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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
Setor de Tecnologia
Faculdade de Engenharia
Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica
Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost Atuando como Controlador de Carga de
Baterias em um Sistema Fotovoltaico
Juiz de Fora, MG Brasil
Novembro de 2004
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Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost atuando como Controlador de Carga de Baterias em um Sistema Fotovoltaico
Ricardo Henrique Rosemback
Dissertao submetida ao corpo docente da Coordenao do Programa de Ps-Graduao
em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos
necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias em Engenharia Eltrica.
Aprovada por:
_______________________________________
Prof. Pedro Gomes Barbosa, D. Sc.
(Orientador)
_______________________________________
Prof. Marcio de Pinho Vinagre, Dr. Eng.
_______________________________________
Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.
Juiz de Fora, MG Brasil
Novembro de 2004
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Todo caminho que trilhamos pela primeira vez muito mais longo e difcil do que o mesmo
caminho quando j o conhecemos.
Thomas Mann
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iii
Resumo da Dissertao apresentada ao PPEE/UFJF como parte dos requisitos
necessrios para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica (M.E.E.)
CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST ATUANDO COMO
CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA EM UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO
Ricardo Henrique Rosemback
Novembro de 2004
Orientador: Prof. Pedro Gomes Barbosa
Programa: Engenharia Eltrica
rea de Concentrao: Instrumentao e Controle
Este trabalho apresenta o projeto de um Controlador de Carga de Baterias para
ser usado em sistemas de gerao de energia eltrica fotovoltaicos. As baterias
eletroqumicas so usadas para armazenar o excedente de energia eltrica convertida nos
painis fotovoltaicos e no consumida pelas cargas. Para garantir o carregamento
completo e seguro das baterias o processo de carga divido em quatro etapas: (i) carga
leve, (ii) carga rpida, (iii) sobrecarga e (iv) carga de flutuao. O controlador de carga de
baterias desenvolvido neste trabalho um Conversor CC-CC Bidirecional com duas
etapas de funcionamento distintas: uma Buck e outra Boost. Durante a Etapa Buck a
bateria carregada enquanto que a Etapa Boost usada durante o processo de descarga.
Sero apresentadas metodologias para modelar matematicamente e para linear as Etapas
Buck e Boost do Conversor CC-CC Bidirecional. As funes de transferncia obtidas
sero usadas para analisar a estabilidade de pequenos sinais do conversor e projetar
controles para a tenso e/ou a corrente de carga e de descarga de um banco de bateria.
Resultados de simulaes digitais obtidas com o programa PSpice, bem como alguns
resultados experimentais obtidos com um prottipo de laboratrio so usados para testar
o desempenho do conversor e seus controles.
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iv
Abstract of Dissertation presented to PPEE/UFJF as a partial fulfillment of the requirements for a Master of Electrical Engineering (M.E.E.)
OPERATION OF A BUCK-BOOST CONVERTER AS BATTERY CHARGE
CONTROLLER CONNECTED TO A PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM
Ricardo Henrique Rosemback
November 2004
Advisor: Prof. Pedro Gomes Barbosa
Program: Electrical Engineering
Minor Area: Instrumentation and Control
This work presents the design of a battery charge controller to be used in
photovoltaic electric energy generation systems. The electrochemical batteries are used
to store the amount of electrical energy converted by the photovoltaic panels and not
consumed by the loads. The full and safe charging process of the batteries are divided
in four stages: (i) trickle charge, (ii) bulk charge, (iii) over charge and (iv) float charge.
The charge controller developed in this work is a bidirectional DC-DC converter with
two operational stages: one buck and the other boost. During the buck operation the
battery is charged while the boost stage is used to discharge it. Methodologies to model
mathematically and to linearize the buck and the boost stages of the bidirectional DC-
DC converter will be presented. The obtained transfer functions are used to analyze
the small signal stability of the converter and to design controllers to control the
voltage and/or current of the battery during the charge and the discharge stages. Digital
simulation results obtained with PSpice program as well as some experimental results
obtained with a laboratory prototype are used to test the performance of the converter
and its controllers.
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Sumrio
Simbologia ........................................................................................................... ix
Captulo 1 Introduo
1.1 Histrico ......................................................................................................... 1
1.2 Identificao do Problema ............................................................................. 3
1.3 Motivao do Estudo ..................................................................................... 4
1.4 Objetivos do Trabalho ................................................................................... 5
1.5 Estrutura do Trabalho .................................................................................... 6
Captulo 2 Elementos de um Sistema de Gerao de Energia Eltrica
Fotovoltaico
2.1 Introduo ...................................................................................................... 7
2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos ........................................ 8
2.2.1 O Painel Fotovoltaico ............................................................................. 10
2.2.2 Conversores Estticos ............................................................................ 16
2.2.2.1 Conversores Estticos CC-CC ..................................................................... 17
2.2.2.2 Conversores Estticos CC-CA ..................................................................... 20
2.2.3 Elemento de armazenamento de Energia: Baterias .............................. 21
2.2.3.1 Bateria Chumbo-cido ................................................................................... 22
2.2.3.2 Bateria Nquel-cdmio ................................................................................... 26
2.2.4 Elemento de Regulao de Carga de Baterias ...................................... 26
2.2.4.1 Processo de Carga .......................................................................................... 28
2.2.4.2 Compensador de Temperatura .................................................................... 30
2.2.4.3 Desconexo por Baixa Tenso ..................................................................... 31
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Sumrio vi
2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa ..................................................................... 31
2.3 Topologias Bsicas de Sistemas de Gerao Baseado em Painis Fotovoltaicos .......................................................................................................
31
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados ............................................................ 32
2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC ................................................................ 32
2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC ...................... 33
2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico e Carga CA ................................................................ 33
2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA ...................... 34
2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA ..................................... 34
2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA ................. 35
2.3.1.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte Conectados a Rede CA ......... 35
2.4 Concluses Parciais ....................................................................................... 36
Captulo 3 Controlador de carga de Baterias Baseado no Conversor CC-CC
Bidirecional Buck-Boost
3.1 Introduo ...................................................................................................... 37
3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico ............................................................... 38
3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ................................................. 39
3.3.1 Etapa Buck ............................................................................................. 40
3.3.2 Etapa Boost ............................................................................................ 43
3.4 Estratgia de Controle do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ....... 45
3.5 Projeto das Malhas de Realimentao de Controle do Conversor CC-CC Bidirecional .......................................................................................................
52
3.5.1 Linearizao do Estgio de Potncia do Conversor CC-CC Bidirecional .........................................................................................................
53
3.4.1.1 Modelo Dinmico da Etapa Buck ................................................................ 56
3.4.1.2 Modelo Dinmico da Etapa Boost ................................................................ 60
3.5.2 Malha de Realimentao de Controle de Tenso .................................. 64
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Sumrio vii
3.5.2.1 Controlador Tipo 1 ........................................................................................ 68
3.5.2.2 Controlador Tipo 2 ........................................................................................ 69
3.5.2.2 Controlador Tipo 3 ........................................................................................ 71
3.5.3 Metodologia de Projeto de Controladores Baseado no Fator K ............ 72
3.5.3.1 Algoritmo de Projeto do Controlador ........................................................ 75
3.5.4 Malha de Realimentao de Controle de Corrente ................................ 76
3.6 Concluses Parciais ....................................................................................... 78
Captulo 4 Projeto e Simulao do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-
Boost
4.1 Introduo ...................................................................................................... 79
4.2 Dimensionamento dos Elementos do Sistema ............................................. 80
4.2.1 Arranjo Fotovoltaico ............................................................................... 80
4.2.2 Conversor CC-CC Boost ........................................................................ 81
4.2.3 Banco de Baterias ................................................................................... 86
4.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ................................................. 87
4.3.1 Malha de Controle de Tenso Etapa Boost ........................................... 89
4.3.2 Malha de Controle de Tenso Etapa Buck ............................................ 92
4.3.3 Malha de Controle de Corrente Etapa Buck .......................................... 95
