento do mesmo, em função da variação dos valores dos
componentes dimensionados. Após a verificação dos resultados da simulação, foi
possível confirmar a função do conversor na sua tarefa de elevar a tensão de entrada
para os valores pretendidos na saída, assim como foi possível confirmar a operação do
conversor no modo de condução contínua.
Relativamente ao método de controlo com o seguidor do ponto de máxima
potência, as simulações comprovaram o sucesso da sua implementação, revelando que o
método permite ao conversor Boost otimizar a extração de energia produzida pelo
conjunto de painéis, colocando os painéis a operar no ponto de máxima potência,
validando o algoritmo da P&O implementado.
Quanto ao inversor monofásico em ponte completa, foram simulados dois
circuitos, um com filtro LC passa-baixo na saída, e outro sem esse filtro. Pela análise
dos resultados pode-se concluir que ambas as configurações têm bons resultados,
apresentado a configuração com filtro LC na saída, uma onda sinusoidal com 400V de
pico e 50Hz de frequência tal como desejado.
Universidade do Minho
77
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Capítulo 4
Implementação e Resultados
Neste capítulo será feita uma descrição da implementação dos circuitos de
potência que fazem a interface entre painéis solares fotovoltaicos e uma carga
monofásica
assim
como
serão
apresentados
os
seus
respetivos
resultados,
descrevendo-se igualmente a implementação do sistema de controlo e da unidade de
medida, finalizando com uma análise a todos os resultados obtidos.
Na Figura 4.1, é possível observar a bancada de trabalho e o material usado para
a implementação e obtenção de resultados do projeto desta dissertação.
Figura 4.1 – Bancada de trabalho
O diagrama de blocos da Figura 4.2, representa todo o sistema implementado,
constituído pelos circuitos de potência, pelo sistema de controlo e pela unidade de
medida.
Devido à indisponibilidade de se obter painéis solares fotovoltaicos para a
realização da dissertação, recorreu-se a um retificador, de forma a retificar a tensão da
rede elétrica, que em conjunto com um VARIAC permitiu emular o painel solar. É a
este conjunto, retificador mais VARIAC representado na Figura 4.3, a que se refere ao
longo da dissertação quando mencionamos o uso do painel solar fotovoltaico.
Universidade do Minho
79
Implementação e Resultados
Figura 4.2 – Diagrama de blocos de todo o sistema implementado
Figura 4.3 – Conjunto do retificador e VARIAC (para simular o painel solar fotovoltaico)
4.1 Sistema de Controlo
O sistema de controlo é uma parte fundamental de todo o projeto pois é
responsável por processar todos os dados de acordo com os objetivos pretendidos, de
forma a gerar corretamente todos os sinais de controlo a aplicar nos semicondutores de
potência dos circuitos de potência implementados e assim obter o bom funcionamento e
80
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
os resultados pretendidos para estes. O sistema de controlo é constituído pelo
microcontrolador, pelos acopladores óticos e pela unidade de medida.
4.1.1 Microcontrolador
Para
a
implementação
do
sistema
de
controlo,
foi
selecionado
o
microcontrolador PIC 18F4431da Figura 4.4, da Microchip.
Figura 4.4 – Microcontrolador PIC 18F4431 da Microship
A seleção deste microcontrolador deve-se ao facto deste englobar todos os
requisitos necessários para a elaboração do projeto, mas também por ser disponibilizado
de forma gratuita pelo seu fabricante. A baixa complexidade do circuito base para o seu
funcionamento, a simplicidade de programação assim como a disponibilidade de forma
gratuita do software de programação, foram também aspetos a ter em consideração.
Este é um microcontrolador com boas características para o controlo de sistemas
de eletrónica de potência, dotado de um módulo PWM dedicado à eletrónica, gerando
múltiplas saídas de PWM sincronizadas. Este módulo suporta oito canais que podem
funcionar de forma independente ou de forma complementar, isto é, para cada uma das
quatro saídas de PWM, existem outras quatro invertidas, bastante uteis para o controlo
dos semicondutores de potência do inversor, permitindo ainda programar o dead-time
de forma a impedir curto-circuitos durante as comutações dos semicondutores de
potência de cada braço do inversor. Este microcontrolador possui também um conversor
analógico-digital, tornando-o bastante útil na implementação deste projeto. Na Figura
4.5, é possível observar o diagrama de pinos do microcontrolador, sendo possível
identificar facilmente os pinos dos módulos PWM e do conversor ADC
(Analog-to-Digital Converter) [30].
Universidade do Minho
81
Implementação e Resultados
Figura 4.5 – Diagrama de pinos do microcontrolador PIC 18F4431 [30]
Os microcontroladores da família PIC permitem ser programados pela
linguagem Assembly ou pela linguagem C, optando-se pela linguagem C no
desenvolvimento deste projeto por se tratar de uma linguagem de alto nível, sendo o
código mais percetível e de fácil implementação. O ambiente de programação usado foi
o MPLAB IDE v8.84 em conjunto com o compilador CCS C Compiler, sendo depois
necessária a utilização de um programador que faça a ligação entre o computador e o
microcontrolador. Neste projeto foi usado o programador MPLAB ICD 2 representado
na Figura 4.6, disponibilizado pelo Laboratório de Eletrónica de Potência. A ligação
entre o programador e o microcontrolador é feita através dos pinos identificados como
PGC, PGD e MCLR. Na Figura 4.7, está representado o esquema elétrico do
microcontrolador com descrição dos pinos usados.
Figura 4.6 – Programador MPLAB ICD 2
82
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 4.7 – Esquema elétrico do microcontrolador PIC 18F4431
4.1.2 Acopladores Óticos
Um acoplador ótico é um circuito de drive cuja função consiste em isolar
eletricamente o circuito de controlo do circuito de potência. Por outro lado, os sinais
gerados pelo microcontrolador têm um nível de tensão (5V) insuficiente para comutar
os MOSFETS, impossibilitando a ligação direta entre o microcontrolador e os
semicondutores de potência, sendo necessária a implementação de um circuito de
interface.
O acoplador ótico possibilita a transferência de um sinal de um circuito para o
outro, neste caso do microcontrolador para o conversor Boost e para o inversor, sem
existir acoplamento elétrico. Com a ausência de contacto elétrico, o sinal é transferido
por meio de um feixe de luz gerado por um fotodíodo que é recebido por um
fototransístor. Estes circuitos de drive têm como vantagens o facto de terem uma
velocidade de comutação elevada, baixo consumo e garantirem isolamento elétrico.
