uma proposta de técnica de rastreamento do ponto de máxima

UMA PROPOSTA DE TÉCNICA DE RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA DE UM PAINEL
FOTOVOLTAICO
DAIANE REZENDE CARRIJO, RODRIGO SOUSA FERREIRA, SEBASTIÃO CAMARGO GUIMARÃES JR. (DR.), JOSÉ ROBERTO
CAMACHO (PHD)
Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia, Universidade Federal de Uberlândia,
Av. João Naves de Avila, 2121, CEP: 38400-902, Uberländia, MG, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract
 The output characteristic of a photovoltaic array is nonlinear due to changes in solar irradiation and the cell's temperature. Therefore, a Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique is needed to draw peak power from the solar array to maximize
the produced energy. Therefore, this paper presents a technique for tracking the point of maximum power of photovoltaic cells, which
utilizes an analog control circuit, and although it is extremely simple, the results show robustness and reliability. The experimental
results and simulations, using PSIM software, confirm the effectiveness of the proposed system.
Keywords
 Photovoltaic Array, MPPT, Temperature, Solar Irradiation, PSIM.
Resumo
 A característica de saída de uma célula fotovoltaica é não-linear devido a variações da irradiação solar e da temperatura
da célula. Desta forma, uma técnica de procura do Ponto de Máxima Potência (MPPT) é necessária para obter-se da célula fotovoltaica a máxima energia produzida. Sendo assim, neste trabalho é apresentada uma técnica de rastreamento do ponto de máxima potência de células fotovoltaicas, que utilisa um circuito de controle analógico, e embora ele seja extremamente simples, os resultados obtidos mostram suas robustez e confiabilidade. Os resultados experimentais e de simulações, usando o software PSIM, confirmam a eficácia do sistema proposto.
Palavras-chave
 Célula Fotovoltaca, MPPT, Temperatura, Irradiação Solar, PSIM.
1
Introdução
A conversão solar fotovoltaica é uma das formas de
energia alternativa mais citada para substituir os métodos
convencionais de geração de eletricidade. Atualmente a
energia fotovoltaica é utilizada nas mais diversas áreas,
com o objetivo de geração de energia elétrica aliada às
seguintes vantagens: simplicidade de instalação, facilidade
de expansão, elevado grau de confiabilidade do sistema,
redução das perdas por transmissão de energia devido à
proximidade entre geração e consumo e pouca necessidade
de manutenção. Além disso, os sistemas fotovoltaicos são
fontes, silenciosas e não poluentes, de geração de energia
elétrica.
Os painéis solares fornecem uma ampla gama de tensão e corrente de saída, porém apenas determinados valores são capazes de produzir uma máxima potência. A característica I(V) dos painéis depende da irradiação solar e
da temperatura da célula fotovoltaica e estas variações
causam flutuações no ponto de potência máxima. Dessa
forma, conversores estáticos controlados são alocados entre geradores fotovoltaicos e cargas, com a finalidade de
manter o sistema trabalhando no ponto de máxima potência. ( BELLACHAT; LARBES; BARAZANE; KHARZI,
2007)
Estes controles conhecidos como MPPT (Maximum
Power Point Tracking) são associados com conversores, os
quais acoplam os geradores fotovoltaicos e as cargas, de
maneira a forçar o primeiro a fornecer a potência máxima.
Visando maximizar a potência fornecida pelo painel fotovoltaico são utilizados circuitos de controle MPPT, os
2543
quais possuem como base principal de funcionamento a
busca pelo ponto de máxima potência. Devido à complexidade desse controle, atualmente vários estudos são desenvolvidos no ramo da eletrônica com o objetivo de propor
novas configurações de controle MPPT. (LIM; HAMILL,
2000)
Dessa forma, neste trabalho é proposto um circuito
analógico que comanda um conversor do tipo buck, com o
objetivo de fazer com que um painel fotovoltaico forneça
sempre a máxima potência para uma carga.
2
Energia Fotovoltaica
2.1 Circuito equivalente
A produção de energia fotovoltaica baseia-se no principio do efeito fotovoltaico, o qual permite converter diretamente energia luminosa, proveniente dos raios solares,
em eletricidade.
Para a geração de energia fotovoltaica são utilizados
painéis fotovoltaicos que são formados por um conjunto de
células fotovoltaicas. Desta forma o modelo de um circuito
elétrico equivalente de uma célula fotovoltaica é mostrado
na Figura 1. Tal circuito é deduzido da característica de
uma junção PN (Equação 1), das quais são formadas as
células fotovoltaicas.