4.4 Resultados Obtidos na Simulao ................................................................. 97
4.4.1 Comportamento da Etapa Buck ............................................................ 98
4.4.2 Comportamento da Etapa Boost ........................................................... 100
4.5 Prottipo do Conversor CC-CC Bidirecional ................................................ 101
4.5.1 Chaves Estticas ..................................................................................... 102
4.5.2 Circuito de Controle ............................................................................... 103
4.5.3 Circuito de Disparo ................................................................................ 103
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Sumrio viii
4.5.4 Sensores de Tenso e Corrente .............................................................. 104
4.5.5 Sensor de Temperatura .......................................................................... 104
4.6 Resultados da Implementao do Prottipo ................................................. 104
4.7 Concluses Parciais ....................................................................................... 107
Captulo 5 Concluses e Recomendaes para Trabalhos Futuros
5.1 Concluses .................................................................................................... 108
5.2 Recomendaes para Trabalhos Futuros ...................................................... 110
Referncias Bibliogrficas ................................................................................... 111
Apndice A Projeto Fsico Indutor ................................................................... 116
Apndice B Listagem dos Arquivos de Simulao no PSpice ......................... 120
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Simbologia 1. Smbolos empregados nas expresses matemticas
SMBOLO DESCRIO UNIDADE
aBT Coeficiente de temperatura da bateria Chumbo-cido V/C
aT Coeficiente da temperatura de ISC para o painel fotovoltaico A/C
b T Coeficiente de temperatura de VOC para o painel fotovoltaico V/C
C Capacidade da bateria Ah
DI Variao da corrente A
DV Variao da tenso V
C Capacidade da bateria Ah
d Razo cclica
D Razo cclica no estado permanente CC
fS Freqncia de chaveamento dos conversores estticos Hz
G Insolao W/m2
GSTC Insolao nas Condies de Teste Padro W/m2
iBB(t) Corrente fornecida pelo banco de baterias A
IBB Valor mdio da corrente iBB(t) A
IBULK Corrente de carga da bateria durante o segundo estgio do processo de carga
A
ID Corrente sobre o diodo do modelo eltrico do painel fotovoltaico
A
IFV Corrente fornecida pela fonte de corrente no modelo eltrico do painel fotovoltaico
A
IMP Corrente no ponto de mxima potncia do painel fotovoltaico A
IOCT Valor de corrente que indica que a bateria alcanou sua carga completa
A
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Simbologia
x
IP Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico A
IPN Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico para um determinado valor de insolao e temperatura
A
ISC Corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico A
ITC Corrente de carga da bateria durante o primeiro estgio do processo de carga
A
NE Nmero de elementos que compe a bateria
NOCT Temperatura normal de operao da clula fotovoltaica C
P0 Potncia mdia de sada do conversor CC-CC esttico W
pBoost(t) Potncia instantnea fornecida pelo conversor CC-CC Boost W
pCarga(t) Potncia instantnea fornecida consumida pela carga W
P i Potncia mdia de entrada do conversor CC-CC esttico W
PMP Potncia mxima fornecida pelo painel para um determinado nvel de insolao e temperatura
W
pPainel(t) Potncia instantnea fornecida pelo arranjo fotovoltaico W
RP Resistncia em paralelo do modelo do painel fotovoltaico W
RS Resistncia srie do modelo do painel fotovoltaico W
SOC(t) Estado de Carga do banco de baterias
SOCmin Estado de Carga mnimo admissvel
SOCmax Estado de Carga mximo admissvel
Ta Temperatura ambiente C
Ta,ref Temperatura ambiente de referencia C
TC Temperatura da clula fotovoltaica C
TS Perodo de chaveamento dos converso res estticos s
TSTC Temperatura nas Condies de Teste Padro C
VB(T) Tenso na bateria em funo da temperatura V
vBB(t) Tenso do banco de baterias V
VBB Tenso nominal do banco de baterias V
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Simbologia
xi
VBBmax Valor de tenso correspondente ao SOCmax V
VBBmin Valor de tenso correspondente ao SOCmin V
VCC Tenso nominal do barramento CC V
MAXCCV Tenso mxima admissvel no barramento CC V
MINCCV Tenso mnima admissvel no barramento CC V
vCC(t) Tenso no barramento CC V
VCHGEND Valor de tenso da bateria no limite da capacidade de descarga V
VE,25C Tenso de um elemento da bateria a 25C V
VFLOAT Valor de tenso que deve ser aplicado bateria durante o quarto estgio do processo de carga
V
VMP Tenso no ponto de mxima potncia do painel fotovoltaico V
VOC Tenso de circuito aberto do painel fotovoltaico V
VOC Valor mximo de sobrecarga de tenso que deve ser alcanado pela bateria
V
VP Tenso fornecida pelo arranjo fotovoltaico V
VPN Tenso fornecida pelo painel fotovoltaico para um determinado valor de insolao e temperatura
V
2. Acrnimos e abreviaturas
SMBOLO SIGNIFICADO
CA Corrente alternada
CC Corrente contnua
FTMA Funo de transferncia de malha aberta
FTMF Funo de transferencia de malha fechadas
PWM Modulao por largura de pulso
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1
Captulo 1
Introduo
1.1 Histrico
A busca pela dominao de fontes de energia pelo homem comeou em torno
de 500.000 anos atrs, quando o homem primitivo passou a controlar o fogo,
aproveitando dessa forma de energia para aquec-lo, afastar predadores e preparar
alimentos. Desde ento o homem foi descobrindo novas fontes e formas de energia e
criando dispositivos para utiliz-las a seu favor. As fontes de energia passaram a ser
vital para sobrevivncia e evoluo do homem. Portanto, devido a grande importncia
da energia para a humanidade nos dias de hoje, so incessantes as pesquisas que visam
o desenvolvimento e aprimoramento de tcnicas de obteno de energia, com o
objetivo principal de conciliar grande capacidade de gerao, baixo custo e um mnimo
impacto ao meio ambiente.
O Sol a mais importante fonte de energia do nosso planeta. Ele fornece
1,5x1018 kWh de energia anualmente a Terra nas formas de luz e calor, energia
correspondente a 10.000 vezes o consumo mundial no mesmo perodo. E ainda, o Sol
uma fonte de energia inesgotvel na escala terrestre de tempo [1].
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CAPTULO 1- INTRODUO 2
A forma de energia mais importante atualmente a eltrica que pode ser
transportada ininterruptamente por longas distncias, distribuda a diversos pontos
simultaneamente e convertida nas mais diversas formas de energia como luminosa,
mecnica, qumica e trmica.
O Efeito Fotovoltaico que transforma diretamente a energia luminosa solar em
corrente eltrica concilia a mais importante fonte, o Sol, com a principal forma de
energia, a eltrica. Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o Efeito Fotovoltaico
pode ser explicado sucintamente como o aparecimento de uma diferena de potencial
nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absoro da
luz. Essas estruturas de material semicondutor so denominadas de Clulas
Fotovoltaicas [2].
As Clulas Fotovoltaicas so as unidades bsicas de gerao de energia, elas
podem ser conectadas entre si, formando os painis fotovoltaicos, que so os
dispositivos utilizados na prtica para gerao de energia. As primeiras aplicaes
desses dispositivos foram para atender a necessidade de gerao de energia no espao
em satlites artificiais, sondas, naves e estaes espaciais. Com a queda progressiva no
custo de produo dos painis seu emprego estendeu-se a aplicaes terrestres,
inicialmente em locais isolados distantes da rede eltrica [1], [2].
Atualmente utiliza-se a energia fotovoltaica nas mais diversas reas com o
objetivo de gerao de energia eltrica aliada as seguintes vantagens: simplicidade de
instalao, facilidade de expanso, elevado grau de confiabilidade do sistema, reduo
das perdas por transmisso de energia devido proximidade entre gerao e consumo
e pouca necessidade de manuteno. Alm disso, os sistemas fotovolt aicos so fontes
silenciosas e no poluentes de gerao de energia eltrica [3].
O custo da produo de energia eltrica atravs de painis fotovoltaicos ainda
elevado em comparao a outros mtodos de gerao de energia eltrica o que
inviabiliza muitas vezes a sua aplicao. Contudo, h uma grande expectativa da
-
CAPTULO 1- INTRODUO 3
difuso do uso de sistemas fotovoltaicos nos prximos anos, principalmente pelo
esgotamento das fontes primrias de energia e o grande impacto ambiental causado
pelas usinas tradicionais de gerao de energia como a hidroeltrica e as termoeltricas
[4].
Alm do desenvolvimento de painis mais eficientes a um custo menor, um
sistema de gerao de energia fotovoltaica para tornar-se mais difundido depende
tambm do desenvolvimento de equipamentos complementares que tornem os
sistemas mais versteis, ou seja adaptando-os as mais diversas aplicaes, e eficientes,
aproveitando melhor a energia gerada pelos painis [5].
1.2 Identificao do Problema
A produo de energia atravs de painis fotovoltaicos depende, principalmente,
do nvel de insolao incidente sobre eles. Como o recurso energtico solar apresenta
grande variabilidade devido alternncia de dias e noites, das estaes do ano e
perodos de passagem de nuvens, a produo de energia apresentar tambm uma
grande variao de acordo com a insolao, ou seja, nos perodos de grande insolao
haver grande produo de energia, nos perodos de baixa insolao haver pouca
produo de energia e nos perodos sem insolao no haver produo de energ ia.
Dessa forma, a quantidade de energia gerada pelos painis, em grande parte das
aplicaes, no coincidir com a quantidade de energia requerida pelas cargas eltricas
da instalao, tendo-se que descartar o excedente de energia gerado em determinados
momentos e em outros, requerer energia de uma outra fonte.
Uma forma de solucionar este problema o armazenamento do excedente de
energia gerado pelos painis em banco de baterias eletroqumicas, transformando
energia eltrica em energia potencial qumica. A energia qumica armazenada poder
ser utilizada posteriormente, na forma de energia eltrica, quando a energia requerida
pelas cargas eltricas da instalao for superior a energia gerada pelos painis.
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CAPTULO 1- INTRODUO 4
Porm as baterias eletroqumicas so equipamentos que elevam o custo de
implementao do sistema fotovoltaico e podem ser danificadas prematuramente caso
no sejam respeitadas suas especificaes de uso, principalmente no se refere aos
processos de carga e descarga. Assim, para evitar que as mesmas sejam danificadas
precocemente, as baterias necessitam de um equipamento destinado ao seu
monitoramento durante os processos de carga e de descarga. Este equipamento
denominado por Controlador de Carga de Bateria [6].
O Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico deve, alm de
proteger as baterias, providenciar o carregamento completo da bateria, dentro de suas
especificaes, em um perodo de tempo o mais curto possvel. O Controlador deve
tambm providenciar e gerenciar o retorno da energia armazenada para o sistema
eltrico quando for necessrio. Dessa forma importante que o Controlador de Carga
de Bateria receba informaes constantes do sistema para gerenciar com mais
eficincia o fluxo de energia que entra e sai do banco de baterias.