O acoplador ótico selecionado foi o VO 3120, fabricado pela Vishay, com o
esquema elétrico interno visível na Figura 4.8. Além de garantir o isolamento elétrico,
permite ainda uma alargada gama de tensões para alimentação do estágio de saída,
proporcionando as tensões de comando requeridas para a comutação dos MOSFETS,
Universidade do Minho
83
Implementação e Resultados
tornando-o um circuito de drive bastante adequado para comando de MOSFETS.
Contudo, é necessário garantir que os sinais de comando tenham diferentes referências
de tensão entre si, possibilitando o correto funcionamento do conversor Boost e do
inversor. Assim, os acopladores óticos que geram o sinal de comando para os
MOSFETS
e
, devem ser alimentados por fontes de alimentação independentes,
ao contrário dos MOSFETS
e
que podem partilhar a mesma fonte de
alimentação, podendo também partilhar essa fonte com o acoplador ótico do conversor
Boost, sendo necessários apenas três fontes de alimentação independentes para
alimentação dos cinco acopladores óticos.
Figura 4.8 – Esquema elétrico interno do Acoplador Ótico VO3120 da Vishay[31]
Na Figura 4.9, encontra-se o esquema elétrico do circuito de acoplamento ótico
implementado, com a onda do PWM gerada pelo microcontrolador com 25kHz para o
controlo do conversor Boost ou com 10kHz para o controlo do inversor a ser aplicada
na entrada do acoplador ótico, gerando na saída ( ) o sinal de controlo para os
MOSFETS do conversor Boost ou do inversor, correspondentes.
Figura 4.9 – Esquema elétrico do circuito do Acoplador Ótico VO3120 da Vishay[31]
84
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Na Figura 4.10, pode observar-se o ajuste que o acoplador ótico faz ao sinal de
PWM gerado pelo microcontrolador para o controlo do semicondutor de potência do
conversor Boost, representado na Figura 4.10(a), no valor de 5V de amplitude e
frequência de 25kHz, para os 17V de amplitude à saída do acoplador ótico, com 25kHz
na Figura 4.10(b).
Figura 4.10 – (a) Sinal PWM para controlo do MOSFET do conversor Boost na entrada do Acoplador Ótico
(b) Sinal PWM para controlo do MOSFET do conversor Boost na saída do Acoplador Ótico
Na Figura 4.11, pode observar-se o ajustamento que o acoplador ótico faz aos
sinais de PWM complementares, gerados pelo microcontrolador para o controlo dos
semicondutores de potência de um dos braços do inversor, representado na Figura
4.11(a), no valor de 5V de amplitude e frequência de 10kHz, para os 17V de amplitude
à saída com 10kHz na Figura 4.11(b).
Figura 4.11 – (a) Sinais de PWM complementares para controlo dos MOSFETS num dos braços do inversor
na entrada do Acoplador Ótico (b) Sinais de PWM complementares para controlo dos MOSFETS num dos
braços do inversor na saída do Acoplador Ótico
Universidade do Minho
85
Implementação e Resultados
Na Figura 4.12 é possível observar-se a placa (breadboard) com o sistema de
controlo implementado, com os acopladores óticos que geram os sinais de controlo para
os MOSFETS do inversor, rodeados pelo retângulo vermelho e o acoplador ótico que
gera o sinal de controlo do MOSFET do conversor Boost rodeado por um retângulo
verde.
Figura 4.12 – Placa com o sistema de controlo implementado
4.1.3 Unidade de Medida
A unidade de medida realiza as medições da tensão e corrente geradas pelo
painel solar fotovoltaico para que o algoritmo do MPPT atualize o valor do duty-cycle
do conversor Boost, baseado nas medições efetuadas, com o objetivo de extrair a
máxima potência do painel solar fotovoltaico.
Sensor de Tensão de Efeito Hall
O sensor de tensão utilizado para medição da tensão do painel solar fotovoltaico
foi o transdutor de tensão LV 25-P da LEM representado na Figura 4.13, que permite
medir tensões AC e DC. A relação de transformação deste sensor é de 2500:1000,
86
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
apresentando como principais características no lado primário uma tensão e corrente
nominal de 500V e 10mA, respetivamente. Do lado secundário, a corrente nominal tem
o valor de 25mA. A alimentação do sensor é feita através de +15V, GND e -15V ou
+12V, GND e -12V [32]. Na Figura 4.14, está representado o esquema elétrico de
ligação do sensor.
Figura 4.13 – Transdutor de tensão de efeito de hall LV 25-P da LEM [32]
Figura 4.14 – Esquema elétrico do transdutor de tensão [32]
No lado primário deve inserir-se uma resistência (
) em série com o circuito
limitando o valor da corrente no sensor de forma a que esta não ultrapasse o valor
nominal de 10mA. Assim,
que se pretende medir (
é dimensionada, tendo por base o valor máximo da tensão
) [32], através da equação 4.1:
(4.1)
Ao ser aplicada uma tensão positiva (
) entre os terminais HT+ e HT-, irá
induzir-se uma corrente no secundário ( ) positiva. Desta forma, a resistência de
medida (
(
) deve ser dimensionada tendo em conta a corrente nominal no secundário
) e a gama de tensões que se pretende obter na saída do secundário do circuito. Uma
Universidade do Minho
87
Implementação e Resultados
vez que o microcontrolador usado só admite tensões na sua entrada entre os 0 e os 5V, e
tendo em conta a corrente nominal no secundário,
é calculada pela equação 4.2:
(4.2)
Admitiu-se na realização deste projeto que a tensão máxima produzida pelo
conjunto dos 18 painéis solares fotovoltaicos seria de 307,8V. No entanto, de forma a
dar uma margem de leitura ao sinal, dimensionou-se
de forma a que a tensão máxima
fosse de 320V. Assim, pela equação 4.1 e 4.2, é possível calcular
e
,
respetivamente.
(4.3)
(4.4)
Sensor de Corrente de Efeito Hall
O sensor de corrente utilizado para medição da corrente gerada pelo painel solar
fotovoltaico foi o transdutor de corrente LA 55-P da LEM representado na Figura 4.15.
A relação de transformação é de 1:1000 e permite efetuar medições de corrente até um
valor máximo de 50A, valor correspondente à corrente nominal do primário (
corrente nominal no secundário (
). A
) tem o valor de 50mA. A alimentação do sensor
pode ser feita da mesma forma que para o sensor de tensão, ou seja, através de +15V,
GND e -15V ou +12V, GND e -12V [33]. Na Figura 4.16, está representado o esquema
elétrico de ligação do sensor.