I pan
 q ( Vpan + I⋅R s )  Vpan + I ⋅ R s

(1)
= I0 − Isat e nkT
− 1 −


R sh


Onde:
Isat : é a corrente de saturação do diodo;
•
•
q: é a carga elementar, de valor 1,6×10-19C ;
•
k: é a constante de Boltzmann de valor
1,38 ⋅10−23 J / k ;
•
•
T: é a temperatura da célula em Kelvin;
n – Constante de idealidade do diodo (usual 1.5).
Figura 2. Comportamento da corrente de saída de um painel fotovoltaico
em função da tensão.
Figura 1. Modelo de um circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico.
De maneira análoga pode-se também traçar o comportamento da potência fornecida pelo painel fotovoltaico
( Ppan ) em função da tensão de saída ( Vpan ) , conforme
mostrado na Figura 3.
Este circuito é composto por:
• uma fonte de corrente ( I0 ) : representa a corrente de
curto-circuito da célula, fornecida pela fonte, sendo
proporcional à intensidade luminosa;
• um diodo em paralelo (D): representando a corrente
na junção PN;
• uma resistência em série ( R s ) : representando as perdas por contato e condução;
• uma resistência em paralelo ( R sh ) : representando as
Figura 3. Comportamento da potência de saída de um painel fotovoltaico
em função da tensão.
perdas devido às correntes de fuga.
As células solares são geralmente associadas em série
e em paralelo, depois encapsuladas sobre um vidro para
obter-se um módulo fotovoltaico. Um gerador fotovoltaico
(PV) é constituído de módulos interconectados para produzir uma unidade que produza uma potência relativamente elevada e compatível com a carga conectada em seus
terminais. Os módulos PV são, habitualmente, ligados em
série para aumentar a tensão de saída e em paralelo para
elevar a intensidade da corrente fornecida pelo painel. Os
módulos são interconectados sobre suportes metálicos e
inclinados seguindo o ângulo desejado em função do local
de instalação do painel. Os painéis são vendidos com diodos de proteção para evitar uma corrente negativa e para
limitar a tensão reversa a um valor aceitável em situação de
desequilíbrio. (KININGER; ENERGIEWANDLUNG,
2003)
Com a variação da temperatura e/ou da intensidade
luminosa as curvas mostradas anteriormente variarão. Desta forma o ponto, no qual se tem a potência máxima fornecida pelo painel fotovoltaico é também variável, sendo
assim necessário estudar princípios para fazer com que se
trabalhe sempre no ponto de rendimento máximo, aproveitando sempre a máxima capacidade de geração do painel.
3
Ponto de Potência Máxima - MPPT
Conforme citado anteriormente, se a temperatura e/ou
a intensidade luminosa variam as curvas características de
um painel fotovoltaico também variam. Desta forma, as
Figuras 4 e 5, mostram a variação da característica da potência fornecida pelo painel em função de sua tensão de
saída, para diferentes valores de, irradiação solar (Figura
4) e temperatura (Figura 5).
2.2 Curvas características
Levando em consideração o circuito equivalente mostrado anteriormente, pode-se traçar as curvas características do PV. Na Figura 2 é mostrado o comportamento da
corrente de saída do painel ( I pan ) em função da tensão
fornecida pelo painel ( Vpan ) .
Figura 4. Características de potência para uma irradiação solar (kW/m²)
variável e temperatura constante.
2544
Figura 6. Circuito do conversor conectado ao circuito característico do
painel fotovoltaico e à carga.
Figura 5. Características de potência para T (°C) variável e irradiação
solar constante.
Nota-se nas curvas apresentadas um ponto em destaque, o qual se refere ao instante em que o painel fotovoltaico pode fornecer a máxima potência. Nota-se também
que para determinados valores de temperatura e irradiação,
existe um valor de tensão que pode maximizar o valor de
potência fornecido. Desse modo, a fim de assegurar o funcionamento do sistema à máxima potência, qualquer que
seja a carga a ele conectada e as condições de irradiação
solar e temperatura do ambiente de trabalho, os sistemas
alimentados por painéis fotovoltaicos são freqüentemente
conectados a estes por meios de conversores, os quais asseguram o funcionamento do sistema à máxima potência,
fazendo com que o painel fotovoltaico opere com uma
tensão pela qual se tem tal potência, de acordo com a curva
característica.
