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Universidade Federal de Minas Gerais

Escola de Engenharia

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Projeto de um sistema fotovoltaico autnomo de

suprimento de energia usando tcnica MPPT e controle

digital

Julio Igor Lpez Seguel

Dissertao submetida banca examinadora designada pelo

Colegiado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Eltrica da Universidade Federal de Minas Gerais, como

parte dos requisitos necessrios obteno do grau de

Mestre em Engenharia Eltrica.

Orientador: Prof. Dr. Seleme Isaac Seleme Junior

Co-orientador: Prof. Dr. Pedro Francisco Donoso Garcia

Belo Horizonte, Agosto de 2009

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Dedico este trabajo y todo el esfuerzo puesto en

su desarrollo, a mis seres queridos, por tener la fuerza

para lidiar con la tristeza de nuestra difcil separacin,

en especial a mi gran amor Maribel, a mis hijos Julio,

Lucianno y Sofa, a mis hermanos Jose Luis y Carolina,

a mi padre Luis, a mi ta Yolanda, y a mi querida

abuelita Ana que me acompaa desde el cielo.

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i

Sumrio

Resumo ............................................................................................................................... iv

Abstract................................................................................................................................ vi

Lista de smbolos............................................................................................................... viii

Lista de Abreviaes ......................................................................................................... xiii

Captulo 1:Introduo ......................................................................................................... 1

1.1 Motivao ...................................................................................................................... 11.1.1 O caso de Brasil...................................................................................................... 11.1.2 O caso de Chile ..................................................................................................... 3

1.3 Objetivos........................................................................................................................ 41.3.1 Objetivos gerais ...................................................................................................... 4

1.3.2 Objetivos especficos.............................................................................................. 4Captulo 2: Elementos de um sistema de gerao de energia eltrica fotovoltaica ............ 6

2.1 Introduo...................................................................................................................... 62.2 Sistemas fotovoltaicos isolados..................................................................................... 72.3 Painel fotovoltaico.......................................................................................................... 9

2.3.1 Principio de funcionamento de uma clula fotovoltaica de silcio ........................... 92.3.2 Modelo eltrico equivalente de uma clula fotovoltaica........................................ 122.3.3 Caractersticas eltricas dos painis fotovoltaicos ............................................... 142.3.4 Efeitos dos fatores meteorolgicos nas caractersticas eltricas dos................... 16mdulos fotovoltaicos .................................................................................................... 162.3.5 Efeito das resistncias instrnsecas nas caractersticas eltricas dos mdulos

fotovoltaicos................................................................................................................... 182.4 Conversores Estticos................................................................................................. 192.4.1 Conversores Estticos CC-CC ............................................................................. 20

2.5 Baterias........................................................................................................................ 212.5.1 Conceitos bsicos de uma bateria de chumbo cido ........................................... 222.5.2 Processo de carga................................................................................................ 282.5.3 Modelos para uma bateria .................................................................................... 292.5.4 Dispositivo de desconexo por Baixa Tenso...................................................... 322.5.5 Dispositivo de bloqueio de Corrente Reversa....................................................... 32

2.6 Concluses.................................................................................................................. 33

Captulo 3: Dimensionamento do sistema fotovoltaico...................................................... 35

3.1 Introduo.................................................................................................................... 353.2 Determinao do consumo da residncia ................................................................... 363.3 Nveis de radiao solar da localidade........................................................................ 363.4 Dimensionamento do arranjo fotovoltaico ................................................................... 373.5 Dimensionamento do banco de baterias ..................................................................... 403.6 Modelo do painel fotovoltaico ...................................................................................... 423.7 Escolha da topologia do conversor CC-CC................................................................. 453.8 Dimensionamento do conversor Buck ......................................................................... 47

3.8.1 Determinao do indutor ...................................................................................... 493.8.2 Calculo fsico do indutor de filtragem.................................................................... 51

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ii

3.8.3 Determinao do capacitor de sada do Buck ...................................................... 633.8.4 Determinao do capacitor Ci de entrada do Buck .............................................. 653.8.5 Determinao do Mosfet....................................................................................... 683.8.6 Determinao do diodo do Buck........................................................................... 713.8.7 Clculo trmico dos semicondutores.................................................................... 723.8.8 Eficincia do conversor Buck................................................................................ 753.8.9 Eficincia do conversor para outras topologias .................................................... 76

3.10 Concluses................................................................................................................ 80

Captulo 4: Tcnicas de rastreamento do ponto de mxima potncia............................... 81

4.1 Introduo.................................................................................................................... 814.2 Tcnica Tenso constante (CV) .................................................................................. 834.3 Tcnica Perturba e Observa (P&O)............................................................................. 924.4 Tcnica Condutncia Incremental (IncCond) ............................................................ 1004.5 Comparao entre as tcnicas .................................................................................. 1084.6 Resultados da simulao........................................................................................... 1114.7 Concluses................................................................................................................ 113

Captulo 5: Controle de carga baseado no conversor Buck ............................................ 1145.1 Introduo.................................................................................................................. 1145.2 Estratgia de controle do carregador ........................................................................ 1165.3 Modelagem de conversores estticos ....................................................................... 118

5.3.1 Equaes do espao de estado.......................................................................... 1185.3.2 Modelagem do conversor Buck .......................................................................... 121

5.4 Projeto dos compensadores analgicos.................................................................... 1305.4.1 Definio dos tipos de compensadores.............................................................. 1315.4.2 Projeto da malha de controle de corrente........................................................... 1395.4.3 Projeto da malha de controle de tenso ............................................................. 144

5.5 Simulaes do sistema contnuo ............................................................................... 1485.6 Discretizao dos compensadores............................................................................ 151

5.7 Concluses................................................................................................................ 156

Captulo 6: Resultados experimentais............................................................................. 158

6.1 Introduo.................................................................................................................. 1586.2 Prottipo do carregador de baterias .......................................................................... 1586.3 Arranjo fotovoltaico .................................................................................................... 1606.4 Banco de baterias...................................................................................................... 1616.5 Medies das tenses e correntes............................................................................ 162

6.5.1 Medio da tenso e corrente do arranjo fotovoltaico ........................................ 1626.5.2 Medio da tenso e corrente no banco de baterias.......................................... 164

6.6 Algoritmo MPPT implementado em DSP................................................................... 1666.6.1 Ensaio do desempenho do algoritmo MPPT ...................................................... 169

6.6.2 Resultado dirio.................................................................................................. 1716.7 Ensaio de carregamento do banco de baterias ......................................................... 1746.8 Concluses................................................................................................................ 176

Captulo 7:Concluses gerais e propostas de continuidade........................................... 177

Referncias bibliogrficas................................................................................................ 180

Apndice.......................................................................................................................... 186

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iii

A) Procedimento de ajuste do painel fotovoltaico............................................................ 186B) Modelagem do conversor Buck................................................................................... 190

B.1) Modelo mdio do conversor................................................................................. 190B.2) Modelo linearizado do conversor Buck ................................................................ 197

C) Modulao por largura de pulso ................................................................................. 201D) Rotina para simulao do painel implementada em Matlab ....................................... 202E) Radiao solar horria mdia mensal......................................................................... 203

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iv

Resumo

O presente trabalho apresenta o projeto de um carregador de baterias de chumbo cido

para aplicaes em sistemas fotovoltaicos autnomos de baixo consumo de energia, a partir

de um conversor de potncia tipo Buck, com controle digital para o processo decarregamento por meio de um processador digital de sinais TMS320F2812 de Texas

Instruments.

Para auxiliar o dimensionamento dos componentes do conversor de potncia foi

simulado o arranjo fotovoltaico, ajustados seus parmetros ao de um mdulo comercial, os

resultados obtidos mostraram a concordncia das curvas caractersticas simuladas e

aquelas fornecidas pelo fabricante.

Visando maximizar a energia produzida pelos painis fotovoltaicos utilizada uma

tcnica de rastreamento do ponto de mxima potncia (MPPT - maximum power point

tracking). Para a escolha da tcnica MPPT foi realizado um estudo comparativo das trs

tecnicas mais utilizadas: tenso constante (CV - Constant Voltage), perturbao e

observao (P&O - Perturbation and Observation) e condutncia incremental (IncCond -

Incremental Conductance). A anlise foi feita atravs de simulaes que consideraram

diversas condies de operao do arranjo fotovoltaico.

So propostas baterias eletroqumicas para o armazenamento da energia eltricaconvertida pelos painis fotovoltaicos. Ao analisar as curvas de tenso e de corrente de uma

bateria, percebe-se a necessidade de uma elaborada estratgia de controle para

providenciar o carregamento. Deseja-se carregar completamente as baterias, dentro de

seus limites, o mais rpido possvel j que o perodo dirio de gerao de energia

fotovoltaica limitado. Para garantir o carregamento completo, rpido e seguro das baterias

uma estratgia de controle diferenciada para o conversor Buck apresentada. Na condio

de bateria descarregada, importante que o arranjo de mdulos fotovoltaicos funcione no

ponto de mxima potncia, para aplicar o maior valor de corrente s baterias visando

carreg-las o mais rpido possvel. Quando a tenso da bateria atingir o valor mximo

permitido pelo fabricante (tenso de equalizao), o carregamento deve continuar a tenso

constante com limitao de corrente para evitar danos da bateria pela formao excessiva

de gs.

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v

Para o conversor Buck apresentada a tcnica das variveis mdias no espao de

estado para a obteno de um modelo linear, vlido para pequenas variaes em torno do

seu ponto de operao no estado permanente. Com esse modelo foram obtidas as funes

de transferncia necessrias para o projeto dos compensadores analgicos, os quais foram

digitalizados atravs de tcnicas de discretizao visando manter um desempenho

semelhante.

