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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

Departamento de Engenharia Mecnica

ISEL

Modelao e Simulao de Sistemas Fotovoltaicos

PEDRO MANUEL SAMPAIO DE CARVALHO (Licenciado em Engenharia do Ambiente)

Trabalho Final de Mestrado para obteno do grau de Mestre

em Engenharia Mecnica

Orientadores:

Professor Nuno Paulo Ferreira Henriques Professor Doutor Pedro Miguel Abreu Silva

Jri:

Presidente: Professor Doutor Joo Carlos Quaresma Dias Vogais:

Professor Doutor Joo Manuel Ferreira Calado

Professora Doutora Cludia Sofia Sneca da Luz Casaca

Professor Nuno Paulo Ferreira Henriques

Professor Doutor Pedro Miguel Abreu Silva

Abril de 2013

"Algo s impossvel at que algum duvide e acabe por provar o contrrio"

Albert Einstein

I

Agradecimentos

Gostaria de agradecer minha famlia e amigos por todo o apoio que deles recebi durante os

ltimos dois anos de bastante trabalho mas tambm satisfao, e que culminam agora com

esta dissertao. Sem eles esta caminhada teria sido bem mais difcil de concretizar.

Um agradecimento especial tambm aos meus orientadores, Professor Nuno Henriques, e

Professor Pedro Silva, pelo acompanhamento que me deram na elaborao desta dissertao,

e ainda ao Professor Lus Melo pelo ensino de alguns dos conceitos chave aqui abordados.

A todos o meu Obrigado.

III

Resumo

Os sistemas fotovoltaicos produzem energia elctrica limpa, e inesgotvel na nossa escala

temporal. A Agncia Internacional de Energia encara a tecnologia fotovoltaica como uma das

mais promissoras, esperando nas suas previses mais optimistas, que em 2050 possa

representar 20% da produo elctrica mundial, o equivalente a 18000 TWh.

No entanto, e apesar do desenvolvimento notvel nas ltimas dcadas, a principal

condicionante a uma maior proliferao destes sistemas o ainda elevado custo, aliado ao seu

fraco desempenho global. Apesar do custo e ineficincia dos mdulos fotovoltaicos ter vindo

a diminuir, o rendimento dos sistemas contnua dependente de factores externos sujeitos a

grande variabilidade, como a temperatura e a irradincia, e s limitaes tecnolgicas e falta

de sinergia dos seus equipamentos constituintes.

Neste sentido procurou-se como objectivo na elaborao desta dissertao, avaliar o potencial

de optimizao dos sistemas fotovoltaicos recorrendo a tcnicas de modelao e simulao.

Para o efeito, em primeiro lugar foram identificados os principais factores que condicionam o

desempenho destes sistemas. Em segundo lugar, e como caso prtico de estudo, procedeu-se

modelao de algumas configuraes de sistemas fotovoltaicos, e respectivos componentes

em ambiente MatlabTM

/SimulinkTM

. Em seguida procedeu-se anlise das principais

vantagens e desvantagens da utilizao de diversas ferramentas de modelao na optimizao

destes sistemas, assim como da incorporao de tcnicas de inteligncia artificial para

responder aos novos desafios que esta tecnologia enfrentar no futuro.

Atravs deste estudo, conclui-se que a modelao no s um instrumento til para a

optimizao dos actuais sistemas PV, como ser, certamente uma ferramenta imprescindvel

para responder aos desafios das novas aplicaes desta tecnologia. Neste ltimo ponto as

tcnicas de modelao com recurso a inteligncia artificial (IA) tero seguramente um papel

preponderante. O caso prtico de modelao realizado permitiu concluir que esta igualmente

uma ferramenta til no apoio ao ensino e investigao. Contudo, convm no esquecer que

um modelo apenas uma aproximao realidade, devendo recorrer-se sempre ao sentido

crtico na interpretao dos seus resultados.

Palavras Chave: sistemas fotovoltaicos, optimizao, modelao, operao, desempenho.

V

Abstract

Photovoltaic systems produce clean and inexhaustible electric energy at our human scale. The

International Energy Agency sees photovoltaic technology as one of the most promising,

expecting in their optimistic forecasts that it can represent 20% of the worldwide production

by 2050, the equivalent to 18000 TWh.

However, and notwithstanding its remarkable development on the last decades, the main

constraint to a larger dissemination of these systems is its still high cost, combined with is

reduced global efficiency. Despite the reduction in both cost and photovoltaic modules

inefficiency, the systems global efficiency is still dependent on highly variable external

factors such as the temperature and irradiance, the technological barriers and lack of synergy

between its components.