O conversor tem por objetivo alterar a tensão de alimentação da carga (variando a razão cíclica) de acordo
com a curva característica do sistema, para que independente das condições ambientais (irradiação solar e temperatura) e da carga conectada, o painel fotovoltaico forneça
sempre a máxima potência. Considerando o ponto ótimo de
funcionamento do painel (melhores condições de irradiação e temperatura), para uma carga igual a Rcarga dada, a
razão cíclica é igual a α=αot. Desse modo, para uma potência incidente, a potência transferida para a carga será máxima quando a razão cíclica do conversor for igual à αot
(PPM). Como mostrada na Figura 7 para uma potência
incidente igual a W1, a potência máxima é transferida à
carga quando a razão cíclica do conversor é igual a α1ot
(ponto PPM1). Se a potência incidente varia para um valor
igual a W2, o ponto de máxima potência passa a ser o ponto PPM2 e o ponto de funcionamento do gerador fotovoltaico será Pf. Desse modo, para atingir o ponto de funcionamento PPM2, é necessário o ajuste da razão cíclica para
um valor igual a α2ot.
3.1 Associação do gerador fotovoltaico e um conversor
CC-CC.
O conversor CC-CC é um dispositivo de eletrônica de
potência, que apresenta uma ou mais chaves controladas,
por meio das quais se pode modificar o valor de tensão de
saída, em relação à tensão de entrada, de acordo com as
necessidades. Nos casos em que a tensão de saída do conversor apresenta um valor inferior à tensão aplicada no
mesmo, este é conhecido como conversor Buck, e no caso
contrário, conversor Boost. Os conversores Buck-Boost,
combinam as características de abaixadores e elevadores e
são usados para converter uma tensão de entrada em um
valor menor ou maior, de acordo com a necessidade.
(NUNES, 2008)
Durante a operação do conversor, a chave é fechada
por um período igual a α ⋅ T , e é mantida aberta por um
período de (1− α )T .
Figura 7. Variação do ponto de máxima potência com mudança da irradiação.
A mesma mudança ocorre quando o valor da carga é
alterado, como apresentado na Figura 8. Para se atingir o
ponto de máxima potência, deve-se atuar diretamente na
razão cíclica do sistema. Assim, em um sistema fotovoltaico independente e autônomo, a regulação do ponto de funcionamento do painel deve ser realizada automaticamente,
a fim de garantir o funcionamento do sistema sempre no
ponto de máxima potência.
Em que:
T: período de chaveamento;
α: razão cíclica do chaveamento (α ∈ [0,1]) .
Para tal aplicação é utilizado um conversor buck que
conecta o painel fotovoltaico à carga. Desta forma, na Figura 6 é apresentado o esquema do circuito de potência
que é proposto neste trabalho, ou seja, o circuito equivalente do painel fotovoltaico, o conversor buck e a carga.
2545
Figura 8. Variação do ponto de máxima potência com mudança da carga.
3.2 Circuito de controle
A seção anterior destacou a importância dos conversores estáticos no processo de conversão de energia fotovoltaica, evidenciando a necessidade de controles automáticos
que atuem no sentido de extrair a máxima potência fornecida pelo painel.
Vários circuitos de controle foram desenvolvidos com
o objetivo de extrair o máximo de energia do gerador fotovoltaico. (AMRANI; REKIOUA, 2007) Estes circuitos
possuem como principio básico de funcionamento a variação do ponto de atuação do sistema em torno do MPPT, de
dPPan
> 0 o sistema passa a atuar em um
dt
dPPan
ponto cujo VPan é maior que o anterior, e para
<0
dt
modo que para
o sistema atua com VPan menor, oscilando em torno da potência máxima.
O desempenho do controle está relacionado com a rapidez com que o ponto ótimo é atingido, com a oscilação
em torno do mesmo, e também com o que tange a robustez
do controle quando o sistema é submetido a grandes variações de carga e irradiação.
Na Figura 9, é mostrado o circuito de comando utilizado no controle analógico MPPT desenvolvido e proposto
neste trabalho. Este comando analógico utiliza diretamente
a tensão e corrente do painel fotovoltaico (obtidas por resistências que atuam como sensores de tensão e corrente)
para encontrar o ponto de operação correspondente à máxima potência.