Resultados de simulaes obtidas com o programa Matlab, bem como resultados

experimentais obtidos com um prottipo implementado no laboratrio so usados para testar

o desempenho do carregador, e seus compensadores.

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vi

Abstract

This work presents the design and development of a battery charger aiming at

applications in autonomous photovoltaic systems of low energy consumption, using a Bucktype converter with digital control for the loading process based on a digital signal processor

TMS320F2812 from Texas Instruments.

In order help dimensioning the converter components the photovoltaic set was simulated,

its parameters were adjusted according to a commercial module and the results showed

similarity with the characteristic curves provided by the manufacturer.

Aiming at the maximum energy produced by the photovoltaic panels, thus reducing the

charging cycle, a maximum power point tracking MPPT technique was used. In order to

choose the most adequate approach, a comparative study was carried on with the three

most used MPPT techniques: Constant Voltage - CV, Perturbation and Observation P&O

and Incremental Conductance IncCond. The analysis was made based on simulations

which have taken into account varied operation conditions of the photovoltaic set.

Electrochemical batteries are the ones proposed for the converted photovoltaic energy

storage. Through the analysis of the voltage and current curves of such batteries, it is clear

that one needs an elaborated control strategy in order to provide an adequate chargingcycle. It is desired to completely charge the batteries, within its specified limits, as fast as

possible, once the daily generation period is limited. In order to guarantee a complete, fast

and secure charge of the batteries, a differentiated control strategy for the Buck converter is

presented. When starting the charging process with the batteries discharged, it is desired

that the photovoltaic modules operate at their maximum power, so that the batteries will

charge as fast as possible. When the battery voltage reaches the maximum specified value

(equalizing voltage), the charging process must go on with this constant voltage level and

with current limitation in order to avoid damages to the battery due to excessive gas

production.

A linear model for the Buck converter is obtained, based on state space averaged

variables, valid for small signal perturbation around a given operating point. With this model,

transfer functions were obtained, which were used for the design of the analogical

compensators, which were digitalized through appropriate discrete time approaches.

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vii

Simulation results obtained using Matlab, as well as experimental tests made in a

prototype developed in laboratory, were carried on in order to validate the project and test

the charger performance.

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viii

Lista de smbolos

conA rea do condutor

eA rea efetiva da perna central do ncleo.

SkinA rea do condutor que minimiza o efeito pelicular

isolSkinA + rea do condutor mais a camada de isolamento

totalA rea total ocupada pelos condutores

wA rea da janela onde situado o enrolamento.

maxB Mxima densidade de fluxo magntico

C Capacitor da sada do Buck

dsC Capacitncia dreno-source

gdC Capacitncia gate-dreno do Mosfet

inC Capacitor da entrada do Buck

issC Capacitncia de entrada do Mosfet

gsC Capacitncia gate-source do Mosfet

ossC Capacitncia de sada do Mosfet

rssC Capacitncia de transferncia do Mosfet

D Ciclo de trabalho

minD Ciclo de trabalho mnimo

GE Energia do band-gap do material da clula fotovoltaica

f Freqncia de chaveamento

pf Freqncia de um polo

uF Fator de ocupao do cobre dentro do carretel.

zf Freqncia de um zero

G Ganho algoritmo tenso constante

IG Compensador analgico de corrente

idG Funo de transferncia do ciclo de trabalho em relao corrente no indutor

iPG Funo de transferncia corrente de carga em relao corrente no indutor

iPVG Funo de transferncia tenso de entrada em relao corrente no indutor

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MCFG Funo de transferncia do lao interno de corrente em malha fechada

oiG Funo de transferncia corrente do indutor em relao tenso de sada

VG Compensador analgico de tenso

voiG Funo de transferncia tenso de sada - referncia de corrente

1H Funo de transferncia do ganho sensor de corrente

2H Funo de transferncia do ganho sensor de tenso

42SOH cido sulfrico

I Corrente fornecida pelo painel ao circuito externo

BULKI Corrente de carga profunda

diaI Consumo dirio de corrente

diaCorrI Consumo dirio de corrente corrigida

LI Corrente quiescente do indutor

LpicoI Corrente pico pelo indutor

LrmsI Corrente eficaz pelo indutor

maxI Corrente de mxima potncia

OI Corrente de sada mdia

maxOI Corrente de sada mdia mxima

Pi Perturbao de corrente de carga

phI Corrente fotogerada

rI Corrente de saturao reversa

refi Referncia de corrente

rrI Corrente de saturao reversa na temperatura de referncia

SCI Corrente de curto-circuito da clula

TCI Corrente de flutuao

totalI Consumo total de corrente

maxJ Mxima densidade de corrente eltrica no cobre do fio

k Constante de Boltzmann

fK Coeficiente de perdas por correntes parasitas

hK Coeficiente de perdas por histerese

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x

MK Funo de transferncia do modulador PWM

1k Fator de tenso,

L Indutncia do Buck

gapl Comprimento do entreferro

N Nmero de espiras

n Fator de idealidade

condutoresn Nmero de condutores

Pn Nmero de clulas conectadas em paralelo do painel fotovoltaico

Sn Nmero de clulas conectadas em srie do painel fotovoltaico

arranjoP Potncia fornecida pelo arranjo fotovoltaico

autP Potncia autonomia

Pb Chumbo

2PbO Dixido de chumbo

4PbSO Sulfato de chumbo

dsPc Perdas pelo descarregamento da capacitncia dreno-source do Mosfet

chavP Perdas de chaveamento do Mosfet

cobreP Perdas no cobre do indutor

condP Perdas de conduo do Mosfet

diodoP Perdas de conduo do diodo Schottky

minP Potncia mnima do gerador

CorrPmin Potncia mnima do gerador corrigida

mosfetP Perdas totais no Mosfet

nucleoP Perdas magnticas no indutor

tP Perdas totais no semicondutor

q Carga do eltron

CDR Resistncia trmica de contato entre o semicondutor e o dissipador

cobreR Resistncia do enrolamento

DAR Resistncia trmica dissipador-ambiente

)(ondsr Resistncia dreno-source na conduo do Mosfet

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jCR Resistncia trmica juno-cpsula

LR Perdas hmicas no indutor

PR Resistncia intrnseca paralelo do painel fotovoltaico

SR Resistncia intrnseca srie do painel fotovoltaico

SER Resistncia srie equivalente do capacitor

Tr Resistncia de conduo direta do diodo

S Radiao incidente.

SP Nmero de horas de sol pleno

T Temperatura da clula

AT Temperatura ambiente

aT Perodo de amostragem das tcnicas MPPT

caT Perodo de conexo-desconexo do arranjo fotovoltaico

CT Temperatura do encapsulamento

DT Temperatura do dissipador

jT Temperatura da juno

rT Temperatura de referncia

ST Perodo de amostragem

V Tenso fornecida pelo painel ao circuito externo

CV Tenso quiescente do capacitor

CHGENBV Valor limite de tenso

eV Volume magntico efetivo do ncleo

fV Queda de tenso no diodo na conduo

FLOTV Tenso de flutuao

iV Tenso mdia de entrada

maxiV Tenso mdia mxima de entradamaxV Tenso de mxima potncia

OV Tenso mdia de sada

OCV Tenso de circuito aberto

OCHV Tenso de equalizao

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xii

minOV Tenso mdia mnima de sada

refv Referncia de tenso

maxrefV Tenso de referncia de mxima potncia

PV

V Entrada de tenso para a modelagem do conversor

LW Energia a armazenar no indutor

maxLW Mxima energia a armazenar no indutor

Avano de fase

T Coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito

Profundidade de penetrao

B Excurso da densidade de fluxo magntico (Tesla).

Li Ondulao de corrente no indutor

inQ Variao de carga do capacitor de entrada do Buck

V Tamanho da perturbao das tcnicas P&O e IncCond

capOV , Ondulao de tenso no capacitor provocada pela variao de carga

RSEOV , Ondulao de tenso provocada pela resistncia srie equivalente

W Faixa de tolerncia algoritmo IncCond.

Eficincia esperada para o conversor Buck

e Permeabilidade relativa equivalente do ncleo

0 Permeabilidade do ncleo

r Permeabilidade relativa do ncleo

fio Resistividade do fio

Retardo devido ao processo de digitalizao

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Lista de Abreviaes

A/D Conversor analgico Digital

AM Air mass

CEPEL Centro de referncia para energia solar e elica

CV Constant Voltage

DSP Digital Signal Processor

ESR Resistncia parasita srie do capacitor do Buck

FF Fator de forma

IEC International Electrotechnical commission

IncCond Incremental Conductance

LRV Load Reconnection Voltage

LVD Load Voltage Disconnection

MPP Ponto de mxima potncia

MPPT Rastreamento do ponto de mxima potncia

NOCT Normal operating cell temperature

P&O Perturbation and Observation

PWM Pulse Width Modulation

STC Standard test condition

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1

Captulo 1

Introduo

1.1 Motivao

1.1.1 O caso do Brasil

O constante desenvolvimento do setor industrial mundial, e o aumento na utilizao de

equipamentos eltricos numa diversidade de atividades humanas fizeram com que a

demanda por energia eltrica aumentasse em forma exponencial nas ltimas dcadas. Esteaumento na demanda no foi acompanhado da mesma taxa de investimentos no setor de

gerao de energia eltrica, o que provocou que alguns pases tenham experimentado

muitos problemas no seu sistema energtico [1].