Para executar tais tarefas os controladores necessitam basicamente de dois
circuitos, um circuito de controle e um circuito de comutao. O circuito de controle
monitora grandezas do sistema, como a tenso, a corrente e a temperatura na bateria,
processa essas informaes e gera os sinais de controle que comandar o circuito de
comutao. J o circuito de comutao composto por chaves que comutam as
ligaes de acordo com as condies e as necessidades do sistema.
1.3 Motivao do Estudo
A principal motivao deste trabalho o desenvolvimento de um Conversor CC-
CC Bidirecional Buck-Boost que atuar em um sistema fotovoltaico como Controlador
de Carga de Bateria. O Conversor CC-CC Bidirecional ir promover a ligao entre o
barramento de corrente contnua e o banco de baterias eletroqumicas do sistema
fotovoltaico. Sua funo ser de promover o controle de carga de baterias chumbo-
-
CAPTULO 1- INTRODUO 5
cido. O processo de carga da bateria dividido em quatro estgios para garantir o
carregamento completo, rpido e seguro. Para executar com preciso o processo de
carga, o circuito de controle do conversor monitora a tenso, a corrente e a
temperatura na bateria. Processa essas informaes e gera os sinais de controle que
iro atuar nas chaves do circuito de comutao. Os parmetros de controle devem ser
ajustados de acordo com as especificaes do fabricante da bateria utilizada no
sistema.
1.4 Objetivos do Trabalho
No desenvolvimento deste trabalho, que envolve um controlador de carga de
bateria baseado na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost, foram
selecionados os seguintes objetivos para serem estudados:
i. descrever os principais elementos que compem um sistema fotovoltaico
dando-se nfase s baterias chumbo-cido utilizadas para o armazenamento
de energia eltrica;
ii. descrever o circuito principal do Conversor CC-CC Bidirecional para ser usado
como Controlador de Carga de Baterias;
iii. apresentar uma estratgia de controle para o gerenciamento do fluxo de
energia dentro do sistema, bem como o processo de carga do banco de
baterias;
iv. apresentar um modelo matemtico, linearizado, para as etapas de operao do
Conversor CC-CC Bidirecional, obtendo-se as funes de transferncias para
auxiliar o projeto das malhas de controle;
v. descrever as metodologias de projeto das malhas de realimentao de controle
-
CAPTULO 1- INTRODUO 6
adotadas no Conversor CC-CC Bidirecional;
vi. verificar a dinmica das malhas de controle do conversor atravs de
simulaes no Pspice;
vii. descrever as etapas para implementao da topologia estudada para
observao do seu funcionamento;
1.5 Estrutura do Trabalho
O desenvolvimento desse trabalho que aborda o Conversor CC-CC Bidirecional,
que atua como Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico, est
dividida em captulos conforme sumarizados a seguir:
O Captulo 2 faz referncia aos sistemas fotovoltaicos, abordando o
funcionamento e as caractersticas das clulas fotovoltaicas, os principais equipamentos
que compem o sistema e as topologias mais usuais.
O Captulo 3 enfoca as caractersticas, o funcionamento e o equacionamento do
Conversor Bidirecional CC-CC que ser desenvolvido para atuar como Controlador de
Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico.
O Captulo 4 descreve as etapas para implementao do prottipo como:
dimensionamento dos componentes, montagem do equipamento e verificao do seu
funcionamento.
O Captulo 5 relata os resultados e as concluses alcanadas no desenvolvimento
do trabalho, tambm so propostas sugestes para trabalhos futuros com objetivo de
aperfeioamento do equipamento desenvolvido.
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7
Captulo 2
Elementos de um Sistema de
Gerao de Energia Eltrica
Fotovoltaico
2.1 Introduo
Sistemas Fotovoltaicos de gerao de energia so sistemas que atravs de clulas
fotovoltaicas converte a energia luminosa diretamente em energia eltrica. As clulas
so conectadas entre si formando os painis fotovoltaicos, que so os componentes
que caracterizam o sistema. Alm dos painis, outros equipamentos podem fazer parte
do sistema, como conversores estticos, baterias eletroqumicas e controladores de
carga de bateria [1].
Entre as vantagens associadas aos sistemas fotovoltaicos, destaca-se sua
versatilidade, o que permite projet-los para diversas aplicaes. Sua topologia
definida levando-se em considerao muitos fatores com: localizao geogrfica,
condies climticas, isolado ou conectado a rede de fornecimento de energia da
concessionria, caractersticas eltricas das cargas alimentadas pelo sistema e sua
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 8
aplicao [7].
Outras vantagens dos sistemas fotovoltaicos so a grande durabilidade dos
painis e a sua modularidade. Esta ltima caracterstica facilita o transporte, a
instalao e a ampliao dos sistemas fotovoltaicos. E ainda, por no possuir peas
mveis os sistemas fotovoltaicos requerem pouca manuteno [1].
Sob os aspectos relacionados ao meio ambiente, a gerao de energia pelos
sistemas fotovoltaicos no emite nenhum tipo de resduo ao meio ambiente alm de
serem fontes silenciosas. Isto permite sua instalao perto dos consumidores de
energia, que por sua vez contribui para a reduo das perdas na transmisso da energia
eltrica gerada.
A reduo progressiva no custo de fabricao dos painis fotovoltaicos, somado
as suas vantagens, e ainda, a saturao, o impacto ao meio-ambiente e o aumento
progressivo no preo da energia gerada pelas fontes tradicionais como combustveis
fosseis e hidreltrica tem contribudo para o aumento progressivo do emprego de
sistemas fotovoltaicos na gerao de energia eltrica [5].
Conhecer as principais caractersticas de um sistema fotovoltaico um dos
requisitos bsico para o desenvolvimento de trabalhos que busquem o aprimoramento
do seu funcionamento e de seus componentes. Este captulo apresenta os principais
equipamentos que compem o sistema e as topologias mais usuais.
2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos so bastante flexveis, podendo admitir muitas
topologias de acordo com a aplicao. Os principais elementos que podem fazer parte
do projeto de um sistema fotovoltaico de gerao de energia, alm dos painis, so: (i)
conversores estticos cuja finalidade adequar a potncia eltrica de sada dos painis
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 9
natureza das cargas alimentadas, (ii) baterias eletroqumicas cuja tarefa armazenar
energia e (iii) controlador de carga de baterias que providencia o carregamento seguro
da energia excedente nas baterias para seu uso posterior [1].
A Figura 2.1 mostra o esquema de um sistema fotovoltaico composto por todos
os elementos citados. Essa topologia composta por dois barramentos, um
barramento de tenso contnua, denominado de barramento CC e um barramento de
tenso alternada, denominado barramento CA. A energia gerada pelos painis
transferida para o barramento CC atravs dos conversores estticos CC-CC que
mantm a tenso do barramento em um valor desejado. O banco de baterias est
conectado ao barramento CC atravs do Controlador de Carga de Bateria. Um
conversor esttico CC-CA, que pode ser trifsico ou monofsico, transfere a energia
disponvel no barramento CC para o barramento CA onde esto conectadas as cargas
do sistema. O barramento CA pode ser tambm conectado a rede de energia da
concessionria, desde que a legislao local permita e que a qualidade de energia no
barramento CA esteja dentro das normas estabelecidas pela concessionria [1], [8].
Figura 2.1 Diagrama de conexo de um sistema fotovoltaico de gerao de energia
eltrica.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 10
Nas sees seguintes so detalhados mais especificamente cada uma das partes
do sistema mostrado na Figura 2.1.
2.2.1 O Painel Fotovoltaico
O painel fotovoltaico o responsvel por transformar a energia luminosa solar
em corrente eltrica. Ele formado por clulas individuais conectadas entre si. Cada
clula fotovoltaica isoladamente tem capacidade limitada de produo de energia
eltrica e fornece um baixo nvel de tenso. Portanto para atender a demanda de
energia de grande parte dos equipamentos eltricos h necessidade de se associar
vrias clulas, atravs de ligaes srie e paralelo, formando-se assim os painis
fotovoltaicos. Os painis fotovoltaicos podem, tambm, ser conectados entre si,
formando-se os arranjos fotovoltaicos. Isso possibilita projeto de sistemas de grande
capacidade de gerao de energia el trica [1], [2].
As clulas fotovoltaicas so constitudas por materiais semicondutores. Os
materiais classificados como semicondutores caracterizam-se por possurem uma
banda de valncia totalmente preenchida por eltrons e uma banda de conduo
totalmente vazia a temperaturas prximas de zero Kelvin. A separao entre as duas
bandas de energia permitida dos semicondutores, chamada de gap de energia, da
ordem de 1eV (eltron-volt). Isso faz com que os semicondutores apresentem
caractersticas interessantes. Uma delas o aumento de sua condutividade com a
temperatura, devido excitao trmica de portadores da banda de valncia para a
banda de conduo. Uma caracterstica fundamental para as clulas fotovoltaicas
possibilidade de ftons, na faixa do espectro visvel, com energia superior ao do gap de
energia do material, excitarem eltrons banda de conduo. Este efeito, que pode ser
observado em semicondutores puros, tambm chamado intrnsecos, no garante por
si s o funcionamento de clulas fotovoltaicas. Para obt-las necessrio uma estrutura
apropriada, para que os eltrons excitados possam ser coletados, gerando uma
corrente til [1].
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 11
O elemento mais utilizado atualmente na fabricao das clulas fotovoltaicas o
Silcio [4]. Os tomos de Silcio caracterizam por possurem quatro eltrons de ligao
que se ligam aos vizinhos formando uma rede cristalina. O cristal de Silcio puro no
possui eltrons livres, portanto um mal condutor eltrico. Para alterar isto,
acrescentam-se porcentagens de outros elementos a sua estrutura molecular, este
processo denomina-se dopagem.