Figura 4.15 – Transdutor de corrente de efeito de hall LA 55-P da LEM[33]
88
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Figura 4.16 – Esquema elétrico do transdutor de corrente [33]
Da mesma forma que no sensor de tensão, a resistência
deve ser
dimensionada para que a tensão na entrada do microcontrolador não ultrapasse os 5V e
não exceda a corrente no secundário do sensor no valor de 50mA.
pode então
dimensionar-se pela equação 4.5:
(4.5)
(4.6)
4.2 Conversor Boost
O conversor Boost foi implementado com base na análise feita na secção 2.2.1 e
no dimensionamento e simulações efetuadas no subcapítulo 3.2.
No entanto, devido à inexistência de alguns componentes tais como o
condensador e a bobina com as características desejadas, levaram à necessidade de
serem encontradas soluções alternativas. Conforme o dimensionamento feito, era
necessário um condensador com capacidade superior a 6,15µF, de polipropileno que
suportasse uma tensão de 400V no mínimo (tensão na saída do conversor). De forma a
contornar este problema, foi necessário fazer-se uma associação de condensadores. Dois
condensadores em série com 4,7µF de capacidade e uma tensão de 250V cada um, em
paralelo com um condensador eletrolítico com capacidade de 6,8µF e uma tensão de
450V. Para se garantir que a queda de tensão nos dois condensadores de polipropileno
em série era igual, foi colocada uma resistência em paralelo com cada um dos
condensadores, como se pode observar na Figura 4.17.
Universidade do Minho
89
Implementação e Resultados
Figura 4.17 – Esquema da associação de condensadores do conversor Boost
A capacidade equivalente é dada por:
(4.7)
(4.8)
Então, pela equação 4.7:
(4.9)
As resistências foram dimensionadas para que a corrente que as percorre fosse
na ordem dos 50mA. Calculou-se então a carga (q) dos dois condensadores em série:
(4.10)
Como os condensadores
e
têm a mesma capacidade,
:
(4.11)
Assim, impondo uma corrente de 50mA a percorrer cada resistência, e como o
valor da tensão aos seus terminais vai ser igual,
:
(4.12)
90
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
As resistências em paralelo com os condensadores de polipropileno usadas,
tinham o valor de 4,7kΩ que era o valor mais próximo disponível.
Em relação à bobina, não existiam disponíveis bobinas com a indutância
pretendida, ou seja, com valor igual ou superior a 410µH, que permitisse ser percorrida
por uma corrente de 6A de pico. Com isto, optou-se pela associação em paralelo de dois
conjuntos de duas bobinas em série, tal como está representado na Figura 4.18.
O objetivo de fazer-se um paralelo de bobinas, deve-se ao facto de dividir a
corrente, evitando que toda a corrente percorre-se uma só bobina, que no caso de ser
durante um período de tempo elevado, poderia levar ao sobreaquecimento da própria,
podendo destrui-la e causar curto-circuitos.
Figura 4.18 – Esquema da associação de bobinas do conversor Boost
Tendo a bobina
e
os valores de 570µH e 579µH respetivamente, a
indutância equivalente das duas bobinas ligadas em série é:
(4.13)
E tendo a bobina
e
os valores de 573,94µH e 576,8µH respetivamente, a
indutância equivalente das duas bobinas ligadas em série é:
(4.14)
O valor da indutância total do conjunto das quatro bobinas é dado por:
(4.15)
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91
Implementação e Resultados
De forma a proteger o semicondutor de potência dos picos de tensão resultantes
das comutações, evitando o mau funcionamento do conversor Boost e a destruição do
próprio semicondutor, e ainda reduzir as perdas por dissipação de energia também no
semicondutor, foi dimensionado e implementado um circuito snubber.
O circuito do snubber implementado foi o Turn-Off Snubber para garantir que
durante o desligar do semicondutor de potência, a corrente no semicondutor diminua a
uma constante
resistência (
[22]. Este circuito é composto por um condensador ( ), uma
) e um díodo (
), ligados ao semicondutor de potência de acordo com a
Figura 4.19.
Figura 4.19 – Circuito Turn-Off Snubber
Tendo por base [22], dimensionou-se então os componentes do circuito snubber
através das equações 4.16 e 4.17:
(4.16)
(4.17)
Onde
é a corrente que percorre o semicondutor,
terminais do mesmo e
é a tensão aplicada aos
é o tempo que o semicondutor de potência demora a extinguir
a corrente que o percorre, sendo uma característica do componente que consta no
datasheet do fabricante.
Então, sendo o MOSFET do conversor Boost percorrido no máximo por uma
corrente de 7A, com uma tensão máxima drain-source de 400V e segundo o datasheet
tem um
92
, os componentes dimensionados tem os seguintes valores:
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A energia armazenada no condensador, que é dissipada na resistência do
snubber, é determinada pela equação 4.18:
(4.18)
O dimensionamento da potência da resistência do snubber é feito pela equação
4.19:
(4.19)
Devido à indisponibilidade de condensadores de polipropileno com a capacidade
desejada e capaz de suportar 400V aos seus terminais, foram utilizados os
condensadores disponíveis, com uma capacidade de 100nF e 1000V, e a resistência do
snubber, devido a inexistência de resistências com um valor aproximado ao calculado,
foi feita uma associação de resistências, obtendo uma resistência equivalente de 220Ω.
Na Figura 4.20 encontra-se o esquema elétrico do conversor Boost
implementado, com os valores e referências de todos os componentes usados.
Figura 4.20 – Esquema elétrico do conversor Boost implementado
O circuito do conversor Boost foi implementado numa placa veroboard, como
pode observar-se na Figura 4.21. O retângulo vermelho representa o conjunto das quatro
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93
Implementação e Resultados
bobinas usadas e o retângulo amarelo representa a associação dos condensadores
implementados no conversor Boost. O retângulo laranja identifica o díodo do conversor
e o cor-de-rosa identifica o MOSFET. Os retângulos pretos identificam os componentes
do circuito snubber, nomeadamente a resistência (
), o díodo (
) e o condensador
( ). Tanto o MOSFET como os díodos, estão devidamente isolados dos dissipadores,
evitando-se assim sofrer um choque elétrico no caso de contacto com o dissipador.
Figura 4.21 – Circuito do conversor Boost implementado
Depois do conversor Boost estar implementado, procedeu-se aos respetivos
testes e recolha de resultados.
Tal como analisado na secção 2.2.1, o conversor Boost é um conversor elevador
de tensão, e portanto, tal como indica o nome, deve ser capaz de elevar a tensão de
entrada para um nível superior na saída. Segundo foi dimensionado, o conversor deveria
ser capaz de elevar a tensão de entrada no valor de 307,8V para 400V na sua saída.