Atualmente a matriz energtica mundial esta composta, em sua grande maioria por

combustveis fsseis. Carvo, petrleo e gs natural so os responsveis por 80% da

gerao mundial de energia [2]. Essa grande dependncia deste tipo de energia provocou,

nas ltimas dcadas, mudanas climticas a nvel global. As emisses de gases poluentes

como o dixido de carbono, resultante da combusto de combustveis de origem fsseis,

tem provocado o aquecimento da atmosfera (efeito estufa). Alem disso, os combustveis

fsseis so fontes de energia no renovveis. As reservas destas fontes de energia vo se

esgotar em algum momento, s resta saber quando.

Estes problemas lograram chamar a ateno da sociedade, assim governos de diversos

pases comearam a desenvolver medidas para tentar parar o aumento indiscriminado do

uso de combustveis fsseis, e incentivar o uso de fontes alternativas renovveis. Um

exemplo o protocolo de Kyoto, o qual obriga a pases desenvolvidos a reduzir as emissesde gs carbnico em pelo menos 5.2% at o ano 2012, em relao aos nveis alcanados

em 1990. A comunidade cientifica tambm esta contribuindo ativamente soluo do

problema da energia eltrica, por quanto tem sido feito um grande esforo na busca de

formas alternativas e ecologicamente corretas de produzir energia.

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Captulo 1 Introduo

2

Dentre as fontes alternativas, se destaca sem dvida a energia solar fotovoltaica, por ser

uma das fontes primrias menos poluentes, alm disso, tambm se destaca por ser uma

fonte silenciosa, modular, necessitar de pouca manuteno, possuir prazos de instalao e

operao muito pequenos [3], provocar impacto ambiental quase nulo e poder ser facilmente

integrada s construes, gerando eletricidade localmente, sem a necessidade de linhas de

transmisso que provocam perdas e alto impacto ambiental.

Porm, os altos custos dos mdulos fotovoltaicos sempre foram o principal problema

desta tecnologia. At a dcada de 70 sua utilizao era restrita a aplicaes bem

especficas, como as espaciais, onde altos oramentos eram empregados. Devido crise

gerada pelo petrleo na dcada de 70 a energia fotovoltaica comeou a receber importantes

investimentos [4], tanto do setor pblico, por meio de programas de incentivos

governamentais, como de empresas privadas que vislumbraram na energia solar

fotovoltaica uma boa oportunidade para investimentos.

Como conseqncia das polticas de investimentos na pesquisa e no desenvolvimento

dos painis fotovoltaicos, a sua produo mundial e a demanda cresceram

consideravelmente, desta forma os custos da gerao fotovoltaica de energia eltrica

diminuram significativamente [5]. Com esta reduo dos custos, os sistemas fotovoltaicos

se tornaram mais acessveis e comearam a ser utilizados principalmente em lugares

remotos e de clima inspito.

Nestes ltimos anos, o governo de Brasil desenvolveu importantes programas para a

disseminao das energias renovveis. Merece destaque o programa PRODEEM

(Programa de Desenvolvimento Energtico de Estados e Municpios), o PROINFA

(Programa de Incentivo as Fontes Alternativas) e o Programa Luz para Todos. Todos estes

programas tm como objetivo final acabar com a excluso eltrica no pas.

No cenrio mundial a maioria dos sistemas fotovoltaicos so conectados rede eltrica

convencional, porm no Brasil os programas governamentais tem priorizado a instalao de

sistemas fotovoltaicos autnomos. Estes sistemas so instalados em comunidadeseletricamente isoladas com o objetivo de utilizar a energia como vetor de desenvolvimento

social e econmico, facilitando o acesso aos servios de sade, educao, abastecimento

de gua e saneamento [6].

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Captulo 1 Introduo

3

O Brasil esta situado numa zona de insolao bastante elevada [7], porm a energia

fotovoltaica ainda no bem explorada no pas. O fato que Brasil tenha muitos recursos

hdricos, incentiva a gerao de energia eltrica atravs de grandes usinas hidreltricas.

Contudo, a gerao de energia de forma centralizada, possui suas peculiaridades, uma vez

que geralmente as grandes usinas esto localizadas distante dos centros consumidores,

precisando assim de grandes linhas de transmisso, tornando economicamente invivel

levar energia a comunidades isoladas. Em tais situaes, a energia fotovoltaica assoma

como uma alternativa economicamente mais interessante, quando comparado aos custos

necessrios para a implantao de linhas de transmisso at essas comunidades.

1.1.2 O caso de Chile

Chile possui uma grande variedade de recursos naturais e atravs da produo, adio

de valor e exportao de tais recursos tem surgido como uma economia bem sucedida.

Porm, o Chile tem limitados recursos energticos de origem fssil, possuindo uma

produo interna que esta diminuindo em forma permanente e desprezvel. O pas confia

em excesso nas importaes de combustvel para satisfazer a demanda crescente de

energia, convertendo o pas em um importador nato de energia.

Por outro lado, o Chile dotado de forma abundante com recursos energticos

renovveis: hdricos, geotrmicos, elicos, e solar. Porm, uma avaliao de recursosenergticos renovveis a grande escala no foi conduzida para a elica e a solar, e em

conseqncia, nenhum esforo de planejamento energtico que considere estas fontes

renovveis tem sido at agora considerado. A energia solar raramente utilizada, limitando-

se a painis fotovoltaicos para eletricidade rural, sendo sua contribuio total matriz

energtica desprezvel. O deserto de Atacama na regio norte do pas uma das melhores

regies do mundo para aproveitamento da energia solar, baseados em dados de densidade

de energia obtidos de varias fontes. A avaliao do recurso solar no Chile data dos anos 60,

quando esforos que foram dirigidos pela Universidade Tcnica Federico Santa Maria,

levantaram dados de aproximadamente 70 pirangrafos, e dispositivos Campbell-Stokes,

abrangendo um perodo de 20 anos [55].

Nos ltimos anos a poltica chilena comeou a considerar com maior relevncia a

segurana energtica. A varivel de segurana de subministro a tomado grande

importncia, atingindo um patamar similar ao de nveis de custos. No pode-se ter energia

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Captulo 1 Introduo

4

barata que no seja segura. Mas a energia solar no somente um tema de soluo

energtica, pois o desenvolvimento desta energia seria um aspecto muito positivo para

aproveitar as vantagens comparativas que tem Chile, para posicion-lo como lder em

pesquisas em energia solar, pois depois de tudo j conta com um excelente laboratrio de

provas o deserto de Atacama. Este trabalho procura em parte contribuir em esse sentido,

adquirindo conhecimento e experincia que sirvam como ponto de partida em futuras linhas

de pesquisa nesta rea no meu pas.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivos gerais

Projetar, simular e implementar um carregador de baterias para um sistema

fotovoltaico autnomo de pequena potencia, utilizando um conversor Buck como

interface entre a arranjo fotovoltaico e o banco de baterias.

1.3.2 Objetivos especficos

Descrever e dimensionar os principais elementos que compem um sistema

fotovoltaico isolado de baixa potncia.

Desenvolvimento de uma rotina em Matlab, para a simulao do arranjo fotovoltaico

comercial escolhido para o sistema.

Estudo comparativo das tcnicas MPPT mais utilizadas, visando escolher a mais

eficiente para a produo de energia eltrica no sistema fotovoltaico proposto.

Apresentar uma estratgia de controle para o carregamento do banco de baterias.

Apresentar um modelo matemtico, linearizado, para o conversor Buck, por meio da

tcnica de espao de estados, obtendo-se as funes de transferncias, incluindo

perturbaes na tenso de entrada e de corrente na carga, para auxiliar o projeto das

malhas de controle.

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Captulo 1 Introduo

5

Descrever a metodologia de projeto das malhas de realimentao de controle do

conversor Buck e verificar sua dinmica atravs de simulaes.

Implementao do sistema fotovoltaico proposto, incluindo o gerenciamento do

sistema de controle por meio de um processador digital de sinais TMS320F2812 de

Texas Instruments.

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6

Captulo 2

Elementos de um sistema de gerao de energiaeltrica fotovoltaica

2.1 Introduo

O Brasil ainda tem um elevado nmero de comunidades sem acesso luz eltrica. Elas

esto localizadas em lugares distantes dos grandes centros urbanos e por essa razo que

os sistemas fotovoltaicos empregados so, na maioria das vezes, sistemas fotovoltaicos

autnomos de potncia reduzida destinados principalmente iluminao, refrigerao ebombeamento de gua.

Os sistemas fotovoltaicos isolados caracterizam-se por possuir como fonte primria

apenas a energia gerada pelos painis fotovoltaicos. Assim, precisa-se de um sistema de

armazenamento da energia captada, geralmente um banco de baterias, para garantir o

fornecimento de energia durante a noite ou em perodos com baixa incidncia solar. Em

geral um sistema de energia fotovoltaico isolado est composto basicamente por um arranjo

de mdulos fotovoltaicos, um regulador de carga, uma ou mais baterias e, no caso que

existirem cargas que operam com tenso alternada, um conversor elevador e um inversor.

Um sistema fotovoltaico autnomo exige maximizao no aproveitamento da energia

solar e maximizao no armazenamento da energia de reserva, para lograr obter uma

sustentabilidade tcnica e econmica. A baixa eficincia de converso dos mdulos solares

comerciais entre 6 e 16 % [8] e o alto custo de instalao so os maiores obstculos deste

tipo de gerao. Visando aumentar a eficincia do sistema, para reduzir os custos da

energia gerada, necessrio garantir que o sistema opere o maior tempo possvel sobre o

ponto de mxima potncia dos painis. Porm, devido s caractersticas dos painisfotovoltaicos este ponto varivel e fortemente dependente das condies atmosfricas e a

carga a alimentar [9].