Como apresentado no circuito de controle utilizado, o
sistema apresenta dois comparadores, o primeiro compara
a derivada de tensão v& e o segundo a derivada de potência
p& , ambos comparados com o valor 0. Desse modo, caso o
sistema esteja operando em um ponto inferior ao de máxima potência, em que v ≤ Vppm , o controle deverá atuar de
forma a abrir a chave do conversor, proporcionando o carregamento do capacitor e então o aumento da tensão de
saída do painel (tal descrição corresponde às linhas 1 e 2
da Tabela 1). O caso contrário pode ser notado quando
v > Vppm (linhas 3 e 4 da Tabela 1), em que a chave do
conversor deve ser fechada visando uma redução no valor
da tensão fornecida pelo painel.
Para obter as derivadas de tensão e potência, foram utilizados amplificadores operacionais operando como derivadores. As derivadas de tensão e potência são utilizadas
nos comparadores de tensão e potência, respectivamente,
de modo que se as derivadas são negativas o valor de saída
de cada comparador é zero, caso contrário é 1. Para obter a
lógica do comando, mostrada na Tabela 1, é utilizada uma
porta lógica do tipo OU exclusivo que é ligada a um flipflop que gera os pulsos de comando para a chave do conversor Buck.
4 Simulações
Visando verificar o bom funcionamento do circuito de
comando proposto, foram realizadas simulações no software PSIM. Inicialmente foi feita uma simulação utilizando
uma carga variável, que tem por objetivo verificar os valores de tensão e corrente, para o valor de potência máxima.
O circuito utilizado para esta simulação está mostrado na
Figura 10.
Figura 9. Diagrama de blocos do comando analógico proposto.
3.3Princípio de funcionamento do circuito de controle
Como citado anteriormente o princípio do controle escolhido está relacionado com a alteração do ponto de funcionamento do sistema, sendo observado pelas derivadas
instantâneas da potência e tensão. A idéia base do controle
é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1. Princípio de funcionamento do circuito de controle
Saída do
comparador
XP
XV
S
>0
1
1
0
≤0
≤0
0
0
0
v > Vppm
>0
≤0
1
0
1
v > Vppm
≤0
>0
0
1
1
Condição
p&
v&
v ≤ Vppm
>0
v ≤ Vppm
Interruptor
V
Aberto
Aberto
Fechado
Fechado
Aumento
Aumento
Redução
Redução
2546
Figura 10: Esquema para verificação do ponto de potência máxima.
Dados nominais do painel utilizado na simulação: P =
50W, V = 16,6V e I = 3,05A.
Verificando o circuito, constatou-se que foi inserido o
circuito equivalente do painel fotovoltaico (foi inserida
uma fonte de tensão de 15V no lugar de vários diodos que
poderiam também ser inseridos em série para também se
ter 15V), que por sua vez é conectado à carga variável
(resistência variável). Foi constatada também a presença de
um resistor de 0,82 ohms, representando a resistência shunt
do sensor de corrente. Ressalta-se aqui que a resistência foi
inserida, uma vez que a mesma influencia no valor da carga alimentada pelo painel fotovoltaico. Os resultados da
simulação são mostrados nas Figuras 11 e 12.
Vpan = 12, 66V , I pan = 2, 79A e Ppan = 35,32W . Desta
Figura
11. Comportamento da corrente em função da tensão.
Figura 12. Comportamento da potência em função da tensão.
Verificando os gráficos anteriores, constata-se que a
máxima potência fornecida pelo painel é de 35,3W para
uma tensão de 12,65V e uma corrente de 2,79A. Pode-se
agora verificar o funcionamento do circuito de comando
MPPT, tendo em vista que para o seu bom funcionamento
o sistema deve operar com estes valores de tensão e corrente. Para a simulação do circuito do painel fotovoltaico e
o circuito de comando, foi usado o esquema mostrado na
Figura 13.
forma pode-se perceber que o comando faz com que o
conversor Buck opere com uma razão cíclica, para a qual
resulta a potência máxima, o que mostra o bom funcionamento do circuito de comando. Para se verificar ainda mais
a eficiência do sistema de controle proposto, foi feita uma
simulação, onde em um determinado momento foi inserido
um degrau de corrente negativo no circuito. Fisicamente
isso quer dizer que houve uma redução da irradiação solar
sobre o painel fotovoltaico. Para esta simulação foi utilizado o esquema mostrado na Figura 15. Os resultados obtidos para esta simulação estão mostrados na Figura 16.
Figura 15. Esquema de simulação do painel fotovoltaico e o circuito de
comando, com alteração da intensidade luminosa.