No entanto, o conjunto retificador mais VARIAC, que emulam o painel solar
fotovoltaico, só era capaz de fornecer no máximo 290V aproximadamente. Com esta
tensão na entrada, o conversor terá de a elevar na saída para o valor dado pela equação
4.18:
(4.18)
94
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Este é o valor que deveria ter na saída do conversor Boost, caso fosse um
circuito ideal e sem perdas.
Num dos ensaios feitos, colocou-se uma tensão no valor de 288V, e obteve-se à
saída do conversor uma tensão no valor de 368V, como se pode observar na Figura
4.22, um valor muito próximo do esperado, mostrando o bom funcionamento do
conversor, tal como era esperado.
Figura 4.22 – Formas de onda da tensão de entrada e da tensão de saída do conversor Boost
De seguida, procedeu-se à medição da corrente que percorre a bobina, efetuada
com recurso a uma resistência com 1Ω, colocada em série com a bobina. Mediu-se a
tensão aos terminais dessa resistência, obtendo-se assim uma tensão, que pela lei de
Ohm, é proporcional ao valor da corrente.
A Figura 4.23, mostra a forma de onda que representa a corrente na bobina. Pela
observação desta, é possível verificar-se e afirmar-se que o conversor Boost opera
efetivamente no modo de condução contínua, pois a corrente na bobina, nunca chega a
zero, mantendo-se sempre positiva.
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95
Implementação e Resultados
Figura 4.23 – Forma de onda da corrente na bobina do conversor Boost
O circuito de snubber foi implementado com o objetivo de proteger o
semicondutor de potência dos picos de tensão. Como o osciloscópio digital não permite
observar ondas com mais de 400V de pico-a-pico, devido à sua escala, a tensão
drain-souce do MOSFET que está representada na Figura 4.24, tem um valor
aproximado de 325V, de forma a ser possível observar a atenuação feita pelo circuito de
snubber aos picos de tensão no turn-off do MOSFET. Apesar de ainda se verificarem
alguns picos, verifica-se que estes foram atenuados para valores inferiores à tensão
drain-source máxima suportada pelo MOSFET.
Figura 4.24 – Forma de onda da tensão drain-source no MOSFET do conversor Boost com circuito snubber
96
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4.3 Inversor Monofásico em Ponte Completa
Na implementação prática do inversor monofásico, optou-se pelo uso da
topologia em ponte completa por permitir obter na saída uma tensão com o dobro do
valor obtido pela topologia em meia ponte.
A implementação deste conversor DC-AC foi baseada na análise feita na secção
2.2.3 e nas simulações efetuadas no subcapítulo 3.4. O objetivo inicial era desenvolver
um conversor capaz de converter a energia gerada pelo painel solar fotovoltaico num
sistema alternado com uma tensão de valor eficaz igual a 230V e uma frequência de
50Hz.
Os semicondutores de potência utilizados foram os MOSFETS FCP11N60,
fabricados pela FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, que admitem uma corrente máxima
na drain de 11A e uma tensão máxima drain-source de 600V. A comutação destes
MOSFETS é feita através dos sinais de controlo gerados pelo método de PWM
unipolar, explicado na secção 2.2.3.
Da mesma forma que se fez para o semicondutor de potência do conversor
Boost, dimensionou-se um circuito de snubber para aplicar a cada um dos quatro
semicondutores de potência do inversor de forma a protegê-los dos picos de tensão nas
suas comutações, evitando o mau funcionamento do inversor assim como a destruição
dos próprios semicondutores, reduzindo ainda as perdas por dissipação de energia nos
semicondutores.
Foi então dimensionado e implementado o circuito para o Turn-Off Snubber para
garantir que durante o desligar do MOSFET a corrente no semicondutor diminua a uma
constante
[22]. Novamente tendo por base [22], dimensionaram-se então os
componentes do circuito snubber através das equações 4.16 e 4.17, apresentadas no
subcapítulo 4.3. Sendo os MOSFETS do inversor percorridos no máximo por uma
corrente de 9A, com uma tensão máxima drain-source de 400V e segundo o datasheet
tem um
, os componentes dimensionados tem os seguintes valores:
A energia armazenada no condensador, que é dissipada na resistência do
snubber, é determinada pela equação 4.18, apresentada no subcapítulo 4.2:
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97
Implementação e Resultados
O dimensionamento da potência da resistência do snubber é feito pela equação
4.19, apresentada no subcapítulo 4.2:
Como não havia disponíveis condensadores de polipropileno com a capacidade
desejada que suportassem 400V aos seus terminais, foram usados os condensadores
disponíveis mais aproximados do desejado, no valor de 100nF e 1000V, e uma
resistência de 220Ω.
Na Figura 4.25, encontra-se o esquema elétrico do inversor monofásico em
ponte completa com todas as referências e valores dos componentes usados.
Figura 4.25 – Esquema elétrico do inversor monofásico em ponte completa implementado sem filtro LC
Na Figura 4.26, está o circuito do inversor implementado, numa placa
veroboard, sendo possível observar-se os dois braços do inversor monofásico, assim
como o circuito de snubber para cada MOSFET do inversor. Todos os MOSFETS,
assim como os díodos dos circuitos de snubber estão devidamente isolados dos
dissipadores, evitando-se sofrer um choque elétrico no caso de contacto com os
98
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dissipadores. Os retângulos vermelhos representam os MOSFETS do braço A, com o
retângulo do lado esquerdo a indicar o MOSFET
indicar o MOSFET
e o retângulo do lado direito a
. Os retângulos amarelos representam os MOSFETS do braço B,
que da mesma forma que o braço A, o retângulo do lado esquerdo a indicar o MOSFET
e o retângulo do lado direito a indicar o MOSFET
. Os retângulos pretos
representam os componentes do circuito de snubber no MOSFET
, como legendado
na figura, sendo possível perceber-se a disposição dos componentes dos outros circuitos
de snubber para os restantes MOSFETS.
Figura 4.26 – Circuito do inversor monofásico em ponte completa implementado
A Figura 4.27, mostra dois semi-ciclos positivos da forma de onda de saída do
inversor, pois a escala do osciloscópio digital não permite a visualização da onda
completa. Devido a isso, optou-se por mostrar apenas a parte positiva da onda de saída
do inversor, quando tinha na sua entrada 290V (tensão máxima fornecida pelo conjunto
do retificador mais o VARIAC). Esta forma de onda da tensão na saída do inversor
monofásico é uma onda modulada por uma sequência de impulsos de amplitude igual à
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99
Implementação e Resultados
tensão de entrada. A forma de onda obtida tem uma frequência de 50Hz e um período
de 20ms, tal como desejado. No entanto, pela observação da figura, pode observar-se a
ausência de impulsos na parte intermédia de cada semi-ciclo, que indica a existência do
fenómeno de sobre modulação no controlo do inversor, ou seja, o índice de modulação é
maior que um (
), isto é, o pico da tensão de controlo é maior que o pico da
tensão da onda triangular, não comutando os semicondutores de potência nesse
intervalo de tempo.