Para garantir o funcionamento dos mdulos fotovoltaicos no ponto de mxima potncia,

mesmo com variaes meteorolgicas e variaes na carga, a utilizao de uma tcnica que

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23/222

Captulo 2 Elementos de um sistema de gerao de energia eltrica fotovoltaica

7

PainisFotovoltaicos

Carregador de

Baterias/MPPTBanco de

BateriasConversorElevador

Inversor Carga CA

procure continuamente o ponto de mxima potncia deve ser utilizada. Esses algoritmos de

controle so conhecidos como MPPT (maximum power point tracking) e podem incrementar

a energia produzida entre 15 e 30% [14].

Conhecer as principais caractersticas de um sistema fotovoltaico um dos requisitos

bsicos para o desenvolvimento de trabalhos que busquem o aprimoramento do seu

funcionamento e de seus componentes. Neste captulo se dar uma descrio dos

principais elementos que o compem, dedicando-se um estudo mais aprofundado aos

mdulos fotovoltaicos.

2.2 Sistemas fotovoltaicos isolados

Os sistemas fotovoltaicos isolados podem ser classificados de duas formas [10]:

Sistemas em Srie ou Sistemas em Paralelo, os quais se diferenciam pela forma com que o

sistema de armazenamento de energia empregado.

Em um sistema em srie (Figura 2.1), o banco de baterias colocado em srie com o

fluxo de energia. O carregador de baterias tem a funo de ajustar a tenso para carga das

baterias, alm disso, tambm procura o ponto de mxima potncia dos mdulos

fotovoltaicos. O conversor elevador aumenta a tenso do banco de baterias para o nvel

necessrio na entrada do inversor, de acordo com a tenso C.A desejada na sada do

sistema.

Figura 2.1 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado srie

Segundo [3], as principais desvantagens de uma configurao srie em sistemas

autnomos com banco de baterias so:

1) Que na configurao srie, toda a energia utilizada pelo sistema circula pelo banco de

baterias, diminuindo a vida til das baterias, o que aumenta os custos de manuteno do

sistema.

2) Nos sistemas fotovoltaicos residenciais, o sistema exigido a ter pelo menos trs

estgios de converso, devido a que as tenses do arranjo de painis fotovoltaicos, do

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8

Painis

Fotovoltaicos

Carregador de

Baterias/MPPT

Banco de

Baterias

Conversor

Elevador

Inversor Carga CA

banco de baterias e do barramento CC so geralmente diferentes. Isto afeta

significativamente a eficincia do sistema pelo maior nmero de converses necessrias.

A configurao em paralelo tem como caracterstica principal o emprego do banco de

baterias em paralelo com o fluxo de energia do sistema (Figura 2.2). A diferena nesta

configurao que o conversor que realiza a carga do banco de baterias e o conversor

elevador de tenso no esto em srie com os demais estgios de processamento de

energia.

A reduo do nmero de estgios condicionadores de energia em srie resulta em um

aumento na eficincia global do sistema fotovoltaico [11]. Desta forma, esta configurao

possui algumas vantagens em relao configurao srie, principalmente pelo fato do

banco de baterias, aps estar completamente carregado, pode ser desconectado do

sistema, podendo a carga ser alimentada apenas pela energia gerada pelos painisfotovoltaicos.

Figura 2.2 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado em paralelo.

O banco de baterias, nesta configurao, acionado apenas quando a energia gerada

pelos painis fotovoltaicos inferior demanda exigida pela carga, evitando assim cargas e

descargas desnecessrias, que acabam comprometendo a vida til do banco de baterias.

Esta configurao tambm permite um melhor controle da carga do banco de baterias e,

pelo fato de apenas a energia necessria para a recarga das baterias circula, por elas, a sua

vida til aumentada significativamente, comparada ao sistema srie. Alm disso, como a

potncia processada por este conversor durante a carga das baterias e o estgio de

elevao de tenso so diferentes, a freqncia de operao e os componentes

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9

(semicondutores) utilizados em cada modo de operao so dimensionados de acordo com

a potncia processada [12], e no para a potncia nominal, como no caso da configurao

srie.

2.3 Painel fotovoltaico

No ano de 1839, Edmond Becquerel observou que a incidncia de luz em um dos

eletrodos de uma clula eletroltica originava uma tenso (e corrente eltrica) e chamou ao

fenmeno efeito fotovoltaico [17]. Posteriormente no ano 1888, Hertz observou que a

incidncia de luz ultravioleta sobre dois eletrodos provocava a ruptura do ar com uma menor

diferena de potencial entre ambos, fez algumas experincias e deduziu que os metais

emitiam cargas negativas, isto , eltrons, pela ao da luz [18].

No ano de 1873, W. Smith observou uma variao na capacidade de conduo do

selnio pelo efeito da luz. A partir desse descobrimento chamado fotocondutividade,

Siemems construiu um fotmetro, que contribuiu divulgao do novo fenmeno. Com o

selnio Fritts fez a primeira clula solar nos anos 80 daquele sculo, com 1% de eficincia

[19]. O desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores levou a novos avanos no

campo fotovoltaico e a primeira clula solar de silcio monocristalino, com 6% de eficincia,

foi construida em 1954 por Chapin, Fuller e Pearson [20].

2.3.1 Principio de funcionamento de uma clula fotovoltaica de silcio

A clula solar, tambm conhecida como clula fotovoltaica, o elemento bsico para a

transformao da radiao eletromagntica em energia eltrica e pode ser compreendida

como um dispositivo semicondutor que produz uma corrente eltrica, quando exposta luz.

Um semicondutor a zero Kelvin possui uma banda preenchida por eltrons, chamada de

banda de valncia e uma segunda banda de nvel mais alto que est despopulada, chamada

de banda de conduo. Entre essas duas bandas existe uma banda, que os eltrons nopodem ocupar, chamada de banda proibida (gap). Para que o eltron passe da banda de

valncia para a de conduo, uma quantidade mnima de energia necessria, sendo uma

constante caracterstica para cada material. Desse deslocamento, dois tipos de portadores

de carga so formados: o eltron agora localizado na banda de conduo e uma lacuna

(positiva), onde o eltron se localizava na banda de valncia.

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10

Uma propriedade fundamental para as clulas fotovoltaicas a possibilidade de ftons,

na faixa do visvel, com energia suficiente, excitar os eltrons banda de conduo. Esse

efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, tambm chamados de

intrnsecos, no garante por si s o funcionamento de clulas fotovoltaicas. Para obt-las

necessrio uma estrutura apropriada, em que os eltrons excitados possam ser coletados,

gerando uma corrente til.

Os elementos pertencentes ao grupo IV da tabela peridica, como o silcio e o germnio,

possuem como principal caracterstica a presena de quatro eltrons de valncia que se

ligam aos vizinhos em ligaes covalentes, formando uma rede cristalina. Ao adicionar

tomos pentavalentes, como o fsforo e o arsnio, haver um eltron em excesso para

formar as ligaes covalentes, ficando fracamente ligado a seu tomo de origem. Nesse

caso, necessita-se de somente uma pequena quantidade de energia para liberar este

eltron para a banda de conduo, algo em torno de 0.02 eV. Diz-se assim que o fsforo um dopante doador de eltrons e denomina-se dopante N. O cristal dopado chama-se N

(tipo N). Se, por outro lado, forem introduzidos elementos do grupo III da tabela peridica,

como ndio e o boro, haver falta de um eltron para satisfazer as ligaes covalentes com

os tomos de silcio da rede. Essa falta de eltron denominada buraco ou lacuna. O cristal

dopado chamado P (tipo P) e o boro considerado um aceitador de eltrons ou um

dopante P.

Atravs da unio dos cristais do tipo N e P, uma juno PN formada. Na regio da

juno se d uma difuso de eltrons do lado N para P, devido ao elevado gradiente de

concentrao. Esse deslocamento estabelece uma reduo de eltrons do lado N, tornando-

o positivo, e um acmulo de eltrons do lado P, tornando-o negativo. Surge assim um

campo eltrico na regio da juno; esse processo alcana o equilbrio, quando o campo

eltrico forma uma barreira capaz de impedir a passagem dos eltrons livres remanescentes

do lado N. A tenso total atravs da juno denominada de tenso de difuso, cerca de 1

V.

Quando a regio da unio iluminada os ftons com energia igual ou maior ao band-gapdo material semicondutor utilizado podem ser absorvidos e produzirem eltrons livres.

Ou seja que os ftons arrancam eltrons das ligaes covalentes, formando pares eltron-

lacunas que sero acelerados por efeito do campo eltrico em sentidos opostos. Este

fenmeno em essncia, o efeito fotovoltaico. A conseqncia desta separao de carga

a formao de uma diferena de potencial entre as superficies opostas da clula. Esta

tenso chamada tenso de circuito aberto.

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11

Contato metlico de baseSilcio dopado tipo p

Juno pn

Silcio dopado tipo n

Contato metlico frontal

Se um condutor conecta ambas faces da clula, quando a mesma iluminada, circular

uma corrente, cuja intensidade proporcional irradincia que incide sobre a clula,

conhecida como corrente de curto circuito. A Figura 2.3 mostra a estrutura bsica desse tipo

de clula.

Figura 2.3. Clula fotovoltaica de silcio cristalino.