Thus, it was defined as an objective of this dissertation, to evaluate the optimization potential

of photovoltaic systems resorting to modeling and simulating techniques.

For this purpose, the main conditioning factors to the systems performance were identified in

the first place. Secondly, and as a case study, several configurations and components of

photovoltaic systems were modeled in MatlabTM

/SimulinkTM

developing environment. Then,

an analysis of the main advantages and disadvantages was conducted on the use of several

modeling tools in photovoltaic systems optimization, as well as on the incorporation of

artificial intelligence techniques to respond to the challenges this technology might face in the

near future.

Through the making of this study, it was concluded that modeling is not only an useful tool to

optimize photovoltaic systems, as it will surely become an indispensable tool to respond to

this technologys new challenges. The modeling case study also allowed to determine its

importance for education and investigation purposes. However, it should be noted that a

model will always be an approximation to reality, and thus it calls for a permanent critical

judgment to interpret its results.

Keywords: photovoltaic systems, optimization, modeling, operation, performance.

VII

ndice

Agradecimentos ........................................................................................................................... I

Resumo ..................................................................................................................................... III

Abstract ..................................................................................................................................... V

ndice ....................................................................................................................................... VII

ndice de Figuras ...................................................................................................................... XI

ndice de Quadros ................................................................................................................. XVII

Lista de Abreviaturas ............................................................................................................ XIX

1 - Introduo ........................................................................................................................ 1

1.1 - Enquadramento ........................................................................................................ 1

1.2 - Objectivos do trabalho ............................................................................................. 8

1.3 - Estrutura da dissertao ........................................................................................... 9

2 - Sistemas Fotovoltaicos .................................................................................................. 10

2.1 - A clula fotovoltaica como base dos Sistemas Fotovoltaicos ............................... 10

2.1.1 - A clula fotovoltaica ....................................................................................... 10

2.1.2 - Parmetros Caractersticos das Clulas Fotovoltaicas .................................... 11

2.1.3 - O mdulo fotovoltaico .................................................................................... 14

2.1.4 - O gerador fotovoltaico Array ...................................................................... 15

2.1.5 - A importncia da radiao solar ..................................................................... 16

2.1.6 - Influncia da irradincia e temperatura no desempenho das clulas PV ........ 17

2.2 - Introduo aos Sistemas Fotovoltaicos .................................................................. 19

2.2.1 - Sistema flutuante ............................................................................................ 23

2.2.2 - Sistema Autnomo ......................................................................................... 25

2.2.3 - Acumuladores de Energia ............................................................................... 27

2.2.4 - Sistema com regulador de carga da bateria .................................................... 33

VIII

2.2.5 - Inversor ........................................................................................................... 34

2.2.6 - Sistema completo ............................................................................................ 36

2.2.7 - Sistema completo com conversor CC/CC (LPMP) ........................................ 36

2.2.8 - Sistema conectado rede ................................................................................ 40

2.3 - Optimizao de Sistemas Fotovoltaicos ................................................................ 42

2.3.1 - Factores que condicionam o desempenho dos Sistemas PV .......................... 44

2.3.2 - Estado actual e tendncias futuras na optimizao de Sistemas PV ............... 51

2.3.3 - Utilizao de Ferramentas de Modelao/Simulao ..................................... 54

2.3.4 - Tcnicas de Inteligncia Artificial em Sistemas PV ...................................... 58

3 - Modelao ..................................................................................................................... 62

3.1 - Introduo modelao ........................................................................................ 62

3.1.1 - Conceitos chave .............................................................................................. 62

3.1.2 - Tipos de modelos: contnuos, discretos e estatsticos..................................... 63

3.1.3 - Introduo Modelao de Sistemas Fotovoltaicos com SimulinkTM

........... 65

3.2 - Modelo de Clula Fotovoltaica e Gerador Fotovoltaico ........................................ 66

3.2.1 - Modelo de Clula PV utilizado ...................................................................... 66

3.2.2 - Explicao da construo do modelo utilizado nas simulaes ..................... 68

3.2.3 - Modelo utilizado no SimulinkTM .................................................................... 69

3.2.4 - Modelo Ideal ................................................................................................... 71

3.3 - Modelo da Bateria .................................................................................................. 72

4 - Simulaes .................................................................................................................... 76

4.1 - Determinao das Curvas Corrente/Potncia-Tenso ............................................ 76

4.1.1 - Curvas I-V e P-V da clula Mtodo por controlo da carga ......................... 76

4.1.2 - Curvas I-V e P-V da clula Mtodo por controlo da tenso ........................ 79

4.1.3 - Simulao do funcionamento do sistema flutuante definindo o consumo ..... 83

