Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoiii AgradecimentosAo Professor Doutor Manuel Joo Seplveda Mesquita de Freitas, meu orientador pelasuaorientao,disponibilidade,dedicaoepelasvriassugestesdadasdurante esta dissertao.VeraFigueiredo,minhanamoradaportodooapoioquemedeuaolongode todo o curso, pacincia e compreenso.Aos meus colegas de laboratrio Alcides Gonalves, Carlos Silva e Daniel Santos, pela convivncia harmoniosa e divertida, pela ajuda e motivao demonstrada ao longo de todo este trabalho.Atodosmeusoutroscolegas que directa ou indirectamente contriburam para a concluso desta tese.AostcnicosdasoficinasSr.Carlos,Sr.JoeleSra.ngelapelosserviose simpatia demonstrada. Aos meus pais Manuel e Maria e irm Susana por todo o apoio, amor, pacincia demonstrada ao longo da minha vida. A todas as empresas que contriburam para a concluso desta tese, com o envio de amostras, uma ajuda bastante importante, contribuindo desta forma para conhecer novos produtos e novas tecnologias. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoiv Nohnadabomnemmauano ser estas duas coisas: a sabedoria que um bem e a ignorncia que um mal.PlatoCircuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhov ResumoAsactuaispreocupaesambientaiseeconmicassuscitamumaprocuraurgente de alternativas energticas economicamente mais rentveis, menos lesivas ao ambiente, que promovam um mercado de energia sustentvel, capaz de impulsionar o crescimento econmico,reduziradependnciaenergticafaceaoexterior,easseguraraequidade intergeracional.Oobjectivodestadissertaoprende-seemdemonstraras potencialidadesqueaenergiaelctricafotovoltaicaacarreta,taiscomodiminuira dependncia do consumidor face aos fornecedores de energia e a produo elctrica em locais remotos.Actualmenteasfontesdeenergiarenovveis,emparticularafotovoltaica,no podemserdirectamenteligadasaosreceptoreselctricospoisestesrequeremuma tensode230Vaumafrequnciade50Hz.Paratal,sonecessrioscircuitosde interfaceentreafontedeenergiarenovveleosreceptoreselctricos.Apresente dissertao,pretendedemonstraraconstruodeumsistemaelectrnicodepotncia, capazdefazerointerfaceentreumpainelsolarfotovoltaicodebaixapotnciae respectivosreceptoreselctricos,ouseja,converteratensodesadadeumpainel fotovoltaiconumatensoalternadamonofsica(230V/50Hz),optimizandoapotncia que o painel pode fornecer a cada instante.Foidesenvolvidoumsistema,quepermiteextrairamximapotncia,designado porMPPT(MaximumPowerPointTracking).Aextracodopontodemxima potncia efectuada atravs de um conversor de tenso DC/DC designado Step-Up, ou seja a tenso de sada sempre superior tenso de entrada. Para efectuar o controlo do MPPTutilizou-seomtododaPerturbaoeObservao.Aconversodetenso contnuaparatensoalternadaefectuadaporuminversormonofsicodedoisnveis empontecompleta.Ocontrolodosistemaefectuadoporummicrocontroladorda famlia PIC e a linguagem de programao utilizada foi a C. Palavras-Chave:PainelFotovoltaico,EnergiaSolarFotovoltaica,MPPT, Conversor DC/DC, Step-Up, PIC18F4431, Inversor monofsico de ponte completa. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhovi Abstract Thecurrentenvironmentalandeconomicconcernsraiseanurgentdemandfor alternativeenergymoreprofitable,lessaffectingtheenvironment,topromotea sustainableenergymarket,capableofboostingeconomicgrowth,reduceenergy dependency,andtoensureintergenerationalequity.Theobjectiveofthisdissertation focusindemonstratingthepotentialofthephotovoltaicenergy,suchasreducingthe dependenceoftheconsumeragainstenergysuppliersandelectricityproductionin remote locations. Currently the renewable energy sources, in particular the photovoltaic may not be directlylinkedtotheelectricalreceiversbecausetheserequireavoltageof230Vand 50Hz.Itisthereforeessentialtodeveloptechnologycapableofsolvingthisissue.For such,interfacecircuitsbetweentherenewablesourceandtheelectricalreceiversare necessary.Thisdissertationintendedtodemonstratetheconstructionofapower electronicsystemabletomaketheinterfacebetweenaphotovoltaicpanelandtheir electricalreceptors,andtoconverttheoutputvoltageofaphotovoltaicpanelinto (230V/50Hz), optimizing the power that the panel can delivered in each instant.A system designated by MPPT (Maximum Power Point Tracking) was developed. TheextractionofmaximumpowerpointiscarriedoutthroughaDC/DCconverter designatedStep-up,whereoutputvoltageisalwayshigherthantheinputvoltage.The method perturb and observe is used for the control of MPPT. The conversion of DC into AC voltage is carried out by a single phase full-bridge inverter. The control of the entire systemiscarriedoutbyaPICmicrocontrollerandtheCprogramminglanguagewas used. Keywords:PhotovoltaicPanel,PhotovoltaicEnergy,MPPT,DC/DCConverter, Step-Up, PIC18f4431, Single phase full-bridge inverter Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhovii ndice Captulo 1 - Introduo ........................................................................................... 11.1 Identificao do Problema ......................................................................... 11.2 Motivaes ................................................................................................. 51.3 Panorama da Energia Solar no Mundo ...................................................... 61.3.1 Panorama da Energia Solar em Portugal .......................................... 61.4 Objectivos do Trabalho .............................................................................. 81.5 Organizao da Tese .................................................................................. 9Captulo 2 - Sistema Fotovoltaico ......................................................................... 112.1 Conceito e Resenha Histrica .................................................................. 112.2 Sistema Fotovoltaico ................................................................................. 132.2.1 Sistemas fotovoltaicos isolados ...................................................... 152.2.2 Sistemas hbridos ............................................................................ 162.2.3 Sistemas ligados rede elctrica ..................................................... 172.3 Clulas Fotovoltaicas ................................................................................ 182.3.1 Tipos de Clulas fotovoltaicas ........................................................ 202.3.2 Clulas de silcio cristalino ............................................................. 212.3.3 Clulas fotovoltaicas de filme de fino ............................................ 222.3.4 Outros tipos de clulas .................................................................... 232.4 Modelo matemtico de uma clula fotovoltaica ...................................... 232.5 Curva caracterstica do mdulo fotovoltaico ............................................ 292.6 Ponto de potncia mxima (MPP) ............................................................ 312.7 Seguidor do ponto de mxima potncia (MPPT) ..................................... 322.8 Aplicaes do seguidor do ponto de mxima potncia (MPPT) .............. 332.9 Mtodos de busca do ponto de mxima potncia .................................... 342.9.1 Mtodo da Perturbao e Observao ............................................. 35Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoviii 2.9.2 Mtodo da Condutncia Incremental .............................................. 362.9.3 Mtodo da Tenso Constante .......................................................... 37Captulo 3 Circuitos Electrnicos de Interface .................................................. 393.1 Introduo ................................................................................................ 393.2 Conversor de tenso DC/DC .................................................................... 393.3 Conversor DC/DC Step-Up ..................................................................... 393.3.1 Modo de Conduo Contnua ......................................................... 403.3.2 Limite da conduo continua .......................................................... 433.3.3 Modo de conduo descontnua ...................................................... 443.3.4 Ripple da tenso de sada ................................................................ 473.3.5 Clculo da indutncia crtica ........................................................... 473.3.6 Clculo da capacidade crtica .......................................................... 483.3.7 Controlo do Step-Up ....................................................................... 483.4 Transformador.......................................................................................... 493.5 Inversor monofsico................................................................................. 503.5.1 Inversores de ponte completa.......................................................... 513.5.2 Comando por modulao de largura de impulso ............................ 523.5.3 Comando por PWM Bipolar ........................................................... 533.5.4 Comando por PWM Unipolar ......................................................... 543.5.5 Filtro LC.......................................................................................... 56Captulo 4 - Simulaes ........................................................................................ 574.1 Introduo ................................................................................................. 574.2 SimPowerSystems ..................................................................................... 574.3 Simulao do Conversor de Tenso (Step-Up) ......................................... 584.4 Simulao do Inversor Monofsico .......................................................... 61Captulo 5 - Implementao .................................................................................. 635.1 Introduo ................................................................................................. 63Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoix 5.2 Microcontrolador ...................................................................................... 635.3 Semicondutor de potncia ......................................................................... 655.4 Placa electrnica de interface do conversor Step-Up ................................ 665.5 Controlo do conversor de tenso Step-Up ................................................. 685.6 Placa de controlo do Inversor Monofsico ............................................... 705.7 Controlo do inversor monofsico .............................................................. 72Captulo 6 - Resultados ......................................................................................... 756.1 Introduo ................................................................................................. 756.2 Ensaio ao painel solar ............................................................................... 756.3 Ensaio ao conversor de tenso Step-Up .................................................... 