universidade federal de santa catarina instituto de ... · circuito elétrico equivalente de um...

Universidade Federal de Santa Catarina Instituto de Eletrônica de Potência

Energia Solar Energia Solar FotovoltaicaFotovoltaica

Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.

TecnologiaTecnologiaFotovoltaicaFotovoltaica

1839 – Placas metálicas mergulhadas em eletrólito e exposta à luz geraram eletricidade;

1879 – Célula de Selênio com eficiência inferior a 0,5%;

1905 – Explicação do efeito foto-elétrico, por Albert Einstein;

1920 – Célula de Silício com eficiência de 6%;

1960 – Utilização das células fotovoltaicas em aplicações espaciais;

Década de 70 – Crise do petróleo, desenvolvimento de células de Silício com eficiência de 20% em laboratório e surgimento da primeira empresa do setor fotovoltaico, Solarex.

Décadas de 80 e 90 – Apelo ecológico: surgimento do programa “telhados fotovoltaicos” e da primeira usina fotovoltaica de grande porte;

2007 – Células multi-junções com eficiência da ordem de 40% em laboratório.

Revisão HistRevisão Históóricarica

Produtividade Versus CustoProdutividade Versus Custo

Produtividade Versus CustoProdutividade Versus Custo

Conceitos Conceitos ImportantesImportantes

RadiaRadiaçção Solar (S)ão Solar (S)

Energia emanada do Sol que chega à Terra através de ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade da luz, suas componentes são:

Radiação direta;

Radiação absorvida;

Radiação difusa.

Massa de Ar (AM)Massa de Ar (AM)

Índice relacionado à espessura da camada de ar no caminho da radiação proveniente do sol.

Matematicamente, tem-se: 1cos( )

AM

CCéélula, Mlula, Móódulo e Arranjo/Painel Fotovoltaicodulo e Arranjo/Painel Fotovoltaico

CaracterCaracteríística de Sastica de Saíída da

Principais Materiais Empregados na Principais Materiais Empregados na FabricaFabricaçção de Cão de Céélulas Fotovoltaicaslulas Fotovoltaicas

Materiais EmpregadosMateriais Empregados

A eficiência de Conversão de uma célula fotovoltaica está intimamente ligada ao tipo de material empregado em sua fabricação. Dentre os principais, tem-se:

Materiais EmpregadosMateriais Empregados

Alguns Trabalhos Desenvolvidos no Alguns Trabalhos Desenvolvidos no INEPINEP

Modelagem Fotovoltaica Contabilizando Modelagem Fotovoltaica Contabilizando os Efeitos Ambientais como Radiaos Efeitos Ambientais como Radiaçção e ão e

TemperaturaTemperatura

Modelagem MatemModelagem Matemáática do Painel Fotovoltaicotica do Painel Fotovoltaico

3 S G módulo S módulomódulo

refref módulomódulo

módulo

n E 1 1 q V -R I-A k T módulo S móduloref T A k T

módulo I ref 0Phref refP

V + R IS TI = 1+u T -T I - I e e -1 -RS T

Equação que descreve o comportamento do painel fotovoltaico em termos da tensão e corrente de saída

Circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico

Modelagem MatemModelagem Matemáática do Mtica do Móódulo Fotovoltaicodulo Fotovoltaico

Informações do Fabricante Resultados de Simulação

Validação Experimental

ImplementaImplementaçção de Tão de Téécnicas cnicas UsuaisUsuais

De Rastreamento de MDe Rastreamento de Mááxima xima PotênciaPotência

Sistema Fotovoltaico com Rastreamento Sistema Fotovoltaico com Rastreamento MMááxima Potênciaxima Potência

TTéécnica da Tensão Constantecnica da Tensão Constante

Vantagens:

Utilização de um único sensor, para leitura da tensão;

Fácil implementação.

Desvantagem:

Erro de rastreamento quanto T < Tref ou T> Tref.