IX

4.2 - Anlise aos ciclos de carga e descarga de uma bateria de acumuladores de

chumbo-cido ....................................................................................................................... 87

4.2.1 - Simulao de ciclos de descarga de baterias de Chumbo-cido .................... 87

4.2.2 - Simulao de ciclos de carga (sem consumo) ................................................ 90

4.3 - Simulao de um Sistema Autnomo .................................................................... 92

4.4 - Simulao de um Sistema Autnomo com Inversor .............................................. 94

4.5 - Consideraes Finais ............................................................................................. 95

5 - Concluses .................................................................................................................... 97

6 - Lista de Referncias .................................................................................................... 100

XI

ndice de Figuras

Figura 1.1 Recursos energticos disponveis (IEA, 2011a). ................................................... 1

Figura 1.2 Investimento em Investigao & Desenvolvimento da tecnologia PV (IEA, 2011a). ...... 2

Figura 1.3 Investimento em Investigao & Desenvolvimento de Sistemas PV (IEA, 2011a). ......... 2

Figura 1.4 Diagrama de Sankey de um sistema PV em Creta (Kymakis et al., 2009). ........... 4

Figura 1.5 Diagrama causa-efeito no desempenho de sistemas PV (Luque & Hedegus, 2011). ..... 5

Figura 1.6 Evoluo da eficincia das clulas PV (NREL, 2012). ......................................... 6

Figura 2.1 Esquema de uma clula fotovoltaica tpica de juno p-n (USDE, 2005). .......... 10

Figura 2.2 Curva I-V de um mdulo PV (Omran, 2010; Rekioua & Matagne, 2012). ......... 11

Figura 2.3 Curva I-V tpica de um dodo (Osorio, 2009). ..................................................... 12

Figura 2.4 Dodos de bloqueio num gerador fotovoltaico (Omran, 2010). .......................... 12

Figura 2.5 Curva P-V de um mdulo fotovoltaico (Omran, 2010). ...................................... 13

Figura 2.6 Pontos tpicos da curva I-V de um mdulo PV (Rekioua & Matagne, 2012). .... 13

Figura 2.7 Esquema de um mdulo PV com 36 clulas conectadas em srie (Dzimano, 2008). . 14

Figura 2.8 Estrutura de um gerador fotovoltaico (PV Array) (Dzimano, 2008) ................... 15

Figura 2.9 Irradiao solar - dependncia da declinao e coordenadas geogrficas (Luque &

Hedegus, 2011). ......................................................................................................................... 16

Figura 2.10 Relao entre Insolao e Irradincia solar (Rekioua & Matagne, 2012). ........ 16

Figura 2.11 Componentes da radiao solar (Luque & Hedegus, 2011). ............................. 17

Figura 2.12 Curvas I-V e P-V da clula PV para diferentes valores de irradincia e

temperatura constante (Omran, 2010) ...................................................................................... 17

Figura 2.13 Curvas I-V e P-V da clula PV para diferentes valores de temperatura e

irradincia constante (Omran, 2010) ........................................................................................ 18

Figura 2.14 Classificao de Sistemas Fotovoltaicos (Dzimano, 2008). .............................. 20

Figura 2.15 Classificao de Sistemas Fotovoltaicos (Luque & Hedegus, 2011). ............... 21

Figura 2.16 Esquema elctrico do sistema flutuante (Murillo, 2003). .................................. 23

XII

Figura 2.17 Regime de funcionamento do sistema flutuante (Murillo, 2003) ...................... 23

Figura 2.18 Sistema flutuante: irradincia e temperaturas nos mdulos PV e tenso e

corrente do circuito (Murillo, 2003). ........................................................................................ 24

Figura 2.19 Esquema elctrico do sistema autnomo (Murillo, 2003). ................................ 25

Figura 2.20 Regime de funcionamento do sistema autnomo (Murillo, 2003). ................... 25

Figura 2.21 Sistema autnomo: Tenso do sistema, corrente produzida pelos mdulos PV, e

corrente na bateria e nas cargas(Murillo, 2003). ...................................................................... 26

Figura 2.22 Evoluo do nvel de energia na bateria (Murillo, 2003). ................................. 27

Figura 2.23 Relao da capacidade (Ah) com o tempo de descarga (h) (EU, 2004). ........... 29

Figura 2.24 Curvas de descarga de uma bateria de chumbo-cido (Seeling-hochmuth, 1998). .... 29

Figura 2.25 Ciclo de vida til de acumuladores de Chumbo-cido (a negro) (EU, 2004). ......... 30

