Desenvolvimento de um conversor unificado com interface a painéis solares fotovoltaicos
Abstract
Com novas metas europeias a serem propostas e com o aumento da população mundial, a necessidade energética nunca foi tão elevada e com tendência para continuar a aumentar. Neste contexto, enquadram-se as fontes de energias renováveis que, além de um complemento à necessidade energética, são uma realidade cada vez mais promissora ajudando a colmatar falhas energéticas em sítios remotos e contribuindo para um planeta energeticamente mais sustentável. Apesar de serem uma solução bastante atrativa, não conseguem colmatar o problema energético sozinhas devido à sua intermitência de produção de energia, sendo, muitas vezes, necessária a combinação com diferentes tipos de energias renováveis para aumentar a linha temporal de produção. Adicionalmente, surge ainda a necessidade de sistemas de armazenamento de energia que permitem armazenar e fornecer energia elétrica de acordo com a produção e necessidades da rede elétrica. No âmbito desta dissertação foi considerada a energia solar fotovoltaica que, para além de ter grande potencial na Terra devido a ser a sua fonte luminosa é também largamente investigada para exploração espacial. Assim, esta dissertação apresenta o estudo de dois tipos de conversores CC-CC Interleaved para posterior utilização numa rede CC. Inicialmente é apresentado um boost para interface com painéis solares fotovoltaicos, permitindo um fluxo unidirecional de energia e cujo controlo visa obter a máxima potência do painel, seguindo-se de um buck boost para interface com baterias, permitindo o fluxo bidirecional de energia, e cujo controlo permite a carga e descarga das mesmas. Esta dissertação inclui um estudo bibliográfico sobre a tecnologia solar fotovoltaica, sobre conversores CC-CC e sobre possíveis algoritmos de controlo. A validação foi efetuada, primeiramente com recurso a simulações computacionais, tanto a nível dos conversores como dos algoritmos de controlo. Posteriormente, foi desenvolvido um protótipo laboratorial de um conversor CC-CC Interleaved, controlado por um DSP e foi efetuada a sua validação experimental.
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Joana Ferreira Campos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Janeiro de 2022
Joana Ferreira Campos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Dissertação do Mestrado Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Trabalho realizado sob orientação do Professor Doutor Vítor Monteiro Janeiro de 2022
DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho iv “Nada bate um Astronauta” À minha família,
Agradecimentos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho v A realização desta dissertação não foi possível sem o forte encorajamento, ajuda, partilha de conhecimentos e ideias de algumas pessoas, às quais devo o meu obrigado! Primeiramente, ao meu orientador Professor Doutor Vítor Monteiro, cuja ajuda, força, incentivos foram essenciais para o sucesso deste projeto. O meu obrigado não se prende apenas à parte da partilha de informações e conselhos, mas toda a empatia que foi criada e que sem ela, o final poderia teria sido diferente. Agradeço aos professores da especialização de Sistemas de Energia e Eletrónica de Potência pelas sabedorias partilhadas e por me cativarem a escolher esta área para tema da dissertação. Esta dissertação foi desenvolvida durante uma pandemia mundial, tornando tudo o que deveria ser feito muito mais complicado, com as restrições impostas a nível de acessos ao laboratório como outras complicações que daí vieram. Durante estes tempos, o GEPE estava limitado em lotação, e apesar de agradecer a todos os investigadores, professores, alunos de doutoramento e mestrado, queria deixar o meu especial obrigado ao doutor Delfim Pedrosa, às investigadoras Ana Rodrigues e Cátia Oliveira, aos investigadores Manuel Silva, Luís Machado e aos meus colegas José Pedro e Daniel Barbosa que partilharam o laboratório nestes momentos desafiantes, partilhando conhecimentos, auxilio e muita alegria, permitindo não perder a essência do GEPE e motivando diariamente. Obrigado a todos os colegas que se cruzaram comigo, em grupos, aulas, partilhas de conteúdos e aventuras, em especial aos melhores amigos que a Universidade me deu e que juntos nos tornamos melhores seres humanos: Adriano, Alexandre, Hugo, João Torre, Leonardo, Luís, Pedro, Sérgio, Tiago, e a ti, Astronauta, espero que fiques orgulhoso de nós! Queria agradecer àqueles que sempre me acompanharam desde os primeiros momentos neste mundo, aos meus pais, irmão, avós, madrinha e restante família. Por serem a força e coragem nas horas difíceis, a felicidades nos momentos bons, e encorajamento que por vezes faltava. Por todo o amor, apoio e esfoço que permitiram o sucesso do meu percurso académico e pessoal, o meu eterno obrigado!
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho vi DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho vii Com novas metas europeias a serem propostas e com o aumento da população mundial, a necessidade energética nunca foi tão elevada e com tendência para continuar a aumentar. Neste contexto, enquadram-se as fontes de energias renováveis que, além de um complemento à necessidade energética, são uma realidade cada vez mais promissora ajudando a colmatar falhas energéticas em sítios remotos e contribuindo para um planeta energeticamente mais sustentável. Apesar de serem uma solução bastante atrativa, não conseguem colmatar o problema energético sozinhas devido à sua intermitência de produção de energia, sendo, muitas vezes, necessária a combinação com diferentes tipos de energias renováveis para aumentar a linha temporal de produção. Adicionalmente, surge ainda a necessidade de sistemas de armazenamento de energia que permitem armazenar e fornecer energia elétrica de acordo com a produção e necessidades da rede elétrica. No âmbito desta dissertação foi considerada a energia solar fotovoltaica que, para além de ter grande potencial na Terra devido a ser a sua fonte luminosa é também largamente investigada para exploração espacial. Assim, esta dissertação apresenta o estudo de dois tipos de conversores CC-CC Interleaved para posterior utilização numa rede CC. Inicialmente é apresentado um boost para interface com painéis solares fotovoltaicos, permitindo um fluxo unidirecional de energia e cujo controlo visa obter a máxima potência do painel, seguindo-se de um buck boost para interface com baterias, permitindo o fluxo bidirecional de energia, e cujo controlo permite a carga e descarga das mesmas. Esta dissertação inclui um estudo bibliográfico sobre a tecnologia solar fotovoltaica, sobre conversores CC-CC e sobre possíveis algoritmos de controlo. A validação foi efetuada, primeiramente com recurso a simulações computacionais, tanto a nível dos conversores como dos algoritmos de controlo. Posteriormente, foi desenvolvido um protótipo laboratorial de um conversor CC-CC Interleaved, controlado por um DSP e foi efetuada a sua validação experimental. Palavras-Chave: Energia Renovável, Energia Solar Fotovoltaica, Conversor CC-CC, Conversor Unidirecional, Conversor Bidirecional, Conversor Interleaved.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho viii With new European targets being proposed and the world population increasing, the energy demand has never been higher and with a tendency to continue to increase. In this context, renewable energy sources are included, which, in addition to a complement to the energy need, are an increasingly promising reality, helping to fill energy gaps in remote places in the world and contributing to a more energy-sustainable planet. Despite being a very attractive solution, they cannot solve the energy problem alone due to their intermittent energy production, and it is often necessary to combine different types of renewable energies to increase the production timeline. Additionally, there is still a need for energy storage systems that allow storing and supplying according to the production and needs of the electricity grid. In the scope of this dissertation, photovoltaic solar energy was considered, which, in addition to having great potential on Earth due to its light source, is also the most powerful source of energy that allows space exploration and is therefore widely explored. Thus, this dissertation presents the study of two types of DC Interleaved DC converters for later use in a DC grid. Initially, a boost for interfacing with photovoltaic solar panels is presented, allowing a unidirectional flow of energy and whose control aims to obtain the maximum power of the panel, followed by a buck boost for interfacing with batteries, allowing the bidirectional flow of energy, and whose control allows their loading and unloading. This dissertation includes a bibliographic study on photovoltaic solar technology, DC-DC converters, and on possible control possibilities. The validation was carried out, initially using computer simulations, both at the level of the converters and the unknown animals. Subsequently, a laboratory of an interleaved DC-DC converter was developed, controlled by a DSP and its experimental validation was carried out. Keywords: Renewable Energy, Photovoltaic Solar Energy, DC-DC Converter, Unidirectional Converter, Bidirectional Converter, Interleaved Converter
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho ix ÍNDICE Agradecimentos ....................................................................................................................................................... v Resumo .................................................................................................................................................................. vii Abstract ................................................................................................................................................................. viii Lista de Figuras ........................................................................................................................................................ xi Lista de Tabelas ..................................................................................................................................................... xiv Acrónimos e Siglas ................................................................................................................................................. xv Nomenclatura ....................................................................................................................................................... xvi Capítulo 1 Introdução................................................................................................................................... 1 Energia Solar e a sua Influência no Mundo .............................................................................................. 1 Enquadramento e Motivações ................................................................................................................. 2 Objetivos .................................................................................................................................................. 3 Organização da Dissertação ..................................................................................................................... 3 Capítulo 2 Tecnologia Solar Fotovoltaica ..................................................................................................... 6 Introdução ................................................................................................................................................ 6 Células Solares Fotovoltaicas ................................................................................................................... 6 2.2.1 Tipos de Células Solares Fotovoltaicas......................................................................................... 7 2.2.2 Modelo da Célula Solar Fotovoltaica ......................................................................................... 10 2.2.3 Características das Células Solares ............................................................................................ 12 2.2.4 Curvas Características ................................................................................................................ 13 Painéis Solares Fotovoltaicos ................................................................................................................. 14 2.3.1 Fatores que influenciam a performance dos Painéis Solares Fotovoltaicos .............................. 15 Classificação dos Sistemas Solares Fotovoltaicos .................................................................................. 16 2.4.1 Sistemas Solares Fotovoltaicos Autónomos .............................................................................. 17 2.4.2 Sistemas Solares Fotovoltaicos conectados com a Rede Elétrica .............................................. 17 2.4.3 Sistemas Híbridos ....................................................................................................................... 18 Conclusão ............................................................................................................................................... 19 Capítulo 3 Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos ..................................... 20 Introdução .............................................................................................................................................. 20 Conversores CC-CC ................................................................................................................................. 20 3.2.1 Conversor CC-CC Boost .............................................................................................................. 21 3.2.2 Conversor Boost Interleaved ...................................................................................................... 25 3.2.3 Conversor CC-CC Buck-Boost ..................................................................................................... 27 3.2.4 Conversor Bidirecional Interleaved ............................................................................................ 30 Algoritmos de Controlo MPPT................................................................................................................ 33 3.3.1 Tensão Constante ...................................................................................................................... 33 3.3.2 Corrente Constante.................................................................................................................... 34 3.3.3 Perturbação e Observação ......................................................................................................... 35 3.3.4 Condutância Incremental ........................................................................................................... 36
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho xvi fs Frequência de comutação Hz 𝐼𝐶𝐶 Corrente de curto-circuito A 𝐼𝑀𝑃𝑃 Corrente nominal A 𝐼𝑑 Corrente no díodo A 𝐼𝑝ℎ Fotocorrente A 𝐼𝑠 Corrente de saída A 𝐼𝑠ℎ Corrente de saturação reversa do díodo A 𝑃𝑀𝑎𝑥 Potência máxima W Ts Período de comutação s 𝑉𝑀𝑃𝑃 Tensão nominal V 𝑉𝑂𝐶 Tensão de circuito aberto V
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 1 Energia Solar e a sua Influência no Mundo No século XVIII em Inglaterra, deu-se a revolução industrial. A não utilização de animais para trabalhos, mas de máquinas trouxe muitas mudanças positivas e permitiu um grande avanço na ciência e na tecnologia sendo que atualmente ainda sofremos positivamente com essas consequências. Decorria o ano de 1870 quando foi inventado o motor de combustão interna e com a sua descoberta, combustíveis fosseis, gás natural começaram a ser usados em grande escala. Mais tarde, com o aparecimento do motor térmico, os combustíveis fosseis permitiram a flexibilidade necessária, graças à portabilidade que este tipo de energia permitia. Pela primeira vez na história era possível mover-se sem recorrer à energia do vento ou de animais, requerendo apenas abastecer-se de combustíveis fosseis e movimentar-se. Com a introdução de cada vez mais máquinas, a qualidade de vida do Homem aumentou significativamente e também a sua necessidade de produção de energia. Nas últimas décadas, tornou-se óbvio que as fontes de combustíveis fosseis estão a decrementar cada vez mais rápido e que é necessário fontes renováveis, menos poluentes e de fácil acesso para satisfazer as necessidades energéticas que temos vindo a considerar como essenciais à vida humana [1]. Dos três tipos de energia renováveis capazes de fornecer energia elétrica capaz de suportar o consumo mundial apenas a energia solar exibe uma boa dispersão a nível mundial, variando consoante a altitude, latitude, estação do ano entre outros fatores. Cerca de 342 W/m² é o valor médio de radiação que chega à superfície terreste, sendo uma parte dela refletida de volta para a atmosfera. Caso fossem feitas instalações de painéis solares fotovoltaicos em alguns dos principais desertos do Mundo, sendo eles o deserto do Saara, deserto da Arábia, deserto de Gobi, deserto da Patagónia, deserto da Grande Bacia e o Grande deserto de Vitória,
Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 2 a necessidade primária mundial de energia seria atingida através da sua produção, se apenas uma eficiência de 8% fosse atingida [2]. Na Europa, a energia solar representava 3.6% da energia produzida dos 28 estados-membro da união europeia em 2017, mostrando um potencial de crescimento até 20% até ao ano de 2040 [3]. Em Portugal, a produção de energia solar tem vindo a aumentar significativamente desde o início do novo milénio, como se pode ver na figura 1.1 [4]. Figura 1.1 - Produção de Energia Solar em Portugal entre os anos 2000 até 2020 [4]. Segundo a APREN, Portugal continental produziu em fevereiro de 2021, 5066 GWh de eletricidade, sendo 88,5% vindos de uma fonte de energia renovável, destacando a energia solar que representou 1,4%. O cenário é diferente nas ilhas, onde a produção de energia solar é menor no arquipélago dos Açores, representando apenas 0,20%, mas superior no arquipélago da Madeira, que apesar das energias renováveis representar apenas 27,23%, a energia solar é 3,6% [4]. Enquadramento e Motivações A principal motivação para a escolha do tema prende-se na relação com uma fonte de energia renovável, nomeadamente o Sol. A nível mundial, existe cada vez mais a necessidade da redução da pegada ecológica de cada um e uma das formas de colmatar essa necessidade passa cada vez mais pela produção de energia mais limpa. Este tipo de energia também
Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 3 permitirá acesso a energia elétrica a zonas mais remotas e isoladas que representam cerca de 13% da população mundial, possibilitando o aumento da sua qualidade de vida. Para além da interface a painéis solares, também o armazenamento de energia contribuiu para a seleção do tema, visto que um dos complementos essenciais na produção de energia será o seu armazenamento pois nem sempre a energia é necessária quando é produzida. Esta dissertação irá complementar o desenvolvimento tecnológico que tem vindo a ser feito na área, destacando a multidisciplinaridade do projeto, incluindo as áreas de energias renováveis, eletrónica de potência, controlo digital, programação de microcontroladores e design de hardware com placas de circuito impresso. Objetivos Os principais objetivos desta dissertação prendem-se no estudo e desenvolvimento de um conversor unificado com interface a painéis solares fotovoltaicos. Este estudo conta com dois tipos de conversores: um Boost Interleaved na interface a painéis solares fotovoltaicos e um Buck Boost Interleaved na interface a baterias e cuja intenção é incorporarem uma rede CC. Destacando os principais objetivos: • Estudo bibliográfico de sistemas solares fotovoltaicos; • Estudo bibliográfico de conversores de potência, incluindo os algoritmos de controlo; • Simulações computacionais usando o software PSIM para os conversores estudados previamente; • Dimensionamento e seleção de componentes para design do hardware de controlo e potência; • Design do hardware em placas de circuito impresso; • Testes para validação dos circuitos implementados. Organização da Dissertação Esta dissertação é composta por sete capítulos tendo cada um representado um dos objetivos principais propostos.
Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 4 O capítulo 1 é responsável pela descrição do problema energético, destacando como solução a energia solar. São apresentados dados a nível mundial e em Portugal sobre a evolução da produção de energia solar ao longo deste milénio. O capítulo 2 apresenta a evolução da energia solar, desde o momento de verificação de tensão elétrica entre dois elétrodos até às células mais utilizadas atualmente. Surge ainda a caracterização de células fotovoltaicas segundo caraterísticas elétricas, como o seu modelo elétrico, as curvas caraterísticas e as características elétricas essenciais à simulação das células. No capítulo 3 são refletidos diversos conversores de potência que poderão ser utilizados tanto como interface a painéis solares fotovoltaicos como a baterias. Para além dos conversores, é neste capítulo que são descritos os diferentes tipos de algoritmos de controlo, começando pelos algoritmos de controlo MPPT e concluindo com os algoritmos de controlo necessários para a carga e descarga de baterias. Segue-se o capítulo 4, onde se inicia a parte mais prática desta dissertação, as simulações computacionais. Subdivide-se em 2 seções: conversores para painéis solares e conversores para baterias. No que respeita aos conversores dos painéis solares, é estudado um painel solar que serve de base para as simulações, o dimensionamento dos componentes, simuladas duas topologias, comparadas para depois ser selecionada uma, e validado o algoritmo de MPTT. Em relação aos conversores para interface a baterias, inicia-se com o modelo elétrico de uma bateria, simuladas duas topologias e comparadas, com a diferença que considerando o tipo de conversor, são ainda estudados os modos que correspondem à carga e descarga do elemento armazenador de energia. Após as simulações computacionais, é desenvolvido o protótipo no capítulo 5. Inicia-se com o Hardware de potência, destacando os semicondutores de potência, os elementos indutivos e capacitivos necessários ao conversor. Posteriormente é detalhado o sistema de controlo, dando enfâse ao DSP utilizado, o condicionamento de sinal, placa de driver e os sensores de tensão e corrente. Este capítulo termina com a junção de todos os componentes utilizados numa placa de circuito impresso.
Capítulo 1 – Introdução Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 5 Antes de terminar com as conclusões do projeto e sugestões de trabalho futuro no capítulo 7, encontram-se os resultados experimentais obtidos no capítulo 6. Dos resultados obtidos destacam-se os testes em malha aberta ao conversor CC-CC boost, seguindo-se da validação do algoritmo de MPPT como forma de validação do sistema desenvolvido e simulado.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 6 Introdução Desde os primórdios da raça humana que é compreendida e admirada a importância do Sol sob a Terra. Se ele não existe, a Terra seria apenas um planeta de rocha e gelo, sendo este astro responsável pelos padrões climáticos e por fornecer energia às plantas para que possam realizar a fotossíntese, produzindo oxigénio e assim possibilitando a vida tal como a conhecemos. Com o aumento da população mundial e o seu impacto no consumo energético, é inconcebível pensar que os combustíveis fosseis, largamente utilizados nas décadas anteriores, possam garantir o consumo energético crescente que se tem vindo a concretizar. Surge assim a sensibilização para a questão ambiental e recursos naturais sendo que uma solução proposta passa pelas energias renováveis [5][6]. No contexto desta dissertação, será focada a energia solar fotovoltaica. Este tipo de energia tem vindo a sofrer fortes investigações e evoluído bastante desde a observação do efeito fotoelétrico, sendo uma fonte de energia promissora interessando investigadores, políticos e líderes de indústria. Neste capítulo é introduzido com um pouco de história da evolução das células fotovoltaicas, os principais tipos de células disponíveis no mercado, o modelo elétrico de uma célula fotovoltaica que permite traçar as suas curvas características e retirar os seus principais parâmetros. Serão ainda indicados os problemas que os painéis podem apresentar e quais os motivos que influenciam a produção de energia elétrica. Por fim, serão descritos os principais tipos de sistemas que podem ser criados usando este tipo de energia renovável. Células Solares Fotovoltaicas Em 1839, o renomeado cientista chamado Alexander Edmond Becquerel observou pela primeira vez que a energia fotovoltaica é a maneira mais direta de converter radiação solar em eletricidade baseando-se no efeito fotovoltaico, muitas vezes definido como o surgimento
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 7 de tensão elétrica entre dois elétrodos conectados a um sólido ou sistema líquido quando este sistema é iluminado. Desde esse ano até aproximadamente 1904, foi um período de muitas descobertas: publicação do artigo “A ação da luz no selénio” onde demonstrava o efeito fotovoltaico desse material solidificado, primeira célula solar desenvolvida por Charles Fritts, usando selénio com uma fina camada de ouro que possuía menos de 1% de eficiência e o desenvolvimento de uma célula solar de junção semicondutora (cobre e óxido de cobre). Já em 1905, quando Albert Einstein publicou um artigo sobre o efeito com base na energia quântica, que lhe valeu o prémio Nobel da Física em 1906, começou a haver fundamentos científicos que explicavam o seu funcionamento permitindo que em 1918, Jan Czochralski produzisse um método para crescimento de cristais únicos de metal, que mais tarde foi adaptado para a produção de cristais de silício. Decorria o ano de 1931 quando A. H. Wilson desenvolveu a teoria do semicondutor de alta pureza que permitiu mais tarde em 1948 que Gordon Teal e John Little adaptassem o método de Czochralski, baseado no crescimento de cristais para a produção de germânio cristalino e mais tarde silício. Todos estes eventos permitiram que em 1957 fosse criada a primeira célula solar fotovoltaica de silício com uma eficiência de 8%. Após essa primeira célula muito se tem desenvolvido e atualmente a variedade existente no mercado é bastante grande assim como o seu conjunto de aplicações [7][8]. 2.2.1 Tipos de Células Solares Fotovoltaicas Com o descobrimento da mecânica quântica, foi dada importância aos semicondutores de cristais únicos e compreendido o comportamento da junção pn [7]. Com isto surge a primeira célula, criada em silício, com uma eficiência de 6% tendo sido aumentada para 10% em poucos anos. Inicialmente, o fator mais importante era dado à eficiência, sem restrições a nível monetário [9]. Quando o valor monetário começou a ser considerado existiam três grupos de pensamentos: um argumentava que as células solares espaciais deveriam ter um custo baixo de produção; outro objetava que as células de silício eram como minerais preciosos que impediria a redução do seu preço o que necessitava células de filme fino não cristalinas o que levou à pesquisa de
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 8 materiais para células como Telureto de Cádmio (CdTe) e silício amorfo; o último grupo alegava que apenas era possível obter uma boa eficácia com cristais únicos e que, baixo custo e grande área poderia ser obtida recorrendo a lentes ou espelhos óticos que permitiu a criação de eficientes células junção dupla de cristais únicos como o arsenito de Gálio (GaAs). Apesar de o silício não ser considerado o material ideal para a produção de células fotovoltaicas ainda é altamente utilizado hoje em dia, isto porque a tecnologia do silício já tinha sido bastante desenvolvida antes da revolução da tecnologia fotovoltaica, nomeadamente em microtecnologias devido à facilidade de obtenção deste material. Atualmente, cerca de 90% das células solares produzidas são de silício [9]. Segundo o limite de Shockley-Queisser, uma célula solar com único intervalo de banda apenas pode alcançar uma eficiência de 33,5% devido essencialmente à distribuição dos fotões emitidos pela luz solar. Este limite decorre pelo facto da tensão de circuito aberto (𝑉𝑂𝐶) ser limitada pelo intervalo da banda do material absorvente e que diferentes fotões não serão absorvidos [10]. Células Monocristalinas As células de silício monocristalino, também comummente chamadas de células de silício, são constituídas apenas por um único cristal de silício. É a célula utilizada que recebe maior dedicação por parte dos investigadores para futuro desenvolvimento, sendo que dependendo das referências utilizadas pode ser considerado o tipo de célula mais utilizada atualmente, a par das células policristalinas [11][12]. A maior desvantagem deste tipo de células encontra-se na perfeição da estrutura do cristal, que torna o processo de obtenção mais dispendioso e complicado. À parte disso, possui uma eficiência tipicamente entre os 13% e os 25% sendo uma das mais elevadas do mercado [13][14]. Células Policristalinas Tipo de células também produzido através do silício, igualmente chamadas de policristalinas, são produzidas através de inúmeros grãos de silício monocristalino. Após o processo de produção, estas células não possuem o grau de pureza das células monocristalinas, sendo por isso o seu processo mais simples e menos dispendioso. A sua desvantagem prende-se à eficiência inferior que varia entre os 12% e os 17%. Comparativamente às células monocristalinas partilham o seu coeficiente de temperatura relativamente elevado e possuem uma ampla variedade de aplicações [13][14].