Mediante a dopagem do Silcio com elementos da famlia V da tabela peridica,
como o Fsforo, que contm 5 eltrons na ltima camada, obtm-se um material com
eltrons livres ou material portador de cargas negativas denominado de Silcio tipo n.
Realizando o mesmo processo, mas acrescentando elementos da famlia III, como o
Boro, que contm 3 eltrons de ligao, estrutura do material, obtm-se um material
com caractersticas inversas, ou seja, dficit de eltrons ou material portador de carga
positiva, denominado de Silcio tipo p. Esta falta de eltrons e denominada de buraco
ou lacuna.
Em um cristal de Silcio puro, introduzindo-se tomos de Boro em uma metade e
de Fsforo na outra, ser formado o que se denomina juno pn. Na juno os
eltrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram as lacunas que os capturam.
Isso faz com que haja um acmulo de eltrons no lado p, tornando-o negativamente
carregado e uma reduo de eltrons no lado n, que o torna eletricamente positivo.
Estas cargas aprisionadas do origem a um campo eltrico permanente que dificulta a
passagem de mais eltrons do lado n para o lado p. O processo alcana o equilbrio
quando o campo eltrico forma uma barreira capaz de barrar os eltrons livres
remanescentes no lado n. A Figura 2.2(a) ilustra o comportamento das cargas eltricas
atravs da juno pn e a Figura 2.2(b) mostra o comportamento do campo eltrico
sobre a juno pn.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 12
Figura 2.2 Juno semicondutora: (a) regio do cristal onde ocorre o acumulo de cargas e
(b) campo eltrico resultante da transferncia de cargas atravs da juno pn.
Se esta juno pn, mostrada esquematicamente na Figura 2.2 (a), for exposta a
ftons com energia superior aquela presente no gap do dispositivo ocorrer a gerao
de pares eltron-lacuna nessa regio. Se este fenmeno ocorrer na regio onde o
campo eltrico diferente de zero, as cargas sero aceleradas, gerando assim, uma
corrente eltrica atravs da juno. Este deslocamento de cargas d origem a uma
diferena de potencial que chamada de efeito fotovoltaico. Ento se as duas
extremidades do cristal forem conectadas por um fio, haver circulao de uma
corrente eltrica unidirecional [1].
O modelo eltrico que representa um painel fotovoltaico ideal mostrado na
Figura 2.3(a), onde a corrente IP fornecida pelo painel a uma carga, equivalente
associao de uma fonte de corrente contnua IFV em paralelo com um diodo. Onde o
mdulo de IFV proporcional ao nvel de insolao G que incide sobre a clula e o
comportamento da corrente pela juno pn representado pela corrente do diodo ID.
O desempenho de um painel real difere do ideal por apresentar alguns fatores de
perdas. Estas perdas so representadas pelas resistncias em srie e em paralelo
inseridas no modelo ideal. A resistncia em srie se deve a resistividade do corpo
material, a resistncia da lmina da camada difundida e a resistncia dos contatos
metlicos. A resistncia em paralelo se deve aos defeitos da juno que ocasionam
correntes de perdas ao longo da juno [2]. A Figura 2.3(b) apresenta o circuito
equivalente de um painel real onde RS representa a resistncia em srie e RP a
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 13
resistncia em paralelo.
Figura 2.3 Circuito equivalente do painel fotovoltaico conectado a uma carga: (a) modelo
ideal e (b) modelo real.
A Figura 2.4 mostra a curva caracterstica genrica da corrente IP em relao a
variao da tenso VP em um painel fotovoltaico. Nessa figura, ISC a corrente de
curto-circuito e representa a mxima corrente que o dispositivo pode entregar sob
determinadas condies de radiao e temperatura com tenso nula; VOC a tenso
de circuito aberto e representa a mxima tenso que o dispositivo pode entregar sob
determinadas condies de radiao e temperatura com corrente nula; PMP o ponto
de mxima potncia e corresponde ao ponto da curva no qual o produto da tenso
pela corrente mximo; IMP a corrente relativa ao ponto de mxima potncia e que
utilizado para definir o valor da corrente nominal do dispositivo e VMP a tenso
relativa ao ponto da mxima potncia e que utilizado para definir o valor da tenso
nominal do dispositivo.
Figura 2.4 Curva caracterstica genrica de tenso por corrente de um painel fotovoltaico.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 14
Do modelo mostrado na Figura 2.3, a corrente IP fornecida pelo painel a uma
carga pode ser equacionada em funo da sua tenso de sada VP conforme mostrado
a seguir [9].
)](1[ )1)((1 2--=
mPVK
SCP eKII (2.1
)
onde 01175,01 =K , mOCVK
K)(
42 = ,
( )( )OCMP VV
KKm
lnln 43= ,
-+=
SC
MPSC
IKIKI
K1
13
)1(ln e
+=
1
14
1ln
KK
K .
Contudo, (2.1) valida somente para as Condies de Teste Padro, STC (do
ingls Standard Test Conditions), onde o nvel de insolao GSTC = 1000W/m2 e a
temperatura TSTC = 25C.
A potncia produzida pelo painel varia de acordo com a quantidade de energia
luminosa que incide sobre ele e a sua temperatura. Quando h variao no nvel de
insolao e na temperatura, os novos valores de corrente e tenso que caracterizam o
painel so dados respectivamente por:
III PPN D+= (2.2)
e, VVV PPN D+= , (2.3)
Onde as variaes da corrente (DI) e da tenso (DV) so dadas por:
( ) SCSTC
STCCSTC
T IGG
TTG
GI
-+-
a=D 1 (2.4)
e,
-
CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 15
( ) IRTTV SSTCCT D--b-=D . (2.5)
onde bT o coeficiente de temperatura da tenso de circuito aberto, RS a resistncia
srie equivalente do painel e TC a temperatura da clula fotovoltaica dada por:
( )refaNOCT
aC TNOCTGGTT ,-+= . (2.6)
onde, Ta a temperatura ambiente em (C); NOCT a Temperatura Normal de
Operao da Clula fotovoltaica definida para as seguintes condies: nvel de
insolao GNOCT=800W/m2, temperatura ambiente de referncia Ta,ref=20C e
velocidade do vento de 1 m/s2. O valor da NOCT fornecido pelo fabricante do
painel.
A Figura 2.5(a) mostra a curva tenso versus corrente e a Figura 2.5(b) a curva
tenso versus potncia de um painel fotovoltaico modelado conforme descrito
anteriormente para diferentes nveis de insolao e uma temperatura ambiente fixa e
igual a 25C. A Figura 2.6(a) mostra a curva tenso versus corrente e a Figura 2.6(b) a
curva tenso versus potncia do painel fotovoltaico modelado para diferentes valores
de temperatura e para uma insolao constante de 1000W/m2. Os parmetros
utilizados nas equaes para adquirir estas s curvas caractersticas esto mostrados na
Tabela 2.1, estes parmetros pertencem folha de dados do painel BP SX120.
Tabela 2.1 Parmetros do Painel Fotovoltaico BP SX120 para STC.
PARMETROS SMBOLO VALOR Potncia mxima PMP 120W Corrente no ponto de mxima potncia IMP 3,56A Tenso no ponto de mxima potncia VMP 33,7V Corrente de curto-circuito ISC 3,87A Tenso de circuito aberto VOC 42.1V Coeficiente de temperatura da ISC aT 2,51mA/C Coeficiente de temperatura da VOC b T -160mV/C Temperatura normal de operao NOCT 47C
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 16
Figura 2.5 Curvas caractersticas do painel fotovoltaico, variao com a insolao: (a)
tenso x corrente e (b) tenso x potncia (os smbolos (* ) nas curvas indicam os pontos de mxima potncia).
Figura 2.6 Curvas caractersticas do painel fotovoltaico, variao com a temperatura: (a)
tenso x corrente e (b) tenso x potncia (os smbolos (* ) nas curvas indicam os pontos de mxima potncia).
2.2.2 Conversores Estticos
Os conversores estticos possuem a tarefa de adequar a potncia eltrica
disponvel em determinados pontos do sistema para uma outra forma estvel desejada.
Atravs de uma estratgia de comando para abertura e fechamento de suas chaves
semicondutoras de potncia os conversores estticos so capazes de elevar ou abaixar
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 17
um determinado nvel de tenso ou corrente contnua, transformar uma tenso
alternada em contnua ou uma tenso contnua em alternada com a amplitude e
freqncia desejadas.
Os conversores estticos podem operar no modo tenso ou no modo corrente.
No modo tenso a varivel de controle a tenso de sada e o conversor opera como
uma fonte de tenso. No modo corrente a varivel de controle a corrente de sada e
o conversor opera como uma fonte de corrente equivalente.
Nos sistemas fotovoltaicos utilizam-se basicamente dois tipos de conversores
estticos: (i) conversores CC-CC e (ii) conversores CC-CA.
2.2.2.1 Conversores Estticos CC-CC
Os conversores estticos CC-CC so dispositivos que recebem um nvel de
tenso ou de corrente contnua nos seus terminais de entrada e ajustam para um
outro valor de tenso ou de corrente contnua nos terminais de sada de acordo com
as exigncias do sistema. Existem duas topologias bsicas de conversores estticos
CC-CC que so: (a) conversor abaixador de tenso, tambm denominado na literatura
como Step-down ou Buck e (b) conversor elevador de tenso, tambm conhecido
como Step-up ou Boost [10]. A Figura 2.7(a) mostra a topologia de um conversor
abaixador de tenso enquanto que a Figura 2.7(b) mostra a topologia de um conversor
elevador de tenso. Nessas duas figuras S representa a chave esttica de potncia, D
um diodo de potncia, L um indutor para armazenamento de energia, C um
capacitor que atua como filtro de sada, iL(t) a corrente sobre o indutor, Vi a tenso
de entrada e V0 a tenso de sada fornecida a carga R.