Figura 4.27 – Forma de onda de dois semi-ciclos positivos da tensão na saída do inversor sem filtro LC
Como o objetivo era ter-se uma onda sinusoidal com as características da rede
elétrica na saída do inversor, dimensionou-se um filtro LC passa-baixo, no subcapítulo
3.4, de forma a se obter a onda sinusoidal na saída do inversor e minimizar os efeitos
dos componentes harmónicos provenientes das comutações dos semicondutores de
potência do inversor.
Na Figura 4.28 é possível observar-se o esquema elétrico do inversor
monofásico em ponte completa com o filtro LC passa-baixo, de forma a obter-se na
saída do inversor uma onda sinusoidal. Na Figura 4.29, encontra-se a bobina e a
associação de condensadores usados na implementação do filtro LC. Como não
existiam condensadores de polipropileno com a capacidade desejada, optou-se por
associar alguns condensadores em paralelo de forma a obter-se uma capacidade próxima
da calculada. A capacidade obtida pela associação em paralelo dos cinco condensadores
como mostra a Figura 4.29, foi de 17,6µF. No entanto, os condensadores usados apenas
suportam 250V aos seus terminais, daí que nos testes efetuados para obtenção de
100
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
resultados do circuito inversor monofásico em ponte completa com filtro LC, não se
elevasse a tensão de entrada do inversor acima dos 250V, de forma a que a tensão na
saída do inversor não ultrapassasse também os 250V de pico, para não danificar os
condensadores do filtro LC. A bobina usada no filtro LC tinha um valor de indutância
de 1mH.
Figura 4.28 - Esquema elétrico do inversor monofásico em ponte completa implementado com filtro LC
Figura 4.29 – Associação de condensadores e bobina usados no filtro LC
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101
Implementação e Resultados
Assim, com uma tensão de entrada no inversor no valor de 232,7V, um valor um
pouco abaixo dos 250V pelos motivos explicados em cima devido à tensão máxima
admissível aos terminais dos condensadores do filtro LC, obteve-se a forma de onda da
tensão na saída do inversor representada na Figura 4.30, mostrando-se apenas alguns
semi-ciclos positivos da onda, pois a escala máxima do osciloscópio digital não permitia
a visualização da onda completa.
Figura 4.30 – Forma de onda dos semi-ciclos positivos da tensão na saída do inversor com filtro LC
Para medir-se a corrente de saída, colocou-se em série com a carga uma
resistência no valor de 1Ω. De seguida, mediu-se a tensão aos terminais dessa
resistência, obtendo-se assim uma tensão, que pela lei de Ohm, é proporcional ao valor
da corrente. A forma de onda da corrente pode observar-se na Figura 4.31, tendo como
valor máximo sensivelmente 3,5A, considerando-se que não existem os picos de
corrente, resultantes das comutações dos MOSFETS. O facto de serem observados
bastantes picos na forma de onda da corrente e não serem observados praticamente
nenhuns picos na forma de onda da tensão, deve-se à diferente escala usada na
visualização das diferentes formas de onda, que no caso da forma de onda da corrente,
sendo a escala usada mais reduzida, são mais percetíveis os picos do que na forma de
onda da tensão, onde a escala é dez vezes maior, tornando os picos menos percetíveis.
102
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Figura 4.31 – Forma de onda da corrente na saída do inversor com filtro LC
Como o osciloscópio digital não permite visualizar a forma de onda completa da
tensão na saída do inversor, optou-se por visualizar no osciloscópio analógico. Da
mesma forma, com 232,7V na entrada do inversor, visível no multímetro, obteve-se na
saída a forma de onda representada na Figura 4.32. A ponta de prova estava com uma
atenuação de 10 vezes, e o osciloscópio tinha uma escala de 20Volts/divisão e
10ms/divisão. O valor de pico da tensão da onda da Figura 4.32, é de aproximadamente
de 230V, e a forma de onda tem uma frequência de 50Hz.
Figura 4.32 – Forma de onda da tensão na saída do inversor com filtro LC
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103
Implementação e Resultados
4.4 Controlo do Conversor Boost com MPPT
Esta dissertação tinha como objetivo ser desenvolvido um algoritmo de controlo
que permitisse o conversor Boost extrair a máxima potência gerada pelo painel solar
fotovoltaico. Foi então implementado o algoritmo da Perturbação & Observação (P&O)
de forma a fazer-se o seguimento do ponto de máxima potência do painel. O algoritmo
da P&O foi escolhido depois de uma ponderação sobre as vantagens e desvantagens
entre os vários algoritmos estudados. O algoritmo da P&O, apresenta como vantagem
principal o facto de ser um dos métodos de mais fácil implementação, contudo, este é
um algoritmo que perante variações rápidas das condições atmosféricas, pode assumir
um comportamento incorreto ou arbitrário. Ainda assim, a pior desvantagem deste
algoritmo prende-se com o facto de o ponto de máxima potência nunca ser realmente
atingido, ficando o sistema a oscilar em torno dele, não sendo o método mais eficiente.
Como não existiu a possibilidade de se trabalhar com um painel solar
fotovoltaico para a realização dos testes experimentais, como já tinha sido mencionado,
para validar o algoritmo seguidor do ponto de máxima potência, colocou-se em série
com a fonte de tensão DC (conjunto do retificador mais o VARIAC) uma resistência, de
forma a limitar-se a potência fornecida pela fonte, para se obter com a maior
proximidade possível o comportamento de um painel solar fotovoltaico. Desta forma, a
curva I-V resultante dessa configuração, representada a cor vermelha na Figura 4.33, é
uma curva relativamente semelhante em comparação com a curva I-V de um painel
solar representada a cor preta. A resistência colocada em série com a fonte de tensão,
era da mesma ordem de grandeza do valor da resistência de carga do conversor Boost,
limitando assim a tensão e corrente fornecidas pela fonte, não estando os valores
fornecidos pela fonte dependentes apenas da carga.