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 9 Células de Silício Amorfo À base de silício, diferem das anteriores pela sua constituição de uma fina camada de átomos de silício. Estas células absorvem a luz com mais eficácia que o silício cristalino o que leva a uma produção maior em climas quentes, possibilitando que a sua estrutura seja mais fina, ficando conhecidas por células de película fina. A sua capacidade de absorção na gama dos azuis proporciona uma maior eficácia durante dias nublados. A principal vantagem é a adaptação da célula a diferentes estruturas, podendo moldar-se à necessidade do consumidor, como por exemplo poderá substituir telhas permitindo a criação de telhados completamente compostos por este tipo de células. A eficiência é a sua desvantagem sendo que ronda os 6% - 7% [13]. Células de Telureto de Cádmio (CdTe) Fazendo parte da família de células de filme fino, uma célula de Telureto de Cádmio usufrui de uma grande tolerância ao calor, coeficiente de temperatura entre 0,25 e 0,35%/ᵒC, detendo uma eficiência superior à sua semelhante, rondando os 10 a 11%. Possui um baixo custo e grande volume de fabrico, eficiência moderada, capacidade de absorção de quase toda a luz incidente, este tipo de células foi responsável pela criação do mercado de obtenção de um grande número de painéis para criação de centrais de energia solar, sendo também possível a sua implementação em telhados [13][15]. Células de Nova Geração Apesar das células apresentadas anteriormente representarem uma grande percentagem do mercado, a sua eficiência atinge no máximo 25% tendo sido alvo de estudo a junção de diferentes camadas capazes de absorver diferentes gamas de radiação de forma a tirar o melhor partido possível de todo o espectro solar, permitindo ultrapassar o limite de ShockleyQueisser. Estas células são chamadas de células multifuncionais e são constituídas por uma célula superior capaz de absorver uma banda alta capaz de absorver os fotões de alta energia e permitir a passagem aos fotões de energia inferior onde serão absorvidos por outra camada, de um diferente material capaz de absorver uma gama de fotões que não foram absorvidos pela camada anterior [10]. Tipicamente usam duas ou mais junções e permitem que a sua eficiência máxima teórica aumente consoante o número de junções que serão aplicadas. Os semicondutores usados
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 16 chapa metálica plana e fina é suspensa para ajuda no melhoramento do desempenho geral e refrigeração através da água usado para redução das temperaturas de operação das células [23][24]. Um outro fator que influencia a produção de energia elétrica por parte dos painéis é a sombra que pode ser causada por qualquer elemento que cruze a linha direta entre a luz solar e o painel solar como nuvens, árvores, edifícios circundantes, excrementos de pássaros, entre outros. A sombra afeta de maneira diferente dependendo do tipo de instalação. No caso de os módulos estarem instalados em paralelo, caso estejam a receber a mesma radiação, o valor total da tensão será igual ao valor da tensão de cada módulo fotovoltaico e a corrente é dada pela soma das correntes de cada painel individualmente. Supondo dois painéis solares fotovoltaicos iguais: painel A e painel B, onde o painel A ficou coberto por sombra e o painel B continua a receber radiação solar implicando que a corrente do painel B seja superior à do painel A. Caso não exista um díodo anti refluxo, o painel A irá transformarse numa carga e o fluxo de corrente dar-se-á entre os painéis, consumindo a energia através de calor, produzindo pontos quentes podendo levar a incêndios, tendo como consequência direta a perda de energia para além da perda do equipamento. Caso exista o díodo de antirefluxo, a corrente será sempre a soma das correntes produzidas pelo painel, mesmo que implique que seja igual à corrente de um só painel [25][26]. No caso de os módulos estarem instalados em série, caso estejam a receber a mesma radiação, o valor total da tensão equivale à soma das tensões dos módulos. Supondo dois painéis solares fotovoltaicos iguais: painel A e painel B, onde o painel B ficou coberto por sombra, implicando uma corrente inferior no painel B relativamente ao painel A. Caso exista díodo de bypass, a corrente produzida pelo painel A irá fluir através do mesmo para alimentar a carga. Quando a resistência externa da carga aumenta até que a corrente produzida no painel A seja inferior à corrente de curto circuito, o painel B começa a produzir, ficando ambos os painéis a alimentar a carga [25]. Classificação dos Sistemas Solares Fotovoltaicos Os painéis solares fotovoltaicos possuem um numeroso conjunto de aplicações sendo usados tanto para alimentações de semáforos de trânsito, bombear água de um poço como também
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 17 podem ser conectados à rede elétrica sendo a sua energia produzida adicionada à rede elétrica. Os sistemas solares podem ser classificados essencialmente em três categorias: conectados com a rede elétrica, autónomos ou híbridos. 2.4.1 Sistemas Solares Fotovoltaicos Autónomos De acordo com a Comissão Europeia, cerca de dois mil milhões de pessoas não possuem acesso à rede elétrica sendo uma grande parte delas sem nenhum tipo de acesso à eletricidade. Das que possuem eletricidade, os geradores são a sua forma de obtê-la, mas não é difícil de imaginar que estas zonas remotas são bastantes pobres e poucas conseguem ter os geradores. A solução para este tipo de problema pode passar pelos sistemas autónomos com painéis solares fotovoltaicos. O mais simples sistema chamado de sistema solar doméstico consiste num painel solar, um controlador de cargas que tem como função a proteção da bateria contra sobrecargas e uma bateria. Os aparelhos terão de ser conectados a esta micro rede. Este sistema permite a ligação à rede de iluminação, televisão, rádio ou um pequeno frigorifico sendo, portanto muito utilizado em zonas muito remotas e pobres do planeta. É também comummente usado para situações pontuais como para fornecer energia para bombear água de um poço ou para os semáforos. Uma evolução ao sistema anteriormente descrito, consiste na produção de uma rede interna de um edifício, mas com corrente alternada. Para que seja possível, é necessário um banco de baterias, um inversor e um controlador de cargas para além do painel solar fotovoltaico [14][19]. 2.4.2 Sistemas Solares Fotovoltaicos conectados com a Rede Elétrica Ao contrário dos sistemas autónomos, quando o painel solar se encontra conectado com a rede elétrica, a sua alimentação irá diretamente para a rede sem a necessidade imediata de armazenamento de energia pois a rede elétrica substitui esse fator, permitindo o uso imediato da energia, evitando por exemplo a retirada de água pelas barragens para produção de energia, ou em caso de excesso bombear a água novamente para a barragem, no caso das centrais hidroelétricas reversas.
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 18 Os painéis solares fotovoltaicos podem encontrar-se no chão ou nos telhados dos edifícios e devem ser orientados de forma a obter a melhor radiação solar para permitir a melhor produção de energia possível. Esta troca de energia só é possível através de contratos com a distribuidora de energia. Muitas empresas de distribuição permitem ao utilizador vender toda a energia produzida e o seu consumo será medido através da eletricidade fornecida pela empresa ou então que apenas a diferença de energia consumida seja comprada. Para que seja possível conectar um painel solar à rede elétrica, são necessários conversores de potência. Inicialmente e tal como nos sistemas autónomos, um conversor CC-CC do tipo step-up, preferencialmente utilizando um MPPT de forma que a energia produzida seja maximizada e assim evitar perdas de energia, mas como o painel produz corrente contínua e a rede elétrica é em corrente alternada é ainda necessário um conversor CC-CA. Comparando com um sistema autónomo, um sistema conectado à rede permite explorar toda a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos, uma expectativa de vida mais elevada e uma poupança monetária na compra e manutenção de baterias para armazenamento [14][19]. 2.4.3 Sistemas Híbridos Para além dos sistemas solares fotovoltaicos, a radiação solar pode ser aproveitada através de painéis solares térmicos que em vez de produzirem energia elétrica utilizam a radiação solar para aquecimento de água, ar ou outros fluidos. Este é um tipo de tecnologia muito mais simples quando comparada com o fotovoltaico e consequentemente mais barata. Este tipo de energia é muito utilizado em países solarengos para aquecimento de água, evitando assim a necessidade de consumo de energia elétrica para o mesmo efeito [6]. No entanto, uma das limitações que os sistemas solares fotovoltaicos autónomos apresentam é que apenas é possível obter uma quantidade limitada de energia que varia muito consoante as estações do ano. Assumindo um painel solar fotovoltaico conectado a uma bateria, o consumo superior à produção pode danificar a bateria devido a descarga total da mesma o que pode acontecer no inverno. A forma proposta para a eliminação desse problema abrange outras formas de produção de energia elétrica, como por exemplo a inclusão de uma turbina eólica, formando assim um
Capítulo 2 –Tecnologia Solar Fotovoltaica Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 19 sistema híbrido. Uma turbina eólica é um bom complemento porque, por norma, quando o sol é mais escasso, o vento é mais forte o que também acontece com o dia e a noite. Uma adição melhor seria um gerador a diesel, pois permite a sua ligação quando necessário e a possível recarga da bateria caso esta estivesse perto do limite [6][19]. Conclusão Ao longo deste capítulo foi feita uma revisão bibliográfica das tecnologias solares fotovoltaicas que constituem um sistema solar fotovoltaico. Iniciou-se por descrever a origem do problema e os elementos necessários para a sua solução destacando-se as células fotovoltaicas que sendo predominantes no mercado de silício, tem havido evoluções e vários estudos havendo atualmente várias opções. Independentemente do material constituinte da célula, existem características elétricas que são necessárias para a caracterização das células e que são semelhantes a todos os tipos tais como a tensão nominal, a corrente nominal e o ponto de potência máxima e que foram descritos. Após a descrição de células, foi detalhado o painel, os tipos de ligações que podem ter assim como as limitações a que estão sujeitos, pois sabendo as limitações é possível maximizar o potencial de uma instalação elétrica. Por fim foi feita a revisão bibliográfica dos tipos de sistemas em que os painéis solares podem ser instalados assim como indicado que com a limitação de horas de radiação disponíveis a possibilidade de incluir outras fontes de energia como complemento.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 20 Introdução Quando se pensa num sistema para um painel solar fotovoltaico, é impossível não considerar um conversor de potência, desde um simples conversor CC-CC do tipo boost até à possibilidade da ligação à rede elétrica com um conversor CC-CA. Neste sentido, este capítulo dedica-se aos conversores de potência e aos algoritmos de controlo dos mesmos. Inicia-se com uma descrição, funcionalidades dos conversores CC-CC gerais até particularizar-se ao boost, boost interleaved para a ligação ao painel solar fotovoltaico, bidirecional e bidirecional interleaved para a conexão a baterias. Posteriormente serão dedicadas secções a algoritmos de controlo dos diferentes tipos de conversores: algoritmos de MPPT ligado ao conversor boost que aumenta a potencialidade conversor ligado ao painel solar sendo destacados os mais utilizados no mercado até outros não tão frequentes, seguindo-se dos algoritmos mais utilizados para o carregamento e descarga das baterias que serão ligados ao conversor bidirecional. Conversores CC-CC Os sistemas eletrónicos atuais exigem qualidade, compactação, fontes de alimentação eficientes e leves. A eletrónica propõe conversores CC-CC que transformam uma tensão contínua numa tensão contínua de magnitude diferente, podendo esta ser superior ou inferior à tensão de entrada. As funções dos conversores CC-CC passam por converter uma tensão continua de entrada, numa tensão contínua de saída, sendo que esta poderá ser maior ou menor; regular tensão contínua contra a carga ou variações de rede; reduzir o ripple de tensão alternada numa tensão de saída contínua inferior; fornecer o isolamento entre a fonte e carga;
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 21 proteger o sistema e a fonte de interferência eletromagnética; satisfazer os diferentes standards de segurança nacional e internacional. Os conversores CC-CC podem ser divididos em dois grupos: conversores modulados por largura de pulso (PWM) e os conversores ressonantes de comutação suave. Nesta secção serão descritos apenas os conversores modulados por largura de pulso, dando enfase ao conversor CC-CC Boost e ao conversor CC-CC Bidirecional [27][28]. 3.2.1 Conversor CC-CC Boost Fazendo parte da família dos conversores CC-CC, o boost, também conhecido como conversor step-up, tem como características a tensão de saída ser superior à tensão de entrada, a corrente de entrada ser contínua com um ripple que depende do valor da indutância de entrada e da frequência de comutação e a tensão de saída ser sempre positiva e contínua [29]. Este conversor é constituído por uma bobina, um condensador à saída, um dipositivo de comutação (IGBT) e um díodo. O seu esquema elétrico pode ser observado na figura 3.1. Figura 3.1Conversor CC-CC do tipo boost. Neste conversor existe dois casos distintos: o caso em que o interruptor S está fechado e o caso em que S está aberto. Na figura 3.2 encontram-se os dois períodos de operação do conversor em causa. Em (a) quando o interruptor está ligado (fisicamente fechado) e em (b) quando o interruptor está desligado (fisicamente aberto).
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 22 Figura 3.2Conversor Boost durante os períodos de operação: (a) interruptor ligado; (b) interruptor desligado. Quando o interruptor está fechado, caso (a), o díodo não conduz e a corrente é percorrida pela bobina fazendo com que a energia seja armazenada no material da bobina. A corrente da bobina irá aumentar quase linearmente até ao infinito, teoricamente. Quando o interruptor abre, caso (b), a corrente da bobina é forçada a fluir através do díodo e da carga. A corrente da bobina irá decrementar obrigando a carga do condensador. A tensão do condensador tornar-se-á superior à tensão de entrada até atingir o valor desejado. Após o descrito, o interruptor liga, a corrente na bobina volta a aumentar, o condensador descarrega através da carga pois o díodo está inversamente polarizado para o permitir descarregar de outra forma [28]. Matematicamente, quando o interruptor está fechado são assumidas as seguintes equações: 𝑉 = 𝑉𝑖𝑛 (3.1) 𝑖𝐷= 0 (3.2) 𝑖𝑂=− 𝑖𝐶 (3.3) Assumindo 𝑣𝑂 constante, a tensão na bobina também será constante, obtém-se então a equação: 𝑖 =1𝑇∫ 𝑉 𝑑𝑡+𝐼 0 𝑇𝑜𝑛 ⇔𝑖 =𝑉 𝑇 𝑛 𝐿+ 𝐼 0 (3.4) Substituindo: 𝛥𝑖 =𝑉 𝑇 𝑛 𝐿 ⇔𝛥𝑖 =𝑉𝑖𝑛𝑇 𝑛 𝐿 (3.5) Quando o interruptor está aberto, encontra-se o caso (b) da figura 3.2 e as suas variáveis encontram-se nas equações abaixo:
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 23 𝑉 = 𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑂 (3.6) 𝑖𝐷= 𝑖 (3.7) 𝑖 = 𝑖𝐶+𝐼𝑂 (3.8) Sabendo que: 𝑖 =1𝑇∫ 𝑉 𝑑𝑡+𝐼 0⇔𝑖 =𝑉 𝑇 𝑓𝑓 𝐿+ 𝐼 0 𝑇𝑜𝑓𝑓 (3.9) Substituindo as equações 3.6, 3.7, 3.8 na equação 3.9 obtém-se: 𝛥𝑖 =(𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑂) 𝑇 𝑓𝑓 𝐿 ⇔−𝛥𝑖 =(𝑉𝑂−𝑉𝑖𝑛) 𝑇 𝑓𝑓 𝐿 (3.10) Em suma, quando o interruptor está fechado obtém-se a equação 3.5 e que quando o interruptor está aberto obtém-se a equação 3.10. No estado estacionário, a amplitude da variação positiva da corrente na bobina deverá ter igual amplitude à variação negativa da mesma variável. Igualando as equações 3.5, 3.10 e simplificando obtém-se: 𝑉𝑖𝑛𝑇 𝑛 𝐿=(𝑉𝑂−𝑉𝑖𝑛) 𝑇 𝑓𝑓 𝐿 (3.11) 𝑉𝑖𝑛𝑇 𝑛=(𝑉𝑂−𝑉𝑖𝑛) 𝑇 𝑓𝑓 ⇔𝑉𝑖𝑛 𝑇 𝑛+𝑉𝑖𝑛 𝑇 𝑓𝑓=𝑉𝑂𝑇 𝑓𝑓 ⇔𝑉𝑖𝑛(𝑇 𝑛+𝑇 𝑓𝑓) 𝑇 𝑛 =𝑉𝑂⇔𝑉𝑂=𝑉𝑖𝑛 𝑇 (𝑇−𝑇 𝑛) (3.12) Considerando o duty-cycle, 𝐷=𝑇𝑜𝑛 𝑇, atinge-se a comparação entre a tensão de saída e o dutycycle: 𝑉𝑂=𝑉𝑖𝑛 1 1−𝐷 (3.13) Relativamente às formas de onda, podem ser observadas na figura 3.3:
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 24 Figura 3.3 - Formas de onda de tensões e correntes presentes no conversor boost. A corrente de saída é descontínua e de forma a atenuar o ripple produzido, é utilizado um condensador que irá fornecer uma corrente contínua à carga quando o díodo está inversamente polarizado.[27] O valor mínimo da capacitância desse condensador de forma a atenuar o ripple deverá ser: 𝐶𝑚𝑖𝑛=𝐷 𝑉𝑂 𝑉𝑟 𝑓𝑠 (3.14) Para que o conversor funcione em modo contínuo é necessário que o valor da bobina seja superior: 𝐿𝑚𝑖𝑛=(1−𝐷)2𝐷 2𝑓𝑠 (3.15) Todos os valores inferiores a 𝐿𝑚𝑖𝑛 fazem com que o conversor funcione em modo descontínuo. R representa a resistência da carga e fs a frequência de comutação dos semicondutores.