Os conversores CC-CC chaveados possuem dois modos de operao de acordo
com a corrente iL(t) que circula pelo indutor L que so: (i) modo de conduo contnua
(MCC) onde a corrente iL(t) sempre maior que zero durante um perodo de
chaveamento e (ii) modo de conduo descontnua (MCD) onde a corrente iL(t)
zero por alguns instantes do perodo de chaveamento [10].
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 18
Figura 2.7 - Topologias bsicas dos conversores estticos CC-CC: (a) conversor buck e (b)
conversor boost.
Os conversores estticos CC-CC em um sistema fotovoltaico fazem a ligao
dos painis ao barramento de corrente contnua onde sero conectadas as cagas de
corrente contnua. Os conversores podem exercer dupla funo no sistema
fotovoltaico, a principal adequar o nvel de tenso gerado nos terminais do painel no
nvel de tenso desejado no barramento CC, possibilitando com isso padronizar a
tenso dos equipamentos que sero conectados ao barramento CC. A outra funo
que pode ser incorporada aos conversores estticos CC-CC que conectam os painis
fotovoltaicos ao barramento CC a funo de seguidor do ponto de mxima potncia
do painel, denominada pela sigla MPPT (do ingls, Maximum Power Point Tracker). O
ponto de mxima potncia de um painel varia com o nvel de insolao e com a
temperatura, como mostra os grficos da Figura 2.5(b) e Figura 2.6(b)
respectivamente. O MPPT possibilita extrair a mxima potncia gerada pelos painis
fotovoltaicos em diferentes condies de insolao e de temperatura.
Os dispositivos MPPT funcionam basicamente da seguinte forma, os terminais
do arranjo fotovoltaico so conectados entrada do conversor. Atravs de um
algoritmo de controle que atua sobre a chave S, varia-se o valor da tenso de entrada,
conseqentemente a corrente de entrada tambm varia, at que o produto da tenso
pela corrente na entrada do conversor seja mximo. Esse controle feito
continuamente pelo algoritmo, para que se possa extrair sempre a mxima potncia
que pode ser gerada pelos painis sob determinadas condies de insolao e
temperatura [1].
Existem vrios algoritmos para o rastreamento do ponto de mxima potncia
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 19
aplicado ao controle do conversor CC-CC em sistemas fotovoltaicos, a Figura 2.8
apresenta o fluxograma do algoritmo Incremental Condutance proposto em [11]. O
algoritmo procede da seguinte forma: primeiro, ele l os valores atuais da tenso V(k) e
da corrente I(k) na entrada do conversor, em seguida, calcula os desvios dV e dI,
subtraindo a leitura atual pelos valores de tenso V(k-1) e corrente I(k-1) obtidos na
leitura anterior, respectivamente. Se dV e dI forem iguais a zero tem-se que o painel
est operando no ponto de mxima potncia do painel e o algoritmo retornar ao incio.
Caso dV seja igual a zero e dI>0, o algoritmo somar ao valor de tenso de referncia
VREF um incremento de tenso DV, mas se dI
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 20
2.2.2.2 Conversores Estticos CC-CA
Os painis fotovoltaicos geram corrente eltrica unidirecional, ou seja, corrente
contnua, porm grande parte dos equipamentos eltricos padronizada para ser
conectada diretamente rede de alimentao de corrente alternada das
concessionrias de energia. Para que estes equipamentos possam ser utilizados em
sistemas fotovoltaicos necessria utilizao de um dispositivo que converta
corrente contnua (CC) em corrente alternada (CA). Estes equipamentos so
denominados na literatura como conversores estticos CC-CA, ou mais comumente
inversores [10].
Dependendo da natureza da fonte unidirecional conectada nos terminais CC dos
inversores eles so classificados como inversores tipo fonte de tenso (VSI do ingls
Voltage Source Inverters) ou inversores tipo fonte de corrente (CSI do ingls Current
Source Inverters) [12].
Existe uma grande variedade de topologias de conversores CC-CA os quais
podem ser monofsicos ou trifsicos. A Figura 2.9(a) mostra a topologia bsica de um
conversor CC-CA monofsico composto por um nico ramo de chaves
semicondutoras e a Figura 2.9(b) a topologia de Conversor CC-CA trifsico composto
por trs ramos de chaves semicondutoras com diodos conectados em antiparalelo.
Figura 2.9 Topologias dos conversores estticos CC-CA: (a) monofsico e (b) trifsico.
Maiores detalhes sobre este tipo de inversores e sobre estratgias de controle e
de eliminao harmnica podem ser achados em [8], [12].
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 21
2.2.3 Elemento de Armazenamento de Energia
A produo de energia atravs de painis fotovoltaicos diretamente
proporcional ao nvel de insolao que incide sobre ele, dessa forma nos momentos de
grande insolao haver grande produo de energia, nos momentos com pouca
insolao haver pouca produo de energia e ainda nos perodos sem insolao no
haver produo de energia pelos painis. Assim ocorrero momentos em que a
energia requerida pelas cargas ser menor que a energia gerada e em outros a energia
gerada ser insuficiente para alimentar as cargas do sistema. Como, em grande parte
dos sistemas o consumo de energia no pode acompanhar a variabilidade da gerao
dos painis, ento haver a necessidade de se adaptar a curva de gerao do painel a
curva de consumo de energia do sistema.
As baterias eletroqumicas so uma importante forma de armazenamento de
energia que pode ser utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas so capazes de
transformar diretamente energia eltrica em energia potencial qumica e posteriormente
converter, diretamente, a energia potencial qumica em energia eltrica.
As baterias, tambm chamadas de acumuladores eletroqumicos, so
classificadas em duas categorias: (i) baterias primrias e (ii) baterias secundrias.
Baterias primrias so dispositivos eletroqumicos que, uma vez esgotados os reagentes
que produzem a energia eltrica, so descartadas, pois no podem ser recarregadas. J
as baterias secundrias podem ser regeneradas, ou seja, atravs da aplicao de uma
corrente eltrica em seus terminais pode-se reverter s reaes responsveis pela
gerao de energia eltrica e assim recarregar novamente a bateria [13]. Os sistemas
fotovoltaicos de gerao de energia eltrica utilizam acumuladores secundrios, ou seja,
baterias que podem ser recarregadas. Entre inmeros tipos de baterias secundrias as
mais comuns so as chumbo-cido e as nquel-cdmio [1].
2.2.3.1 Bateria Chumbo-cido
A bateria chumbo-cido a mais utilizada para armazenamento de energia nos
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 22
sistemas fotovoltaicos devido principalmente ao seu baixo custo em comparao aos
outros tipos de baterias e a sua grande disponibilidade no mercado [14].
Baterias Chumbo-cido so assim denominadas, pois a sua matria ativa o
chumbo e seus compostos, e o eletrlito uma soluo aquosa de cido sulfrico. A
bateria composta por elementos ou clulas, esses elementos so constitudos por
duas placas de polaridades opostas, isoladas entre si, banhadas pelo eletrlito. Os
elementos so interligados convenientemente no interior da bateria de forma a definir
sua tenso e capacidade nominal. A tenso nominal de um elemento de uma bateria
Chumbo-cido 2V. A Figura 2.10 mostra a estrutura de uma bateria chumbo-cido
retirado do catlogo de baterias chumbo-cido Moura [15].
O processo qumico de gerao de eletricidade atravs de reaes qumicas tem o
nome de Oxidao e Reduo. Os tomos possuem eltrons de valncia, ou seja,
aqueles que vo ser trocados ou compartilhados com outros tomos para formao de
compostos durante as reaes qumicas. Quando o elemento da reao perde eltrons
ele se oxida e chamado de Agente Redutor e o processo chamado de Reduo.
Por outro lado, o elemento da reao que ganha eltrons chamado de Agente
Oxidante e o processo de Oxidao [1], [13].
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 23
Figura 2.10 Estrutura de uma Bateria Chumbo-cido selada.
Durante os processos de descarga e carga de uma bateria chumbo-cido, ocorre
tanto o processo de Oxidao quanto de Reduo. Na oxidao o chumbo (Pb) que
compe a placa de polaridade negativa reage com o cido sulfrico (H 2SO4) formando
sulfato de chumbo (PbSO4) e ction de Hidrognio (H +), conforme mostrado a seguir:
Pb + H2SO4 ? PbSO 4 + 2H+ + 2e- + 0,356V (2.7
)
Na reduo o dixido de chumbo (PbO2) que compe a placa de polaridade
positiva reage tambm com o cido sulfrico (H2SO4) mais o ction de Hidrognio (H+)
tendo como produto final dessa reao sulfato de chumbo (PbSO4) mais gua (H2O),
conforme a equao qumica a seguir:
PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e- ? PbSO4 + H2O + 1,685V (2.8
)
A reao qumica completa durante a descarga da bateria e o potencial eltrico
produzido pela reao so dados por:
PbO2 + Pb + H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O + 2,041V (2.9
)
Toda reao qumica cujo potencial eltrico positivo ocorre espontaneamente,
ou seja, fechando-se um circuito atravs dos plos da bateria haver circulao de
corrente. Para regenerao do potencial eletroqumico da bateria ocorre a reao
inversa onde o sulfato de chumbo reage com a gua durante a passagem de uma
corrente eltrica no sentido oposto, obtendo-se novamente dixido de chumbo,
chumbo puro e cido sulfrico. A reao qumica completa e o seu potencial eltrico
produzido durante o processo de carga da bateria so dados por:
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 24
2PbSO4 + 2H2O ? PbO2 + Pb + H2SO4 - 2,04V (2.10
)
A capacidade de uma bateria chumbo-cido a quantidade de carga eltrica,
expressa em Ampre-hora (Ah). Essa capacidade obtida atravs de um ensaio de
descarga com corrente constante at a tenso final de descarga por elemento referido
a temperatura de 25C. Deste modo capacidade da bateria o produto da corrente
em Ampres pelo tempo em horas corrigido para a temperatura de referncia. A
capacidade nominal (C) definida para um regime de descarga de 10 horas com
corrente constante, temperatura de 25C, at a tenso final de 1,75V por elemento
[1].
denominado ciclo um processo de descarga seguido de um processo de carga
que restabelea completamente a capacidade da bateria. A vida til de uma bateria
pode ser definida pelo nmero de ciclos que ela pode realizar [1].