Ftons com energia menor que o band-gapno so absorvidos. J os que tm energia

maior podem ser absorvidos, mas o excesso de energia aquece o material ou re-emitido,

ou seja, perdido do ponto de vista da converso em energia eltrica. O espectro da

radiao solar contm ftons com energia variando de 0.5 eV, na faixa de infravermelho, at

2.7 eV, na faixa do ultravioleta, sendo que a faixa da luz visvel vai de cerca de 1.7 eV, para

a luz vermelha, at 2.5 eV, para a azul. O silcio apresenta um band-gap de 1.1 eV.

Conseqentemente, grande parte da energia incidente no aproveitada.

Outros fenmenos tambm influem na eficincia da clula:

O eltron livre liberado pela absoro do fton pode se recombinar com uma lacuna

antes de atingir os contatos eltricos. Esse processo especialmente afetado pela

presena de impurezas, de defeitos na estrutura cristalina ou de interfaces quefacilitam a recombinao;

A resistncia existente tanto no material semicondutor quanto na superfcie de

contato metlica que conecta ao circuito externo diminui a eficincia. Porm,

aument-la, visando reduzir essa resistncia, diminui a rea de absoro de luz.

Logo, h um compromisso entre esses dois fatores;

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12

PR

SR

DphI

+

_

V

I

A reflexo da radiao incidente prejudica a eficincia. Para evit-la, coberturas

antirefexivas so colocadas sobre as clulas;

A temperatura afeta o funcionamento da clula, reduzindo a eficincia medida que

aumenta. O aumento da temperatura faz com que a banda de energia do material

semicondutor diminua, resultando em um acrscimo da fotocorrente gerada, de

aproximadamente 0.1 %. Entretanto, a tenso de circuito aberto, decresce a uma

taxa de 0.3 % /C, resultando que a potncia gerada diminua em 1 % a cada 2.7 K

de elevao da temperatura [35]

2.3.2 Modelo eltrico equivalente de uma clula fotovoltaica

Para entender o comportamento eletrnico de uma clula fotovoltaica usual criar um

modelo eletricamente equivalente. O circuito mais simples equivalente de uma clula ideal

uma fonte de corrente em paralelo com um diodo, porm uma clula real apresenta perdas.

Algumas dessas perdas so representadas atravs de resistncias inseridas no modelo

eltrico da clula ideal. A resistncia em srie SR descreve a queda de tenso atravs de

perdas hmicas do material semicondutor, nos contatos metlicos e no contato do metal

com o semicondutor. A resistncia em paralelo, PR , descreve as perdas que surgem

principalmente atravs de perturbaes eltricas entre as partes da frente e de trs da

clula, assim como atravs de perturbaes pontuais na zona de transio PN.

Figura 2.4. Modelo de uma clula fotovoltaica de silcio.

Da Figura 2.4 a fonte de corrente phI representa a corrente gerada a uma determinada

insolao, o diodo D, a juno P-N, I , a corrente fornecida por uma clula solar ao circuito

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13

externo, V , a tenso nos terminais de sada de uma clula, PR e SR , as resistncias

paralelo e srie intrnseca da clula respectivamente.

O equacionamento do circuito da Figura 2.4 conduz expresso para a corrente de

sada da clula (2.1) [13].

( )

P

STkn

RIVq

rphR

RIVeIII

S +

=

+

1 (2.1)

Na qual, rI a corrente de saturao reversa da clula, n o fator de idealidade da

juno, q a carga do eltron, k a constante de boltzmann, T o a temperatura da clula.

A corrente de saturao reversa depende da temperatura de acordo com [14]:

+

=

TTkn

Eq

r

rrrr

G

eT

TII

113

(2.2)

na qual rT uma temperatura de referncia, rrI a corrente de saturao reversa na

temperatura rT , e GE a energia do band-gap do material da clula.

A corrente phI depende da radiao incidente e da temperatura conforme [14]:

( )[ ]1000

STTII rTSCph += (2.3)

Na qual SCI a corrente de curto-circuito da clula na temperatura e radiao padres,

T o coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito da clula, e S a radiao

incidente em W/m.

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14

2.3.3 Caractersticas eltricas dos painis fotovoltaicos

Uma nica clula fotovoltaica, isoladamente, tem capacidade reduzida de produo de

energia eltrica, tipicamente entre 1 e 2 W, correspondente a uma tenso de 0.5 V e uma

corrente de entre 2 e 4 A. Portanto, para atingir determinados nveis de tenso e corrente,

faz-se necessria a associao de vrias clulas, atravs de ligaes srie e paralelo,

formando os painis fotovoltaicos.

O nmero de clulas em um painel determinado pelas necessidades de tenso e

corrente da carga a alimentar. Normalmente um mdulo fotovoltaico constitudo por cerca

de 33 a 36 clulas ligadas em srie, resultando em tenso suficiente para alimentar uma

bateria de 12V.

A expresso proposta por Gow e Manning [13] descreve a equao para a correntefornecida por um mdulo fotovoltaico, conforme:

+

=

+

P

P

S

STkn

n

RI

n

Vq

SLPR

n

RI

n

V

eIInIP

S

S

1 (2.4)

Onde:

Sn : nmero de clulas conectadas em srie do painel fotovoltaico.

Pn : nmero de clulas conectadas em paralelo do painel fotovoltaico.

Os fabricantes fornecem as especificaes dos principais parmetros de um mdulo

solar considerando a condio padro de teste (standard test condition ou STC), definida

pela norma IEC 61215: 1000 W/m de potncia luminosa incidente total, com uma

distribuio espectral conhecida como massa de ar 1.5 (air mass 1.5 ou AM 1.5) etemperatura das clulas de 25 C. Estes parmetros so:

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15

Corrente de curto-circuito ( SCI ): o valor mximo da corrente de carga, igual,

portanto, corrente gerada por efeito fotovoltaico.

Tenso de circuito aberto ( OCV ): o mximo valor da tenso nos terminais do mdulo

fotovoltaico, quando nenhuma carga est conectada a ele.

Ponto de Mxima Potncia (MPP):Para cada ponto na curva I-V, o produto corrente

versus tenso representa a potncia gerada para aquela condio de operao. Em um

mdulo fotovoltaico, para uma dada condio climtica, s existe um ponto na curva I-V

onde a potncia mxima pode ser alcanada. Este ponto corresponde ao produto da tenso

de potncia mxima e corrente de potncia mxima.

Tenso de mxima potncia (maxV

): corresponde tenso no ponto de mxima

potncia.

Corrente de mxima potncia ( maxI ): corresponde corrente no ponto de mxima

potncia.

Temperatura normal de operao (NOCT):devido a que o mdulo trabalha exposto ao

sol, o fabricante fornece tambm a temperatura de operao normal da clula (normal

operating cell temperature), medida com 800 W/m de potncia luminosa incidente total,

temperatura ambiente de 20 C e vento de 1m/s.

Fator de forma (FF): definido como a relao entre a potncia no MPP e o produto da

corrente de curto-circuito vezes a tenso de circuito aberto. Valores usuais para clulas

solares ficam entre 70 e 80%. Esta uma grandeza que expressa quando a curva

caracterstica se aproxima de um retngulo no diagrama I-V.

Exemplos de curvas caractersticas tpicas I-V e P-V para um mdulo fotovoltaico nas

condies padro de testes, so apresentadas nas Figuras 2.5(a) e 2.5(b) respectivamente.Pode-se ver que a mxima corrente fornecida pelo mdulo fotovoltaico a de curto circuito

( SCI ), porm, neste ponto a potncia fornecida zero, pois a tenso nos terminais de 0 V.

O mesmo ocorre no ponto em que a tenso mxima, o de circuito aberto ( OCV ), pois nele a

corrente 0 A.

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16

0 5 10 15 20 25

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

V (V)

I(A)

Vmax Voc

Imax

Isc

SCOC IV

IVFF

= maxmax

0 5 10 15 20 25

5

10

15

20

25

3035

40

45

50

55

60

V (V)

I(A)

Vmax

Pmax Mpp

P(W)

(a) (b)

Figura 2.5. (a) Curva I-V tpica de um painel fotovoltaico. (b) Curva P-V tpica de um painel

fotovoltaico.

Percorrendo a curva caracterstica P-V no sentido da tenso crescente observa-se um

aumento linear da potncia fornecida e o mdulo tem o comportamento de uma fonte de

corrente (curva I-V). Inicialmente a corrente permanece quase constante at um ponto de

mxima potncia (MPP) no qual a diminuio exponencial da corrente pesa mais do que o

aumento linear da tenso, fazendo que a potncia diminua rapidamente, e o mdulo passa

se a comportar como uma fonte de tenso

2.3.4 Efeitos dos fatores meteorolgicos nas caractersticas eltricas dos

mdulos fotovoltaicos

As caractersticas eltricas de uma clula fotovoltaica e, portanto, de um painel

fotovoltaico, so influenciadas diretamente por dois fatores climticos: intensidade da

radiao solar e temperatura das clulas. Para o desenvolvimento de uma ferramenta quesimule as caractersticas de corrente e tenso de um mdulo fotovoltaico, o modelo

matemtico utilizado deve observar o comportamento de cada varivel sob condies de

temperatura e radiao solar diferentes das condies padres de testes (radiao solar de

1000 W/m e temperatura de 25 C).

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17

0 5 10 15 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(a)

Tenso (V)

Corrente(A)

0 5 10 15 20

10

20

30

40

50

(b)

Tenso (V)

Potncia(W)

1000 W/m

800 W/m600 W/m

1000 W/m

800 W/m

600 W/m

2.3.4.1 Efeito produzido pela radiao Solar

Com a variao da intensidade de radiao solar incidente em um painel fotovoltaico

ocorre uma variao proporcional na corrente gerada por este painel. A tenso de circuito

aberto sofre poucas alteraes com a variao da intensidade luminosa, exceto para os

casos quando a radiao solar muito baixa. Assim, com a diminuio da radiao

incidente ocorre um deslocamento para baixo do ponto de mxima potncia. Um exemplo de

curvas I-V para vrias densidades de potncia luminosa incidente mostrado na Figura

2.6(a) enquanto um exemplo de curvas P-V para vrias densidades de potncia luminosa

incidente mostrado na Figura 2.6(b).