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 25 Este tipo de conversor é muito famoso na interface com painéis solares fotovoltaicos e existem vários estudos onde é possível acompanhar as suas evoluções tanto a nível de melhoria com as suas limitações e benefícios [27]. 3.2.2 Conversor Boost Interleaved Uma evolução ao conversor CC-CC boost é o boost interleaved. Esta topologia permite a divisão da corrente dentro das unidades do conversor, reduzindo automaticamente a ondulação da corrente de entrada e a ondulação da tensão de saída sem aumentar a frequência de comutação dos dispositivos de comutação. Um conversor CC-CC boost interleaved de duas fases é constituído pelos mesmos componentes que um conversor boost convencional, mas com alguns duplicados, possuindo: duas bobinas, dois semicondutores, dois díodos e um condensador para filtro. Consoante as fases existentes, mais componentes terá [30][31]. O seu esquema elétrico está representado na figura 3.4 : Figura 3.4 - Esquema elétrico de um conversor CC-CC boost interleaved. Sendo que n representa um número inteiro que exibe o número de níveis que o conversor pode ter. A técnica deste tipo de conversor consiste em que cada comutador, conectado em paralelo, opere na mesma frequência e que a sua comutação seja desfasada 360ᵒ/n. A corrente de entrada será dada pela soma das correntes nas bobinas e que como estão desfasadas anular-se-ão e cancelarão o ripple da corrente de entrada produzido pelas bobinas. O melhor duty cycle para que este caso aconteça é 50%. Devido a esses recursos, a ondulação da corrente de entrada e a ondulação da tensão de saída e as dimensões dos componentes passivos podem ser reduzidos. Devido à estrutura paralela 1 2
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 32 E a corrente obtida na bobina é dada por: 𝑖 1= { 𝑉1−𝑉2 𝐿1𝑡 + 𝑖 1(0), 0<𝑡≤𝐷𝑇𝑠 −𝑉2 𝐿1(𝑡 − 𝐷𝑇𝑠) + 𝑖 1(𝐷𝑇𝑠), 𝐷𝑇<𝑡<𝐷𝑇𝑠 (3.18) A corrente obtida em cada semicondutor é igual quer o funcionamento seja em boost ou em buck e é dada pela expressão abaixo: 𝐼 𝑛=𝐼 𝑛=𝐼 𝑛 (3.19) Para que o conversor funcione como boost, modo em que as baterias são descarregadas de forma a alimentar a rede CC, os comutadores que permitirão a passagem de corrente serão os pares (S2 e S4) e comutarão com o desfasamento de 180º tal como no caso anterior. Na figura abaixo encontra-se ao percurso da corrente consoante os comutadores ligados e desligados. Figura 3.11 - Modos de operação do conversor Buck-Boost modo boost: (a) S1 e S3 ao corte e S2 ON e S4 OFF (b) S1 e S3 ao corte e S2 OFFe S4 ON. Para trabalhar em modo boost, o duty-cycle necessário pelos semicondutores pares é: 𝐷′=1−𝑉₂ 𝑉₁ (3.20) E a corrente na bobina da fase 1 é dada por: C₂ V₂ C₁ z S₂ (a) S₃ S₄ S₁ C₂ L₂ V₂ C₁ S₂ (b) S₃ S₄ S₁ V₁ L₁ L₂ L₁ V₁
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 33 𝑖 1= { 𝑉2 𝐿1𝑡 + 𝑖 1(0), 0<𝑡≤𝐷′𝑇𝑠 𝑉2−𝑉1 𝐿1(𝑡 − 𝐷′𝑇𝑠) + 𝑖 1(𝐷′𝑇𝑠), 𝐷′𝑇<𝑡<𝐷𝑇𝑠 (3.21) Onde 𝑇𝑠 é o período de comutação dado pela expressão: 𝑇𝑠=1/ 𝑓𝑠 (3.22) Onde 𝑓𝑠 é a frequência de comutação dos semicondutores. O ripple da soma das correntes ∆𝑖 será menor do que o ripple da corrente em cada uma das bobinas ∆𝑖 𝑛. Quanto maior for a frequência de operação, menor será o ripple da corrente e menores são os valores necessários do filtro capacitivo para manter a ondulação de saída desejada [38]. Algoritmos de Controlo MPPT Sob as condições ideais, o painel solar produz sempre a mesma energia, mas tal como foi descrito no subcapítulo anterior, o ponto de máxima potência sofre deslocações e sem um algoritmo de controlo que o permita procurar, a energia não está a ser aproveitada no seu máximo. Estes algoritmos de controlo são chamados de MPPT, Maximum Power Point Tracking, e permitem seguir o ponto de potência máxima consoante as suas deslocações, através da comutação dos semicondutores presentes no conversor CC/CC. Existem vários algoritmos MPPT e nos últimos anos têm sido aperfeiçoados devido a serem alvo de inúmeros estudos que tentam aprofundar qual deles o que melhor se adequa aos diferentes tipos de células fotovoltaicas. 3.3.1 Tensão Constante Este método, também chamado de método da razão da tensão do circuito aberto, tal como o nome indica, consiste na conservação da tensão do painel fotovoltaico num valor constante de referência que irá corresponder ao ponto de potência máxima do gráfico P-V. Tal como foi descrito: 𝑉𝑀𝑃𝑃=𝑘1∙ 𝑉𝑂𝐶 (3.23)
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 34 Onde 𝑘1 é uma constante de proporcionalidade que depende das características do painel solar fotovoltaico, mas que permite o cálculo antecipado de 𝑉𝑀𝑃𝑃, para diferentes radiações e temperaturas [39]–[41]. Para obtenção de 𝑉𝑂𝐶, o painel é desligado momentaneamente do conversor o que implica a perda de energia durante esse período de tempo. Uma forma de evitar essa questão, é admitir que a tensão gerada pelos díodos é 75% do valor de 𝑉𝑂𝐶, assumindo assim 𝑘1 como 0,75. Desta forma é obtido um 𝑉𝑀𝑃𝑃 aproximado que através do controlo em malha fechada no conversor pode ser usado para atingir a tensão desejada. Tem como desvantagem o facto de 𝑉𝑀𝑃𝑃 não ser o verdadeiro, mas uma aproximação ao valor desejado, o que implica que o painel nunca opera no ponto máximo de potência. Este método é dos mais simples, adequado a múltiplas situações, barato, não requer DSP ou microcontrolador. Porém, perde todas as suas qualidades aquando de sombras que implica um novo cálculo de 𝑘1, que aumenta a complexidade e a perda de energia [39]–[41]. 3.3.2 Corrente Constante Corrente constante é um algoritmo de controlo MPPT que se baseia na linearidade entre 𝐼𝑀𝑃𝑃 e 𝐼𝐶𝐶. Sabe-se que: 𝐼𝑀𝑃𝑃=𝑘2⋅ 𝐼𝐶𝐶 (3.24) Onde 𝑘2⋅é a constante de proporcionalidade, determinada consoante o painel usado e que normalmente varia entre 0,78 e 0,92. Para obtenção de 𝐼𝐶𝐶, deverá ser adicionado um interruptor extra ao conversor de potência para redução periodicamente da matriz do painel solar para que 𝐼𝐶𝐶 possa ser medido usando um sensor de corrente. A potência obtida não é a máxima devido ao facto da dificuldade de encontrar 𝐼𝐶𝐶, o que dificulta a fiabilidade da equação 3.24. Uma forma de garantir o MPPT adequado na presença de vários fatores externos, consiste na obtenção periódica dos valores de tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito de forma a manter 𝑘2o mais próximo da realidade possível. Uma grande parte dos sistemas fotovoltaicos que utilizam este método contam com um controlo através de DSP, sendo também possível um ciclo de controlo através do feedback da corrente. Apesar da necessidade do uso de um microcontrolador, este método é semelhante ao método de tensão constante do qual partilha as desvantagens: necessidade da constante atualização de 𝑘2⋅para condições externas diferentes [42].
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 35 3.3.3 Perturbação e Observação O algoritmo de Perturbação e Observação é o algoritmo de MPPT mais utilizado devido à sua simplicidade e facilidade de implementação exigindo pouco processamento de dados. Este algoritmo baseia-se nas perturbações periódicas da variável de referência da tensão de operação do painel solar. Quando um painel está conectado a um conversor, uma perturbação no ciclo de trabalho do conversor perturba a corrente produzida pelo painel o que irá modificar a sua tensão, alterando assim o valor de potência máxima. Até ser atingido o ponto de máxima potência, quando a tensão no painel aumenta, a potência aumenta proporcionalmente, assim como acontece ao contrário. Caso ocorra um incremento na potência, a perturbação dar-se-á no mesmo sentido, seguindo a mesma lógica acontece quando ocorre um decremento na potência. O processo acontece até ser encontrado o MPP. No fluxograma da figura 3.12 é possível ver a descrição de todos as situações e qual o destino de cada uma. Tal como se pode deduzir, este algoritmo não trabalha com MPP, mas sempre em valores próximos da potência máxima comprometendo a eficácia do método, desperdiçando energia disponibilizada. Uma solução disponível para uma melhor aproximação, consiste na redução da perturbação sendo que tornará o processo mais lento. Outro problema neste algoritmo é demonstrado aquando mudanças bruscas das condições climatéricas. Usando como exemplo uma queda repentina na radiação: esta queda irá provocar uma queda no ponto de potência máxima, mas não no ponto de tensão responsável pela sua obtenção. O algoritmo irá falhar na interpretação do fluxograma, reduzirá a tensão na direção errada, provocando mais perdas de energia [41]–[43].
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 36 Figura 3.12 -Fluxograma do algoritmo de Perturbação e Observação. 3.3.4 Condutância Incremental O método da condutância incremental apresenta vantagem sobre o método de perturbação e observação na medida em que calcula a direção da perturbação sem variação constante da tensão. Matematicamente, ao ser considerada um gráfico de uma função, a curva PV possui um máximo absoluto que é o MPP. Esse máximo é obtido quando a derivada dessa função atinge o valor zero, sendo considerado este o ponto estacionário.
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 37 Figura 3.13 - Variação das derivadas da curva P-V. A figura 3.13 mostra a curva PV consoante as suas derivadas. Tal como se pode observar, à esquerda do MPP (representado com um ponto vermelho), a função é crescente implicando uma derivada positiva, enquanto que à direita, a função é decrescente implicando uma derivada negativa. Sabendo que o MPP é dado por: 𝑑𝑃 𝑑𝑉=0 (3.25) E que 𝑑𝑃 𝑑𝑉=𝑑(𝐼 𝑉) 𝑑𝑉 =𝐼+𝑉𝑑𝐼 𝑑𝑉≅𝐼+𝑉𝑑𝐼 𝑑𝑉 (3.26) Substituindo a equação (3.4) na equação (3.3) obtém-se: 𝐼+𝑉𝑑𝐼 𝑑𝑉=0⇔𝑉 𝑑𝐼 𝑑𝑉= − 𝐼 ⇔𝑑𝐼 𝑑𝑉= −𝐼𝑉 ⇔𝑑𝑃 𝑑𝑉=−𝐼𝑉 (3.27)
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 38 Tabela 3.2 - Ponto de operação e características das derivadas Ponto de operação Condutância Incremental vs Condutância Instantânea Valor da derivada da potência em função da tensão MPP 𝑑𝐼 𝑑𝑉= −𝐼𝑉 𝑑𝑃 𝑑𝑉=0 À esquerda de MPP 𝑑𝐼 𝑑𝑉> −𝐼𝑉 𝑑𝑃 𝑑𝑉>0 À direita de MPP 𝑑𝐼 𝑑𝑉< −𝐼𝑉 𝑑𝑃 𝑑𝑉<0 O método de trabalho deste algoritmo apresenta-se no fluxograma da figura 3.14 : Figura 3.14 - Fluxograma do algoritmo de condutância incremental.