Um parmetro importante na escolha de uma bateria chumbo-cido sua
profundidade de descarga. A profundidade de descarga define o percentual em
relao a sua de capacidade nominal que uma bateria pode fornecer sem que seja
comprometida sua vida til. Existem baterias chumbo-cido de baixa profundidade de
descarga, empregadas principalmente em automveis, e baterias de alta profundidade
de descarga, que so as mais indicadas para aplicao nos sistemas fotovoltaicos de
gerao de energia eltrica [1].
O grfico da Figura 2.11, obtido da folha de dados de uma bateria de ciclo
profundo [16], mostra a relao entre a profundidade mdia diria de descarga e o
nmero de ciclos que a bateria capaz de realizar durante sua vida til. Descargas que
ultrapassam a profundidade de descarga da bateria chumbo-cido diminuem o seu
tempo de vida til e uma descarga muito profunda pode tornar o processo qumico
irreversvel finalizando o tempo de operao da bateria. Para aumentar a durabilidade
das baterias chumbo-cido preciso carreg-las adequadamente, conforme as
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 25
recomendaes dos fabricantes, antes que sua descarga alcance nveis superiores aos
pr-estabelecidos para a sua profundidade de descarga [18], [19].
Figura 2.11 Grfico da relao entre a profundidade mdia diria de descarga durante um
ciclo e o nmero de ciclos.
Um outro problema relacionado com o processo de descarga da bateria, que
contribui para degradao da vida til das baterias chumbo-cido a sulfatao. A
sulfatao a formao de cristais de sulfato de chumbo nas placas dos elementos. Os
cristais vo acumulando sobre as placas formando uma barreira entre o eletrlito e o
material ativo das placas. Para minimizar a sulfatao deve-se evitar manter a bateria
descarregada por longos perodos de tempo, carregamentos parciais prolongados e a
operao contnua em temperaturas acima de 45C [17].
O processo de carga tambm pode danificar as baterias. Durante o processo de
carga a tenso nos terminais da bateria sobe lentamente at atingir um determinado
valor de tenso quando cessa a acumulao de energia na bateria. A partir desse
ponto, caso no se interrompa a corrente de carga, a bateria passa a consumir toda a
energia entregue realizando a eletrlise da gua contida no eletrlito. Isso ocasiona
perda excessiva de gua resultando no aumento da necessidade de manuteno para
reposio de gua na bateria [20].
-
CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 26
2.2.3.2 Bateria Nquel-cdmio
Um outro tipo de bateria secundria tambm empregada nos sistemas gerao
de energia eltrica fotovoltaicos so as baterias nquel-cdmio. Essas apresentam uma
estrutura fsica semelhante das baterias chumbo-cido. Porm, ao invs de placas de
chumbo, elas utilizam hidrxido de nquel para as placas positivas (Ni(OH)2), xido de
cdmio (Cd(OH)2) para as placas negativas e o eletrlito o hidrxido de potssio [1].
A reao qumica completa durante a descarga da bateria e o potencial eltrico
produzido pela reao so dados por.
Cd + NiO2 + 2H2O ? Cd(OH)2 + Ni(OH)2 + 1,3V (2.11
)
A tenso nominal de um elemento de uma bateria Nquel-cdmio de 1,3V a
20C. Em comparao com as baterias chumbo-cido as baterias nquel-cdmio so
menos afetadas por sobrecargas e podem ser totalmente descarregadas, no estando
sujeitas a sulfatao e o seu carregamento no sofre influencia da temperatura [1]. Em
contra partida possuem um custo mais elevado que as baterias chumbo-cido.
2.2.4 Elemento de Regulao de Carga de Bateria
Nos sistemas fotovoltaicos que utilizam bancos de baterias para armazenamento
de energia indispensvel utilizao de um equipamento responsvel por monitorar e
controlar os processos de carga e descarga das baterias [18], [21]. Este equipamento
denominado na literatura por Controlador de Carga de Bateria.
O controlador de carga um dispositivo que controla e monitora o processo de
carga e de descarga das baterias, evitando sobrecargas que possam danificar e
aumentar a necessidade de manuteno das mesmas, e descargas profundas que
diminuam sua vida til.
-
CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 27
Os controladores de carga de bateria possuem a finalidade bsica de proteger a
bateria e conseqentemente aumentar a sua vida til. Para tal, os controladores de
carga so compostos basicamente por dois circuitos: (a) um circuito de controle e (b)
um circuito de comutao. O circuito de controle monitora as grandezas do sistema,
como a tenso, a corrente e a temperatura na bateria, processa essas informaes e
gera sinais de controle que so usados para comandar o circuito de comutao. O
circuito de comutao composto por chaves semicondutoras que controlam a tenso
e/ou a corrente de carga ou descarga das baterias.
O circuito de controle a parte fundamental dos controladores de carga, pois
atravs dele que se pode definir uma estratgia de controle adequada para o tipo e o
modelo de bateria empregada no sistema, maximizando a durabilidade da bateria e
aumentando a confiabilidade do sistema.
O Controlador de Carga de Bateria pode usar controle analgico constitudo por
elementos discretos e circuitos integrados dedicados; ou controle digital,
implementado por microprocessador ou processador digital de sinais.
As principais funes que so atribudas aos controladores de carga de bateria
em um sistema fotovoltaico de gerao de energia eltrica so: (i) providenciar o
carregamento completo da bateria, (ii) evitar sobrecarga na bateria, (iii) bloquear
corrente reversa entre a bateria e o painel e (iv) prevenir descargas profundas (no caso
das baterias chumbo-cido).
2.2.4.1 Processo de Carga
Providenciar o carregamento completo da bateria exige do controlador uma
elaborada estratgia de controle, na qual seja possvel carregar a bateria, dentro de seus
limites, o mais rpido possvel j que o perodo dirio de gerao de energia pelo painel
fotovoltaico limitado [22].
Para se obter um rpido, seguro e completo processo de carga da bateria
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 28
chumbo-cido, alguns fabricantes de baterias recomendam dividir o processo em
quatro estgios, que sero denominados por: (i) carga leve ou suave (trickle charge ), (ii)
carga profunda (bulk charge), (iii) sobrecarga (over charge) e (iv) carga de flutao (float
charge) [23]. A Figura 2.12 mostra as curvas de corrente e tenso sobre a bateria
durante o processo de carga dividido em quatro estgios.
Figura 2.12 Curvas de corrente e tenso nos quatro estgios do processo de carga da
bateria.
1 Estgio (de T0 a T 1) Carga leve (Trickle charge)
Este primeiro estgio ocorre quando a tenso da bateria est abaixo do valor
VCHGENB, este valor de tenso, especificado pelo fabricante, indica que a bateria
alcanou ou ultrapassou sua capacidade de descarga crtica. Nesta condio, a bateria
deve receber uma pequena corrente de carga definida por ITC que tem um valor tpico
de C/100, onde C capacidade nominal da bateria para o regime de 10 horas. Essa
pequena corrente ITC aplicada at que a tenso da bateria alcance o valor VCHGENB.
Esse estgio tambm previne que ocorra algum acidente caso as placas de um
elemento da bateria esteja em curto, pois se isto tiver ocorrido a tenso nos terminais
da bateria no vai aumentar e assim o processo de carga no passar para o prximo
-
CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 29
estgio.
2 Estgio (de T1 a T2) Carga profunda (Bulk Charge)
Aps a tenso na bateria alcanar o valor VCHGENB ser fornecida a bateria uma
corrente constante IBULK. A corrente IBULK a mxima corrente de carga que a bateria
suporta sem excessiva perda de gua, seu valor especificado pelo fabricante. Esta
corrente aplicada at que o valor da tenso na bateria alcance do valor mximo de
sobrecarga de tenso, definido por VOC , tambm especificado pelo fabricante da
bateria.
3 Estgio (de T2 a T3) Sobrecarga (Over charge)
Durante esse estgio o controlador tentar regular a tenso da bateria at o valor
constante VOC para que a bateria alcance plena carga. Quando a corrente de carga cair
at um valor predeterminado IOCT e a tenso permanecer em VOC, o prximo estgio
se iniciar. O valor de IOCT em torno de 10% de IBULK.
4 Estgio (de T3 adiante) Carga de flutuao (Float charge)
Neste estgio o controlador aplicar sobre a bateria uma tenso constante
VFLOAT, cujo valor especificado pelo fabricante da bateria. Esta tenso aplicada
bateria com o objetivo de evitar sua autodescarga. medida que a bateria vai
descarregando sua tenso vai caindo, quando ela alcanar 0,9 VFLOAT o controlador
volta a executar o 2 estgio fornecendo a corrente IBULK. Porm o controlador s
poder retornar ao 2 estgio caso o painel esteja produzindo energia, se no a bateria
continuar descarregando podendo atingir um valor tenso inferior a VCHGENB, ento
o controlador dever retornar ao 1 estgio, quando houver energia disponvel no
sistema.