Figura 2.6. Curvas caractersticas de um painel fotovoltaico para vrias densidades de potncia

incidente e temperatura do mdulo igual a 25 C. (a) Curva I-V (b) Curva P-V.

2.3.4.2. Efeito produzido pela temperatura

Ao contrrio do caso anterior, a corrente gerada pelo mdulo fotovoltaico apresenta

poucas variaes com a alterao da temperatura da clula fotovoltaica, porm, com o

aumento da temperatura da clula, a tenso de circuito aberto do mdulo fotovoltaico

apresenta uma diminuio em seus valores muito mais significativa, em conseqncia com

o aumento da temperatura, alm de ocorrer um deslocamento para baixo do ponto de

mxima potncia, este tambm deslocado significativamente esquerda. Um exemplo de

curvas I-V para vrias temperaturas do painel mostrado na Figura 2.7(a), enquanto um

exemplo de curvas P-V para vrias temperaturas do painel apresentado na Figura 2.7(b).

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18

0 5 10 15 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(a)

Tenso (V)

Corrente

(A)

0 5 10 15 20

10

20

30

40

50

(b)

Tenso (V)

Potncia

(W)

25 C

45 C

65 C

25 C

45 C

65 C

Figura 2.7. Curvas caractersticas de um painel fotovoltaico para vrias temperaturas e radiao

incidente de 1000 W/m. (a) Curva I-V. (b) Curva P-V.

2.3.5 Efeito das resistncias instrnsecas nas caractersticas eltricas dosmdulos fotovoltaicos

O valor da resistncia srie intervm na inclinao da curva I-V aps o ponto de mxima

potncia, ou seja, quando o mdulo passa se a comportar como fonte de tenso (Figura

2.8a). O aumento de Rs produze o deslocamento para baixo e para a esquerda do ponto de

mxima potncia na curva P-V do painel (Figura 2.8b). A resistncia paralelo regula a

inclinao antes do ponto de mxima potncia, quando o painel se comporta como fonte de

corrente (Figura 2.9a). Com o aumento de Rp o ponto de mxima potncia deslocado para

baixo na curva P-V (Figura 2.9b).

0 5 10 15 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(a)

Tenso (V)

C

orrente(A)

0 5 10 15 20

10

20

30

40

50

60

(b)

Tenso (V)

P

otncia(W)

Rs=1 mOhm

Rs=10 mOhm

Rs=20 mOhm

Rs =1 mOhm

Rs=10 mOhm

Rs=20 mOhm

Rp = 20 Ohm Rp = 20 Ohm

Figura 2.8. (a) Efeito de Rs na curva I-V do mdulo. (b) Efeito de Rs na curva P-V do mdulo.

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35/222


19

0 5 10 15 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(a)

Tenso (V)

Corrente(A)

0 5 10 15 20

10

20

30

40

50

60

(b)

Tenso (V)

Potncia(W

)

Rp = 20 Ohm

Rp = 5 Ohm

Rp = 1 Ohm

Rp = 20 Ohm

Rp = 5 Ohm

Rp = 1 Ohm

Rs = 1mOhm Rs = 1mOhm

Figura 2.9. (a) Efeito de Rp na curva I-V do mdulo. (b) Efeito de Rp na curva P-V do mdulo.

2.4 Conversores Estticos

Os conversores estticos possuem a tarefa de adequar a potncia eltrica disponvel em

determinados pontos do sistema em alguma outra forma estvel desejada. Atravs de uma

estratgia de comando para abertura e fechamento de suas chaves semicondutoras de

potncia os conversores estticos so capazes de elevar ou abaixar um determinado nvel

de tenso ou corrente contnua, transformar uma tenso alternada em contnua ou uma

tenso contnua em alternada com a amplitude e freqncia desejadas.

Os conversores estticos podem operar no modo tenso ou no modo corrente. No modo

tenso a varivel de controle a tenso de sada e o conversor opera como uma fonte de

tenso. No modo corrente a varivel de controle a corrente de sada e o conversor opera

como uma fonte de corrente equivalente.

Nos sistemas fotovoltaicos utilizam-se basicamente dois tipos de conversores Estticos:

os conversores c.c./c.c. e os conversores c.c./c.a. Como este trabalho considera somente a

adequao da potncia fornecida pelo arranjo fotovoltaico para o carregamento do banco de

baterias (barramento c.c.), sero apresentadas apenas as descries dos conversores

c.c/c.c.

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20

2.4.1 Conversores Estticos CC-CC

Os conversores estticos CC-CC so dispositivos que recebem um nvel de tenso ou

de corrente contnua nos seus terminais de entrada e ajustam para um outro valor de tenso

ou de corrente contnua nos terminais de sada de acordo com as exigncias do sistema.

Existem trs topologias bsicas de conversores estticos CC-CC que so: o conversor

abaixador de tenso, tambm denominado na literatura como Step-down ou Buck o

conversor elevador de tenso, tambm conhecido como Step-up ou Boost e o conversor

abaixador-elevador ou Buck-Boost. A Figura 2.10(a) mostra a topologia de um conversor

elevador de tenso a Figura 2.10(b) mostra a topologia de um conversor abaixador de

tenso e a Figura 2.10(c) mostra a topologia de um conversor abaixador-elevador de tenso.

Nessas trs topologias S representa a chave esttica de potncia, D um diodo de

potncia, L um indutor para armazenamento de energia, C um capacitor que atua como

filtro de sada, iL(t) a corrente sobre o indutor, Vi a tenso de entrada e Vo a tenso desada fornecida carga R.

Figura 2.10. Topologias bsicas dos conversores estticos CC-CC: (a) conversor Boost. (b) conversor

Buck. (c) conversor Buck-Boost.

Os conversores CC-CC chaveados possuem dois modos de operao de acordo com a

corrente iL(t) que circula pelo indutor L que so: modo de conduo contnua (MCC) onde a

corrente iL(t) sempre maior que zero durante um perodo de chaveamento e modo de

conduo descontnua (MCD) onde a corrente iL(t) zero por alguns instantes do perodo

de chaveamento [47].

S

Vi VoD C

L

iL(t)

R

+

_

VoC R

+

_

Vi

SD

L iL(t)

(b)

(c)

Vi VoC R

+

_

D

iL(t)

L

S

(a)

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21

Os conversores estticos CC-CC em um sistema fotovoltaico fazem a ligao dos

painis ao barramento de corrente contnua onde sero conectadas as cargas de corrente

contnua. Os conversores podem exercer dupla funo no sistema fotovoltaico, a principal

adequar o nvel de tenso gerado nos terminais do painel ao nvel de tenso desejado no

barramento CC, possibilitando com isso padronizar a tenso dos equipamentos que sero

conectados ao barramento CC. A outra funo a de seguidor do ponto de mxima

potncia do painel MPPT.

2.5 Baterias

As baterias eletroqumicas so uma importante forma de armazenamento de energia que

pode ser utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas so capazes de transformar

diretamente energia eltrica em energia potencial qumica e posteriormente converter,

diretamente, a energia potencial qumica em energia eltrica. As baterias, tambm

chamadas de acumuladores eletroqumicos, so classificadas em duas categorias: Um

primeiro grupo das chamadas de baterias primrias e um segundo grupo de baterias

secundrias. Baterias primrias so dispositivos eletroqumicos que, uma vez esgotados os

reagentes que produzem a energia eltrica, so descartadas, pois no podem ser

recarregadas. J as baterias secundrias podem ser regeneradas, ou seja, atravs da

aplicao de uma corrente eltrica em seus terminais pode-se reverter s reaes

responsveis pela gerao de energia eltrica e assim recarregar novamente a bateria. Os

sistemas fotovoltaicos de gerao de energia eltrica utilizam acumuladores secundrios, ouseja, baterias que podem ser recarregadas. Entre inmeros tipos de baterias secundrias as

mais comuns so as chumbo-cido e as nquel-cdmio [22].

Em comparao com as baterias chumbo-cido as baterias nquel-cdmio tm algumas

vantagens, como ter uma durabilidade maior, ser menos afetadas por sobrecargas, poder

ser totalmente descarregadas no estando sujeitas a sulfatao e no sofrer influencia da

temperatura no seu carregamento [22], alm disso as baterias de nquel-cdmio no sofrem

morte sbita como as baterias de chumbo-cido. Porm as baterias de chumbo cido

possuem um custo muito menor que as baterias de nquel-cdmio. Em geral, seu custo

chega a ser cerca de trs vezes inferior ao das baterias de nquel-cdmio. Este fato tem

determinado sua generalizao e continuidade de uso, razo pela que sero as nicas

analisadas neste trabalho.

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22

2.5.1 Conceitos bsicos de uma bateria de chumbo cido

2.5.1.1 Reaes qumicas

A tenso nominal da clula de uma bateria de 2 V, de modo que para se atingir

tenses maiores devem ser acopladas vrias delas em srie. As tenses de baterias mais

comunes so de 12 V, produzindo-se em menor medida de 6 e 24 V. Cada clula esta

composta de uma placa positiva com dixido de chumbo ( 2PbO ), uma placa negativa com

chumbo (Pb ) e de um eletrlito de cido sulfrico ( 42SOH ) dissolvido em gua.