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 39 Nesta técnica, a condutância incremental (𝑑𝐼𝑑𝑉 ⁄ )e a condutância instantânea (𝐼𝑉 ⁄ ) são comparadas de forma a obter o MPP. A tensão de referência é a tensão a qual o painel é forçado a operar, que é igual ao 𝑉𝑀𝑃𝑃 no ponto de potência máxima. Quando atingido o MPP, a operação do painel é mantida nesse ponto a menos que exista uma variação na corrente que indica mudanças nas condições climatéricas e consequentemente em MPP. Nesse caso, o algoritmo irá modificar o valor de 𝑉𝑟𝑒𝑓 com o objetivo de localizar novamente o MPP e evitar as perdas de energias derivadas. Este algoritmo é tão mais rápido quanto mais rápido for o incremento sendo, no entanto, não tão eficaz e podendo trabalhar num ponto próximo de MPP. Comparativamente ao algoritmo de perturbação e observação, é mais preciso sendo uma característica que se mantém mesmo com rápidas mudanças das condições climatéricas. Tem como desvantagem um processo de cálculo mais demorado que atrasa a amostragem [41] [42]. 3.3.5 Controlo Lógico Difuso Na última década, o controlo lógico difuso tem sido uma técnica muito utilizada devido à capacidade de receção de entradas imprecisas sem necessidade matemática precisa, recorrendo à manipulação da não linearidade. Este método consiste em três estados: fuzzification, base de conhecimento, defuzzication. Durante o estado de fuzzication são recebidas as variáveis de entradas numéricas e convertidas em variáveis linguísticas baseadas numa função de associação. As variáveis de entrada normalmente são o erro, E, e a variação do erro ΔE. O utilizador tem a flexibilidade de escolher como calculá-los. Existem cinco níveis difusos: • GN (grande negativo); • PN (pequeno negativo); • ZE (zero); • PP (pequeno positivo); • GP (grande positivo). Caso fossem adicionados mais níveis, mais preciso seria o algoritmo. Após o cálculo do erro e da sua variação, as saídas, que por norma alteram o duty-cycle do conversor, são obtidos através da tabela 3.3:
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 40 Tabela 3.3 - Tabela de regras do controlo difuso. E \ΔE GN PN ZE PP GP GN ZE ZE GN GN GN PN ZE ZE PN PN PN ZE PN ZE ZE ZE PP PP PP PP PP ZE ZE GP GP GP GP ZE ZE Caso, por exemplo, o ponto de operação estiver muito à esquerda do MPP, o erro (E) é grande positivo (GP) e ΔE é zero (ZE), então é pretendido aumentar o duty cycle em grande positivo (GP) de forma que seja possível alcançar o MPP. Na defuzzificação, a saída do controlador é convertida da linguagem utilizada no controlador MPPT para uma variável numérica usado uma função de associação. Isto permite fornecer um sinal analógico que controla o conversor de potência para obtenção do MPP. O fluxograma deste algoritmo encontra-se representado na figura 3.15. Figura 3.15 - Fluxograma do algoritmo de Controlo Difuso.
Capítulo 3 – Conversores de Potência CC-CC para Sistemas Solares Fotovoltaicos Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 41 Esta técnica de controlo mostra um bom desempenho sob condições atmosféricas variadas, mas a sua eficácia é comprometida pelo conhecimento do utilizador na escolha do erro certo e na sua transformação através da tabela. Com o objetivo de ser obtido o desempenho ideal, é necessário um ajuste das funções e tabelas das regras. Tem como desvantagem o seu alto custo de implementação [44][45]. 3.3.6 Outros Algoritmos de Controlo MPPT As técnicas demonstradas acima são as mais descritas na literatura, quer pela sua simplicidade, quer pela sua eficácia, todavia existem muitas outras que não sendo tão estudadas muitas das vezes ficam esquecidas. Algumas dessas técnicas incluem reconfiguração de matrizes onde serão organizadas em diferentes combinações séries e paralelas de modo que o MPP atendam aos diferentes requisitos de cargas específicas. Estes métodos consomem muito tempo e tem dificuldade em acompanhar o MPP em tempo real. Um desses métodos tem como base o cálculo de 𝑉𝑀𝑃𝑃e 𝐼𝑀𝑃𝑃 através da medição dos níveis de radiação e temperatura que possui uma grande dificuldade de medição. Após a obtenção dos valores, o algoritmo força a que o painel trabalhe no MPP. O algoritmo da temperatura surge da união entre o método da tensão constante e o método da condutância incremental. Utiliza um sensor de tensão e outro de temperatura e utiliza a expressão 3.28: 𝑉𝑀𝑃𝑃(𝑇)= 𝑉𝑀𝑃𝑃(𝑇𝑟𝑒𝑓)+𝑢𝑀𝑃𝑃(𝑇−𝑇𝑟𝑒𝑓) (3.28) Onde 𝑢𝑀𝑃𝑃 é o coeficiente de temperatura dado pelo fabricante e 𝑉𝑀𝑃𝑃(𝑇𝑟𝑒𝑓) e 𝑇𝑟𝑒𝑓 são características do painel. Após o cálculo de 𝑉𝑀𝑃𝑃 segue o rumo do método de tensão constante. Tem como vantagem o 𝑉𝑀𝑃𝑃 ser um valor real e não uma aproximação e como desvantagem a operação fora do MPP sob rápidas mudanças de radiação. O método de coordenadas reorientadas requer a medição de 𝑉𝑀𝑃𝑃e 𝐼𝑀𝑃𝑃 e de outras variáveis presentes na curva P-V. O seu erro máximo foi de 0,3%, mas nunca foi implementado, apenas simulado.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 48 Figura 4.2 - Curvas características do painel solar, calculadas no software PSIM. 4.2.2 Dimensionamento dos Componentes Após ser estudado os principais parâmetros do painel solar fotovoltaico que será utilizado, foi necessário dimensionar os componentes constituintes do conversor de potência de forma a ter o ambiente de simulação ideal para o funcionamento do sistema e para isso foram considerados os parâmetros da tabela abaixo.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 49 Tabela 4.1 - Parâmetros considerados para o funcionamento do sistema Parâmetro a Considerar Valor Tensão nominal de entrada 26,3 V Corrente nominal de entrada 7.61 A Ripple máximo de corrente 10% Ripple máximo de tensão de saída 5% Frequência de comutação 20 kHz Tensão de saída 60 V Inicialmente foi calculado o duty-cycle necessário para obter a tensão pretendida de 60 V através das expressões: 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 = 1 1−𝐷 ⇔60 26,3= 1 1−𝐷 ⇔ D = 56% (4.1) Seguiu-se o cálculo da bobina, o elemento armazenador de energia do sistema que integra um papel fundamental no seu desempenho. Tendo em conta que um conversor interleaved terá duas bobinas, o valor de corrente percorrido por cada uma será metade do valor de corrente produzida pelo painel solar fotovoltaico, sendo este fator importante para a determinação da variação da corrente percorrida pela bobina. 𝛥𝑖 = 0,10 𝐼𝑖𝑛 2⇔𝛥𝑖 = 0,10 7,61 2 =0,3805 𝐴 (4.2) 𝐿= 𝑉𝑖𝑛 𝐷 𝛥𝑖 𝑓𝑠 ⇔ 𝐿= 26,3∗0,56 0,3805∗20𝑘⇔𝐿=1,93 𝑚𝐻 (4.3) É ainda de salientar que o valor calculado foi utilizado em ambas as simulações de subsecções abaixo, apesar de estar desajustado para o conversor boost, foi utilizado de forma a facilitar a comparação dos valores utilizados posteriormente. Caso fosse utilizada apenas uma bobina, a variação da corrente seria de 0,761 A, o que implicaria uma bobina de 0,968 mH. Caso sejam desprezadas as perdas do sistema, a potência de entrada será igual à potência de saída, sendo esta relação responsável pelo cálculo da resistência de carga.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 50 𝑃𝑀á𝑥= 𝑉2 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎⇔ 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=26,32 200 ⇔ 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=18 Ω (4.4) Por último foi calculado a capacidade do condensador de saída, responsável pelo ripple na tensão de saída do sistema. A fórmula 4.5 é responsável pela determinação da sua capacidade. 𝐶= 𝐷 𝑉 𝑢𝑡 𝛥𝑉 𝑢𝑡 𝑓𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎⇔𝐶= 0,56∗60 (0,05∗60)∗20𝑘∗18⇔ ⇔𝐶=31 µ𝐹 (4.5) 4.2.3 Conversor CC-CC Boost Após serem dimensionados os componentes que necessitam de valores para o contexto de simulação, foi montado o circuito elétrico no simulador PSIM. Inicialmente foi testado o circuito boost e posteriormente um boost interleaved, de forma a que possam ser comparadas as formas de onda provenientes de cada conversor e assim comprovar a sua melhoria aquando da adição de um novo braço. O circuito elétrico encontra-se representado na figura 4.3: Figura 4.3 - Esquema elétrico do conversor boost, no software PSIM. Sem algoritmo de controlo numa fase inicial, foi testado o circuito em malha aberta, em que a gate do IGBT recebia a comparação entre uma onda triangular dente de serra, com frequência de 20 kHz, e 3 V de pico e uma tensão constante de 1,68 V resultando numa onda quadrada com duty-cycle 56%. Para alterar o duty-cycle é necessária a alteração do valor da tensão constante consoante o valor pretendido.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 51 Figura 4.4 - Comparador para criação do PWM desejado de 56%. Figura 4.5 - Formas de onda obtidas em ambiente de simulação do conversor boost: No gráfico superior formas de onda das tensões: a vermelho a tensão de entrada e a azul a tensão de saída. No gráfico inferior encontra-se a onda da corrente atravessada pela bobina do conversor. Após ter sido simulado o circuito, é possível verificar as tensões de entrada e saída assim como a corrente percorrida. Os valores obtidos assemelham-se muito aos valores desejados, onde a tensão de entrada tem um valor médio de 25,4 V sendo a tensão desejada de 26,3 V e a corrente possui um valor de 7,58 A sendo o desejado 7,61 A. Alterando a escala do eixo dos yy é ainda possível verificar o ripple produzido presente na figura 4.5.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 52 4.2.4 Conversor CC-CC Boost Interleaved Após o estudo do conversor boost, foi adicionado um braço, contendo uma bobina, um díodo e um IGBT, mantendo os parâmetros utilizados anteriormente, resultando no esquema representado na figura 4.6 . Figura 4.6 - Esquema elétrico do conversor boost interleaved. Relativamente ao controlo em malha aberta, poderia ter sido usada uma porta lógica not à saída do comparador, caso o duty-cycle fosse de 50%, pois inverteria um dos PWM fazendo com que os sinais de gate dos IGBTs ficassem desfasados 180º, como no caso em estudo, o duty-cycle é superior, foram consideradas duas ondas triangulares com frequência de 20 kHz, com 3 V de pico, desfasadas 180º permitindo assim que os sinais tivessem ambos valor lógico alto ou baixo independentes. Figura 4.7 - Comparador para criação dos PWMs desejado de 56%.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 53 As formas de onda do PWM à entrada dos IGBTs encontram-se representadas na figura 4.8. Figura 4.8 – Pormenor das formas de onda à saída do comparador para comutação dos IGBTs. Tal como foi dito previamente aquando da operação de determinação do valor da bobina, a corrente atravessada por cada bobina será metade da corrente produzida pelo painel, e estarão em oposição de fase, sendo que quando uma é crescente, a outra será decrescente e vice-versa. A medição da corrente nestes componentes foi feita através uma variável incorporada no próprio componente. Relativamente à corrente total, poderia ser medida somando as correntes anteriores, mas como forma alternativa, foi adicionado um amperímetro à entrada do conversor. A forma de onda das correntes encontra-se representada na figura 4.9. Figura 4.9 - Variação das formas de onda da corrente do sistema.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 54 Após a verificação das formas de ondas, é possível verificar que o valor das correntes nas bobinas difere ligeiramente sendo que a variação maior é entre 3,606 A e 3,989 A, correspondendo a um ripple de 10,07%, confirmando os cálculos feitos previamente. Em relação ao ripple da corrente produzida pelo painel, possui um valor inferior, 1,08% correspondendo a uma variação entre 7,549 A e 7,631 A que comparativamente ao conversor anterior, possui uma redução de 0,42%. Analisando posteriormente os valores das tensões para comprovar a eficácia e melhoria relativamente ao conversor boost. Preliminarmente foi verificado que as condições de operação indicadas anteriormente se mantinham: tensão de entrada de 26,3 V e tensão de saída de 60 V o que confirmou. Seguiu-se um estudo detalhado da tensão de saída de forma a verificar a variação da tensão e o seu consequente ripple. A tensão de saída varia entre 59,91 V e 60,24 V equivalendo a um ripple de 0,55%. As formas de onda das tensões de entrada e saída estão representadas na figura 4.10. Figura 4.10 - Formas de onda das tensões: entrada representada a vermelho e saída representada a azul. Através dos valores descritos confirma-se a melhoria do conversor boost interleaved comparativamente ao conversor boost. A figura 4.11 mostra comparativamente as ondas de tensão e corrente sobrepostas, onde é visualmente confirmado o que foi descrito anteriormente.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 55 Figura 4.11 - Comparação entre as formas de onda do conversor boost e do conversor boost interleaved. No gráfico superior encontram-se as formas de onda da corrente e no gráfico de baixo encontra-se as formas de onda da tensão, sendo que a vermelho estão representadas o conversor boost e a azul o conversor boost interleaved. Para além da amplitude das ondas do conversor boost interleaved ser menor, possui ainda uma frequência de saída maior devido ao facto de existir sempre um braço em condução, mantendo sempre uma das bobinas no modo de condução contínua e afetando assim tanto a tensão de saída como a corrente de entrada. 4.2.5 Validação do Algoritmo de MPPT Consoante diferentes fatores externos, a potência do painel solar varia, sendo a radiação incidente e a temperatura das células solares fotovoltaicas, fatores que podem ser simulados através do PSIM. A forma utilizada para fazer o controlo através do algoritmo de MPPT foi um bloco C onde é possível escrever código em linguagem C para o processamento de dados. Este bloco C receberá como inputs os valores das correntes das bobinas, lidos através de sensores de corrente e o valor de tensão de entrada do conversor. Inicialmente irá processar o algoritmo de controlo Perturbação e Observação descrito na figura 3.12 seguindo-se de um controlo Proporcional-Integral onde o kp equivale a 0,01 e o ki a 0,0001 que ajuda na estabilização do sistema.