-
CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 30
2.2.4.2 Compensador de Temperatura
A variao da temperatura ambiente modifica os pontos de tenso pr-
determinados para cada estgio, os quais so definidos pelo fabricante para 25C, pois
a caracterstica de tenso dos elementos da bateria chumbo-cido negativamente
dependente da temperatura. A taxa de variao da tenso com a temperatura em uma
bateria chumbo-cido definida por aBT e seu valor varia em torno de -4mV/C por
elemento [21], [24]. A correo da tenso da bateria em relao a variao da
temperatura dada por:
( ),25( ) 25B E C BT EV T V T Na= + - (2.12
)
onde )(TVB a tenso nos terminais da bateria em (V) para a temperatura T em (C),
VE,25C a tenso de um elemento da bateria em (V) em relao a temperatura de
25C e EN o numero de elementos que compe a bateria.
O compensador de temperatura deve ser implementado principalmente nos
controladores que atuam em ambientes onde ocorre uma variao de temperatura
superior a 5 C, com o objetivo garantir uma maior exatido do processo de carga
[25]. O sensor responsvel pela compensao da temperatura deve ser instalado no
mesmo ambiente das baterias para uma maior eficincia do compensador de
temperatura.
2.2.4.3 Desconexo por Baixa Tenso
Para evitar que ocorra uma descarga profunda, acima da permitida em sistemas
que usam baterias chumbo-cido, os controladores devem possuir o recurso de
desconexo da carga por baixa tenso (LVD do ingls Load Voltage Disconnection)
[21]. Este comando acionado quando a tenso da bateria decresce at um valor pr-
determinado VLDV, correspondente ao estado aceitvel de descarga. A bateria volta a
ser conectada a carga quando sua tenso alcana um valor, tambm pr-determinado
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 31
VLRV. O valor de tenso de reconexo da carga (LRV do ingls Load Reconnection
Voltage) corresponde a um estado de carga seguro para a bateria voltar a fornecer
energia.
Dependendo da aplicao, os sistemas fotovoltaicos de gerao de energia
eltrica devem ser dimensionados para que o dispositivo LVD seja raramente
acionado, somente nos casos extremos de longos perodos de baixa insolao.
2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa
Nos sistemas fotovoltaicos pode ocorrer a circulao de corrente da bateria para
o painel fotovoltaico, durante os perodos em que o painel no est gerando energia,
implicando em perdas de energia pela descarga da bateria. Os controladores de carga
de bateria so capazes de bloquear a circulao desta corrente. Esse bloqueio feito
atravs do circuito de comutao do controlador, que possui chaves unidirecionais ou
diodo de bloqueio [1].
2.3 Topologias Bsicas dos Sistemas de Gerao Baseados em Painis Fotovoltaicos
Os sistemas de gerao de energia eltrica baseados em painis fotovoltaicos no
possuem uma topologia padronizada, eles so projetados de acordo com os recursos
disponveis e as caractersticas de cada aplicao. Os sistemas fotovoltaicos podem ser
divididos em dois grupos, sistemas fotovoltaicos isolados e sistemas fotovoltaicos
acoplados a rede CA [1], [8].
Os sistemas fotovoltaicos isolados so normalmente implementados em regies
remotas e pouco povoadas, onde a rede de alimentao de energia das concessionrias
no alcana e sua expanso tem um custo invivel. J nos sistemas acoplados a rede
CA, a energia eltrica gerada pelos painis podem complementar a oferta de energia
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 32
pela concessionria implicando em economia na compra de energia.
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Os sistemas fotovoltaicos isolados da rede de distribuio apresentam muitas
configuraes possveis, essas configuraes so definidas de acordo com a aplicao
do sistema. A seguir, so apresentadas algumas possibilidades.
2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC
Esta a configurao mais simples onde a energia eltrica gerada pelo painel
alimenta diretamente uma carga que opera em corrente contnua. A Figura 2.13(a)
mostra esta configurao. Pode-se melhorar o desempenho e a eficincia dessa
topologia incorporando entre o arranjo fotovoltaico e a carga CC um conversor CC-
CC conforme mostrado na Figura 2.13(b). A finalidade do conversor CC-CC manter
a tenso constante sobre a carga e ainda pode atuar como seguidor do ponto de
mxima potncia.
Esses sistemas no possuem autonomia, ou seja, produzem e fornecem energia
de acordo com o nvel de insolao. Assim sua aplicao se restringe, principalmente,
a sistemas de bombeamento de gua em lugares isolados. Dessa forma pode-se
armazenar a gua em reservatrios elevados sem a necessidade de bombeamento
constante.
2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC
Instalaes fotovoltaicas isoladas da rede de fornecimento de energia da
concessionria que necessitam de autonomia no fornecimento de energia precisam
incorporar ao sistema um banco de baterias para o armazenamento de energia para
posterior utilizao. A energia armazenada ser utilizada nos momentos de pouca
insolao e a noite. A Figura 2.13(c) mostra a topologia de um sistema fotovoltaico de
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 33
gerao de energia eltrica que incorpora um banco de baterias e alimenta cargas de
corrente contnua. Esses sistemas so empregados em instalaes em locais remotos,
onde se deseja alimentar principalmente equipamentos eletrnicos com tenso
contnua e o fornecimento de energia deve ser ininterrupto. Como por exemplo pode-
se citar as estaes repetidoras de sinais de rdio, as antenas de telefonia mvel e
telefones de emergncia em rodovias.
2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico com Carga CA
Como grande parte dos motores eltricos que compem os equipamentos como
geladeiras, compressores, bombas, entre outros so alimentados em corrente alternada,
os sistemas de gerao fotovoltaica devem incorporar conversores CC-CA para
possibilitar o funcionamento desses equipamentos. Porm esses equipamentos s
podero ser utilizados durante o perodo de gerao de energia do painel fotovoltaico,
pois essa topologia no possui banco de baterias para o armazenamento de energia,
conforma mostra a Figura 2.13(d).
A principal aplicao dessa topologia em regies isoladas, para bombeamento
de gua quando se dispem apenas de motores de induo que devem ser alimentados
por corrente alternada e ainda pode alimentar geladeiras, em pequenas comunidades
de pescadores, para produo de gelo que pode ser armazenado por alguns dias sem a
necessidade de gerao constante de energia.
2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA
A Figura 2.13(e) mostra essa topologia que possui autonomia no fornecimento de
energia e a possibilidade de alimentar cargas em corrente alternada. Essa configurao
indicada principalmente para residncias e postos de sade em locais isolados.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 34
Figura 2.13 Topologias de sistemas fotovoltaicos isolados: (a) ligado direto na carga
CC, (b) conversor CC-CC para ligar a carga CC, (c) banco de baterias e carga CC, (d) conversor CC-CA e carga CA e (e) banco de baterias e carga CA.
2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA
Os Sistemas Fotovoltaicos conectados a rede CA funcionam basicamente como
uma fonte complementar ao sistema eltrico de grande porte ao qual esto
conectados. Normalmente esses sistemas no utilizam mecanismos de armazenamento
de energia, pois toda a energia gerada instantaneamente utilizada ou transferida ao
sistema eltrico. Pode-se dividi-los basicamente em dois grupos: sistemas residenciais e
sistemas de grande potncia.
2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA
Sistemas fotovoltaicos residenciais conectados a rede CA possibilita ao
proprietrio economia nos gastos com a compra de energia eltrica da concessionria.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 35
E para a concessionria representa menores investimentos em ampliao do sistema
de gerao [8].
A conexo com a rede deve atender as normas da legislao local. Na qual
determina parmetros relacionados qualidade de energia, como limite na Taxa de
Distoro Harmnica (THD do ingls Total Harmonic Distortion), Fator de Potncia e
desvio de freqncia. Alm dos fatores relacionados com a qualidade de energia
importante a questo da segurana. A concessionria deve ser capaz de isolar o
sistema de gerao fotovoltaica sempre que necessrio, para poder executar
manutenes na rede sem riscos [1], [8]. A Figura 2.14 mostra a topologia bsica de
um sistema fotovoltaico acoplado a rede CA com medio do balano de energia.
Figura 2.14 Sistema fotovoltaico residencial conectado a rede CA.
2.3.2.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte conectados a Rede CA
Esses sistemas so operados por empresas de gerao de energia. Essas unidades
de gerao injetam toda a energia gerada ao sistema eltrico. A Figura 2.15 mostra a
topologia de um Sistema Fotovoltaico de grande porte conectado mdia tenso
rede CA de distribuio.
Figura 2.15 Sistema Fotovoltaico de grande porte.
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CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 36
2.4 Concluses Parciais
Os sistemas fotovoltaicos por sua versatilidade e inmeras vantagens
representam uma tima alternativa para a expanso do setor de gerao de energia
eltrica. Sendo essenciais as pesquisas neste campo, para torn-los mais eficientes, mais
confiveis e mais acessveis no ponto de vista econmico. Assim, conhecer as
principais caractersticas dos sistemas fotovoltaicos essencial para desenvolvimento e
aprimoramento dos elementos que compem os sistemas.
Sistemas fotovoltaicos que apresentam banco de baterias eletroqumicas
aproveitam melhor a energia gerada pelos painis, pois podem armazenar o excedente
durante os perodos de alta insolao e baixo consumo para utilizar nos perodos de
baixa insolao e alto consumo. As baterias chumbo-cido so as mais utilizadas pelos
sistemas fotovoltaicos, principalmente pelo seu menor custo em relao aos outros
tipos de baterias eletroqumicas.