2S 987W / m T 57º C

móduloV 26 ,3V

móduloI 4,5A

móduloP 118,3W

mpV 22,5V

mpI 7,45A

mpP 167,6W

E( P ) 29,4%

Resultados Experimentais

TTéécnica Perturba e Observa cnica Perturba e Observa –– P&OP&O2S 951W / m T 36º C

móduloV 25V

móduloI 7,4A

móduloP 185W

mpV 24,8V

mpI 7,3A

mpP 180W

E( P ) 2,5%

Vantagem:

Atuação nas proximidades do MPP independentemente das condições de radiação e temperatura em regime permanente;

Desvantagens:

Escolha entre velocidade ou precisão de rastreamento;

Uso de dois sensores (tensão e corrente);

Implementação mais complexa;

Erro de rastreamento sob mudanças abruptas de radiação.

Resultados Experimentais obtidos durante a passagem de uma nuvem

TTéécnica da Condutância Incremental cnica da Condutância Incremental -- CondIncCondInc2S 980W / m T 41º C

móduloV 24V

móduloI 7,2A

móduloP 173W

mpV 24,1V

mpI 7,3A

mpP 176W

E( P ) 1,9%

Desvantages:Desvantages:

Uso de dois sensores (tensão e corrente);

Implementação mais complexa, devido à necessidade de cálculo das derivadas.

VantagensVantagens:

Passo variável;

Alia velocidade e precisão de rastreamento;

Detecção do MPP (derivada nula).

Atuação nas proximidades

TTéécnica de Rastreamento cnica de Rastreamento Empregando Sensor de Empregando Sensor de

Temperatura: MPPTTemperatura: MPPT--temptemp

MPPTMPPT--temptemp

26,3

( ) 25º

0,14 /º

refmp

refmp mp ref Vmp ref

Vmp

V V

V V T T u T C

u V C

Nesta técnica, o sensor que lê a corrente do painel fotovoltaica é substituído por umsensor de temperatura, que contabilizará a temperatura na superfície do módulo,

estimando com grande precisão o valor da tensão que impõe a máxima transferênciade potência.

S=900W/mS=900W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=850W/mS=850W/m2 2 e T=50e T=50ººCC S=830W/mS=830W/m2 2 e T=49e T=49ººCC S=802W/mS=802W/m2 2 e T=41e T=41ººCC S=787W/mS=787W/m2 2 e T=34e T=34ººCC

MPPTMPPT--temptemp

Valores de radiação(S) e temperatura (T) durante os teste com o novo algoritmo de rastreamento, obtidos a partir de um mini-KLA.

S=770W/mS=770W/m2 2 e T=26e T=26ººCC S=758W/mS=758W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=700W/mS=700W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=600W/mS=600W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=500W/mS=500W/m2 2 e T=51e T=51ººCC

S=400W/mS=400W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=300W/mS=300W/m2 2 e T=52e T=52ººCC S=200W/mS=200W/m2 2 e T=52e T=52ººCC S=100W/mS=100W/m2 2 e T=53e T=53ººCC S=50W/mS=50W/m2 2 e T=53e T=53ººCC

Ligação dos pontos teóricos de máxima potência para diferentes condições de radiação e temperatura medidas durante os testes.

Trajetória do ponto de operação do módulo fotovoltaicos sob as mesmas condições da análise teórica (osciloscópio no modo X-Y)

Com emprego da técnica MPPT-temp.

MPPTMPPT--temptemp

Tensão (marrom), corrente (azul) e temperatura (verde) durante os ensaios empregando a técnica MPPT-temp.

Proposta de MPPT para PainProposta de MPPT para Painééis is Fotovoltaicos Utilizando Apenas Fotovoltaicos Utilizando Apenas

Sensor de Tensão e Aproveitando a Sensor de Tensão e Aproveitando a Impedância CaracterImpedância Caracteríística do SEPICstica do SEPIC

MPPT MPPT -- SEPICSEPIC

MÓDULO FOTOVOLTAICO OPERANDO NA REGIÃO DE FONTE DE TENSÃO

POTÊNCIA FORNECIDA AO SEPIC COMPORTAMENTO DA POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA RAZÃO CICLICA

2pv

in pv pvin

VP V I

Z

Esta técnica aproveita a característica de impedância do conversor Sepic, tendo como principal vantagem a eliminação do sensor de corrente.