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 56 Figura 4.12 - Esquema do PSIM com bloco C para introdução do algoritmo de controlo. Como forma de verificar o algoritmo de MPPT foi variada a radiação incidente de forma a simular um dia onde estão discriminados diferentes tipos de momentos: radiação constante por um período de tempo, radiação decrescente e radiação crescente. A temperatura utilizada para esta simulação foi de 25 ºC. A variação de radiação encontra-se na figura 4.13 . Figura 4.13 - Variação da radiação simulada. Na figura 4.14 é possível observar a comparação entre a potência de referência produzida pelo painel, possível observar graças a uma ponta de prova de tensão e a potência real calculada com recurso a um multiplicador entre a tensão de saída do painel fotovoltaico e a soma das correntes percorridas pelas bobinas de acoplamento.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 57 Figura 4.14 - Comparação entre a potência de referência e a potência real produzida pelo painel solar fotovoltaico. É possível confirmar que a potência real segue a potência de referência com os seus aumentos, decrementos ou quando se mantém constante. Figura 4.15 - Comparação entre a potência de referência e a potência real produzida pelo painel solar fotovoltaico no intervalo [1;1,5] s. Seguiu-se a variação da temperatura, mantendo uma radiação constante de 900 W/m². Ao contrário do que acontece com a radiação, um aumento de temperatura faz com que a potência produzida reduza, enquanto que um decremento da temperatura faz com que a potência produzida aumente. Relativamente à simulação, percorreu-se diferentes temperaturas, começando com 22 °C até aos 28 °C durante o primeiro segundo de simulação, seguindo-se de um segundo a temperatura constante e radiação constante, terminando com um decremento de temperatura não linear e mais acentuado. O Algoritmo de MPPT seguiu a tensão tal como era esperado e a variação da potência situa-se entre os 172,5 W e os 169,3 W.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 64 Num primeiro ensaio, foi usado o valor de corrente constante de 5 A, a bateria foi considerada carregada com 3,7 V e é possível confirmar que a sua tensão não atinge os 0 V, mas sim os 2,8 V, tensão pela qual a bateria é considerada descarregada. Quando o conversor atinge esse valor de tensão, a corrente diminui até atingir um valor nulo, como é possível verificar na figura 4.23. Relativamente ao valor da corrente, quando a tensão estabiliza nos 2,8V, o seu valor decrementa até atingir um valor praticamente nulo. Figura 4.23 - Formas de onda no conversor buck boost: a azul a corrente e a vermelho a tensão durante o mesmo intervalo de tempo. A comutação dos IGBTs enquanto que a bateria descarrega, pode ser observada na figura 4.24. Figura 4.24 - Formas no conversor buck boost: pormenor da comutação dos IGBTs enquanto a bateria descarrega.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 65 4.3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Interleaved Após serem estudados os modos de funcionamento do conversor, foi adicionado um novo braço ao conversor, que consiste em dois novos IGBTs que irão funcionar em oposição de fase relativamente aos IGBTs já existentes. O estudo deste conversor vai permitir verificar a melhoria na eficácia desta topologia de conversor, onde serão verificadas todas as curvas características e comparadas com o conversor previamente estudado. O método de controlo mantém-se semelhante sendo alterada o valor da corrente de referência, e a comparação da saída do bloco C com a onda triangular, apesar de serem iguais, uma não terá atraso de fase e a segunda terá um atraso de 180°. Na figura 4.25 está representado o esquemático do sistema simulado no PSIM. Figura 4.25 - Esquema elétrico do conversor buck boost interleaved. 4.3.3.1 Modo buck No seguimento do estudo do conversor CC-CC bidirecional, foi adicionado um novo braço e estudado os modos que o conversor pode adquirir. Iniciando pelo modo buck, modo que simula a carga da bateria, com a adição de um novo braço irá ser sujeito a uma comutação de dois semicondutores, que são os comutadores pares. Na secção anterior, foi verificada a consequência da alteração do valor da bobina e tinha-se confirmado que uma bobina de 3,86 mH encurtava o pico da corrente em metade. No seguimento dessa simulação, os valores utilizados para as bobinas será de 3,86 mH. Para além desse ajuste, o valor de corrente de referência será, nesta fase inicial, metade do valor usado
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 66 no estudo do conversor no modo buck, traduzindo-se numa corrente de referência de 2,5 A para cada braço. Quando comparando as formas de onda de ambos os conversores, é possível verificar que para o mesmo valor da bobina e uma corrente à saída do conversor igual, sendo que quando é percorrida pelas bobinas do interleaved, será metade, o valor de tensão na bateria é igual, sendo possível confirmar na figura 4.26 que ambas as ondas se sobrepõem, crescendo desde o valor inicial considerado para uma bateria descarregada de 2,8 V até à bateria estar carregada com um valor de tensão 3,7 V. Figura 4.26Comparação entre as formas de onda da tensão de ambos os conversores. Após a verificação das tensões, foi estudado a forma de onda da corrente e a comutação dos semicondutores. Para além de verificar que as forma de onda da corrente tende para zero num momento muito semelhante, sendo que a corrente do conversor interleaved é ligeiramente mais rápida é ainda comprovado que os picos de corrente apesar de terem um valor de amplitude muito semelhante, possui uma frequência menor quando o conversor possui dois braços, sendo por isso uma melhoria relativa ao conversor em comparação. Em relação aos IGBTs em comutação, é possível confirmar que apenas os semicondutores com números ímpares comutam, sendo que na figura 4.27 não é visível o S₁ do conversor interleaved, pois as formas de onda estão sobrepostas sendo, portanto, comprovado que ambos comutam ao mesmo tempo.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 67 Figura 4.27 - Comparação entre as formas de onda dos conversores: no gráfico superior as correntes nas bobinas e no gráfico inferior as comutações dos IGBTS. Ainda em relação às formas de onda da corrente, estas são desfasadas 180º, tal como acontece com a comutação dos IGBTs. Figura 4.28 - Pormenor das formas de onda das correntes dos diferentes braços do conversor buck boost interleaved. Quando alterada a corrente de referência e igualando em ambos os conversores, é esperado que a tensão da bateria no conversor interleaved aumente mais rapidamente. Este modo de funcionamento corresponde ao carregamento rápido que tem conquistado o mercado nos
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 68 últimos tempos e que corresponde à carga total da bateria num espaço de tempo inferior devido à intensidade da corrente ser maior. Para o estudo desta situação, o valor da bobina foi mantido e a corrente de referência utilizado foi 5 A. Figura 4.29 - Comparação entre as formas de onda da corrente e tensão, quando usada a mesma corrente de referência 5 A. Após feita a simulação, o comportamento da bateria corresponde ao esperado, sendo que com uma corrente total correspondendo ao dobro da corrente de referência, o tempo de carga é cerca de metade como se pode confirmar na figura 4.29. Relativamente à comutação dos IGBT, essa mantém-se igual ao caso estudado anteriormente. 4.3.3.2 Modo Boost Ao serem adicionados os novos IGBTs, e sendo o modo boost, o modo equivalente à descarga da bateria, a corrente de referência foi também alterada para metade de modo a permitir que o tempo que a bateria demora a descarregar seja semelhante ao modo estudado, isto porque uma das consequências diretas da adição de um braço consiste na divisão da corrente, e tendo
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 69 em conta que foram ajustados para se semelharem o mais possível, a corrente passará a ser metade da corrente de saída da bateria. Inicialmente simulou-se a corrente de referência de 2,5 A no conversor interleaved e 5 A para o conversor boost. Tal como é expectável, a tensão decresce a um ritmo semelhante. Como é possível comprovar na figura 4.30. Figura 4.30 -Comparação entre as formas de onda da corrente e tensão, quando usada a corrente de referência 5 A para o conversor buck boost e a corrente de 2,5 A para o conversor buck boost interleaved. Relativamente à comutação dos IGBTS é possível confirmar a sua alteração na figura 4.31 . No gráfico superior estão representadas as curvas dos semicondutores do conversor buck-boost, neste modo de funcionamento, apenas comuta o semicondutor par, já no gráfico inferior estão representadas todos os semicondutores, e é possível verificar que para além de apenas comutaram os semicondutores pares, comutam desfasados permitindo o efeito desejado. Ambos as curvas características foram verificadas no intervalo de tempo em que a bateria está a descarregar.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 70 Figura 4.31 - Comparação entre a comutação dos semicondutores presentes no conversor boost (gráfico superior) e os semicondutores presentes no conversor buck boost interleaved (gráfico inferior). Quando analisadas ao detalhe (Figura 4.32), as correntes das bobinas da topologia interleaved encontram-se desfasadas, sendo que quando uma incrementa, a outra decrementa o que faz com que a soma de ambas resulte numa corrente total com um menor ripple comparativamente à corrente do conversor buck-boost. Figura 4.32 – Pormenor das formas de onda das correntes atravessadas nas bobinas do conversor buck boost interleaved. Na figura 4.33 estão representadas as variações das correntes: a azul a variação da corrente do conversor buck boost que varia entre os 4,6587 A e os 4,6775 A correspondendo a uma
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 71 variação no eixo dos yy de 19 mA e a vermelho a variação da corrente de saída da bateria do conversor buck boost com topologia interleaved que varia entre 4,335 A e os 4,3487 correspondente a uma variação no eixo dos yy de 13,7 mA. Figura 4.33 - Comparação entre as formas de onda de corrente à saída conversor: a azul a corrente do conversor buck boost e a vermelho a corrente do conversor buck boost interleaved. No caso da corrente de referência ser igual para ambos os conversores, confirma-se o decréscimo de tensão muito mais acentuado na topologia interleaved, o que resulta num tempo inferior para a descarga e a corrente manter-se constante durante um período de tempo inferior, como é possível confirmar na figura 4.34. Com esta figura é possível confirmar que é possível ter diferentes valores de corrente de referência que poderão ser utilizados consoante o tempo desejado para a descarga da bateria e consequentemente carga do sistema.
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 72 Figura 4.34 - Verificação da consequência nas formas de onda da tensão, quando a corrente de referência é igual para todos os braços. Conclusão Ao longo deste capítulo foram simulados vários conversores, observadas várias curvas características e tiradas algumas conclusões. Começou-se por estudar o conversor boost sendo que se destacam dois momentos do estudo deste conversor: o conversor boost convencional e o boost interleaved. Estes dois conversores foram comparados de forma a prever o comportamento de cada um e ver as melhorias que o conversor interleaved apresentava comparativamente ao outro conversor em estudo. Foi possível verificar que os cálculos dos componentes formavam um aspeto importante na implementação do conversor, sendo que os valores que haviam sido predefinidos de tensão e concorrente se verificavam e comportavam consoante o previsto. Em comparação ao conversor convencional, o conversor boost interleaved apresentava uma melhor tensão de saída, com um ripple produzido sendo cerca de metade. A corrente atravessada pela bobina era inferior quando adicionada uma nova bobina resultando também numa corrente
Capítulo 4 – Simulações Computacionais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 73 produzida pelo painel mais constante. Esta simulação termina com o estudo do algoritmo de controlo MPPT perturbação e observação que permitiu extrair a potência máxima do painel consoante diferentes condições de simulação que representavam diferentes condições atmosféricas. Seguiu-se o ambiente computacional do conversor buck boost em comparação com o conversor buck boost interleaved. Este conversor, devido à bidireccionalidade do mesmo, teve necessidade do estudo de diferentes modos: modo buck correspondente à carga da bateria e o modo boost, correspondente à sua descarga. A bateria foi simulada utilizando o modelo de Thevenin, Para além da comparação dos conversores, foram ainda verificadas as consequências da alteração de valores dos elementos indutivos do sistema e da corrente de referência, sendo possível observar a categoria de fast charging do conversor. Após o estudo de todos os conversores, conclui-se que a topologia interleaved apresenta melhorias relativamente às topologias convencionais, sendo por isso a topologia que será implementada em ambiente laboratorial.