Figura 4.33 – Curva da corrente vs tensão do painel solar fotovoltaico (curva de cor preta) e da fonte DC com
a resistência em série (curva de cor vermelha)
104
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
De forma a validar-se o algoritmo implementado, seria necessário a realização
de três testes distintos. Inicialmente seria feito um teste em malha fechada, ou seja, o
conversor Boost seria controlado pelo algoritmo da P&O e de seguida, seriam efetuados
dois testes em malha aberta com o sistema de controlo a gerar um sinal de PWM com
duty-cycle fixo, mas com diferentes valores de duty-cycle para os dois testes em malha
aberta. Após o primeiro teste, em malha fechada, o sistema deveria estabilizar em torno
do ponto de máxima potência, registando-se o valor da potência gerada pela fonte e o
duty-cycle para o qual o sistema estabilizou em torno do MPP. Posteriormente seriam
realizados os dois ensaios em malha aberta, um com um valor de duty-cycle fixo de
valor inferior ao registado no teste em malha fechada, e outro teste em malha aberta
com um valor de duty-cycle fixo com valor superior ao registado no teste em malha
fechada, registando-se para ambos os casos o valor da potência gerada pela fonte. Seria
de esperar que o algoritmo da P&O implementado tivesse sucesso na sua função,
registando um valor de potência superior aos valores de potência registados nos testes
em malha aberta, validando assim a sua implementação.
Contudo, não foi possível validar com sucesso a implementação do método de
controlo com MPPT, usando o algoritmo da P&O. Nos testes ao conversor Boost em
malha fechada, ou seja, controlado pelo algoritmo P&O, o algoritmo não conseguiu
encontrar o ponto de máxima potência, alterando o valor do duty-cycle continuamente,
mas sem estabilizar. A leitura da corrente do painel por parte do sensor de corrente,
estava constantemente a variar, levando a crer que esse seria o problema para que o
algoritmo da P&O não conseguisse encontrar o MPP. Dessa forma, o algoritmo fazia
com que o seguimento do MPP fosse baseado em cálculos errados, nunca atingindo a
proximidade do MPP. Devido à proximidade do prazo de entrega deste projeto de
dissertação, não houve tempo disponível para tentar resolver o problema, não sendo
possível validar o algoritmo implementado.
4.5 Controlo do Inversor
Para o controlo do inversor, implementou-se a técnica de controlo unipolar,
descrita na secção 2.2.3. Como já foi referido, dada a simplicidade para o
microcontrolador gerar sinais PWM sincronizados, foram utilizados os canais PWM0 e
PWM2 no modo complementar, permitindo gerar outros dois sinais de PWM nos canais
PWM1 e PWM3, simétricos aos sinais dos canais PWM0 e PWM2, respetivamente. Isto
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105
Implementação e Resultados
é, quando o sinal PWM0 está no nível alto, o seu sinal complementar, PWM1, está no
nível baixo e vice-versa. Da mesma forma, quando o sinal de PWM2 está no nível alto,
o seu sinal complementar, PWM3, está no nível baixo e vice-versa. Desta forma, o sinal
de PWM do canal PWM0 e o seu sinal PWM complementar (PWM1) controlam os
semicondutores de potência do braço A, e o sinal de PWM do canal PWM2 e o seu sinal
PWM complementar (PWM3) controlam os semicondutores de potência do braço B,
evitando assim desta forma que os dois semicondutores do mesmo braço se encontrem
em condução simultânea.
Este módulo de geração de sinais PWM permitem também a programação de um
dead-time, isto é, programar um curto período de tempo que mantém o sinal de PWM e
o seu sinal PWM complementar inativos, garantindo a inexistência de condução em
simultâneo dos semicondutores de potência do mesmo braço, que levaria a um
curto-circuito.
De seguida foi criada uma tabela com cem posições, inserindo cem valores para
sintetizar um seno. O seno é depois comparado com uma onda triangular para gerar o
sinal de PWM, onde o valor máximo admitido no duty-cycle é o valor mais elevado da
tabela.
A geração da onda triangular pelo microcontrolador é feita pela programação da
base de tempo do PWM no modo Continuous Up/Down Count, como se pode observar
na Figura 4.34.
Figura 4.34 – Modo Continuous Up/Down Count[]
Visto isto, o PWM foi configurado com uma frequência de comutação de 10kHz
e um dead-time de 8µs. Posteriormente configurou-se o timer1 e ativou-se a interrupção
por overflow deste timer. A configuração feita para o timer1 foi de forma a que os
valores de duty-cycle fossem atualizados cem vezes por cada período de 20ms pela
geração de uma interrupção por overflow do timer1. A rotina de serviço à interrupção é
chamada a cada interrupção, atualizando os valores de duty-cycle.
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Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Na Figura 4.35, podem observar-se dois sinais PWM complementares gerados
pelo microcontrolador que controlam os MOSFETS de um dos braços do inversor. O
controlo dos MOSFETS do outro braço é feito por aplicação de outros dois sinais iguais
ao par da Figura 4.35, gerados por outros dois canais do microcontrolador.
Figura 4.35 – Sinais PWM complementares gerados pelo microcontrolador
Na Figura 4.36, é possível observar-se o dead-time entre o sinal de PWM e o seu
sinal complementar. Através da medição do tempo entre os cursores (tempo
compreendido pelo retângulo cinzento nas formas de onda), função disponível no
osciloscópio digital, foi medido o dead-time entre os sinais de PWM, sendo visível o
valor no retângulo cinzento na secção “CURSORES” da Figura 4.36, com a duração de
8µs, tal como configurado.
Figura 4.36 – Dead-time dos sinais PWM complementares gerados pelo microcontrolador
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Implementação e Resultados
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Capítulo 5
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
Neste capítulo será feito um resumo ao trabalho desenvolvido nesta dissertação,
apresentando-se a conclusões retiradas do desenvolvimento deste projeto e serão feitas
sugestões sobre o trabalho a desenvolver futuramente.
5.1 Conclusões
O
trabalho
desenvolvido
no
âmbito
desta
dissertação
consistiu
no
dimensionamento e implementação dos circuitos de interface entre painéis solares
fotovoltaicos e uma carga monofásica. O circuito de interface a implementar, é
composto por um conversor de tensão DC-DC Boost, usando o método de controlo
MPPT com recurso ao algoritmo de P&O, permitindo extrair a máxima potência gerada
pelos painéis solares fotovoltaicos, e por um inversor de tensão DC-AC monofásico em
ponte completa de forma a gerar as formas de onda da tensão e corrente com as
características da rede elétrica.
Numa fase inicial, averiguaram-se as formas de ligação entre painéis solares
fotovoltaicos e a rede elétrica, realizando-se um estudo teórico sobre os circuitos e
componentes constituintes deste tipo de sistemas. Foi analisado o comportamento dos
painéis solares fotovoltaicos sob diferentes condições climatéricas, assim como o de
alguns conversores de tensão DC-DC e de alguns conversores de tensão DC-AC, de
forma a perceber-se quais os conversores de tensão mais indicados para aplicação neste
projeto. Foram também analisados os métodos de controlo para ambos os conversores,
com especial incidência no desenvolvimento do método de controlo MPPT.