Com os processos de carga e descarga a tenso da bateria aumenta ou diminui, at

atingir determinados valores limites, alm dos quais os componentes se modificam

irreversivelmente. A magnitude do prejuzo nestes casos acumulativa, isto , por menores

que sejam (quando a tenso est fora dos limites) conduziro deteriorao da bateria e

diminuio da sua vida til [38]. Os limites de tenso mais comuns para as clulas de uma

bateria so de 1.75 V, aps um descarregamento completo lento, a 2.2 V, quando est

carregada, para uma temperatura de 25 C [24].

Durante a descarga, na placa negativa um anion que se encontra livre na soluo se

combina com o chumbo da placa, formando sulfato de chumbo ( 4PbSO ) e liberando dois

eltrons, os quais iro placa positiva da bateria atravs da carga ligada a ela, conforme a

reao qumica abaixo [24]:

++ ePbSOPbSO 242

4 (2.5)

J na placa positiva o mesmo anion transforma-se junto com outros dois eltrons e o

dixido de chumbo em sulfato de chumbo mais gua de acordo com [24]:

OHPbSOeHSOPb 242

42 2240 ++++ + (2.6)

A gua produzida nesta reao vai diluir o cido sulfrico e, conseqentemente diminuir

a tenso nos plos da bateria. Para produzir a reao inversa uma fonte de eltrons deve

ser ligada placa negativa. Assim o sulfato de chumbo presente nas placas positiva e

negativa retornar a seu estado original, ou seja, formando chumbo na placa negativa e

dixido de chumbo na placa positiva, seguido da formao de cido sulfrico e consumo de

gua. Assim a concentrao de cido aumenta, acrescentando a tenso na bateria. Deste

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23

2PbO

4PbSO

422 SOHPbO +

42SOH

OH2

Pb

4PbSO

PbSOH +42

OH2

42SOH

+_

Carga2 e 2 e

2PbO

4PbSO

OHPbSO 24+

42SOH

OH2

Pb

4PbSO

42 PbSOOH +

OH2

42SOH

+_

Carregador2 e 2 e

(a) (b)

Eletrlito

Eletrlito

modo fica claro que a tenso na bateria direitamente proporcional concentrao de cido

sulfrico nela. A expresso abaixo representa a reao global da descarga [24]:

OHPbSOSOHPbPb 24422 2220 +++ (2.7)

Todas essas reaes so reversveis, ocorrendo no sentido inverso durante o processo

de recarga [24]. A Figura 2.11 apresenta um esquema simplificado das reaes qumicas

presentes em uma bateria de chumbo cido [39].

Figura 2.11. Diagrama simplificado de uma bateria de chumbo-cido. (a) Processo de descarga. (b)

Processo de carregamento.

2.5.1.2 Capacidade

A capacidade de uma bateria a quantidade de carga eltrica, expressa em Ampre-

hora (Ah). Assim ento a capacidade nominal de uma bateria o nmero total de ampres-

hora que pode ser retirado de uma bateria nova, plenamente carregada, para os valores

especificados de corrente de descarga e tenso de corte. A capacidade nominal definida

para um regime de descarga de 10 horas com corrente constante, temperatura de 25C,

at a tenso final de 1.75 V por clula ou de 10.5 V por bateria (12 V nominal) [22]. Cabesinalar que alguns fabricantes definem regime de descarga de 20 horas e temperatura de 20

C [43].

A capacidade tem uma forte dependncia do tempo de descarga, diminuindo (em

relao nominal) quando o tempo muito pequeno, isto quando a corrente de descarga

elevada, ou aumentando quando a corrente pequena, onde, conseqentemente, o

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24

20 60 2 48 20

30

12

12.6

13.2

13.8

11.4

10.8

10.2

9.6

9

10

Minutos Horas tempo

25 C

Tensonabateria(V)

I=1C

I=0.6 C I=0.4 C

I=0.2 C I=0.1 C

C : Capacidadenominal

tempo para a descarga maior [38]. Como o comportamento das baterias no linear, isto

, quando maior a corrente de descarga menor ser a autonomia e a capacidade, no

correto falar em uma bateria de 100 Ah. Deve-se falar, por exemplo, em uma bateria 100 Ah

padro de descarga 20 horas, com tenso de corte 10.5 V, o que tambm pode ser escrito

como 100Ah C20 Vcorte = 10.5 V. Esta bateria permitir descarga de 100 / 20 = 5A durante

20 horas, quando a bateria ir atingir 10.5 V [43].

A Figura 2.12 ilustra as caractersticas tpicas de descarga de baterias de chumbo cido,

do fabricante Unipower [43] em temperatura ambiente de 25 C a diferentes correntes de

descarga. C indica a capacidade nominal da bateria medida em 20 horas de descarga com

tenso final de 1.75 V por elemento.

Figura 2.12. Perfil de descarga para baterias de chumbo cido, para diferentes valores de corrente de

descarga.

A capacidade de uma bateria tambm influenciada direitamente pela temperatura.

medida que a temperatura ambiente aumenta, a capacidade nominal da bateria tambm

aumenta e vice-versa. A Figura 2.13 mostra os efeitos da temperatura ambiente em relao

capacidade da bateria, para baterias de chumbo cido do fabricante Unipower [43].

Observa-se que h uma curva para cada corrente de descarga, onde a corrente de

descarga dada como um percentual da capacidade C da bateria em ampre-hora, no

padro de descarga de 20 horas.

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25

2800

Capacidad

edereteno(%)

ciclos24002000160012008004000

0

20

40

60

80

100

120

100%50%

30% 25% 10%

0

20

40

60

80

100

120

Capacidad

ededisponvel(%)

Temperatura (C)

-20 -10 0 10 20 30 40 50

I = 2 C

I = 1 C

I = 0.2 C

I = 0.1 C

C : Capacidade

nominal

Figura 2.13. Efeito da temperatura na capacidade de uma bateria de chumbo cido, para diferentes

valores de corrente de descarga.

2.5.1.3 Profundidade de descarga

A profundidade de descarga indica, em termos percentuais, quanto da capacidade nominal

da bateria foi retirado a partir do estado de plena carga. Por exemplo, a remoo de 25 Ah

de uma bateria de capacidade nominal de 100 Ah resulta em profundidade de descarga de

25%. o valor complementar do estado da carga. Uma maior profundidade de descarga

diminui a capacidade de reteno de carga de uma bateria de chumbo-cido e por tanto sua

vida til. Existem baterias chumbo-cido de baixa profundidade de descarga, empregadas

principalmente em automveis, e baterias de alta profundidade de descarga, que so as

mais indicadas para aplicao nos sistemas fotovoltaicos de gerao de energia eltrica[22]. A Figura 2.14 mostra um exemplo de curva capacidade de reteno versus vida til

(nmero de ciclos carga-descarga) para diferentes percentagens de profundidade de

descarga para baterias de chumbo cido da marca Unipower [43].

Figura 2.14. Capacidade de reteno em funo do nmero de ciclos para diferentes percentagens

de profundidade de descarga mxima para baterias de chumbo cido.

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11.6

11.2

12

12.4

12.8

0 20 40 60 80 100

Estado de carga (%)

Tens

odecircuitoaberto(V)

2.5.1.4 Estado de carga

Capacidade disponvel em uma bateria expressa como percentagem da capacidade

nominal. Por exemplo, se 25 Ah foram retirados de uma bateria de capacidade nominal de

100 Ah, o novo estado da carga de 75%. o valor complementar da profundidade de

descarga. O conhecimento do estado de carga das baterias importante para prevenir os

estados de sobrecarga e sobredescarga e poder administrar adequadamente a capacidade

disponvel.

A tenso de circuito aberto um bom indicador do estado de carga da bateria quando

estas permanecem durante algum tempo em repouso, isto , sem serem carregadas e nem

descarregadas [20]. A Figura 2.15 mostra que a tenso de circuito aberto e o estado de

carga apresentam um comportamento linear.

Figura 2.15. Estado de carga e tenso de circuito aberto de uma bateria.

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-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temperatura do eletrlito (C)

0.8

1.2

1.6

2

2.4

Estado de descarga (%)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1,1

1

1.2

1.3

1.4

1.5

Fatormultiplicad

or

deRi

(b)

(a)

Fatormultiplicador

deR

i

2.5.1.5 Resistncia interna

O valor da resistncia interna de uma bateria depende de vrios fatores: do tipo de

construo, do estado de carga, da temperatura e da idade da bateria [43]. A resistncia

interna de uma bateria consiste na soma da resistncia do eletrlito, placas positiva e

negativa, separadores, etc. [23]. O valor desta resistncia direitamente proporcional

relao entre o material ativo e o eletrlito, logo com o aumento da rea da placa, a

resistncia diminui. [37]. Os fabricantes fornecem o valor da resistncia interna

considerando-se a bateria plenamente carregada, a 25C de temperatura do eletrlito. A

Figura 2.16(a) apresenta a variao da resistncia interna em uma bateria em relao a seu

estado de carga. A Figura 2.16(b) mostra a variao da resistncia interna em funo da

temperatura do eletrlito [37].

Figura 2.16. (a) Curva tpica resistncia de uma bateria de chumbo cido em funo de seu estado de

descarga. (b) Curva tpica resistncia de uma bateria de chumbo cido em funo da temperatura do

eletrlito.