786.4 Ensaio ao Inversor de Tenso ................................................................... 78Captulo 7 - Concluses ........................................................................................ 837.1 Concluses ............................................................................................... 837.2 Propostas de trabalho futuro .................................................................... 85REFERNCIAS .............................................................................................. 87ANEXOS ........................................................................................................ 91 Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhox ndice de Figuras Figura 1-1 Evoluo mundial do preo dos derivados do petrleo ......................... 2Figura 1-2 Evoluo das emisses de CO2, cenrio de referncia 1990-2030 ....... 3Figura 1-3 Dependncia energtica do exterior, em 2003 . .................................... 4Figura 1-4 Insolao global anual em Portugal..................................................... 7Figura 2-1Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado.................... 15Figura 2-2 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico hbrido................... 16Figura 2-3Diagrama de blocos sistema fotovoltaico ligado rede elctrica....... 17Figura 2-4 Cristais de silcio................................................................................ 18Figura 2-5 Movimento dos electres juno P-N................................................ 19Figura2-6 Converso directa da radiao solar em electricidade ......................... 20Figura 2-7 Produo de clulas fotovoltaicas...................................................... 21Figura2-8 Clula Fotovoltaica............................................................................. 21Figura 2-9 Aplicao de painis de silcio amorfo.............................................. 23Figura2-10 Circuito elctrico equivalente de uma clula fotovoltaica................ 24Figura 2-11 Curva I - u....................................................................................... 25Figura 2-12 Curvas caractersticas mdulo fotovoltaico..................................... 30Figura2-13 Curva I - u BP2150S........................................................................ 31Figura2-14 Ponto de potncia mxima................................................................ 32Figura 2-15 Diagrama de blocos de um MPPT tpico......................................... 33Figura 2-16 Diagrama de blocos carregamento de baterias................................. 33Figura 2-17 Diagrama de blocos Sistemas ligados rede e sistemas isolados.... 34Figura 2-18 Diagrama de blocos Sistema de bombagem de gua....................... 34Figura 2-19 Algoritmo Perturba e Observa.......................................................... 35Figura 2-20 Mtodo da condutncia incremental ................................................. 37Figura 3-1 Conversor de tenso Boost................................................................. 40Figura 3-2 Formas de onda da tenso e corrente no modo contnuo................... 41Figura 3-3 Estado de funcionamento ON............................................................. 41Figura 3-4 Estado de funcionamento OFF.......................................................... 42Figura 3-5 Formas de onda do Step-Up no limite da conduo contnua............ 43Figura 3-6 Curvas de IoB com Vo constante ........................................................ 44Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoxi Figura 3-7 Forma de onda na bobina no modo descontnuo ................................. 45Figura 3-8 Curva caracterstica do Step-Up tendo Vo constante .......................... 46Figura 3-9 Ripple da tenso de sada no Step-Up ................................................. 47Figura 3-10 Circuito tpico de controlo por PWM ................................................ 49Figura 3-11 Inversor monofsico em meia ponte ................................................. 51Figura 3-12 Inversor monofsico em ponte completa .......................................... 51Figura 3-13 Modulao de largura de impulso modo bipolar ............................... 53Figura 3-14 Modulao de largura de impulso modo bipolar ............................... 54Figura 3-15 Modelao de largura de impulso modo unipolar ............................. 54Figura 3-16 Modulao de largura de impulso modo unipolar ............................. 55Figura 4-1 Ambiente Simulink/SimPowerSystems .............................................. 58Figura 4-2 Modelo simulado em Simulink ........................................................... 58Figura 4-3 Forma de onda da tenso de sada (Vo=36V). .................................... 59Figura 4-4 Forma de onda da corrente .................................................................. 59Figura 4-5 Forma de onda da tenso no mosfet. ................................................... 60Figura 4-6 Modelo do inversor monofsico simulado .......................................... 61Figura 4-7 Formas de onda da tenso e corrente sada ...................................... 62Figura 4-8 Formas de onda (moduladora e portadora) ......................................... 62Figura 4-9 Forma de onda da tenso sem filtro .................................................... 62Figura 5-1 Diagrama dos pinos PIC18F4431 ....................................................... 63Figura 5-2 Etapas de programao ........................................................................ 64Figura 5-3 PICkit 2 ............................................................................................... 65Figura 5-4 Comparao diversos semicondutores de potncia ............................. 65Figura 5-5 Esquema elctrico NTY100N10 ......................................................... 66Figura 5-6 Diagrama de blocos da placa de controlo do conversor de tenso ...... 67Figura 5-7 Esquema do acoplador ptico 6N136 .................................................. 67Figura 5-8 Algoritmo de controlo do conversor Step-Up ..................................... 69Figura 5-9 Diagrama de blocos da placa de controlo inversor monofsico .......... 70Figura 5-10 Circuito drive mosfets NCP511 ........................................................ 72Figura 5-11 Modo contador Up/Down .................................................................. 73Figura 5-12 Algoritmo de controlo do inversor monofsico ................................ 74Figura 6-1 Curva I*U ............................................................................................ 77Figura 6-2 Curva da potncia ................................................................................ 77Figura 6-3 Forma de onda da tenso no mosfet .................................................... 78Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoxii Figura 6-4 Forma de onda da tenso de sada ....................................................... 78Figura 6-5 Formas de onda da tenso ................................................................... 79Figura 6-6 Espectro da tenso de sada ................................................................. 79Figura 6-7 Forma de onda da tenso ensaio em carga .......................................... 80Figura 6-8 Forma de onda da tenso no ensaio ..................................................... 81Figura 7-1 Placa de aquisio de dados ................................................................ 96Figura 7-2 Placa de controlo do inversor .............................................................. 97 Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minhoxiii ndice de Tabelas Tabela 2-1 Dados fornecidos pelo fabricante ....................................................... 26Tabela 6-1 Caractersticas elctricas BP2150S.................................................... 75Tabela 6-2 Resultados experimentais ................................................................... 76Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 1 Captulo 1Introduo 1.1Identificao do Problema A escassez e o preo de recursos fsseis como o petrleo, o gs natural e o carvo, aliadosaoelevadonveldasemissesdegasespoluentes,oaquecimentoglobalda Terraeosproblemassociaisqueadvmdonoacesso,ouacessoprecrioenergia elctricasoelementosderefernciadoactualcenrioenergticoeambiental internacional. A complementar com a constante instabilidade dos mercados de recursos fsseis,oaumentogalopantedoconsumodeenergia,oagravamentodadependncia energtica,asrecentesecadavezmaisfrequentescatstrofesclimatricas,oproblema doisolamentodepopulaesdesfavorecidaseoclimadeinstabilidadepolticados pasesprodutoresdecombustveisfsseis.Todoestecenriorequerumaactuao concertada,pensada,rpidaeestruturadaporpartedosgovernos,universidades, investigadores e populao em geral [1]. De acordo com a Agncia de Informao Energtica (AIE) dos EUA, no perodo compreendido de 2005 a 2030 prev-se um crescimento na ordem dos 71% do consumo deenergiaanvelmundial.Actualmente,osmaioresconsumidoresenergticossoos pasesdaOCDE,noentanto,osquemaiscontribuiroparaestecrescimentosoos actuaispasesemviasdedesenvolvimentoemespecialaChinaeandia.Contudo, pasesdoMdioOriente,AmricaLatinaepasesAfricanos,teroumpapel significativonestecrescimento.Oagravamentonaprocuradeenergiaser acompanhado por um aumento do preo dos combustveis fsseis [2]. Comopode-seconstatarnaFigura1-1,opreoporbarrildocrude,maisdoque duplicou,passandodos50dlaresporbarrilparamaisde120dlares,prev-seainda que este comportamento manter-se- nos prximos anos. No entanto, devido crise econmica mundial tem-se assistido a uma descida da procuraeconsequentementenopreo.ContudoaAgnciadeInformaoEnergtica dosEUAprevquesejapontualestadescida,equeopreodocrudeedosseus derivados tendero a subir acentuadamente.Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 2Universidade do Minho Figura 1-1 Evoluo mundial do preo dos derivados do petrleo [3] Todavia,asituaoenergticamundialircontinuaraserdominadapelos combustveisfsseis,queem2030representaroquase90%doaprovisionamento energticototaleopetrleocontinuara seraprincipalfonte deenergiacom34%.A ComissoEuropeia,noseuRelatrioEnergia,tecnologiaepolticaclimtica: perspectivasmundiaispara2030,revelaqueasreservasmundiaisdepetrleo conhecidaschegamparasatisfazeraprocuraat2030,contudoaosnveisdeconsumo espectveisatingir-se-umdeclniopreocupantedasmesmas,nogarantindoo abastecimento posterior a 2030 [4]. Nomenospreocupanteoprognsticodasituaoambiental,amesmafonte, prev que em 2030 as emisses mundiais de CO2, mais do que duplicaro relativamente ao ano de referncia 1990. OsmaiorescontribuidoresdasemissesmundiaisCO2,soospasesno membros da OCDE, uma vez que so os principais consumidores de energia com base emcombustveisfsseis,devidoaoacentuadoerpidocrescimentoeconmicodas novas economias emergentes [3]. Estima-sequeospasesmembrosdaOCDEvoestabilizaroseunvelde emisses,taldeve-seaumamaiorconsciencializaoenveisdedesenvolvimento destes pases [5]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 3 Figura 1-2 Evoluo das emisses de CO2, cenrio de referncia 1990-2030 [3] Adistribuiodeenergiaelctricanoumbem/serviodeacessoatodos.A populaomundialrondaos6,7milmilhesdehabitantese,segundooProf.Dr. MiguelBritodaUniversidadedeLisboa,cercade1,6milmilhesdepessoasou24% dapopulaomundialnotmacessoaserviosdeenergiaelctrica,e aproximadamente2,6milmilhesdepessoas,oquecorrespondea39,4%,utilizam sistemasdeenergiatradicionais,poucoeficientes,demasiadoafastadosdecentrais elctricasconvencionais,oqueleva,apreosincomportveisnoacessoena distribuio elctrica.As populaes que no tm acesso rede elctrica, ou com um acesso deficitrio sofremdeproblemasdeexclusosocial,isolamento,subdesenvolvimentoefraca qualidade de vida. Estes problemas afectam transversalmente quer pases desenvolvidos quer os pases menos desenvolvidos, contudo a definio das prioridades por parte dos pasessodiferentes.Nospasesdoterceiromundoaprioridadeoacessoea distribuio rede elctrica, enquanto os pases mais desenvolvidos pretendem reduzir a dependnciaenergtica,ecomissoafactura,apostandosimultaneamentenamelhoria das condies ambientais.Portugalnoalheioaestesproblemas.Agrandedependnciaenergticaem relao aos combustveis fsseis e, em particular, em relao aos derivados do petrleo, tem consequncias muito negativas para o pas, nomeadamente o agravamento do dfice dabalanacomercialeefeitosnocivossobreomeioambientequesetraduzemem externalidades negativas [5].Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 4Universidade do Minho PortugalumdospasescommenoreficinciaenergticadaUEgastando0,88 barrisdepetrleoporcadamileurosdePIB.OvalormdionaUnioEuropeiade 0,65 barris por cada mil euros e o pas mais eficiente a Dinamarca onde o valor de 0,41 [3]. De acordo com a Avaliao do desempenho do XVII Governo Constitucional no fim do terceiro ano da Legislatura, Portugal tem assistido a um aumento considervel do consumodeenergiaelctrica.Assim,opastemderecorrerimportaode85%da energia que consome. Figura 1-3 Dependncia energtica do exterior, em 2003 [3] Todososfactoresanteriorestmganhorelevncianosltimosmeses,como crescenteaumentodospreosdopetrleo,frutodadiminuiodasreservaseda especulao.Oquecontribuiparaumreanimardadiscussoemtornodasenergias renovveis,estassimumaapostadefuturo,porquetmimpactosambientais negligenciveis e, como o prprio nome indica, so renovveis. Asenergiasrenovveissoformasdeenergiainesgotveiseoucomelevada capacidadederenovaonopoluentes.Caracterizam-se,tambm,peloseucarcter endgenoedescentralizado,contribuindodestaformaparaareduodasimportaes decombustveis,paraoaumentodaseguranadoabastecimentoenergticoeparaa criao de riqueza em zonas economicamente deprimidas [6].As energias renovveis permitem reduzir significativamente as emisses de CO2, reduzemadependnciaenergticadanossasociedadefaceaoscombustveisfsseise Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 5 conduzeminvestigaoemnovastecnologias,quepermitemobterumamelhor eficincia energtica. Asmesmaspodemnoseuconjuntosolucionarouminimizaralgunsdos problemasmencionados,eajudarospasesacumpriremasmetasimpostaspela conjuntura internacional, como o caso do Protocolo de Quioto. As energias renovveis so fundamentais para o desenvolvimento sustentado. OprotocolodeQuiotoumtratadointernacional,comcompromissosmais rgidos para a reduo da emisso dos gases que provocam o efeito estufa, considerados, deacordocomamaioriadasinvestigaescientficas,comocausaprincipaldo aquecimento global. Por ele prope-se um calendrio pelo qual os pases desenvolvidos tmaobrigaodereduziraemissodegasesdoefeitoestufaem,pelomenos,5,2% emrelaoaosnveisde1990duranteoperodoentre2008e2012.Emvirtudeda adeso ao Protocolo de Quioto, Portugal para o perodo de 2008-2012, tem de restringir o aumento das emisses de CO2 at 27% relativamente a 1990. Uma vez que esse limite jfoiultrapassado,onossopastemdecomprarlicenasdeemissodeCO2oque acarreta custos para as empresas e, consequentemente, para os consumidores [7].1.2Motivaes Aenergiasolarfotovoltaicaapresentagrandesvantagensanveleconmico, ambiental e social para os pases que optem por utilizar cada vez mais este tipo de fonte energticaemdetrimentodasfontesdeenergiasconvencionais.Portugalencontra-se localizadonumazonageogrficaprivilegiadaparaexplorarestetipoderecurso.A exploraodestafontedeenergiaemPortugalcomeaadarosprimeirospassos,o Governoatravsdaconstruodeduasgrandescentraisfotovoltaicasnomeadamente em Serpa e em Moura, deu o impulso inicial para que o pblico se familiarize com esta tecnologiaeaadopte.Noentantoaexploraodaenergiasolarfotovoltaicaaindase encontranumafaseembrionriadasuapotencialidade,ouseja,aindaexisteumvasto campodeinvestigaoedesenvolvimento(I&D)apercorrer,ondeasuniversidades teroumpapelimportantssimoadesempenharnestecampo.Comodesenvolvimento datecnologiafotovoltaicapossvellevarenergiaelctricaatpontosquedeoutra forma estavam privados desta, e assim desenvolver toda uma regio e uma sociedade. Actualmenteasfontesdeenergiarenovveis,emparticularafotovoltaicano podemserdirectamenteligadasaosreceptoreselctricospoisestesrequeremuma Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 6Universidade do Minho tenso de 230V a uma frequncia de 50Hz e os painis fotovoltaicos produzem corrente contnua. portantofundamentaldesenvolvertecnologiacapaztransformarcorrente continuaemcorrentealternada.Paratal,necessrioumcircuitodeinterfaceentrea fontedeenergiarenovveleosreceptoreselctricos.Apresentedissertaopretende demonstraraconstruodeumsistemaelectrnicodepotnciacapazdefazero interfaceentreumpainelsolarfotovoltaicodebaixapotnciaerespectivosreceptores elctricos.1.3Panorama da Energia Solar no Mundo OMercadodaenergiasolarencontra-seemconstantecrescimento.Nofinalde 2007acapacidadeinstaladaanvelmundial,dossistemassolarfotovoltaicoatingiuo patamar 9,200MW. Comparando com apenas 1,200MW nos finais de 2000, temos que a instalao deste tipo de sistemas a nvel global tem vindo a crescer a uma taxa de mais de35%aoano.Comoconsequnciadestecrescimento,actualmenteestemercadoest avaliadoemmaisde13milmilhesdeeurosporano.Osectorfotovoltaicoser tambm o responsvel pelo crescimento de economias locais. O nmero de empregados no sector, a trabalhar no fabrico, instalao e manuteno dos painis, pode crescer dos actuais 120 mil para 10 milhes no mundo em 2030 [8]. 1.3.1 Panorama da Energia Solar em Portugal PortugalumdospasesmaisricosdaEuropaemtermosdeenergiasolar.A insolao em Portugal Continental varia entre 1800 e 3100 horas de sol por ano [9].Privilegiadopelariquezasoalheira,Portugalaguardaqueaindstriaea comunidadecientficarespondamaodesafiodeaproveitarosolparafinsenergticos, nomeadamente atravs da adopo massiva de sistemas fotovoltaicos. Para aproveitar este recurso esto a ser investidos quase 600 milhes de euros na vertente solar fotovoltaico. Portugal ter de investir 6,4 mil milhes de euros at 2010, o equivalente a mais de 4% do PIB, em recursos para produo de electricidade a partir de energiasrenovveis,sequisercumprirasmetasprevistasnoLivroBrancoEnergia para o Futuro: Fontes de Energia e Renovveis [10].NocasodaDirectiva2001/77/CE,Portugalassumeocompromissodeproduzir em201039%dasuaelectricidadecomorigememfontesdeenergiarenovveis,o Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 7 terceiroobjectivomaisambiciosodaUE.Tendoemcontaaevoluodaenergia consumidaapartirdefontesdeenergiarenovveis,quesegundodadosdaDireco GeraldeEnergiaeGeologia,passoude27,7%(2004)para36%(2007),oGoverno reviu esta meta em 2007 para 45%. Figura 1-4 Insolao global anual em Portugal [9] OpresidentedaAssociaoEuropeiadaIndstriaFotovoltaica(EPIA)afirmou queomercadoportugusdaenergiasolarfotovoltaicapodevaler1.000milhesde eurosporano,seforeminstalados200MWdepotnciaanualmente,omesmoprev que ser Portugal um dos pases europeus a impulsionar o mercado solar, no obstante ter uma meta fixada de 150 MW at 2010 e ter j atribudo 126 MW. Esse impulso ser dado,fundamentalmente,pelamicrogerao,pequenascentraisdeproduode electricidade descentralizadas, em casas privadas e ao nvel dos municpios. [11] Exemplos de microgerao em Portugal: -ValedaRosa:umaaldeiaisoladano concelhodeAlcoutim,queabastecida de energia elctrica atravs de uma instalao fotovoltaica autnoma.- Substituio de geradores diesel na Berlenga por sistemas fotovoltaicos. - Sinalizao martima (bias e faris). - Electrificao e iluminao pblica em Castro Daire. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 8Universidade do Minho 1.4Objectivos do Trabalho Oobjectivodestadissertaocentra-senaconcepoprticaetericadeum circuitoelectrnicodeinterface,capazdeestabeleceraponteentreafontedeenergia renovvel(fotovoltaica)eosreceptoreselctricos(cargas)comomenorencargo econmico possvel.Os painis fotovoltaicos disponveis no mercado actualmente apresentam tenses desadaentre12Va68Vecorrentesentre0,5Ae8A.Estesproduzemcorrente contnua,eageneralidadedascargaselctricasdisponveisconsomemcorrente alternada.Talimplicaque,paraaproveitaraenergiasolarfotovoltaicaealimentara maioriadosequipamentos/edifcios/aplicaescomuns,sejanecessrioconvertera corrente continua em alternada, sendo necessrio um circuito electrnico de interface.Paraaconcretizaodocircuitoelectrnicodeinterfaceforamdefinidosvrios objectivos especficos, nomeadamente:1.Teste a um painel fotovoltaico BP 2150S com 150W de potncia mxima, com o intuito de traar a curva caracterstica do painel ( I u).2. Desenvolvimento de um inversor electrnico de potncia capaz de converter a sadadopainelnumsistemaalternadomonofsico230V,50Hz,maximizandoa potncia disponibilizada pelo painel. 3. Implementao de um sistema de controlo e respectivas interfaces.4. Teste do sistema completo em diversas condies de operao.Foramefectuadostestesaumpainelsolarde150Wdeformaatraaracurva caractersticadomesmo.Numafaseposteriorprocedeu-seaumasimulao computacionaldedoiselementosfundamentaisnestesistema,nomeadamentedo conversor e inversor de tenso, ambos em ambiente Matlab.Relativamenteaoconversordetensooptou-seporutilizaraconfigurao elevadoradetensodesignadaporStep-Up.Noqueserefereaoinversordetenso adoptou-se a configurao inversor monofsico de dois nveis em ponte completa. Finalizadasassimulaesimplementou-sefisicamenteosistema.Paratal, projectaram-seascartaselectrnicasdoscircuitosdepotnciaedecontroloeem simultneodimensionou-seeconstruiu-seasindutnciasparaocircuitoStep-Upe filtroLC.Paraefectuarocontrolodosistemacompletoutilizou-seomicrocontrolador PIC18F4431. Os resultados obtidos sero discutidos nos captulos seguintes. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 9 1.5Organizao da TeseApresentedissertaoencontra-sedivididaem7captulos.Ocaptulo1 intituladoIntroduo,identificaoproblema,estabeleceosobjectivoserevelaas motivaes. Aborda o panorama actual dos mercados energticos, e de como isso afecta a economia global, enquanto os combustveis fsseis forem a principal fonte de energia, assimcomo,abordaafortedependnciaenergticadePortugalfaceaoscombustveis fsseis, e apresenta como possveis solues desta dependncia as energias renovveis, ondePortugal,umprivilegiadoemrelaoaoutrospaseseuropeus,devidosua excelenteposiogeogrfica.Tambmabordaumimportantetema,queodofraco acessoredeelctrica/acessodeficitrioqueatingeumagrandepartedapopulao mundial,emespecialdospasesemviasdedesenvolvimento.Porfim,defineos objectivos do trabalho a desenvolver. Ocaptulo2apresenta-se,comoumcaptulodeconceitostericos,ondeseiro abordarossistemasfotovoltaicos,nomeadamenteaconstituiodestesetiposde aplicaes. No captulo 3 so apresentados os circuitos electrnicos de interface. feita uma anliseaofuncionamentodoconversordetensoStep-Upeaoinversordetenso monofsico. So abordados os vrios modos de funcionamento assim como os sistemas de controlo de ambos os circuitos. Ocaptulo4ocaptulodassimulaescomputacionais,ondeprimeiramente feita uma breve apresentao ao simulador utilizado, e em seguida so apresentadas as simulaesefectuadas.ForamsimuladosumconversorStep-Up,euminversorde tensomonofsicoempontecompleta.Ondesoapresentadasasprincipaisformasde onda que caracterizam o comportamento dos circuitos. Nocaptulo5abordadootemadaimplementao,soapresentadasas topologias dos circuitos Step-Up e inversor de tenso monofsico que foram escolhidos, assim como os algoritmos de controlo dos mesmos. Ocaptulo6ocaptulodosresultados.Nestesoapresentadas,ediscutidasas mediesqueforamefectuadasaoscircuitoselectrnicosimplementados,assimcomo ao ensaio efectuado ao painel solar fotovoltaico. Asconclusessoapresentadasnocaptulo7,paraalmdasconclusessobreo trabalho efectuado, tambm proposto como trabalho futuro um conjunto de inovaes, com vista a serem implementadas no trabalho. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 10Universidade do Minho Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 11 Captulo 2Sistema Fotovoltaico 2.1Conceito e Resenha Histrica Devidosuanaturezaabstracta,oconceitodeenergiaumconceitodifcilde compreender.Aenergiaaparecedediferentesformasededistintostipos:calor,luz, mecnica, elctrica, qumica, nuclear, pode ser transferida ou convertida de uma forma para outra, mas nunca criada ou destruda. Numavertenteeconmicapodeafirmar-se:Aenergiaosanguedossistemas scio-econmicose,porisso,vitalparaoprogresso,odesenvolvimentoeobem-estar doscidados.Masissonosignificaqueconsumirmaisenergiarepresente,porsi mesmo, melhores condies de produo e de conforto, de bem-estar e de qualidade de vida para os cidados [12]. Energia uma palavra que tem origem no grego energeia e que pode-se traduzir porforaemaco.Aprimeirafontedeenergiautilizadapelossereshumanosfoia suaprpriaforamuscular,noentanto,desdeentoapareceramdiversasformasde aproveitamentodeenergia,comoexemploodomniodofogo,adomesticaode animais,autilizaodaforadagua.Nomenosimportanteautilizaodovento, atravsdosmoinhos.Autilizaodaenergiasolarexistedesdequehmemria,quer paraaquecimentodosespaosondevivemos,secagemdeprodutosagrcolas,secagem de peixe, ou at da prpria roupa.OSoloelementomaisimportantedonossosistemasolar.Aenergiasolar cria-se no seu interior, onde a temperatura ronda os 15.000.000C e a presso cerca de 340milvezesadoardaterraaonveldomar,provocandoautnticasreaces nucleares. Destas reaces, em que a massa expulsa em forma de energia e conduzida para asuperfciedoSol,resultaaconverso por segundo de 700 milhes de toneladas de hidrognio. Converter o calor, a radiao e a energia do Sol em energia til o um desafio [13].Otermofotovoltaicoderivadapalavraphoto,originriadogregophosque significa luz e do sufixo voltaic, relacionado com a diferena de potencial gerada, que advm do nome de Alessandro Volta, um pioneiro no estudo na electricidade. A energia fotovoltaica a transformao da energia recebida pelo Sol em energia elctrica, graas Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 12Universidade do Minho aoEfeitoFotovoltaicoaenergiacontidanosfotesdaluzsolarpodeserconvertida directamente em energia elctrica [14].O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, uma quantidade avultada de energia (1,5 x 1018 kWh), o que se traduz em cerca de 10.000 vezes o consumo mundial de energia para igual perodo. A energia fotovoltaica uma fonte de energia inesgotvel equeestdemocraticamentedistribudaportodooplaneta,aocontrriodos combustveis fosseis que esto concentrado em algumas regies [15].OcomissrioeuropeuJanezPotocnikdefineatecnologiafotovoltaicacomoa produodaelectricidadeapartirdaluz,ouseja,aenergiasolargeradaporclulas fotoelctricas, capazes de transformar a luz em electricidade. Aelectricidadesolar,tradicionalmentechamadaenergiafotovoltaica,uma fontelimpadeenergiaquetem,jhoje,opotencialparacontribuirparao desenvolvimentoambientalmentesustentadodospasesemdesenvolvimento.Pode tambmcontribuir,deumamaneiramuitosignificativa,paraosesforosdoprimeiro mundo no sentido de cumprir os compromissos assumidos em Quioto. [16]. Osconhecimentosembrionriosrelacionadoscomenergiafotovoltaicasurgem nosanosde1839comofsicofrancsEdmundBecquerel,quedescobriuochamado efeitofotovoltaiconumelectrlito,atravsdaconstataodequealgunsmateriaisem contacto com luz produziam pequenas quantidades de corrente elctrica. S cerca de 34 anosdepoisem1873,queocorreramdesenvolvimentosnestarea,graasa WilloughbySmithquedescobriuomesmoefeitomasnummaterialsemicondutor,o selnio. Adams e Day em 1876 construram a primeira clula fotovoltaica. No entanto, duranteasdcadassobrejacentesocorreramvriosprogressosnestarea,tendoAlbert Einstein em 1920 recebido o prmio Nobel pelos trabalhos desenvolvidos no mbito do efeito fotoelctrico. Nadcadade40e50aprofundou-seomtodoCzochralski,quesurgiuem1918 comocientistapolacoCzochralski.Estepermiteobterdesilciodeelevadograude pureza,sobaformadelingotemonocristalinoparafinsindustriais.Em1954os laboratrios Bell desenvolveram a primeira clula fotovoltaica de silcio cristalino, onde o rendimento desta rondava 4% a 6%. Ainda em meados da dcada de 50 ocorreram as primeirasaplicaesterrestresdaenergiafotovoltaica,nomeadamente,iluminaode bias de navegao e na rea das telecomunicaes. Em1958aenergiafotovoltaicateveumgrandeimpulsotecnolgico,umavez nesta data ocorreram as primeiras aplicaes a nvel espacial. Esta energia considerada Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 13 bastantepromissoraaestenvel,umavezqueaparececomoumasoluoinovadorae mais eficiente no abastecimento de energia elctrica no espao. So exemplos o Satlite Vanguard-1, posteriormente Explorer-6 e a nave espacial Nimbus. Na dcada de 70 com a crise petrolfera assistiu-se ao despoletar de interesses na tecnologia fotovoltaica, como soluo para os problemas energticos existentes. Foram criadosvriosprogramasdeinvestigao,quetinhamfundamentalmentedois objectivos: aumentar o rendimento da clula fotovoltaica e reduzir o custo de produo. Noentanto,ofactorimpulsionadorparaocrescimentodaenergiafotovoltaica inverteu-senadcadade80,comaestabilizaodosmercadospetrolferos,afaltade investimento em investigao neste tipo de tecnologia, fez com que esta estagnasse.Contudo,namesmadcadaforamdadososprimeirospassosexperimentaisno queconcernesaplicaesdomsticas.Emmeadosdadcadade90,frutode catstrofesambientais,surgiuumanovaconsciencializaoanvelglobalquefoi,a necessidade de diminuir drasticamente as emisses de gases poluentes para a atmosfera. Oconhecimentoqueaqueimadoscombustveisfsseissoumadasprincipaiscausas paraestefenmeno,tornouurgenteencontraralternativasenergticasamigasdo ambiente,aschamadasenergiasrenovveis.Apartirdessaalturaeataactualidadea investigaoedivulgaoemenergiasrenovveis,nomeadamenteaenergiasolar fotovoltaica tem crescido exponencialmente [17].2.2 Sistema Fotovoltaico Umsistemafotovoltaicotodoumconjuntodeequipamentosnecessriospara extrair e acomodar a energia elctrica extrada dos painis fotovoltaicos. A constituio tpica de um sistema fotovoltaico a seguinte: [18] Painis solares Conversor de tenso (DC/DC) Baterias Inversor de tenso (DC/AC) Transformador monofsico O aproveitamento da energia solar pode-se fazer de duas formas possveis, atravs do aproveitamento passivo e atravs do aproveitamento activo [19]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 14Universidade do Minho Aproveitamentopassivo:estetipodeaproveitamentonorequernenhum dispositivo para captar energia solar, utiliza antes a arquitectura dos edifcios. Estes so projectados com grandes janelas orientadas para o sol, aproveitando as radiaes solares duranteodia.Outraaplicaopodeser,por exemplo,ostioondesecolocaaroupaa secar.Estetipodeaproveitamentoapresentainmerasvantagens,ondesedestacaa poupana energtica obtida nos edifcios onde se aplica este tipo de aproveitamento. Aproveitamento activo: este tipo de aproveitamento do sol possibilita a produo calorouenergiaelctrica.Aproduodecaloratravsdaenergiasolar,possvel atravsdoaproveitamentosolartrmico,nestecaso,osolaproveitadoparaaquecer gua potvel, piscinas, para auxiliar o aquecimento central, entre outros. A produo de energia elctrica atravs da energia solar denominada por efeito solar fotovoltaico. SegundoRuiM.G.Castropode-sedividirasaplicaesfotovoltaicasemtrs grupos distintos:Aplicaes de alta potncia Grandes centrais solares fotovoltaicas com potncia de algumas dezenas de MW Aplicaes de mdia potncia Electrificao rural: abastecimento de cargas domsticas em locais remotos sem rede,bombagemdeguaeirrigao,complementodeabastecimentodelocais remotos com ou sem redeProduo descentralizada ligada redeAplicaes de pequena potncia Relgios e calculadorasAcessriosdeveculosautomveis,porexemplo,alimentaodeventoinhas pararefrigeraodeautomveisestacionados,oucarregamentodebateriasem veculos de campismoSinais rodovirios (mveis e estticos) e parqumetros Telefones de emergncia, transmissores de TV e de telemvelNesta dissertao as aplicaes de mdia potncia vo ser alvo de um estudo mais aprofundado,umavezqueondeseinsere atemticadotrabalhoadesenvolver.Este Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 15 tipo de aplicaes divide-se em trs grupos, consoante a utilizao que se pretende obter para o efeito, que so as seguintes: 2.2.1 Sistemas fotovoltaicos isolados Estetipodeaproveitamentosolarbastantetileutilizadoemregiesremotas, que se encontram afastadas da rede elctrica, como o exemplo sistemas de vigilncia nas auto-estradas, sistemas de vigilncia das matas, entre outros. O painel fotovoltaico oprincipalconstituintedestesistema,sendooresponsvelpelatransformaoda energia solar em energia elctrica. Como durante a noite no existe radiao solar, h a necessidade de ter-se instalado no sistema um banco de baterias para armazenar energia durante o dia, para a fornecer durante a noite, ou em dias com pouca luminosidade. necessrio ainda ter instalado um regulador de carga, para monitorizar a carga e descarga correcta das baterias, no permitindo que exista um descarregamento profundo ousobretensessobreasbaterias.Paraalmdissodeverimpedirqueasbaterias durante a noite enviem energia para os painis, danificando-os. Caso existam cargas AC (alternatedcurrent)necessrioterinstaladouminversorDC/AC,ondeDC(direct current), que transforma a tenso DC proveniente das baterias em tenso AC.Figura 2-1Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico isolado [55] Legenda da Figura 2-1: 1: Painel Fotovoltaico2: Regulador de Carga 3: Inversor 4: Baterias Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 16Universidade do Minho 5: Monitorizao do Sistema 6: Equipamento de Consumo Elctrico 2.2.2 Sistemas hbridos Este tipo de sistema fotovoltaico normalmente constitudo por vrias fontes de energiarenovvel,comosistemasfotovoltaicosesistemaselicos.Associadasaestas estoligadasfontesdeproduoelctricaconvencional,comosistemasdegeraoa diesel. Estes sistemas de gerao a diesel tm a funo de auxiliar a produo elctrica, para as alturas em que o consumo energtico elevado, ou quando a gerao elctrica a partir das fontes de energia insuficiente para satisfazer o consumo elctrico. Figura 2-2 Diagrama de blocos de um sistema fotovoltaico hbrido [55] Legenda da Figura 2-2: 1: Gerador elico2: Painel Fotovoltaico3: Regulador de Carga 4: Inversor 5: Baterias 6:Gerador a diesel 7: Equipamento de Consumo Elctrico Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 17 2.2.3 Sistemas ligados rede elctrica Estetipodesistemacontaactualmentecombastantesutilizadores,devidoem grandeparteaosincentivosfinanceirosquetmsidopromovidospelosGovernospara quemopteporinstalarestetipodesistema.Umavezquepossvelvenderaenergia geradaentidadefornecedoradeenergiaelctrica,comtarifasbastanteatractivase rentveis.Oprincipiodefuncionamentodestesistemaassentanopressuposto,quea energia gerada ou consumida pelo utilizador ou injectada na rede para ser vendida, o queajudaaamortizarocustodainstalaoinicialdosistema.Nestesistemano necessrio instalar um banco de baterias, reduzindo assim o custo final deste. Figura 2-3Diagrama de blocos sistema fotovoltaico ligado rede elctrica [55] Legenda da Figura 2-3: 1: Painel Fotovoltaico 2: Inversor 3: Contador de energia 4: Equipamento de Consumo Elctrico 5: Rede elctrica Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 18Universidade do Minho 2.3 Clulas Fotovoltaicas Aclulafotovoltaicaoelementomaispequenodosistemafotovoltaico.A funodeumaclulaconsisteemconverterdirectamenteaenergiasolarem electricidade. Grande parte das clulas fotovoltaicas constituda por silcio, sendo este umsemicondutor.Osilcioosegundoelementomaisabundantedacrostaterrestre, representando 27% da sua possvel massa. Podemo-lo encontrar na natureza de diversas formas,normalmentecomoareia,masnuncacomosilciopuro,naFigura2-4pode observar-se cristais de silcio [20]. Figura 2-4 Cristais de silcio [25] Otomodesilciocontmcatorzeelectres,tendonaltimacamadaquatro electres.Estesestocompartilhadosporligaescovalentes,eportanto,notm liberdade de movimentar-se pelo cristal. Sendo assim, o silcio cristalino no um bom condutordeelectricidade,porissosubmetidoaumprocessodedopagem,ondeso adicionadas impurezas que vo alterar as propriedades elctricas deste. Estas impurezas podem pertencer ao grupo III ou V da tabela peridica, de que so exemplo, o boro e o fsforo, respectivamente.O boro uma das impurezas normalmente utilizadas para dopar o silcio, o tomo docontmtrselectresnaltimacamada.Quandoosilciodopadocomboro formam-selacunasdevidoaofacto,deotomotermenosumelectronabandade valnciaqueodesilcio,obtm-se assim ummaterialcomdficedeelectres,ouseja um semicondutor do tipo P. Ofsforooutradasimpurezasutilizadasparadoparosilcio,estepertenceao grupoVdatabelaperidica,otomodefsforocontmcincoelectresnaltima Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 19 camada.Quandoosilciodopadocomfsforo,quatrodosseuselectresso compartilhados,restandoapenasumelectroquenofazpartedaligaocovalente, mas que ainda assim atrado pela carga positiva do ncleo do fsforo, obtm-se desta forma um semicondutor do tipo N. Unindoestasduascamadasobtm-seumajunoP-N,quegeraumcampo elctrico,estajunocomporta-secomoumdodoeporessarazofrequentemente representada por um dodo. este mesmo campo que faz com que os electres saltem e osdisponibilizaaocircuitoelctricoexteriorsobaformadecorrenteelctrica.No mesmoinstante,aslacunasmovem-senadirecooposta,ousejaparaasuperfcie positiva onde as esperam os electres para se recombinarem. NazonadajunoP-Nverifica-sequeoselectresqueseencontramlivresno semicondutordotipoN,combinam-secomaslacunasdosemicondutordotipoP, levandoaqueexistaumexcessodecargaspositivasnazonatipoNeumexcessode cargas negativas na zona tipo P. Quando os electres deixam a zona tipo N ocorre o surgimento de um excesso de cargas positivas na fronteira juno P-N, da mesma forma ocorre um excesso de cargas negativas na zona tipo P. Este desequilbrio de cargas que ocorre na fronteira da juno P-N responsvel pelo surgimento de um campo elctrico que se ir opor ao fluxo dos electres e lacunas, e assim uma situao de equilbrio atingida, ou seja a energia que os electres dispem no suficiente para que estes venam a barreira de potencial da juno.Nosilcioaenergiaqueumelectrodeveadquirirparapassardabandade valncia para a banda de conduo 1,12 eV [21]. Figura 2-5 Movimento dos electres juno P-N [22] Nomomentoemqueluzincidesobrea clula fotovoltaica, ocorre um fenmeno muitoimportante,abarreiradepotencialdajunoultrapassada.Aluzconstituda Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 20Universidade do Minho porfotes.Quandoestaincidesobreaclula,algunsfotesvoserabsorvidosna junoP-N,estasituaovaiprovocarcomqueoselectressaltemdabandade valncia onde se encontram, para a banda de conduo tornando-se electres livres, que vo aparecer na zona abrangida pelo campo elctrico da juno P-N. A zona do tipo N vai atrair os electres livres, uma vez que, esta zona se encontra comumabaixaconcentraodecargasnegativas,surgindodestaformalacunas,que viromaistardeaserocupadasporoutroselectresdandoassimorigemapares electro-lacuna na zona do tipo P. Este movimento de electres responsvel pelo aparecimento de uma corrente da zona do tipo N para a zona do tipo P, utilizando um condutor externo, liga-se a camada positivacamadanegativaegera-seentoumacorrenteelctrica,correspondenteao fluxo de electres na ligao. Esta corrente vai existir enquanto incidir luz na clula, e ser proporcional intensidade dessa incidncia da luz [22]. Figura2-6 Converso directa da radiao solar em electricidade [56] 2.3.1 Tipos de Clulas fotovoltaicas Asclulasfotovoltaicassoapartemaisimportantedosistemafotovoltaico, convertendoaenergiasolaremenergiaelctrica.Actualmentepodemosencontrarno mercado vrios tipos de clulas. As que tm um maior peso no mercado so as clulas desilciocristalino,seguidasdepoisdasclulasdepelculafina,comoseobservana Figura 2-7. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 21 Figura 2-7 Produo de clulas fotovoltaicas [21] 2.3.2 Clulas de silcio cristalino Asclulasdesilciocristalinotmdominadoaindstriafotovoltaicadesdeo iniciodesta.umatecnologiabastanteconhecidaefivel,nosendoporissode estranharquesejaldermundialcomcercade90%decotadomercadoecomum crescimentoestimadonosltimos5anosdemaisde50%.Comoseupreocadavez maisatractivo,devidoaomercadoemfrancocrescimento,quesedevesinmeras politicas de incentivo instalao de sistemas fotovoltaicos [21]. Figura2-8 Clula Fotovoltaica [25]Tipo de clulas Clulas mono-cristalinas: Estas clulas possuem um rendimento elctrico que ronda os 24,7%emlaboratrioecercade16%emproduoindustrial.Astcnicasutilizadas para a produo deste tipo de clulas so complexas e caras, devido grande quantidade deenergiaconsumidaduranteoseufabrico,assimcomoanecessidadedeutilizar-se materiaisemestadomuitopurocercade98%a99%oquereflecte-senopreofinal elevado ao consumidor [22]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 22Universidade do Minho Clulaspoli-cristalinas:Estasclulaspossuemumrendimentoelctricodecercade 13%. O processo de fabrico destas no to complexo como o das mono-cristalinas, em grande parte, devido ao facto de o silcio utilizados nestas clulas conter imperfeies, resultantedoseuprocessodefabrico.Ocustodeproduoinferioraodasclulas mono-cristalinas,pornecessitaremdemenosenergiaduranteoseufabrico,soas clulasqueapresentamumamelhorrelaopreo/rendimentosendoporissobastante utilizadas [23]. 2.3.3 Clulas fotovoltaicas de filme de fino As clulassolares depelcula fina, so constitudas por finas pelculas de silcio, quejustamentepelasuareduzidaespessura,utilizammuitomenossilcioepermitem queopreofinalsejamuitomaisatractivo,doqueclulasdesilciocristalino.Alm dissooseuprocessodefabricoapresentaumbaixoconsumodeenergia.Agrande desvantagem das clulas solares de pelcula fina que estas tm um baixo rendimento, convertendo entre 8% a 10% da luz solar em electricidade. Actualmenteemambientelaboratorialjsealcanamcercade25%de rendimento.Esteltimofactoraliadoaopreoreduzidofazcomqueestetipode tecnologiatenhatudoparatornar-seumadasprincipaistecnologiasaseremutilizadas [24]. Tipo de clulas Clulas de silcio amorfo: Estas clulas so construdas por finas camadas de silcio. A basededeposiodestascamadasproduzidacomprodutosdebaixopreo,comoo plstico, vidro entre outros, disto resulta um baixo preo na construo, que se reflecte nopreofinaldasclulas.Emcontrapartidaapresentamumrendimentoelctrico bastantereduzidoentre8%a10%.Asclulasdesilcioamorfosopelculasmuito finas,oquepossibilitaseremutilizadascomomaterialdeconstruoexemplo:telhas em habitaes, como se v na figura 2-9. Desta forma consegue-se obter grandes reas de exposio solar, e assim combater o baixo rendimento das clulas [22]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 23 Figura 2-9 Aplicao de painis de silcio amorfo [26] 2.3.4 Outros tipos de clulas Paraalmdasclulasfotovoltaicasbaseadasemsilcio,existemoutrasqueaos poucosvosendodesenvolvidas,estandoprincipalmenteasuautilizaoconfinadaa laboratriosouaplicaesespeciais.Destasclulassalientam-seCIS(CopperIndium Deselenid), Cd-Te (Cadmium telluride), Dye-sensitized, GaAs (Gallium arsenide), nano clulaseClulasOrgnicas.Comoestasnoforamutilizadas,nemseenquadramna presente dissertao, fica aqui apenas uma breve referncia a elas. 2.4Modelo matemtico de uma clula fotovoltaica Omodeloequivalentedeumacluladesilcio,podeserdescritoatravsdo circuito elctrico representadona Figura 2-11 [18][27].Esteo modelomaissimples quesepodeanalisar.Sendoqueexistemoutrosmodelosmaiscompletos,ondeso adicionadas duas resistncias ao modelo, uma em serie com a carga e outra em paralelo comododo.Comestasduasresistnciasobtm-seummodelomaisexacto,mas tambm de anlise mais complicada, sendo que foi optado efectuar a anlise do modelo semincluirasduasresistncias,umavezqueacomplexidadedaanlise,no justificada por uma melhoria nos resultados obtidos.OcircuitodaFigura2-10constitudoporumafontedecorrente,umdodoe umacarga.AcorrenteIs,representaacorrenteelctricageradaporumdeterminado nveldeinsolaoaoatingirasuperfcieactivadaclula.Ododorepresentaajuno P-NqueatravessadaporumacorrenteID,quedependedatensoexistentenos Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 24Universidade do Minho terminaisdaclula.AcorrenteIrepresentaacorrentefornecidacargaeatensoV representa a tenso aplicada a carga. Figura2-10 Circuito elctrico equivalente de uma clula fotovoltaica [27] AseguinteanlisetemcomobaseosartigosdeCastro,Rui;Energias RenovveiseProduoDescentralizadaIntroduoEnergiaFotovoltaica[18];eo artigodeSilva,MarcoFaustino;ImpactodaMicrogeraoFotovoltaicanaRedede Distribuio utilizando o Trnsito de Energia Trifsico [27]. Atravs de uma anlise Figura 2-10 temos que a corrente que atravessa a carga Z dada por: I = Is -I (2.1) A corrente no dodo I = Iu[cv-qm-k-T -1(2.2) ID Corrente que atravessa o dodo; I0 Corrente inversa mxima de saturao do dodo; V Tenso aos terminais da clula; T Temperatura de funcionamento da clula em Kelvin; k Constante de Boltzman (k=1.38*10-23J/K); q Carga do electro (q=1.6*10-19 C);m factor de idealidade do dodo (dodo ideal: m = 1; dodo real: m > 1); A corrente que atravessa a carga fica ento combinando (2.1) e (2.2): I = Is -Iu[cv-qm-k-T -1(2.3) Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 25 Analisando a equao (2.3), verifica-se que se desconhece os parmetros Is, I0 e m,comotaleparaseconseguirdeterminaressesmesmosparmetrosnecessrio conhecerosdadosqueosfabricantesfornecemnasfolhasdeespecificaestcnicas, nomeadamente os valores das tenses e correntes na carga nos trs principais pontos de funcionamentodeumaclula.AFigura2-11apresentaacurvadacaracterstica elctricadeumaclulafotovoltaica.AtravsdaanlisedacurvaI - upossvel visualizarostrsprincipaispontosdefuncionamentodaclulaqueso:ocircuito aberto, curto-circuito e o ponto de mxima potncia: Figura 2-11 Curva I - u [18] Osdados presentesnaTabela 2-1 so fornecidos pelos fabricantes para, que seja possvelcalcularosparmetrosdomodeloemestudo.Osdadosfornecidospelos fabricantes,soobtidosatravsdetestesefectuadosemcondiesSTC,ouseja, 1000W/m2depotncialuminosaincidentetotal,comumadistribuioespectral, conhecida como massa de ar 1.5 (air mass 1.5 ou AM 1.5) e temperatura das clulas de 25C, conseguindo-se assim desta forma uma uniformizao nos dados. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 26Universidade do Minho Tabela 2-1 Dados fornecidos pelo fabricante Situao de curto-circuito: A tenso na carga zero, e a corrente de curto-circuito, Icc, o valor mximo de intensidadedecorrentequeatravessaacarga.Oseuvalorcaractersticodaclula, sendo que este fornecido pelos fabricantes nos dados tcnicos da clula para condies padro de teste (STC ou standard test condition), como se observar na Tabela1. V=0(2.4) Irc = Ircc(2.5) Situao de circuito-aberto: Em circuito-aberto a intensidade de corrente que atravessa a carga zero, a tenso em vazio Vca o maior valor que a tenso toma aos terminais da clula, o seu valor caracterstico da clula e fornecido pelo fabricante nas condies STC. V = Vca(2.6) I = 0(2.7) Logo fica: I0 =Icrcvccr-qm-k-Tr-1 =Iccrcvccr-qm-k-Tr-1(2.8) Podemos simplificar a equao (2.8) assumindo que a funo exponencial muito maior do que um. Assim sendo temos: Io =Iccrcvccr-qm-k-Tr(2.9) Pontos de Funcionamento ParmetrosSimbologia Curto-CircuitoIntensidade de corrente na carga Ircc Circuito-AbertoTenso na CargaVrca Ponto de Potncia Mxima Tenso na Carga Vrmpp Intensidade de corrente na carga Irmpp Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 27 Para se conseguir determinar o parmetro m, recorre-se s condies de potncia mxima da clula fotovoltaica. Situao de potncia mxima: nestepontodefuncionamento que a clulaforneceacargaamximapotncia para um determinado instante de tempo. Tenso na carga: Imux Intensidade de corrente na carga: Imux Assim a equao (2.3) fica: Imux= Icr-Ior- _cvmcxr-qm-k-T-1] Iccr-Ior- _cvmcxr-qm-k-T ](2.10) SubstituindoovalordeI0daequao(2.9)naequao(2.10)podemosassim calcular o calor do parmetro m. m =vmcxr-vccrk-Trq-In_1-ImcxrIccr](2.11) A potncia mxima da clula calculada atravs de (2.12): Pmux= Imux- Imux(2.12) Osparmetrosacimacalculadosforamdeterminadosemconcordnciacomas condiesSTC,oquesignificaqueestesparmetrosforamcalculadosparacondies ideaisdefuncionamento,tantodetemperaturacomoderadiaoincidentes.Na realidadeoqueacontecemuitodiferente,poisasclulasfotovoltaicassosujeitasa condies climatricas imprevisveis. Os parmetros calculados anteriormente no STC, voagorasernovamentecalculados,exceptooparmetrompoisesteconsiderado constante,paraqualquercondioclimatrica,ouseja,paraqualquertemperaturae radiao.Situao de Curto-Circuito: A equao (2.5) fica: V = 0Is = Icc(2.13) Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 28Universidade do Minho A equao (2.8) fica: I0 =Iscvcc-qm-k-T-1 =Icccvcc-qm-k-T-1 (2.14) A corrente em curto-circuito proporcional radiao solar:Is = Icc =uurIcc(2.15) Para a situao de Circuito-Aberto temos: I = Ico(2.16) I = u(2.17) u = Is -Iu[cvm-vT -1(2.18) IsI0 = [cvm-vT -1(2.19) ln[IsI0+1 =vcum-v1(2.20) Ico = m - II - ln [IsI0+1(2.21) Acorrenteinversadesaturaopodeserobtidaatravsdascaractersticasdo material e da temperatura: Iu = Iur- [11r3ce-qm-k[ 1Tr-1T(2.22) Onde: m- factor de qualidade equivalente (m=m/Nsm), Nsm o nmero de clulas em srie. Band Gap do silcio (=1,12eV) Atravsdaequao(2.22)possvelcalcularacorrentedesaturaopara qualquer valor de temperatura. Opontodemximapotnciacomojfoireferidonaequao(2.12)oponto onde a clula fornece a mxima potncia sua sada.Pmux = Imux - Imux(2.23) De referir que Imux e Imux so a tenso e corrente no ponto de mxima e no a tenso e corrente mxima da clula. Utilizando a equao (2.23) e a equao que rege o circuitoequivalente(2.3),obtm-seaequaodapotnciamxima,parauma determinada temperatura e radiao solar.Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 29 Pmux = Imux - jIs -Iu[cvmcx-qm-k-T-1[(2.24) A potncia mxima obtm-se derivando a equao (2.24) em ordem a Imux, uma vezquesedesconheceovalordosparmetrosPmuxeImux,paraassimdestaforma obterem-seosvaloresdosmesmosparmetros.Entoigualandoaderivadaazeroe depois de alguns clculos, fica: cvmcx-qm-k-T=IsI0+11+vmcx-qm-k-T(2.25) Aequao(2.25)transcendente,oquesignificaquenecessrioaplicarum mtodo numrico, para a resolver, recorrendo ao mtodo iterativo de Newton possvel ento possvel determinar o valor Imux. Arranjando a equao (2.25) para facilitar os clculos e tambm a percepo da mesma fica a equao (2.26) em que V=Imux. (I) =m-k-1qln_IsI0+11+v-qm-k-T_ -I(2.26) ParaoclculodeImuxnecessrioencontrarovalordeV=Imux,quandoa funo (2.24) for igual a zero. Ento derivando (2.26): d](v)dv= -_11+v-qm-k-T+1_(2.27) Aplicando agora a (2.27) o mtodo iterativo de Newton: Imux(k+1)= Imux(k)-[Imux(k) - _[d](v)dvvmcx(k)]-1(2.28) A primeira iterao efectuada numa estimativa de Imux(0), como valor de tenso nopontodemximapotnciafornecidapelofabricante,comoprimeiraestimativade Vmax. Quando por fim se atinge a convergncia, fica-se com o valor de tenso no ponto de mxima potncia, sendo que assim s falta calcular o valor da potncia e da corrente, com base nas equaes anteriores. 2.5 Curva caracterstica do mdulo fotovoltaicoAcurvaI-VdeummdulofotovoltaicoestrepresentadanaFigura2-13,curva azul, depende essencialmente da temperatura, irradiao solar e o material que constitui Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 30Universidade do Minho asclulasfotovoltaicas.Estacurvaobtm-separaumdeterminadoinstantedetempo, com uma dada temperatura e irradiao solar, mas altera-se constantemente ao longo do dia, dependendo dos parmetros anteriores. Nesta curva fornecido o ponto de mxima potncia,sendoaindapossvelobservaradualidadedecomportamentodopainel, esquerdacomofontedecorrenteedireitacomofontedetenso[28].Osfabricantes fornecemessascurvascaractersticasdosmdulosfotovoltaicos,sendoqueospontos mais importantes dessas curvas so: Vca: tenso em circuito-aberto Icc: tenso em curto-circuito Vmpp: Tenso de mxima potncia Impp: Corrente de mxima potncia Figura 2-12 Curvas caractersticas mdulo fotovoltaico [31] Oclimaafectadeformanaturalaperformanceerendimentodosmdulos fotovoltaicos.Apotnciaqueomdulogera,proporcionalquantidadedeluzsolar queincidesobreomesmo,porissonuvensoupoluioatmosfrica,voafectaro rendimento deste.Assim,parapermitiromximoaproveitamento,ospainissoinstaladoscom uma inclinao e uma direco pr-determinadas, relativamente zona em que estes se encontram[29].ObservandoaFigura2-13possvelconcluirqueapotnciadeum mdulo fotovoltaico e a temperatura de funcionamento esto interligadas, ou seja, existe uma relao de causa/efeito. O painel debita uma maior potncia quando a temperatura menor. A temperatura um elemento muito importante, ao contrrio do que a maioria daspessoaspensa,osmdulosfotovoltaicosgeramumamaiorpotncia,quandose Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 31 encontramatemperaturasmaisbaixas.Istoporqueasclulasfotovoltaicasso componentes electrnicos que geram electricidade atravs da luz e no atravs do calor, comoamaiorpartedosaparelhoselectrnicos,asclulassolaresfuncionammais eficientemente a temperaturas baixas [30]. Figura2-13 Curva I - u BP2150S [32] 2.6 Ponto de potncia mxima (MPP) Opontodepotnciamxima(MPP-MaximumPowerPoint)deumpainel fotovoltaico o ponto da curva tenso vs corrente de sada do painel, em que se obtm a potnciamximagerada.AcurvacaractersticadaFigura2-14mostra,queexiste apenasumatensoesomenteumacorrente,paraaqualapotnciamximapodeser extrada.Apotnciamximaaltera-secomascondiesambientais(temperaturae radiao), idealmente o painel, devia funcionar sempre potncia mxima. Mas tal no acontece,devidoadiversosfactores:posiodosol,alteraononvelderadiao solar, variaes de temperatura, poluio atmosfrica e ao prprio envelhecimento. Uma vezqueopontotendeadeslocar-seemfunodevriosfactores,necessrioum sistemaparaseguiroponto,deformaacolocaromduloafuncionarpotncia mxima [28].Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 32Universidade do Minho Figura2-14 Ponto de potncia mxima [33] 2.7Seguidor do ponto de mxima potncia (MPPT) OseguidordopontodemximapotnciacomummentedesignadoporMPPT (MaximumPowerPointTracker),esteumsistemaelectrnicoqueoperanopainel fotovoltaico, para que este, seja capaz produzir a mxima potncia num dado instante. O MPPT no um sistema mecnico que move fisicamente os painis, para estes estarem posicionadosdirectamente para o sol, pelo contrrio, um sistema electrnico quealteraopontodefuncionamentoelectrnicodospainis,paraqueestessejam capazes de fornecer a potncia mxima [34].As principais dificuldades para se conseguir obter o MPP prendem-se com o facto deestenoserconstante,ouseja,opontoestconstantementeaalterar-sedevidoa alteraesdatemperaturaedaradiao,queincidemsobreopainelfotovoltaico.O outrofactorrelativonecessidadedealteraratensodopainel,paraoprocessode busca do ponto e ao mesmo tempo, conseguir fornecer uma tenso constante carga. Comosoluoutiliza-seumconversordetensoDC/DCquefuncionacomoum interface,entreopaineleacarga,oubancodebaterias.Alterando-seoduty-cycledo conversor, consegue-se obter a mxima potncia sada do painelParaseperceberofuncionamentodeumMPPT,primeiramentenecessrio percebercomofuncionamoscontroladoresdecargaconvencionais.Quandoestes controladores carregam uma bateria, eles simplesmente ligam os painis directamente s baterias. Isto fora os painis a operarem tenso das baterias, que tipicamente no a tenso ideal de operao, para a qual os painis conseguem fornecer a mxima potncia. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 33 Logocomestetipodecontroladores,noseconsegueobteromelhor desempenhoporpartedosmdulosfotovoltaicos,portantooMPPTtrabalhaem conjunto com um conversor DC/DC, tipicamente um conversor do tipo Buck ou do tipo Boost, como se pode observar na Figura 2-15, e um algoritmo de controlo que permite encontrar e manter o painel no ponto de mxima potncia [35]. Figura 2-15 Diagrama de blocos de um MPPT tpico [36] 2.8Aplicaesdoseguidordopontodemximapotncia (MPPT) Osseguidoresdopontodemximapotnciasoutilizadosmaioritariamenteem sistemas,ondeasfontesdeenergianosolineares.Comosoexemplosospainis solares ou geradores elicos. Os MPPT so utilizados em aplicaes solares, tais como carregadores de baterias e sistemas isolados/ligados rede elctrica [36]. Carregamentodebaterias:OMPPTpermitecontrolarocarregamentodas baterias tpicas, evitando que estas tenham um descarregamento profundo e sobrecargas, prolongandodestaformaavidatildasmesmas.Estecontroloefectuadoporum controlador de carga que existe na maioria dos MPPT. Figura 2-16Diagrama de blocos carregamento de baterias [36] Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 34Universidade do Minho Sistemasligadosredeesistemasisolados:nestetipodesistemas,opainel solar fornece energia rede ou s cargas, um conversor DC/DC utilizado de forma a transformar os nveis de tenso nos desejados. Um outro conversor desta vez DC/AC utilizado para converter corrente continua para alternada, de forma a poder-se efectuar a ligao rede ou alimentar cargas elctricas, como se observa na Figura 2-17. Figura 2-17 Diagrama de blocos Sistemas ligados rede e sistemas isolados [36] Sistemasdebombagemdegua:ospainisfotovoltaicospodemserusados, para fazerem funcionar motores elctricos em aplicaes agrcolas, que ficam em locais distanciadosdaredeelctrica,nomeadamenteparabombagemdeguasderegadio. Usando-se um MPPT consegue-se obter um aumento no fluxo de gua bombeada. Figura 2-18 Diagrama de blocos Sistema de bombagem de gua [36] 2.9Mtodos de busca do ponto de mxima potncia Existemactualmenteinmerosartigostcnicos,relativosatcnicasdebuscado MPP, em virtude do rpido crescimento da tecnologia fotovoltaica, assim como de toda a tecnologia que lhe est associada. Contudo existem trs mtodos que esto largamente estudadoseaplicadosqueso:PerturbaoeObservao,IncrementaldaIndutnciae Tenso Constante [37]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 35 2.9.1 Mtodo da Perturbao e Observao Este o mtodo de procura mais utilizado, devido sua fcil implementao. O mtodoefectuamediaesdetensoedecorrentedopainel,calculandoassima potnciaqueestasergerada.Aformamaisbsicadestemtodooperadaseguinte forma:oduty-cycledoconversordetensoalterado,criandoumaperturbaona potnciadesadadopainel.Emseguidaestamedidaeguardada,paraservirde comparaocomoprximovalormedido.Seapotnciageradaaumentardepoisda alterao do duty-cycle, ento este vai ser alterado outra vez na mesma direco. Se pelo contrrioapotnciageradapelopaineldiminuir,oduty-cyclevaiseralteradona direcooposta,naFigura2-19possvelobservarumalgoritmotpicodestetipode mtodo. Este comportamento vai causar com que a potncia oscile em torno do ponto de mximapotncia.Umavezatingidoesteponto,eparaconseguir-semanterbaixaa variao de potncia, a alterao do duty-cycle tambm bastante baixa [38]. Figura 2-19 Algoritmo Perturba e Observa [39] Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 36Universidade do Minho 2.9.2 Mtodo da Condutncia Incremental Este mtodo baseia-se na condutncia do painel, ou seja no facto de a derivada da potncia de sada do painel, em relao tenso ser zero no ponto de mxima potncia, ou seja, uma evoluo do mtodo da Perturbao e Observao. Este usa a equao da potncia P = I - I, onde P a potncia do painel, V a tenso do painel e I a corrente, derivando a equao anterior em ordem a V e temos: dPdv = I +IdIdv(2.29) Fazendo: dPdv = u c dIdv = -Iv(2.30) Se o ponto de operao est direita da curva de potncia, fica: dPdv < u c dIdv ucdIdv >Iv(2.32) Omtodovaiprocuraropontodatenso,ondeacondutnciaigual condutncia incremental ou seja: dIdv = -Iv (2.33) Seestacondionoatingida,adirecodaperturbaotemdesercalculada novamente, usando a relao anterior, se dPdv < u ento o MPPT est direita do ponto demximapotncia,se dPdv > u,oMPPTestesquerdadopontodemxima potncia.Estemtodoapresentavriasvantagenssobreomtododaperturbaoe observao, nomeadamente consegue determinar exactamente quando se atinge o ponto demximapotncia,enquantoooutrooscilaemtornodopontodemximapotncia. Paraalmdisso,conseguerapidamenteatingiroMPP,emcondiesclimatricas instveis, com uma precisobastante superior ao mtodo da perturbao e observao. A desvantagem mais significativa deste mtodo, quando comparado com outros o seu Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 37 grau de complexidade [37]. Na Figura 2-20 est representada o mtodo da condutncia incremental. Figura 2-20 Mtodo da condutncia incremental [36] 2.9.3 Mtodo da Tenso Constante OprincipiodefuncionamentodestepartedoprincipioqueoMPPdomdulo fotovoltaico atingido por volta dos 75% da tenso de circuito aberto do painel. Ento medindoatensoemcircuitoaberto,obtm-seumatensoderefernciaquevaiser utilizada para colocar o mdulo no MPP. Um problema desta tcnica que a tenso em circuitoaberto,domdulo,variacomatemperatura.Assim,comoaumentoda temperaturaatensodecircuitoabertovaialterar-seaolongodotempo,sendo necessrioporissoefectuarmediesconstantesdesta.Podemporisso,ocorrer situaes em que o painel no esteja realmente a operar prximo MPP. Nestas medies a carga precisa ser desligada do painel, e portanto a potncia nesse instante no vai ser utilizada, perdendo-se eficincia deste modo [37]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 38Universidade do Minho Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 39 Captulo 3Circuitos Electrnicos de Interface 3.1Introduo Nestecaptulofeitaumaanlisetericaaoscircuitoselectrnicosdeinterface utilizados,nomeadamenteaoconversordetensoDC/DCeaoinversordetenso monofsico. Em relao ao conversor DC/DC e ao inversor de tenso, foram analisados os modos de funcionamento e os respectivos sistemas de controlo destes. 3.2Conversor de tenso DC/DC OconversordetensoDC/DCumafontecomutada,ondeseconsegueobter umatensoreguladasada.NocircuitoMPPT,oconversorDC/DCumaparte essencial,poisatravsdelequefeitaaalteraodatensodopainel.Quandose pretende uma tenso contnua de sada, diferente daquela que fornecida, pelas baterias e pelos painis, pode ser utilizado o conversor DC/DC. Este conversor serve tanto para elevar,comoparadiminuiratenso.Nestetipodeaplicaofrequenteutilizarem-se dois tipos de conversores de tenso, que so o conversor Step-Down e o conversor Step-Up.Emrelaoaesteltimoirserfeita,umaanliseempormenoraoseu funcionamento,umavezquefoiocircuitoutilizado.Comojfoiantesreferido,os controladoresdecargaaocarregaremumabateria,simplesmenteligamospainis directamentesbaterias,istoforaosmdulosaoperaremtensodabateria,que tipicamente no a tenso ideal de operao, para a qual os painis conseguem fornecer amximapotncia.Logocomestetipodecontroladores,noseconsegueobtero melhor desempenho, por parte dos painis fotovoltaicos. Por essa razo imperativo o uso de conversores DC/DC para se obter um sistema eficiente [40]. 3.3Conversor DC/DC Step-Up AseguinteanlisetemcomobaseolivroPowerElectronics:Converters, Applications, and Design [43]. O conversor Step-Up, tambm conhecido por conversor Boostumatopologianoisolada,ouseja,atensodeentradaeatensodesada partilham a mesma massa. Este tipo de conversor apresenta uma tenso de sada, igual Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 40Universidade do Minho ou superior tenso de entrada. Observando a Figura 3-1 tem-se que o semicondutor de potnciaMnormalmenteummosfetdecanaln,abobinaLemconjuntocomo condensador C formam um filtro sada, a resistncia R representa a carga. Durante o funcionamentonormaldoStep-Up,Mrepetidamenteligadoedesligado,duranteo tempoONeotempoOFF,tempoestequegovernadopelocircuitodecontrolodo conversor, tema que ir ser abordado mais frente.Quando o M liga a corrente flui, atravs o bobina L desde a fonte de alimentao carregandoL.Aomesmotempoacargarecebeenergia,atravsdocondensadorde sadaC.QuandoMdesliga,acorrentefluidesdeafontedeenergia,atravsLedo dodo para assim recarregarem o condensador de sada, e simultaneamente alimentarem a carga. S depois de o dodo estar em conduo, que o filtro de sada composto por L e C criado. Este filtro vai ser responsvel por filtrar a sequncia de impulsos e assim produzir a tenso de sada [41]. Figura 3-1 Conversor de tenso Boost [44] 3.3.1 Modo de Conduo Contnua OconversorBoostpodeoperarnomododeconduocontnua,oudescontnua. Nomododeconduocontnuo(iL(t)>0),acorrentecirculacontinuamenteemL.Na situao de conduo contnua o Step-Up engloba dois estados por ciclo, o estado ON e o OFF. No estado ON, M est a conduzir enquanto o dodo no, no estado OFF, M no conduz e o dodo conduz [42]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 41 Figura 3-2 Formas de onda da tenso e corrente no modo contnuo [43] Estado ON: O tempo de durao do estado ON, Figura 3-3, onde D o duty-cycle I0N = -Is. Durante este estado a tenso fica Ip -(IS +RI - II), onde a carga alimentada pelo condensador C. II = I -dLdt- Il =vLL- I(3.1) II(+) =vd-(vS+RL-IL)L- I0N(3.2) Figura 3-3 Estado de funcionamento ON [44] Estado OFF:O estado de durao do estado OFF, Figura 3-4, TOFF onde: I0FF=(1 -) -Is=Is-( - Is) =Is- I0N(3.3) Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 42Universidade do Minho Figura 3-4 Estado de funcionamento OFF [44] Quando M est desligado, este apresenta uma grande impedncia entre a drain e a source,comotalacorrentedeixadepassarporM ecomeaafluirpelododo.A correnteemLdiminui,eatensoinverteapolaridadeat,queododoentreem conduo. Durante este estado, a tenso em L constante e igual a: (Io+ I+ R I x II) IJ(3.4) A corrente que flui atravs de L, decresce durante este perodo. II(-) =(vo+v+RL-IL)-vdL- I0FF(3.5) Emregimepermanenteoaumentodacorrente, IL(+)duranteotempoONeo decrscimodacorrente,IL(-)duranteoestadoOFFsoiguais.Comotalpode-se obter a relao de tenso do modo de conduo contnuo da seguinte forma: Io = (IJ -RI - II) - [1 +10N10PP -I -IS - (10N10PP)(3.6) Io =vd-RL-IL1--I -IS -1-(3.7) AtensoVopodeserajustada,umavezqueoduty-cycleDvariaentre0%e 100%. Se se considerar VDS, Vd e RL aproximadamente zero, fica: Io =vd1- (3.8) Podeverificar-se,ecomojfoimencionado,atensodesadaVocontrolada pelo tempo em que o mosfet de potncia se encontra a conduzir TON. A relao entre o valor mdio da corrente na bobina IL versus Id e a corrente na sada Io : Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 43 O valor mdio de VL zero:IJ - ton + (IJ -Iu) - to = u(3.9) Resolvendo: v0vp =1sto]] =11- (3.10) Desprezando as perdas PJ = Po: IJ - IJ = Io - Io(3.11) Sendo assim a relao entre corrente de entrada e corrente de sada dada por: IoId = 1 -(3.12) 3.3.2 Limite da conduo continuaPor definio neste modo, a corrente em L vai a zero durante no final do intervalo off. Figura 3-5 Formas de onda do Step-Up no limite da conduo contnua [43] O valor mdio da corrente na bobine no limite da conduo contnua : IIB =12iI, mox =12 vdLton(3.13) =1s-vo2L(1 -), usando a equao (3.10)(3.14) AcorrentequepassaemL,igualcorrentedeentrada,utilizando(3.12)e (3.14), obtemos a corrente mdia de sada, na situao de limite da conduo continuaCircuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 44Universidade do Minho IoB =1s-vo2L(1 -)2(3.15) Figura 3-6 Curvas de IoB com Vo constante [43] A maioria das vezes a tenso de sada do Step-Up precisa ser constante. Na Figura 3-6podemosverascurvasdeIoBcomVoconstante,paradiversosvaloresde duty-cycle.MantendoVoconstanteealterandooduty-cycle,implicaqueatensode entradavarie.AnalisandoaFigura3-6verifica-sequeIIB, moxatingeomximo quando D=0.5: IIB, mox =1s-vo8L(3.16) Os valores mximos de IoB atingido quando D=0,333 logo:IoB =21s-vo27L= u,u741s-voL(3.17) Em termos de valores mximos IIB e IoB podem ser expressos como: IIB = 4(1 -)IIB, mox(3.18) IoB =274(1 -)2IoB, mox (3.19) Paraumdeterminadovalordeduty-cycleeVoconstante,seacorrentenacarga baixar para alm de IoB, o conversor entra no modo de conduo descontnua. 