Aproveitando o facto do software de simulação computacional disponibilizar o
modelo de um painel solar fotovoltaico, fez-se um estudo ao comportamento e
características desse painel. Como a potência fornecida por ele era muito baixa para
alimentar o sistema pretendido, efetuou-se a associação de dezoito painéis solares
fotovoltaicos em série, de forma a ser fornecida uma potência de 1080W ao sistema. O
conjunto desses painéis foi então parametrizado e foram traçadas as curvas I-V e P-V,
de forma a estudar-se o seu comportamento sob as diferentes condições climatéricas.
Depois de uma análise aos conversores de tensão DC-DC, concluiu-se que o
mais indicado para este projeto seria o conversor elevador de tensão Boost, permitindo
Universidade do Minho
109
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
elevar a tensão na sua entrada para um nível superior na sua saída. Foi feito o seu
dimensionamento conforme os pressupostos de forma a operar no modo de condução
contínua. No controlo do conversor Boost, depois de uma análise teórica aos vários
algoritmos de controlo MPPT, optou-se pela técnica de P&O por ser uma das técnicas
mais usadas e de fácil implementação. Este algoritmo tem como princípio de
funcionamento a introdução de uma perturbação no duty-cycle do conversor Boost
variando a potência à sua saída, de forma a ir ao encontro ao ponto de máxima potência.
Para o conversor DC-AC, optou-se por implementar um inversor monofásico em
ponte completa pelo facto de, comparativamente à configuração em meia ponte, se
conseguir obter na saída o dobro da tensão, para a mesma tensão no barramento DC. No
controlo do inversor, optou-se pela técnica de controlo PWM Unipolar em detrimento
da técnica PWM Bipolar, pela vantagem de para o mesmo índice de modulação, com a
técnica PWM Unipolar, os harmónicos de tensão centrados em volta do índice de
modulação de frequência (
) e em volta dos múltiplos do índice de modulação de
frequência, desaparecerem, resultando num menor conteúdo harmónico.
Depois de concluídos os dimensionamentos dos circuitos selecionados, foram
então efetuadas as devidas simulações computacionais, de forma a validarem o
dimensionamento feito. Além de validarem o dimensionamento feito, foram também
úteis para aperfeiçoar o funcionamento dos circuitos, fazendo-se testes aos limites de
operação de ambos, permitindo ter-se uma melhor perceção do seu comportamento sem
ser necessária a implementação prática, possibilitando ainda testar algumas alterações
nos valores dos componentes de forma a obterem-se melhores resultados. Os resultados
obtidos pelas simulações computacionais foram bons, pois estavam dentro do esperado.
O conversor Boost eleva a tensão na sua entrada para os níveis pretendidos na sua saída.
O seu controlo MPPT com recurso à técnica de P&O revelou-se funcional, fazendo o
seguimento do ponto de máxima potência dos painéis, extraindo sempre a máxima
potência.
O inversor de tensão, foi simulado inicialmente sem o filtro LC passa-baixo na
sua saída, obtendo-se uma onda modulada por uma sequência de impulsos com
amplitude igual à tensão do barramento DC, e de seguida, já com o filtro LC
passa-baixo a filtrar os impulsos, origina na saída a onda da tensão com forma
sinusoidal, com valor de pico igual ao valor da tensão do barramento DC e uma
frequência de 50Hz. Os resultados das simulações ajudaram também na seleção dos
componentes, pois a possibilidade de visualização das formas de onda da corrente e
110
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tensão em qualquer ponto dos circuitos, permitiu selecionar os componentes com as
características elétricas necessárias para a implementação prática.
Na implementação prática, foram implementados os circuitos de potência de
forma independente, nomeadamente o conversor Boost e o inversor monofásico em
ponte completa. Pela análise ao funcionamento do conversor Boost, conclui-se que teve
um correto funcionamento em malha aberta, ou seja, com duty-cycle fixo, elevando a
tensão de entrada para os níveis de tensão desejados na saída. Em malha fechada, o
controlo MPPT não funcionou corretamente. O método implementado introduzia de
forma contínua uma perturbação no duty-cycle, pois nunca conseguiu encontrar o ponto
de máxima potência, e portanto o duty-cycle não estabilizava, ficando a variar em busca
do ponto de máxima potência dos painéis.
O inversor implementado, sem filtro LC, gerou na saída uma tensão com uma
forma de onda semelhante a uma onda retângular, formada por uma sequência de
impulsos, com amplitude de valor igual à tensão do barramento DC. Com o filtro LC na
saída do inversor, foi gerada uma tensão alternada, apresentado uma forma de onda
muito semelhante a uma sinusoide, com uma frequência de 50Hz e valor de pico igual
ao valor da tensão do barramento DC, revelando para ambos os casos, um correto
funcionamento. Na implementação sem o filtro LC na saída do inversor, a tensão no
barramento DC foi elevada até 290V (tensão máxima fornecida pela fonte DC). Com o
filtro LC na saída do inversor, apenas se elevou a tensão do barramento DC até os
232,7V, de forma a não ultrapassar os 250V de pico, tensão máxima admissível pelos
condensadores do filtro LC.
Apesar de não ter sido feita a interligação de todo o sistema, foram
implementados e testados todos os circuitos de interface necessários para ligação de
painéis solares fotovoltaicos a uma carga monofásica. Foram obtidos os resultados
esperados para todos os circuitos implementados, assim como os respetivos sistemas de
controlo, excetuando o controlo MPPT, que não apresentou os resultados esperados.
Para finalizar, fazendo-se uma apreciação global ao trabalho efetuado, conclui-se
que os objetivos propostos foram, na sua maioria, alcançados com sucesso, tanto ao
nível do dimensionamento, como da simulação computacional e da implementação
prática, possibilitando verificar-se o correto funcionamento dos dois circuitos de
potência, o conversor Boost e o inversor monofásico em ponte completa, assim como o
controlo do inversor. Inalcançado esteve o objetivo de se implementar o controlo
MPPT, revelando-se falível na implementação prática.
Universidade do Minho
111
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
5.2 Propostas de Trabalho Futuro
Apesar de as ideias fundamentais desta dissertação estarem aqui demonstradas,
este é, ainda assim, um projeto com capacidade de evolução.
A utilização de um painel solar fotovoltaico para alimentação do sistema, em
substituição do conjunto do retificador mais o VARIAC, usado na alimentação do
sistema nos testes realizados nesta dissertação, é uma proposta para trabalho futuro.