Figura 13. Esquema de simulação do painel fotovoltaico e o circuito de
comando.
Pode-se perceber que este circuito possui exatamente
o circuito de comando MPPT descrito anteriormente, embora neste momento estejam representados os valores de
resistências e capacitores utilizados no comando. Além
disso, na simulação foi utilizada como carga uma bateria
de 12V que é representada por uma fonte de tensão em
série como uma resistência. As formas de onda obtidas
estão mostradas na Figura 14 a seguir.
Figura 16. Formas de onda .de corrente, tensão e potência, do circuito
simulado com alteração da intensidade luminosa.
Observando os resultados obtidos, verifica-se que o
circuito operava no ponto de potência máxima, para uma
corrente de 3,1A, quando houve uma redução da irradiação
solar, fazendo com que a curva do sistema se alterasse. O
circuito de comando agiu no sentido de fazer com que o
painel operasse no novo ponto de potência máxima, alterando a razão cíclica de operação do conversor Buck, e
consequentemente a tensão fornecida pelo painel.
5 Resultados práticos
A fim de validar os estudos teóricos, as simulações obtidas e, consequentemente a funcionalidade do comando
proposto, alguns ensaios práticos foram realizados no protótipo do circuito montado em laboratório, o qual é mostrado na Figura 17.
Figura 14. Formas de onda, de corrente, tensão e potência do circuito
simulado.
Analisando os gráficos mostrados anteriormente, verificam-se os seguintes valores de operação:
2547
Figura 19. Valores práticos de P versus V.
Figura 17. Protótipo desenvolvido.
Na seção 3.1 foi citada uma maneira de validar o funcionamento do circuito no MPPT, a qual consiste na imposição de uma variação na carga conectada ao sistema. Essa
variação provoca uma alteração no ponto de funcionamento, o qual é controlado pelo circuito de comando de forma
a oscilar sempre em torno do ponto de máxima potência.
Para comprovar essa funcionalidade, o circuito de
controle, juntamente com o conversor Buck, foi montado e
conectado a uma fonte de tensão, que possuía um controle
no valor da corrente fornecida (simulando o painel fotovoltaico), e um reostato (carga variável). Realizou-se uma
série de medidas de tensão e corrente nos terminais de saída do circuito, cada qual para um valor diferente de resistência.
Com os resultados das primeiras medidas, foram construídas as curvas características do painel (I(V) e P(V)).
Em seguida, o circuito foi submetido a variações aleatórias
da carga, para cada qual, notou-se uma variação na tensão
e na corrente, fornecidos pelo painel, oscilando em torno
da região de máxima potência do sistema, comprovando
assim o bom funcionamento do circuito proposto.
Os gráficos apresentados nas Figuras 18 e 19 foram
construídos com os valores obtidos por meio dos ensaios
práticos realizados.
6 Conclusão
Com base na política de preservação dos recursos não
renováveis de energia e a busca por fontes renováveis que
atraiam benefícios ao crescimento tecnológico e preservação do meio ambiente, neste trabalho foi apresentado um
circuito de controle utilizado para se extrair a máxima potência de um sistema fotovoltaico. Trata-se de um circuito
de controle analógico relativamente simples. Para validar o
sistema proposto foram feitas simulações utilizando o
software PSIM e ensaios práticos no protótipo montado.
Os resultados obtidos, da simulação e dos experimentos
práticos, mostram que o sistema proposto opera conforme
esperado, ou seja, fazendo com que o painel fotovoltaico
forneça sempre a máxima potência, independente das características do meio ambiente, tais como temperatura e
intensidade luminosa, e o valor da carga conectada em seus
terminais; validando a utilização do circuito de controle em
instalações fotovoltaicas de pequeno e médio porte.
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artigo publicado na VII Conferência de Estudos em
Engenharia Elétrica – VII CEEL, Universidade
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Commande Neuro-Floue d’un Hacheur MPPT, Article
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Kininger, F. e Energiewandlung, R.,2003, Photovoltaic
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Lim, Y. H. e Hamill, D.C., 2000, Simple Maximum Power
Point Tracker for Photovoltaic Arrays.
Nunes F. M., 2008, Inversor Flyback a quarto transistors
controlado por um dispositivo FPGA para obter
MPPT em sistemas fotovoltaicos, Universidade
Federal de Uberlândia.
PSIM.EXE. Versão 8.0.5 Programa de simulação de
Circuitos Elétricos. PowerSim
Figura 18. Valores práticos de I versus V.
2548