Um equipamento indispensvel em sistemas fotovoltaicos que utilizam banco de
baterias o controlador de carga de bateria. Este equipamento tem a funo de
gerenciar o processo de carga da bateria, garantindo seu carregamento completo de
forma adequada. Para as baterias chumbo-cido os controladores de carga tambm
devem monitorar o processo de descarga para evitar que ultrapassem a profundidade
de descarga recomendada pelos fabricantes da bateria.
A versatilidade dos sistemas fotovoltaicos permite o projeto de diferentes
topologias, que podem suprir a necessidade de energia para as mais diversas aplicaes.
-
37
Captulo 3
Controlador de Carga de Bateria
Baseado no Conversor CC-CC
Bidirecional Buck- Boost
3.1 Introduo
O armazenamento de energia em banco de baterias possibilita o estoque do
excedente de energia gerado para posterior reutilizao, o que muito comum nos
sistemas fotovoltaicos, cuja produo de energia dependente de fatores climticos
variveis.
O Controlador de Carga de Bateria o equipamento designado para o controle
do processo de carga e descarga da bateria dentro do sistema, garantido um melhor
aproveitamento da energia gerada e maior vida til para as baterias eletroqumicas.
As baterias chumbo-cido, as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos,
necessitam de uma estratgia de controle dos seus processos de carga e descarga para
evitar a degradao de sua matria ativa precocemente e conseqente diminuio da
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CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 38
sua vida til estimada. Assim, durante o processo de carga o controlador deve adequar
o fluxo de energia entregue a bateria de forma a garantir um carregamento completo
observando os limites de tenso, de corrente e de temperatura da bateria. J durante o
processo de descarga o controlador deve evitar que a bateria seja descarregada alm da
sua capacidade de fornecimento de energia.
Neste captulo apresentada uma proposta de Controlador de Carga de Bateria.
Desenvolvido para um sistema fotovoltaico no qual o banco de baterias est
conectado em paralelo com o barramento CC, que o responsvel pela distribuio da
energia gerada pelos painis. O Controlador de Carga de Bateria conecta o banco de
baterias ao barramento CC, a topologia do circuito desse controlador, responsvel pela
transferncia mtua de energia entre o barramento CC e o banco de baterias,
baseada na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost. Este conversor
possui dois modos distintos de operao, definidos pelo sentido da corrente, ou seja,
opera como um conversor CC-CC Buck durante o processo de carga da bateria e
durante o processo de descarga como um conversor CC-CC Boost.
A estratgia de controle do Conversor CC-CC Bidirecional ajustada para
providenciar o armazenamento de energia em baterias do tipo chumbo-cido. Dessa
forma o processo de carga adotado composto por quatro estgios que ocorrem de
acordo com o estado de carga do banco de baterias, o qual estimado pelo
monitoramento dos valores da tenso e da corrente sobre os terminais do banco de
baterias.
3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico
A topologia do sistema fotovoltaico no qual o Controlador de Carga de Bateria
desenvolvido neste trabalho tem o propsito de atuar idntico ao mostrado na
Figura 2.1. Neste sistema os painis fotovoltaicos esto conectados, atravs de
conversores CC-CC Boost, ao barramento CC. A funo dos conversores CC-CC Boost
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CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 39
manter um valor de tenso contnua VCC constante no barramento CC. Dessa
forma pode-se padronizar a tenso de entrada dos equipamentos que sero
conectados a esse barramento. O barramento CC o responsvel pela distribuio da
energia no sistema. O banco de baterias est conectado ao barramento CC atravs do
Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost que atua como Controlador de Carga de
Baterias.
A energia armazenada deve retornar ao sistema sempre que ele requisitar. Assim
o Controlador de Carga de Bateria deve possibilitar o fluxo de energia tanto no
sentido barramento CC banco de baterias quanto no sentido banco de baterias
barramento CC.
A topologia proposta muito verstil podendo ser empregada tanto para
sistemas isolados como sistemas conectados a rede CA. Em sistemas fotovoltaicos
isolados ela possui autonomia e permite a utilizao de equipamentos alimentados por
corrente alternada e por corrente contnua. J nos sistemas fotovoltaicos conectados a
rede CA esta topologia permite utilizar a energia armazenada para suprir os picos de
demanda de carga quando ultrapassarem a demanda contratada. Possibilitando com
isso diminuir a demanda contratada de energia com a concessionria sem riscos de
multa. E ainda, em eventuais faltas de energia da concessionria, o banco de baterias
pode manter equipamentos essenciais do sistema em funcionamento.
3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost
O Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost o dispositivo responsvel pelo
processo de carga e de descarga das baterias, ou seja, ele o Controlador de Carga de
Bateria do sistema.
No sistema proposto, o nvel de tenso VCC no barramento CC maior que o
nvel de tenso VBB da entrada do banco de baterias, ento durante o processo de
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CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 40
carga das baterias quando a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias
o Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor abaixador de tenso,
denominado de conversor Buck . Mas quando o sistema necessita da energia
armazenada no banco de baterias a corrente flui no sentido oposto, ento o
Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor elevador de tenso,
denominado na literatura de conversor Boost. Dessa forma o conversor possui duas
etapas distintas de operao, denominadas por Etapa Buck e Etapa Boost. A Figura 3.1
mostra a topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.
Figura 3.1 Topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.
Essa topologia do Conversor CC-CC Bidirecional tambm proposta para
outras aplicaes que necessitam de dispositivos para o armazenamento de energia
como veculos eltricos [26] e sistemas ininterruptos de energia (UPS do ingls
Uninterruptible Power Supply) [27].
3.3.1 Etapa Buck
Durante a Etapa Buck de funcionamento do conversor, Figura 3.2(a), o sinal de
controle atua sobre a chave S1 enquanto a chave S2 mantida bloqueada. Nesta etapa
a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias. O sinal de controle um
sinal modulado por largura de pulso (PWM) que faz a chave S1 conduzir durante o
intervalo ton, Figura 3.2(b) e ficar bloqueada durante o intervalo toff, Figura 3.2(c). O
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CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 41
perodo de chaveamento constante, igual TS.
A Figura 3.2(d) mostra as formas de onda da tenso e da corrente sobre o
indutor L, no limite entre os modos de operao MCC (Modo de Conduo
Contnua) e MCD (Modo de Conduo Descontnua). A tenso mdia no indutor,
VL, em regime permanente pulsado igual a zero [10], portanto pode-se escrever:
= + = S
on on S T
t L t
L T
L dt t v dt t v dt t v 0 ) ( ) ( ) ( 0 0 (3.1
)
Da soluo de (3.1) obtm-se:
0)()( =--- onSBBonBBCC tTVtVV (3.2
)
E o perodo de conduo da chave S1 dado por:
CC
SBBon V
TVt
.=
(3.3
)
A corrente mdia no indutor no limite entre os modos de conduo contnua e
descontnua pode ento ser calculada por:
onBBCC
LL tLVV
iIpicoBuckLimBuck
.2
)(21
,,
-==
(3.4
)
onde, picoBuckL
i,
o valor de pico da corrente iL(t) no conversor Buck em (A) no limite
entre os modos MCC e MDC.
Como a corrente mdia no indutor a mesma corrente na sada do conversor
Buck, temos:
BB
oBBL V
PII
LimBuck==
,
(3.5
)
-
CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 42
onde, Po a potncia de sada do conversor em (W).
Substituindo (3.3) e (3.5) em (3.4), tem-se que o valor do indutor L no limite
dos modos de conduo MCC e MDC, durante a Etapa Buck, dado por:
CCo
BBCCBBS
VPVVVT
L.2
).().( 2 -=
(3.6
)
Figura 3.2 Etapas de funcionamento do Conversor CC-CC Bidirecional: (a) Etapa Buck ,
(b) Etapa Buck , chave S1 conduzindo, (c) Etapa Buck chave S1 aberta, (d) formas de onda da
tenso e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e MCD durante a Etapa
Buck, (e) Etapa Boost, (f) Etapa Boost chave S2 conduzindo, (g) Etapa Boost chave S2 aberta,
(h) formas de onda da tenso e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e
-
CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 43
MCD durante a Etapa Boost.
Para que o conversor opere no modo de conduo contnua durante a Etapa
Buck deve-se adotar no projeto do conversor um valor de indutncia maior que o
calculado pela equao (3.6) [10].
3.3.2 Etapa Boost
Durante a Etapa Boost, Figura 3.2(e), a chave S1 mantida bloqueada, enquanto
o sinal PWM de controle atua na chave S2. Durante esta etapa a corrente flui do
banco de baterias para o barramento CC. A chave S2 conduz durante o intervalo ton
conforme mostrado na Figura 3.2(f) e fica bloqueada durante o intervalo toff, Figura
3.2(g), o perodo de chaveamento constante, igual TS. A Figura 3.2(h) mostra as
formas de onda da tenso e da corrente sobre o indutor L no limite entre os modos
de operao MCC e MCD. Assim, como no caso anterior, a soluo de (3.1) resulta
em:
0... =+- onCCSCCSBB tVTVTV (3.7
)
Sendo o perodo de conduo da chave S2 dado por:
CC
SBBCCon V
TVVt
).( -=
(3.8
)
E a corrente mdia no indutor no limite entre os modos de conduo contnua
e descontnua dada por:
onBB
LL tLViI
picoBoostLimBoost.
2)(
21
,,==
(3.9
)
onde, picoBoostL
i,