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 80 representa nenhum ganho ao circuito e que permite de uma certa forma isolar graças à alta impedância que introduz, um filtro passivo e um díodo de zener que servirá como proteção extra para o ADC. O circuito descrito encontra-se representado na figura 5.6. Figura 5.6 - Seguidor de tensão, filtro passivo e díodo de zener de proteção dos ADCs. Relativamente aos tipos e valores dos componentes utilizados, o filtro passivo é constituído por uma resistência ( 3) de 1 kΩ e um condensador de 100 nF formando uma frequência de corte de 1,6 kHz, o díodo de zener de 4,3 V e o amplificador operacional LM358 [53]. No que concerne ao divisor resistivo constituído pelas resistências R₁ e R₂ existem dois pares de valores: uns para o sensor de tensão, que tal como será calculado no ponto 5.3.4, sabe-se que Rm, equivalente ao R₂, será de 120 Ω e que R₁ será de 30 Ω; já para os sensores de corrente, cuja saída terá um valor máximo de 5 V, R₁ será equivalente a 1,5 R₂, presumindo R₁ com um valor de 100 Ω, R₂ terá um valor de 150 Ω. Para o conversor bidirecional interlevead são também usados dois circuitos como os da figura 5.6 que serão ligados aos sensores de tensão, porque tal como foi descrito anteriormente, a tensão nunca será negativa, pois é considerada uma rede CC. No entanto, devido à bidireccionalidade do conversor, a corrente percorrerá dois sentidos: um sentido positivo convencionalmente para o carregamento das baterias e um sentido negativo, inverso que corresponde ao descarregamento das baterias e para tal o circuito implementado teria de permitir o ajuste dos ganhos para uma gama de leitura dos ADC. O esquema elétrico do circuito utilizado encontra-se na figura 5.7.
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 81 Figura 5.7 - Esquema elétrico do circuito somador não inversor para o condicionamento de sinal proveniente dos sensores. A tensão 𝑉𝑟𝑒𝑓 permite a criação de um offset e as resistências R₁ e R₂ permitem o ajuste da tensão de saída dos sensores para valores de tensão que sejam possíveis ler com o ADC. A tensão de saída, valor que será lido pelo ADC, é dada pela expressão 5.1 𝑣𝐴𝐷𝐶=(1+ 5 6)(𝑣1 3𝑉𝑟𝑒𝑓 4 1 31 4) (5.1) 5.3.3 Placa de Driver Para que seja possível a união entre o circuito de controlo e o circuito de potência é necessário garantir o isolamento galvânico entre ambos, isto porque enquanto o condicionamento de sinal trabalha com pequenas tensões, o andar de potência atinge médias tensões, mas que seriam o suficiente para danificar o circuito de condicionamento de sinal ou a placa utilizada. Uma forma de garantir o isolamento galvânico é com ADUM3223. Este dispositivo possui quatro drivers de meia ponte isolados que permite fornecer saídas independentes e isoladas do alto de baixa e alta tensão. Possui elevada velocidade da tecnologia CMOS e operam com uma alimentação que varia entre 3,0 V e 5,5 V permitindo a compatibilidade com sistemas de baixa tensão[54]. Para a sua alimentação foi utilizado o TMA 0515D da Traco Power que consiste num conversor CC/CC de 1W cuja área é de apenas 1,2 cm² que utiliza tecnologia SMD, cujo package é um SIP-6.
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 82 Ainda acerca do ADUM 3223, a diferença de tensão entre a tensão baixa e a tensão alta pode atingir os 700 V de pico. De forma a diminuir os componentes utilizados e consequentemente o espaço ocupado, foi apenas utilizado dois ADUM 3223 no conversor bidirecional interleaved utilizando o modo de operação Boot-strap pois este dispositivo para além de ser adequado para este modo de funcionamento permite que seja alimentado por apenas um componente poupando assim nos recursos. Neste modo de operação, presente na figura 5.8, o condensador 𝐶𝐴 funciona como elemento armazenador de energia e é carregado sempre que o IGBT do lado inferior é fechado, fazendo curto circuito entre 𝐺𝑁𝐷𝐴 e 𝐺𝑁𝐷𝐵 Durante o carregamento de 𝐶𝐴, é recomendável manter a variação da tensão sobre a variação de tempo abaixo de 10 V/ µs. A forma de controlo consiste numa resistência 𝐵𝑂𝑂𝑇 colocada em série, que pode ser calculada através da expressão: 𝐵𝑂𝑂𝑇= 𝑉𝐷𝐷𝐴 − 𝑉𝐷𝐵𝑂𝑂𝑇 𝐶𝐴 𝑑𝑣𝑑𝑡 ⁄= 15 − 1 10 𝜇𝐹 ∙ 10 𝑉/𝜇𝑠=0.14 Ω (5.2) Como não existe uma resistência com esse valor, e tendo em conta que no datasheet afirma que esta resistência pode ser ignorada, foi utilizada uma resistência de 0Ω[54]. Figura 5.8 – Circuito de Boostrap modo de operação em meia ponte. Este componente possui ainda uma entrada de disable que permite a cessação de funções quando ativada devido a algum erro no sistema. A resolução de erros foi feita através de firmware.
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 83 Para o conversor CC-CC boost interleaved apenas foi utilizado um IGBT o que permitia o uso de um componente com características semelhantes, diferenciado no número de entradas de PWM e consequentemente no número de saídas. O ADUM3223 foi utilizado de forma a manter o hardware semelhante entre ambos os conversores, já que o conversor bidirecional interleaved necessitaria do dobro dos semicondutores de potências e o modo de operação demonstrado na figura 5.8. 5.3.4 Sensor de Tensão Uma das formas de obter o MPPT, será calculando a potência instantânea produzida pelo painel, o que pode ser calculada com recurso a sensores de tensão e corrente que depois permitem o cálculo da potência. Os sensores de tensão utilizados são os CYHVS5-25A com efeito Hall, baseado no princípio da compensação magnética. É eletricamente isolado e pode ser utilizado em tensão contínua como em tensão alternada. O seu princípio de funcionamento consiste no campo magnético gerado pela corrente percorrida Ip quando a tensão é aplicada aos terminais positivo e negativo através da resistência Ri. O campo magnético é compensado pelo campo magnético reverso causado pela corrente na bobina secundária, Is do lado secundário. Graças à capacidade eletromagnética do sensor, é possível obter assim a tensão de saída. Figura 5.9 - Esquema da montagem de um sensor de Tensão. A resistência 𝑖 deve ser calculada de forma que a tensão nominal de entrada não ultrapasse os 5 mA de forma a obter uma precisão de medição ideal. O sensor é ainda ideal para medir tensões até aos 1500V, sendo que a resistência primária deverá ser considerada de forma a manter a temperatura de aquecimento a nível baixo para garantir a alta propriedade do
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 84 isolamento elétrico [55]. A tensão máxima que o sistema terá que suportar será a tensão de curto-circuito do painel solar da Kyocera, KC200 GHT-2 que segundo o seu datasheet corresponde a 32,9 V [56]. O seu cálculo é apresentado abaixo: 𝑖 = 𝑉𝑀𝐴𝑋 𝐼𝑃= 32,9 𝑉 5 𝑚𝐴 = 6580 Ω (5.3) Como foram utilizadas duas resistências em série de forma a formar 𝑖 , o valor de cada resistência seria de 3,3 kΩ, no entanto, de forma a dar margem para sobretensões, foram utilizadas duas resistências superiores, de valor 4,7 kΩ que permitiam uma leitura de valores até 47 V. Usando a lei de Joule para calcular a potência dissipada em cada resistência, verificase que esta terá um valor de 47 mW. Relativamente à resistência de medida, Rm, resistência que permite a saída em tensão do sensor, visto que a sua saída é em corrente, é calculada através da expressão: 𝑚 = 𝑉𝐴𝐷𝐶_𝑀𝐴𝑋 𝐼 = 3 𝑉 25 𝑚𝐴 = 120 Ω (5.4) De notar que a tensão máxima permitida pelo ADC seria de 3,3 V, mas como forma de segurança e proteção da placa foi utilizado um valor inferior sendo por isso usados os 3V. Após os cálculos feitos para as resistências, foi verificada a linearidade do sensor através da sua calibração. Para tal foram dados diferentes valores de tensão de entrada e certificada a tensão a ser medida pelo condicionamento de sinal. Na tabela abaixo encontra-se a variação dos valores de tensão de entrada e dos valores adquiridos pelo ADC. Tabela 5.2 - Valores de tensão de entrada no sensor e o respetivo valor de tensão de saída Valor de tensão de entrada Valor tensão à saída do sensor 0 0,00242 V 5 V 0,4 V 10 V 0,768 V 15 V 1,134V
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 85 Após a obtenção de diferentes valores é possível prever o comportamento do sensor matematicamente através da equação 5.5 e confirmada a sua linearidade no gráfico da figura 5.10: 𝑦 = 0,0753𝑥 + 0,0117 (5.5) Figura 5.10 - Variação da tensão de entrada no sensor e da tensão no ADC. 5.3.5 Sensor de Corrente Para que seja possível o correto funcionamento dos algoritmos de controlo é necessário a leitura dos valores da corrente. A forma utilizada foi através de sensores de corrente da LEM. Este sensor de corrente possui uma tensão de alimentação unipolar, é compacto e ideal para o design de PCB, medição incorporada de resistência, possui acessibilidade à tensão interna de referência, para além de possuir uma excelente exatidão e uma ótima linearidade, um tempo de resposta otimizado, uma alta imunidade a interferências externas, para além da capacidade de leitura de correntes nominais de 15 A. Possui 6 pinos de ligamento e dependo das ligações entre eles, obtém-se valores máximos de corrente que podem ser lidos. Tensão desaída do sensor
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 86 Figura 5.11 - sensor de corrente [57]. O sensor possui uma tensão de alimentação de 5 V e um offset de 2,5 V. Dimensionando de forma a poder atingir uma corrente máxima de 7,5 A foi utilizada a configuração para a respetiva corrente [57]. Figura 5.12 - ligação entre os pinos do sensor de corrente [57]. Para verificar a linearidade dos sensores e de forma a saber quais os valores da tensão de saída consoante a corrente atravessada pelo sensor, foram testados individualmente, retirando uma bobina ao circuito, forçando a corrente a percorrer o braço oposto. É importante salientar que as bobinas possuem valores de indutância diferentes, sendo por isso expectável que os valores de tensão sejam também diferentes. Tabela 5.3 - Valores de corrente de entrada no sensor A e o respetivo valor de tensão de saída Corrente de entrada do sensor A Valor tensão à saída do sensor A 0,40 A 2,473 V 1,06 A 2,423 V 1,50 A 2,385 V 1,90 A 2,352 V 2,30 A 2,319 V
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 87 Tabela 5.4 -Valores de corrente de entrada no sensor B e o respetivo valor de tensão de saída. Corrente de entrada do sensor B Valor tensão à saída do sensor B 0,42 A 2,479 V 1,08 A 2,419 V 1,52 A 2,381 V 1,90 A 2,349 V 2,28 A 2,315 V Após serem retirados vários pontos foi traçado um gráfico, representado na figura 5.13 e posteriormente equacionada a relação entre a corrente de entrada e a tensão de saída de cada sensor, presentes nas equações 5.6 e 5.7. Figura 5.13 - Relação entre a tensão de saída nos sensores de corrente e a corrente à entrada do conversor: a azul o sensor A e a laranja o sensor B. 𝑦= − 0,0878𝑥+2,515 (5.6) 𝑦= − 0,0815𝑥+2,5071 (5.7)
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 88 Esquemático e Placa Desenvolvida De forma a transformar tudo o que foi descrito acima e uma forma de criar a PCB, foi usando um programa para esse efeito denominado PADS PCB Design Software da Mentor Graphics Community que inclui o PADS logic para o desenho do esquemático e o PADS layout para a disposição dos componentes, assim como a criação das vias de forma a criar o layout da PCB. Para facilitar a visualização do esquemático, este foi dividido em duas figuras, uma que possui o esquemático completo, figura 5.14 , incluído todos os conectores, e outra detalhando partes do esquemático, destacando um condicionamento de sinal, um ADUM 3223 e o conversor, figura 5.15. Figura 5.14 - Esquemático de todo o sistema implementado no PADS schematics. A figura 5.15 mostra com maior detalhe algumas partes do esquemático implementado, destacando-se em (a) o circuito de potência em (b) o circuito de driver e em (c) o condicionamento de sinal.