Propõe-se que os circuitos sejam montados em placas de circuito impresso
(PCB) com a finalidade de mitigar os ruídos eletromagnéticos existentes, melhorando o
funcionamento de todos os circuitos.
Uma vez que o controlo MPPT não funcionou corretamente, propõe-se a
resolução do problema do método usado, por se considerar um aspeto importante deste
projeto, a extração da máxima potência dos painéis solares fotovoltaicos.
Por último, propõe-se também a implementação de outros algoritmos, de forma a
poderem ser comparadas as vantagens e desvantagens de cada algoritmo.
112
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
Referências Bibliográficas
[1]
EDP Energias de Portugal, ECO EDP. "Eficiência energética e energias
renováveis".Http://www.eco.edp.pt/pt/particulares/conhecer/o-que-e-a-eficienciaenergetica/eficiencia-energetica-e-energias-renovaveis consultado em 15-022011.
[2]
EDP Energias de Portugal, ECO EDP. "Impactos da energia no ambiente".
Http://www.eco.edp.pt/pt/particulares/conhecer/o-que-e-a-eficienciaenergetica/no-mundo/impactos-da-energia-no-ambiente consultado em 15-022011.
[3]
EDP Energias de Portugal, ECO EDP. "Protocolo de Quioto".
Http://www.eco.edp.pt/pt/particulares/conhecer/o-que-e-a-eficienciaenergetica/em-portugal/protocolo-de-quioto consultado em 15-02-2011.
[4]
Ministério da Economia e do Emprego, DGEG - Direção Geral de Energia e
Geologia. "Caracterização energética nacional".Http://www.dgeg.pt/ consultado
em 15-02-2011.
[5]
Ministério da Economia e do Emprego, DGEG - Direção Geral de Energia e
Geologia. "Política energética".Http://www.dgeg.pt/ consultado em 15-02-2011.
[6]
Joint Research Centre, Institute for Energy and Transport (IET). "Solar radiation
and photovoltaic electricity potential country and regional maps for Europe".
Http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm consultado em 15-02-2011.
[7]
M. Collares Pereira, M. João Carvalho. Energias Renováveis em Portugal, "Solar
Térmico Activo". Forum, pp. 33.
[8]
I.E.A International Agency, 2010. "Photovoltaic Power Systems Programme Annual Report 2010".
[9]
Ministério da Economia e do Emprego, DGEG - Direção Geral de Energia e
Geologia. "Energia Solar". Http://www.dgeg.pt/ consultado em 15-02-2011.
[10] George W. Crabtree and Nathan S. Lewis 2007. Physics Today, pp. 37.
[11] ENGINEERING.com
Incorporated,
"Photovoltaics",
Http://www.engineering.com/SustainableEngineering/RenewableEnergyEngineer
ing/SolarEnergyEngineering/Photovoltaics/tabid/3890/Default.aspx consultado
em 10-07-2011.
[12] Solar, E. & Brito, S., "ENERGIA SOLAR PRINCIPIOS E APLICAÇÕES".
Disponível em: Http://www.cresesb.cepel.br consultado em 10-07.2011.
[13] Costa, Eng.º M., 2004. "Energia fotovoltaica: manual sobre tecnologias projeto e
instalação".
Universidade do Minho
113
Referências Bibliográficas
[14] Jenny Nelson. 2003. The Physics Of Solar Cells. Imperial College, UK.
[15] Electrónica,
“Painel
Solar
Fotovoltaico”.
Http://www.electronicapt.com/index.php/content/view/271/202/ consultado em 10-07-2011..
[16] Solar Server, online portal to solar energy. "Photovoltaics: Solar Electricity and
Solar
Cells
in
Theory
and
Practice".
Http://www.solarserver.com/knowledge/basic-knowledge/photovoltaics.html
consultado em 10-07-2011.
[17] Paul
Langrok,
Portfolio
Solar
Energy.
langrock.de/docs/solarenergie.htm consultado em 10-07-2011.
http://paul-
[18] Greentech Media, Greentech Solar. “PV News Annual Data Collection Results:
2010
Cell,
Module
Production
Explodes
Past
20
GW".
Http://www.greentechmedia.com/articles/read/pv-news-annual-data-collectionresults-cell-and-module-production-explode-p/ consultado em 10-07-2011.
[19] Dunford, W.G. & Capel, a., 2004. A novel modeling method for photovoltaic
cells. 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference (IEEE
Cat.
No.04CH37551),
pp.1950-1956.
Disponível
em:
http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=1355416.
[20] Eduardo Eusébio e Cristina Camus, 2006. "GESTÃO DE ENERGIA: ENERGIA
SOLAR".
[21] Energias
Renováveis,
Constituição
de
um
painel
fotovoltaico.
http://www.esjcp.pt/areaprojecto/Site_GrupoD_EnergiasRenovaveis/design/pai_c
onstituicao.html consultado em 10-07-2011.
[22] N. Mohan, T.M. Underland, and W. Robbins, "Power Electronics Converters,
Applications, and Design", New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995.
[23] D.W.Hart, "Introdution to Power Electronics", Prentice-Hal, 1997.
[24] Esram, T. & Chapman, P.L., 2007. "Comparison of Photovoltaic Array
Maximum Power Point Tracking Techniques". IEEE Transactions on Energy
Conversion,
pp.439-449.
Disponível
em:
http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=4207429.
[25] Go, S.-il et al., 2011. "Simulation and Analysis of Existing MPPT Control
Methods in a PV Generation System". pp.446-451.
[26] Tung, Y.-jung M., 2006. Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power
Point Tracking Methods Using dSPACE Platform.
[27] Cláudio Gomes, "Interface de um Painel Solar à Rede Eléctrica" Dissertação de
Mestrado em Engenharia de Eletrónica Industrial e Computadores, Universidade
do Minho, 2011.
114
Departamento de Eletrónica Industrial
Interface entre Painéis Solares Fotovoltaicos e uma Carga Monofásica
[28] Schimpf, F., Fritzschimpfelkraftntnuno, E. & Norum, L.E., 2008. "Grid connected
Converters for Photovoltaic , State of the Art , Ideas for Improvement of
Transformerless Inverters", Department of Electrical Power Engineering
Department of Electrical Power Engineering.
[29] Johns, M., Le, H.-phuc & Seeman, M., 2008. Grid-Connected Solar Electronics. ,
pp.1-12.
[30] Microchip, "PIC 18F4331", datasheet, 2010.
[31] Vishay, "VO 3120", datasheet, 2009.
[32] LEM, "Voltage Transducer LV 25-P", datasheet.
[33] LEM, "Current Transducer LA 55-P", datasheet.
Universidade do Minho
115