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CHGENBV

OCHV

FLOATV

BULKI

TCI

tempo

Correntenabateria(A)

Tens

onabateria(V)

Regio 1 Regio 2 Regio 3

(Carga profunda) (sobrecarga) (flutuao)

2.5.2 Processo de carga

Providenciar o carregamento completo da bateria exige do controlador uma

elaborada estratgia de controle na qual seja possvel carregar a bateria, dentro de seus

limites, o mais rpido possvel j que o perodo dirio de gerao de energia pelo painel

fotovoltaico limitado. As baterias utilizadas nos sistemas fotovoltaicos operam de forma

cclica, descarregando noite e recarregando durante o dia. O processo de recarga mais

adequado para esses casos o mtodo por tenso constante e limitao de corrente [24].

Para se obter um rpido, seguro e completo processo de carga da bateria chumbo-

cido, alguns fabricantes de baterias recomendam dividir o processo em trs regies [24],

que geralmente so denominadas por: regio 1 de carga profunda (bulk charge), regio 2 de

sobrecarga (over charge) e regio trs de carga de flutuao (float charge). A Figura 2.17

mostra as curvas de corrente e tenso sobre a bateria durante o processo de carga divididoem trs estgios.

Figura 2.17. Curvas de corrente e tenso nas trs regies do processo de carga de uma bateria de

chumbo cido, com recarga a tenso constante e limitao de corrente.

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Vrios modelos, baseados em componentes eltricos, so propostos, dependendo do

grau de complexidade e das propriedades em estudo na simulao. O modelo mais simples

mostrado na Figura 2.18(a). Ele constitudo por apenas uma resistncia iR (que

representa a resistncia interna da bateria) em srie com uma fonte de tenso ideal OV (que

representa a tenso de circuito aberto). Este modelo simples e permite uma rpidaintegrao com outros circuitos eletrnicos em simulao. Ele apresenta, contudo, uma

demasiada simplicidade para a maioria das aplicaes, pois no permite estudar fenmenos

especficos das baterias tais como a capacidade de carga e de descarga.

A Figura 2.18(b) apresenta uma aproximao de primeira ordem da bateria. O capacitor

bC representa a capacidade de carga da bateria, o resistor PR representa a autodescarga

da bateria e tem um valor muito alto para o caso de baterias de cido-chumbo. Por ltimo, a

resistncia SR representa a resistncia interna da bateria. A incluso da malha RC no

modelo j permite representar fenmenos transitrios tanto na carga quanto na descarga.

Mesmo assim, segue sendo um modelo linear equivalente muito simplificado.

A Figura 2.18(c) apresenta o circuito equivalente de Thvenin de uma bateria. Este

modelo permite o estudo do comportamento da tenso em baterias durante o seu ciclo de

vida [41]. Trata-se de um modelo que apresenta como grandezas eltricas, a tenso em

circuito aberto OV , a resistncia interna SR e a tenso em sobretenso, dada pela

combinao em paralelo da resistncia PR e do condensador bC . O circuito equivalente de

Thvenin permite verificar quais os principais elementos que condicionam o funcionamento

das baterias, no entanto, a sua utilizao em simulao produz resultados pouco vlidos

uma vez que realiza uma aproximao deficiente dos diferentes parmetros, por considera-

los constantes quando na realidade dependem do estado de carga, da capacidade de

armazenamento da bateria, da taxa de carga e de descarga, e da temperatura ambiente

[42].

O esquema da Figura 2.18(d) apresenta dodos que permitem identificar os

componentes associados carga e descarga da bateria. Neste modelo os componentes

de 1CV representam as sobretenses, as resistncias SCR e SDR a resistncia interna e PR

a resistncia associada autodescarga. O condensador bC simula a capacidade da bateria.

Este modelo conduz a resultados satisfatrios, contudo necessria a realizao de vrios

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iR

SR

OV bC PR

1C

CR1

DR1

SCR

SDR

PR bCBATV

BATV BATV

BATI BATI

BATI

OV

bC

PR

SR

BATV

BATI

(a) (b) (c)

(d)

1CV

testes fsicos bateria em estudo para se poder estimar o valor dos diferentes parmetros, o

que nem sempre possvel durante a fase de projeto.

Figura 2.18. Modelos eltricos de uma bateria. (a) Modelo simplificado. (b) Modelo equivalente de

primeira ordem. (c) Modelo Thvenin. (d) Modelo de carga e descarga.

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2.5.4 Dispositivo de desconexo por Baixa Tenso

Para evitar que ocorra uma descarga profunda, acima da permitida em sistemas que

usam baterias chumbo-cido, os controladores devem possuir o recurso de desconexo da

carga por baixa tenso (LVD do ingls Load Voltage Disconnection) [44]. Este comando

acionado quando a tenso da bateria decresce at um valor predeterminado VLDV,

correspondente ao estado aceitvel de descarga. A bateria volta a ser conectada a carga

quando sua tenso alcana um valor, tambm pr-determinado.

VLRV. O valor de tenso de reconexo da carga (LRV do ingls Load Reconnection

Voltage) corresponde a um estado de carga seguro para a bateria voltar a fornecer energia.

Dependendo da aplicao, os sistemas fotovoltaicos de gerao de energia eltrica devem

ser dimensionados para que o dispositivo LVD seja raramente acionado, somente nos casos

extremos de longos perodos de baixa insolao.

2.5.5 Dispositivo de bloqueio de Corrente Reversa

Nos sistemas fotovoltaicos pode ocorrer a circulao de corrente da bateria para o painel

fotovoltaico, durante os perodos em que o painel no esteja gerando energia, implicando

em perdas de energia pela descarga da bateria. Os controladores de carga de bateria so

capazes de bloquear a circulao desta corrente. Esse bloqueio feito atravs do circuito decomutao do controlador, que possui chaves unidirecionais ou diodo de bloqueio [22].

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2.6 Concluses

Devido a sua versatilidade os sistemas fotovoltaicos autnomos representam uma boa

alternativa de fornecimento de energia eltrica em lugares eletricamente isolados. As

pesquisas neste campo so essenciais para torn-los mais eficientes, mais confiveis e

mais acessveis desde o ponto de vista econmico. Assim, conhecer as principais

caractersticas dos sistemas fotovoltaicos essencial para desenvolvimento e

aprimoramento dos elementos que compem os sistemas.

Sistemas fotovoltaicos que incluem banco de baterias eletroqumicas aproveitam melhor

a energia gerada pelos painis, pois podem armazenar o excedente durante os perodos de

alta insolao e baixo consumo para utilizar nos perodos de baixa insolao e alto

consumo. As baterias chumbo-cido so as mais utilizadas pelos sistemas fotovoltaicos,

principalmente pelo seu menor custo em relao aos outros tipos de baterias eletroqumicas.

Um equipamento indispensvel em sistemas fotovoltaicos que utilizam banco de baterias

o controlador de carga. Esta tarefa realizada geralmente por um conversor esttico que

tem a funo de gerenciar o processo de carga da bateria, garantindo seu carregamento

completo de forma adequada. Para as baterias chumbo-cido os controladores de carga

tambm devem monitorar o processo de descarga para evitar que ultrapassem a

profundidade de descarga recomendada pelos fabricantes da bateria.

Neste captulo foram apresentadas as caractersticas mais importantes dos

componentes de um sistema fotovoltaico isolado. Analisaram-se os aspectos mais

relevantes relacionados com os objetivos deste trabalho.

No caso do mdulo fotovoltaico foram apresentados: o seu principio fsico de

funcionamento, o circuito eltrico equivalente e sua expresso matemtica correspondente.

Tambm foram analisados os parmetros intrnsecos e fatores meteorolgicos que

influenciam no comportamento de uma clula fotovoltaica e os efeitos dos mesmos nas

curvas caractersticas I-V e P-V.

Em relao s baterias, foi feito um estudo de seus principais parmetros de operao,

foram apresentados os seus modelos eltricos equivalentes mais utilizados na literatura, e

tambm, foi exposto um mtodo de carregamento para aplicaes fotovoltaicas.

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Para o regulador de carga foram apresentadas trs topologias bsicas que poderiam ser

utilizados neste projeto (Buck, Boost e Buck-Boost).

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35

Captulo 3

Dimensionamento do sistema fotovoltaico

3.1 Introduo

No projeto de um sistema fotovoltaico necessrio conhecer algumas caractersticas

meteorolgicas de onde o sistema ser implementado e o consumo da carga a alimentar,

pois esses dois fatores influem diretamente no correto dimensionamento do sistema.

Em relao s informaes meteorolgicas, estas sero obtidas por meio do banco dedados de potencial solar do CEPEL (centro de referncia para energia solar e elica) [21].

So consideradas as taxas mdias de insolao da cidade de Arax em Minas Gerais, pois

a localidade com registro solarimtrico localizada a menor distncia de Belo Horizonte,

cidade tomada como referncia para o estudo.

O consumo de energia diria esperada ser definido considerando um sistema

fotovoltaico autnomo de baixa potncia eltrica, destinado basicamente para a iluminao

de uma residncia de baixa renda. De acordo com caso de estudo definido sero

dimensionados todos os componentes do sistema, visando obter um bom casamento entre a

energia fornecida pelo sol e a demanda esperada de energia, requerimento necessrio de

qualquer projeto fotovoltaico [3].

O modelo eltrico do arranjo fotovoltaico comercial ser simulado e utilizado para o

dimensionamento dos componentes de conversor de potncia. Neste ponto ser

apresentado tambm o projeto fsico do indutor.

Finalmente apresentado o critrio para a escolha do tipo de conversor de potncia.Para o conversor escolhido feita uma anlise do rendimento esperado para diferentes

topologias de conexo do arranjo f

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