3.3.3 Modo de conduo descontnua Duranteomododeconduodescontnua,acorrenteemLzeroduranteuma parte do ciclo de trabalho do mosfet. A corrente comea em zero, atinge o seu valor de Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 45 picoeretornaazeroaindaduranteesseciclo.QuandoacorrentedesadaIodesce abaixodeumdadovalorcrtico,acorrenteILvai-seanularduranteumintervalode tempo de Ts. Isto acontece quando a corrente IL vai para zero e o ciclo seguinte comea imediatamente a seguir a essa mesma corrente atingir o zero. No Step-Up a corrente IL atinge valores menores do que zero, logo acaba por ser zero,devidoaosentidonicodacorrentenododo,emantm-selataocomeodo novo ciclo. A Figura 3-7 mostra essa situao. Figura 3-7 Forma de onda na bobina no modo descontnuo [43] Observando a Figura 3-7: Ion = - Is (3.20) Io = 1 - Is(3.21) Is -Ion -Io = 2 - Is(3.22) A tenso em L fica: IJ - - Is + (IJ -Iu) - 1 - Is = u(3.23) Reorganizando a equao:

vdv0 =1+1(3.24) e I0Id =11+ Se Pd=P0(3.25) O valor mdio da corrente de entrada: IJ =vd2L - - Is( +1)(3.26) Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 46Universidade do Minho O valor mdio da corrente de sada utilizando (3.25): Io =1s-vd2L- - 1(3.27) Oduty-cycleemfunodeVoedacorrentedecargautilizandoasequaes (3.24), (3.27) e (3.17): = _427[vovd [vovd -1IoIoB,mux(3.28) Emconduodescontnua,seVonoforcontrolado,emcadaperodode comutao transferida para a sada uma potncia dada por: L2iImox2 =(vd--1s)22L(3.29) Seacarganoforcapazde absorver toda esta energia, o nvel da tenso sada Vo vai aumentar at a potncia estabilizar. Se a carga diminuir bastante, a subida de Vo poder levar a uma tenso de sada demasiado elevado, podendo causar a destruio do condensador de sada. Figura 3-8 Curva caracterstica do Step-Up tendo Vo constante [43] Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 47 3.3.4 Ripple da tenso de sada Figura 3-9 Ripple da tenso de sada no Step-Up [43] AondulaopicoapicoVo,Figura3-9,assumindoacorrentedesada constante, expressa por: Iu =C=Io--1sC=vo--1sR-C(3.30) O valor relativo do ripple de sada: vov0=-1sR-C(3.31) vovo=-1s:, Sendo que = R - C(3.32) 3.3.5 Clculo da indutncia crtica OStep-Uppodeserdimensionadoparafuncionarnomodocontnuo,para correntesdecargaIoacimadeumvalor,normalmente5a20%dacorrentedecarga mxima. O valor mnimo de indutncia L, para se manter no modo contnuo calcula-se, definindo um valor para Io crtico com o valor mnimo de Io. Imin vo-1s16-Ioct(3.33) Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 48Universidade do Minho 3.3.6 Clculo da capacidade crtica Para o clculo do condensador, deve-se considerar a forma de onda da corrente de sada.Admitindo-seahiptese,queovalormnimoinstantneoatingidoporesta corrente, maior que a corrente mdia de sada, Io, o condensador carrega-se durante a conduo do dodo, fornecendo toda a corrente de sada durante a conduo de M.ic = Cddt(3.34) Cmin c-to]](3.35) 3.3.7 Controlo do Step-Up NosconversoresDC-DC,necessriocontrolaratensodesadapara,queesta atinjaovalorpretendido.Estetipodeconversorutilizasemicondutoresdepotncia, normalmente mosfets, para que atravs das comutaes destes seja possvel transformar um nvel de tenso contnua noutro nvel de tenso. Controlando a durao dos tempos decomutaooneoff(duty-cycle),consegue-secontrolaronveldatensodesada, paraumdadovalordatensoentrada[45].Umdosmtodosmaisutilizadospara efectuarestetipodecontrolo,chamadoModulaoporLarguradeImpulso,coma siglaPWM.Nestemtodotemosumafrequnciadecomutaofixa,ondeotempode um perodo Ts. Ajustando-se o tempo de durao de on e off, consegue-se controlar a tenso de sada. Na Figura 3-10 ilustrado o circuito tpico deste controlo a azul. O controlo por PWM retira uma amostra da tenso de sada, e subtrai esta a uma tenso de referncia (Vref). Vref o valor de tenso que se pretende ter sada, sendo quedasubtracoresultaumsinaldeerro(Verro).Verroentocomparadocomum sinaldedentedeserra(Vserra),tendoesteumvalormximoconhecidoefrequncia constante.EstafrequnciatomavaloresnaordemdasdezenasatscentenasdekHz, gerando o PWM que ir controlar as comutaes do mosfet. Quando Verro maior do que o valor da onda dente de serra (Vserra), o sinal de PWM alto, ou seja, encontra-se no estado on, ou pelo contrrio Verro menor que Vserra, o sinal encontra-se no estado off.Estaconstantealteraodostemposoneoff,ouseja,alteraododuty-cyclefaz comqueaexistaumadiminuiodosinalVerro,completandoassimocontrolodo conversor [43]. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 49 Figura 3-10 Circuito tpico de controlo por PWM [44] 3.4Transformador Otransformadorumamquinadecorrentealternada,quetransformauma tenso alternada numa outra tambm alternada, de valor eficaz normalmente diferente ecomamesmafrequncia.Quandoelevaonveldetenso,temonomede transformadorelevador,quandopelocontrriobaixatemonomedetransformador redutor.Ointeresseprticodotransformadorresideprecisamentenestaelevada capacidade e flexibilidade, em permitir modificar o nvel de tenso rapidamente para o valorquedesejamos,comumrendimentoelevado,isto,comperdasenergticas mnimas.Osgrandestransformadores,outransformadoresdeelevadapotncia, chegamaatingirrendimentossuperioresa99%,facetaquenoatingidopor nenhuma outra mquina elctrica.Ostransformadoressobastanteutilizados,notransportedeenergia,emlinhas deAltaTenso,ondefuncionamcomoelevadoresdetenso;nadistribuiode energiaparaosaglomeradospopulacionais,emredesdeMdiaTensoeBaixa Tenso,ondefuncionamcomoredutoresdetenso;naalimentaodetodauma diversidadedeequipamentosereceptoreselctricos/electrnicos,funcionandocomo redutores de tenso [46]. Otransformadorfoiutilizadoparaelevaratensosadadoinversor monofsicodetenso,deformaaadequar-seosnveisdetensonecessriospara efectuaraligaoscargaselctricasquenecessrioalimentar.Atensoquese obtevesadadoinversorfoiumatensoalternadasinusoidalde36voltsdevalor Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 50Universidade do Minho eficazecomfrequnciade48,8Hz.Comoopretendidoeram230volts,utilizou-seo transformador para elevar-se a tenso para os nveis desejados. 3.5Inversor monofsico Atensodesadadospainisfotovoltaicosumatensocontinua.Noentantoa tensodaredeumatensoalternadacomumafrequnciade50Hz.Paraadaptaras duastenses,necessrioaplicarnosistemaumdispositivoqueconvertaas caractersticas da tenso, esse dispositivo o inversor de tenso. Este tipo de dispositivo largamenteutilizadonaindstria,servios,habitaes,nasmaisvariadassituaes, quevodesdecircuitosdedriveparamotoresdecorrentealternada,fontesdetenso reguladas,UPS,etc.ExistemvriostiposdetopologiadeinversoresDC/AC,estes podemsermonofsicosoutrifsicos,econsoanteotipodealimentaopodemser aindaVSI(VoltageSourgeInverter)ouCSI(CurrentSourceInverter).Atopologia utilizadafoiaVSI,ondeo principal objectivo destes inversores produzir uma tenso de sada alternada com uma dada frequncia, ambas controladas [47].Os inversores VSI esto divididos em 3 categorias distintas: InversoresdePWM:nestetipoinversor,atensodeentradacontnuae constanteemmagnitude.Oinversorcontrolaamagnitudedatensodesadaassim como a frequncia, a forma de onda da tenso de sada desejada o mais aproximado a uma onda sinusoidal.Inversoresdeondaquadrada:nestetipodeinversoratensodeentrada controlada, com o objectivo de controlar a magnitude da tenso de sada, assim sendo o inversor apenas tem de controlar a frequncia da tenso de sada. Inversoresmonofsicoscomtensodecancelamento:Estetipodeinversor apenaspermitetopologiasmonofsicasenotrifsicas.Estetipodeinversorcombina as caractersticas dos dois inversores referidos anteriormente. Otipodeinversorutilizadonestadissertao,foiuminversormonofsicode PWM em ponte completa, como tal ir ser feita uma anlise, mais detalhada a este tipo de inversor. Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas Universidade do Minho 51 3.5.1 Inversores de ponte completa Oestudoqueefectuadoaestetipodeinversor,assimcomoastcnicasde controlo,sobaseadosnolivroPowerElectronics:Converters,Applications,and Design[43].Atopologiadoinversordetensoescolhidarecaiusobreoinversor monofsico de ponte completa, Figura 3-12. Este inversor tem a particularidade, de ser constitudopor2inversoresmonofsicosdemeiaponte,Figura3-11.Escolheu-seo inversor de ponte completa, porque o inversor de meia ponte utilizado em aplicaes debaixapotncia,enquantoodepontecompletautilizadoemaplicaesdemaior potncia. Este inversor constitudo por dois inversores de meia ponte. Quando se aplica o mesmovalordetensocontnua,entradadoinversordemeiaponteedoemponte completa,obtm-sesadaumatensomxima,noinversordepontecompleta,que dobro da tenso que se obteria no inversor de meia ponte. Sendo assim, para o mesmo nvel de potncia, a corrente de sada e as correntes nos semicondutores de potncia, so metade do valor no inversor em ponte completa, isto particularmente til em nveis de potncia elevados. Figura 3-11 Inversor monofsico em meia ponte [43] Figura 3-12 Inversor monofsico em ponte completa [43] Circuito de Interface para Ligao de Painel Fotovoltaico a Cargas 52Universidade do Minho 3.5.2 Comando por modulao de largura de impulso Para controlar a comutao dos mosfets, que constituem o inversor, foi escolhido o mtodo da modulao de largura de impulso. Este mtodo fornece um sinal alternado de baixa frequncia, atravs da modulao em alta frequncia. Permite obter uma onda alternada com contedo harmnico conhecido sada do inversor.Os sinais de controlo dos mosfets so obtidos atravs da comparao de um sinal de controlo sinusoidal (Vcontrol) com uma onda triangular (Vtri). Vcontrol sinal com umafrequnciaf1,tambmchamadadefrequnciadaondamoduladora.Vtriuma ondatriangular,quedeveterumafrequnciamnima20vezessuperiormxima frequnciadaondaf1,estaondatambmchamadadeportadora.Afrequnciadesta onda (Vtri) vai estabelecer a frequncia de comutao fs, do inversor.A tenso sada do inversor formada por uma sucesso de ondas rectangulares deamplitudeigualtensodealimentaoededuraovarivel.Apsefectuar-sea filtragemdestasondasobtm-se,umasinuside.Estanoserperfeita,umavezque contm componentes harmnicos frequncia f1. Define-se como amplitude de modelao a grandeza dada por: mo =vcontoIvt (3.36) A partir da interseco da onda triangular, com a onda de controlo sinusoidal, vo surgir impulsos com uma durao varivel, que tero uma sinuside como componente fundamental, como se pode observar na Figura 3-13. Circuito de In