Corrente e tensão no painel e carga para transitóriode carga em t=5s

Potência na saída do painel (Ppv) e entregue à carga (Pcarga)

MPPT MPPT -- SEPICSEPIC

Corrente e tensão no painel e na carga Potência de saída do painel e entregue à carga

MPPT MPPT -- SEPICSEPIC

Radiação incidente

Temperatura do painel

Máxima potência

disponível segundo a

curva P-V do painel

Potência entregue à carga pelo

SEPIC

Desvio de potência

(%)

1000 W/m2 25 0C 800 Wp 797 W 0.375

500 W/m2 25 0C 371.72 Wp 371.27 W 0.12106

1000 W/m2 50 0C 749 Wp 743.67 W 0.71162

500 W/m2 50 0C 348 Wp 345.96 W 0.58621

50 W/m2 50 0C 15.6 Wp 12.53 W 19.679

Resultados de simulações realizadas

MPPT MPPT -- SEPICSEPIC

MPPT com Behavior MatchingMPPT com Behavior Matching

Essa técnica permite que o conversor opere com razão cíclica e freqüência constantes, sem malha de controle, e reproduza as características de saída do painel

Conversor trifásico série ressonante conectado a um arranjo fotovoltaico

MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching

MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching

Saída do Painel fotovoltaico saída do conversor

MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching

LimitaLimitaçções dos Conversores Estões dos Conversores Estááticos ticos no Rastreamento do Ponto de no Rastreamento do Ponto de

MMááxima Potênciaxima Potência

Conversores CCConversores CC--CC como MPPTCC como MPPT

A característica I-V de um painel fotovoltaico apresenta apenas valor

positivos de tensão e corrente e, portanto, fica completamente definida no primeiro

quadrante do plano I versus V.

Como a curva I-V depende de condições ambientais (radiação e

temperatura), o ponto de MPP varia aleatoriamente no primeiro quadrante.

Conversores BUCK como MPPTConversores BUCK como MPPT

Conclusão:Em virtude de o conversor

Buck não poder rastrear em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma

boa solução para rastreamento do ponto de

máxima potência

2

( , )R loadeiload

DD R atanR

2( , ) /e load loadR D R R D

0 ,R loadeload

1< (D R )< atanR

Conversores BOOST como MPPTConversores BOOST como MPPT

Conclusão:Em virtude de o conversor Boost não puder rastrear

em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma boa solução para

rastreamento do ponto de máxima potência

2( , ) (1 )e load loadR D R D R

21( , )

(1 )R loadeiload

D R atanD R

, 90ºR loadeload

1atan < (D R )<R

Conversores BUCKConversores BUCK--BOOST como MPPTBOOST como MPPT

Conclusão:Devido ao fato de o conversor

Buck-Boost conseguir impor seu ponto de operação em todo o

primeiro quadrante, torna-se a melhor solução em aplicações de

rastreamento. Todos os conversores com a mesma característica

estática são igualmente aplicáveis a esta função.

21( , )e load loadDR D R R

D

2

2( , )(1 )R loadei

load

DD R atanD R

0º , 90ºR loade< (D R )<

Sistemas Fotovoltaicos Interligado Sistemas Fotovoltaicos Interligado àà Rede ElRede Eléétrica Comercialtrica Comercial

InterligaInterligaçção com a Rede Monofão com a Rede Monofáásicasica

Características1) Mantém a forma da corrente na rede sempre

senoidal;2) Atua como inversor e filtro ativo

simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade;

3) Potência processada de 1kW;4) Transição natural entre os modos de injeção e

absorção de potência na rede elétrica.

InterligaInterligaçção com a Rede Trifão com a Rede Trifáásicasica

Características

1) Modelagem e controle empregado a Transformada de Park;2) Atua como inversor e filtro 3) ativo simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade;4) Potêncioa processada de 12kW;

InterligaInterligaçção com a Rede Trifão com a Rede Trifáásicasica

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