Capítulo 5 – Desenvolvimento do Protótipo da Topologia Proposta Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 89 Figura 5.15 - Detalhes do esquemático do conversor boost: (a) conversor de potência, (b) circuito de drive e (c) circuito de condicionamento de sinal. Para o design final da PCB, para além de ter tido em conta todos os componentes utilizados também foi estudada a melhor forma da sua disposição de tal maneira a que a área utilizada fosse a mais pequena possível. De salientar que todo o sistema utilizado encontra-se na mesma placa.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 96 Introdução Como fase final desta dissertação, segue a confirmação dos estudos obtidos nos capítulos 4 e 5 sendo submetidos a diferentes testes. Ao longo deste capítulo são destacados os resultados obtidos desses mesmos testes, que para além de incluírem a validação do hardware com validação e confirmação de diferentes pormenores de formas de onda que validam o hardware. Validado o hardware, a PCB é submetida inicialmente a testes em malha de aberta, sem necessidade de algoritmo de controlo MPPT seguindo-se os testes em malha fechada com o controlo funcional. Os pormenores das diferentes formas de onda são apresentados ao longo do capítulo que termina com a validação do hardware. Conversor CC-CC De forma a validar o hardware implementado, a PCB desenhada foi sujeita a diferentes testes. Como aliada à PCB encontrava-se o DSP que era responsável pela implementação do algoritmo de controlo. Antes de ser submetido ao conversor, foi verificado a saída dos PWMs. Estes sinais seriam responsáveis pela comutação dos IGBTs. Numa fase inicial, os PWMs produzidos foram de 50%, tendo sido testados diferentes valores posteriormente. A figura 6.1 representa a saída do DSP dos sinais de PWM de 50% de duty cycle.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 97 Figura 6.1 – Pormenores de PWMs de 50% provenientes do DSP. Após sair do DSP, o sinal é transformado através do ADUM que irá alterar o sinal de 5V em 15V, de forma que seja compatível com o IGBT. Na figura 6.2 é possível verificar a entrada e saída do ADUM. Figura 6.2 – Pormenor dos PWMs na entrada do ADUM (a azul) e na saída (a laranja). A figura 6.4 apresenta a tensão no coletor de um dos IGBTs.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 98 Figura 6.3 – Pormenor da tensão no coletor de um dos IGBTs. A comutação dos IGBTs está representada abaixo, para uma tensão de entrada de 20V. É possível ver na figura 6.4 que o sinal varia entre -15 V e 15 V verificando-se um pico de tensão no instante da comutação. Este pico poderia ser corrigido através da alteração do valor da Rgate. Figura 6.4 – Pormenor das formas de onda da comutação dos IGBTs. A comutação dos IGBTs interfere na condução das bobinas. No que refere às formas de onda observadas neste elemento indutivo na figura 6.5, é de salientar que possui um pico de tensão elevado para o desejado, mas que mantém a forma de onda que era esperada.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 99 Figura 6.5 – Pormenor das formas de onda presentes nas bobinas do conversor. 6.2.1 Teste em Malha Aberta Inicialmente e de forma a ser possível testar o funcionamento do hardware produzido, o sistema foi submetido a testes em malha aberta. Para tal foi aplicado um PWM com duty-cycle fixo de forma a que as gates dos IGBTs recebesse essa variável. Tal como foi simulado, foram testados dois circuitos: o boost e o boost interleaved. Consoante o valor da tensão de entrada do conversor e o duty-cycle aplicado nos semicondutores, a tensão de saída será elevada. Através da tensão de entrada e a corrente consumida pelo sistema, calcula-se a potência produzida pelo painel e o mesmo é possível fazer nas variáveis de saída do sistema, sendo depois calculado o rendimento do sistema. A carga resistiva utilizada consistia num grelhador, que possuía uma resistência de 26 Ω. Para o ensaio em malha aberta, foi aplicado um duty-cycle de 50% às gates dos IGBTs, produzido pelo microcontrolador e enviado para o circuito de drive conectado aos IGBTs. Apesar dos conversor boost e o boost interleaved serem diferentes, os parâmetros foram os mesmos, ou seja, a tensão de entrada e o duty-cycle foi mantido igual. As figuras 6.7 e 6.6 apresentam as formas de onda de entrada, representadas a azul e a laranja a forma de onda da tensão de saída.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 100 Figura 6.6 - Formas de onda de tensão de entrada de 20V, a azul e forma de onda da tensão na saída, a laranja, para um duty-cycle de 50%. Figura 6.7 - Formas de onda de tensão de entrada de 30V, a azul e forma de onda da tensão na saída, a laranja, para um duty-cycle de 50%. 6.2.2 Validação do Algoritmo MPPT Nesta secção é descrito o método utilizado para testar o algoritmo MPPT implementado, porque em ambiente laboratorial é complexo ter um painel solar fotovoltaico para a realização dos ensaios experimentais. A solução proposta consistia num reóstato em série com a fonte de tensão CC formando uma fonte de tensão CC não ideal. A figura 6.8 mostra o esquema elétrico de uma fonte CC não ideal.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 101 Figura 6.8 - Esquema elétrico de uma fonte CC não ideal. O reóstato funciona como um potenciómetro, onde é possível variar a resistência ( 𝑖) e assim variar a potência que a fonte poderá disponibilizar. Teoricamente a potência máxima será dada quando a resistência imposta pelo reóstato for igual à resistência da carga, isto porque a queda de tensão será igual em ambas as resistências. Prosseguindo com o ensaio, o conversor CC-CC boost interleaved será conectado aos terminais da fonte de tensão não ideal como representa a figura 6.9. Figura 6.9 - Fonte não ideal conectada ao conversor CC-CC boost interleaved. Antes da obtenção dos resultados, foram realizados cálculos teóricos para obtenção da potência máxima consoante diferentes valores de resistência do reóstato, sendo que a tensão CC permaneceu fixa nos 30 V. Para que a potência máxima seja atingida, a queda de tensão será de 15V em cada resistência.
Capítulo 6 – Resultados Experimentais Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 102 Conclusão É ao longo deste capítulo que é validado o hardware que foi implementado e que é descrito ao longo do capítulo 5. Para tal foi começado por mostrar as formas de onda que foram que provieram do DSP, seguindo-se a verificação da entrada e saída do ADUM. Após isso, foram verificadas as formas de onda da tensão no coletor, e a forma de comutação do mesmo. Foi ainda verificado as formas de onda das bobinas presentes no conversor. Seguiram-se os testes em malha aberta, testes onde o duty-cyvle se encontrava a 50% e onde é possível verificar que a tensão de saída é praticamente igual ao dobro da tensão de entrada, apesar de apresentar um ripple significativo. Após a verificação da malha aberta, é explicado o modo de funcionamento dos testes em malha fechada devido à ausência de um painel solar fotovoltaico para os mesmos. Estes testes consistem em incluir uma fonte CC não ideal que é constituída por um reóstato em série com uma fonte CC-CC. Os resultados para esta parte em particular da dissertação fiquem aquém do esperado, sendo proposto como trabalho futuro melhoria do algoritmo de MPPT de forma a obter resultados satisfatórios.
Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 103 Conclusões Este documento apresenta a evolução do estudo e desenvolvimento dos conversores de potência para interface a painéis solares fotovoltaicos e o seu armazenamento de energia. Com este intuito foram estudados dois conversores de corrente contínua, um unidirecional com o intuito de extrair energia do painel solar fotovoltaico, outro bidirecional com o intuito de carregar a bateria quando o painel produz em excesso e compensar a rede, descarregando a bateria quando assim seja necessário. Apenas foi possível provar o funcionamento de um dos protótipos tendo em conta as limitações impostas pela situação pandémica que atualmente vigora. Como ponto de partida, foi uma breve introdução ao objetivo do tema, abordando a energia solar e a sua influência no mundo, a capacidade da energia solar de colmatar alguns problemas energéticos a nível mundial se aproveitado com um aumento de produção. Foi ainda apresentado o aumento da produção de energia solar em Portugal desde o início do milénio. É ainda neste capítulo que são abordados os objetivos e motivações que permitiram a realização desta dissertação. O capítulo 2 trata da revisão bibliográfica acerca das tecnologias solares fotovoltaicas, iniciando pela descrição do problema energético, apresentando como solução as células solares fotovoltaicas, que têm vindo a evoluir, destacando-se as células monocristalinas de silício, usadas largamente devido ao mineral constituinte ser de bastante facilidade de acesso, mas também devido à maturidade da tecnologia do silício no mercado, até às mais evoluídas células solares constituídas com vários elementos químicos de forma a que a sua eficácia teórica seja aumentada. Todas estas células têm em comum um modelo de célula fotovoltaica que permite o estudo elétrico e matemático que permite que as características solares presentes em todos os datasheets de painéis solares sejam calculadas e posteriormente sejam
Capítulo 7 – Conclusão Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 104 transportas em curvas características. A união de células cria um painel solar e é ainda referido neste capítulo, as influências que a temperatura, a radiação e a sombra têm sobre a estrutura. Após o estudo das células, e dos painéis, são estudados os sistemas onde poderão ser aplicados: os sistemas autónomos, uteis para países subdesenvolvidos, os sistemas conectados com a rede elétrica, mais utilizados em países desenvolvidos e os sistemas híbridos que unem outros tipos de energias renováveis, tipicamente eólica, que permite uma maior uniformização da produção de energia pois os momentos de maior vento, são os momentos em que o sol é mais fraco ou inexistente. Prosseguindo-se o capítulo 3, onde foi dedicado à bibliografia dos conversores CC-CC de potência assim com os seus algoritmos de controlo. Inicia-se com o estudo do conversor boost, capaz de elevar a tensão de entrada para em seguida se fazer comparação com o com o boost interleaved, que é semelhante ao anterior, porém apresenta melhorias em termos de ripple de tensão de saída, necessidade de uma corrente percorrida pelas bobinas inferior, sendo uma desvantagem a multiplicação dos componentes assim como a complexidade do código a implementar que poderá levar a um ajuste no microcontrolador usado. O mesmo método foi utilizado para o conversor buck-boost, fazendo uma comparação entre os diferentes tipos de topologias, verificando-se, tal como no caso anterior, as vantagens e desvantagens das topologias. É ainda neste capítulo que são descritos os algoritmos de controlo para ambos os conversores: algoritmos de MPPT para o conversor com interface a painel solar fotovoltaico, destacando-se o algoritmo de perturbação e observação devido à sua simplicidade de implementação e o algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante para o conversor buck boost. É neste capítulo que são determinados os principais passos que serão usados para as simulações que se seguem no capítulo posterior. É no seguimento do capítulo 4 que se começam a fazer as simulações no simulador computacional PSIM, onde serão confirmadas as conclusões tiradas no capítulo 3. Inicia-se pela introdução de um painel solar fotovoltaico real e calculadas as curvas características que permitiram a simulação do sistema completo. Após o dimensionamento dos componentes, o conversor boost foi implementado, juntamente com o algoritmo de controlo perturbação e observação e tiradas curvas características. De seguida, introduzida outro braço de forma que as curvas fossem comparadas e verificada a melhoria consoante o conversor anterior. Foram feitos testes a diferentes tipos de variáveis que alteraram o seu comportamento como a
Capítulo 7 – Conclusão Desenvolvimento de um Conversor Unificado com Interface a Painéis Solares Fotovoltaicos Joana Ferreira Campos – Universidade do Minho 105 temperatura e a radiação e validada o comportamento do conversor perante o algoritmo de controlo. Relativamente ao conversor buck boost, as simulações seguiram a mesma ideologia, começado pelo conversor convencional e seguindo-se para a topologia interleaved. Contrariamente ao conversor anterior, para este estudo foi necessário fazer um modelo de Thevenin para simular uma bateria. Foi confirmado as vantagens da topologia interleaved e foram ainda feitos testes com diferentes tipos de corrente de referência que permitiu ver as diferentes respostas temporais em termos de carga e descarga das baterias. O capítulo 5 foi responsável pela descrição da implementação dos conversores. O hardware foi desenvolvido de forma que tudo o que fosse possível ser semelhante em ambos os conversores, fosse, de forma a facilitar a implementação, mas para que depois pudesse houver uma comparação entre as PCBs desenvolvidas em termos de dimensões. Descrevendo o hardware de potência foram detalhados os semicondutores de potência, IGBTs e díodos, os elementos indutivos que foram submetidos a uma ponte RLC de forma a verificar o seu valor para diferentes frequências, e os elementos capacitivos responsáveis por filtros de entrada e saída do conversor. As PCBs desenhadas incluem ainda o sistema de controlo incorporado, onde são descritos o condicionamento de sinal, a placa de driver, sensores de tensão e corrente e o DSP utilizado que apesar de ser o sistema que fazia o controlo se encontrava externo à PCB. Depois de todo o detalhe feito aos componentes utilizados, apresentam-se os esquemáticos das placas desenvolvidas, assim como o seu layout e finalizando com fotografias da PCB física. É no capítulo 6 que foi verificado o hardware apresentado no capítulo 5 e o algoritmo de controlo testado no capítulo 4 e verificadas as formas de onda. Inicialmente foi averiguado o PWM à saída do DSP, verificadas as formas de onda dos ADUM, IGBTs, bobinas e por fim feito o teste em malha onde se verificou que a tensão de saída acompanhava a variação da tensão de entrada sendo praticamente o dobro da tensão de entrada. De seguida, fechou-se a malha e foi explicado o procedimento para obter verificar o algoritmo de MPPT, que consistia numa fonte de tensão ideal mais um reóstato. Estes resultados não se verificaram suficientes para apresentação na dissertação sendo por isso sugeridos como trabalho futuro. Como suma, a realização desta dissertação permitiu evoluir em conhecimentos em várias ferramentas, destacando-se o PSIM, PADS e Code composer, possibilitou o design de PCB,
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