Figura 2.26 Esquema elctrico do sistema com regulador de bateria (Murillo, 2003) ................. 33

Figura 2.27 Regime de funcionamento com regulador de bateria (Murillo, 2003). ................ 33

Figura 2.28 Tenso e corrente da bateria e dos mdulos PV (Murillo, 2003) ................................ 34

Figura 2.29 Curva de eficincia de um inversor em funo da carga (factor de potncia)

(Seeling-hochmuth, 1998). ....................................................................................................... 35

Figura 2.30 Esquema elctrico do sistema completo (Murillo, 2003). ................................. 36

Figura 2.31 Regime de funcionamento do sistema completo (Murillo, 2003). .................... 36

Figura 2.32 Esquema elctrico do sistema completo com MPPT (Murillo, 2003). ................ 38

Figura 2.33 Pontos de funcionamento dos mdulos, bateria e cargas (Murillo, 2003). ................ 38

Figura 2.34 Curvas de potncia e corrente, e zona de trabalho do conversor (a verde).

(Murillo, 2003) ......................................................................................................................... 39

Figura 2.35 Evoluo da tenso nos mdulos PV (a) e corrente de sada do conversor

CC/CC (b) (Murillo, 2003). ...................................................................................................... 39

Figura 2.36 Evoluo da tenso e corrente entrada do inversor (Murillo, 2003). ...................... 40

Figura 2.37 Evoluo da tenso e corrente sada do inversor (Murillo, 2003). ................ 40

XIII

Figura 2.38 Esquema elctrico do

sistema conectado rede (Murillo, 2003). ............................................................................... 41

Figura 2.39 Tipologias/Configuraes de Sistemas PV ligados rede (Omran, 2010). ....... 41

Figura 2.40 Influncia dos Factores Humanos no ciclo de vida dos Sistemas PV ................ 44

Figura 2.41 Influncia dos Factores Tecnolgicos no ciclo de vida dos Sistemas PV .......... 44

Figura 2.42 Componentes tpicos principais dos Sistemas PV .............................................. 45

Figura 2.43 Produo diria de 20m2 de rea de instalao PV numa pequena habitao com

boa exposio solar (a verde), e respectivo consumo (a azul) (IEA, 2011a). .......................... 52

Figura 2.44 Vendas de veculos elctricos e veculos hbridos (IEA, 2011a). ....................... 52

Figura 2.45 Como os veculos elctricos podem nivelar a curva de consumo (IEA, 2011a).

.................................................................................................................................................. 53

Figura 2.46 Interface da aplicao PV Sol (TSDC, 2012). .................................................... 56

Figura 2.47 Interface da aplicao PVCad (ISET, 2012). ...................................................... 56

Figura 2.48 Interface da aplicao DASTPVPS (Mayer, 2012). ........................................... 57

Figura 2.49 Interface da aplicao HOMER (HE, 2011). ...................................................... 57

Figura 3.1 Sistema contnuo (Brito & Teixeira, 2001). ........................................................ 63

Figura 3.2 Diagrama de blocos de simulao (Brito & Teixeira, 2001). .............................. 64

Figura 3.3 Sistema discreto (Brito & Teixeira, 2001). .......................................................... 64

Figura 3.4 Possiveis metodologias de simulao no SimulinkTM (Osorio, 2009). ................ 65

Figura 3.5 Circuito Equivalente da clula PV obtido da equao do modelo de dupla-

exponencial (Gow & Manning, 1999). ..................................................................................... 67

XIV

Figura 3.6 Modelo de dodo nico de uma clula PV (Omran, 2010). ................................. 68

Figura 3.7 Processo de modelao da clula PV (Gow & Manning, 1999). ......................... 69

Figura 3.8 SimulinkTM - Modelo de 5 parmetros da clula PV (Isc e Voc) ........................... 70

Figura 3.9 SimulinkTM - Modelo de 5 parmetros da clula PV (Is e Iph0) ........................... 70

Figura 3.10 SimulinkTM - Modelo de 8 parmetros da clula PV ......................................... 70

Figura 3.11 Curvas de descarga tpicas de uma bateria (SimulinkTM) .................................. 73

Figura 3.12 Curva de carga de uma bateria (SimulinkTM) .................................................... 74

Figura 3.13 Efeito de Histerese na carga/descarga das baterias de chumbo-cido (Tremblay

& Dessaint, 2009). .................................................................................................................... 74

Figura 3.14 Bloco do modelo de bateria (SimulinkTM) ......................................................... 74

Figura 3.15 Janela de parametrizao do Modelo de Bateria ............................................... 75

Figura 4.1 Modelo utilizado para obter as curvas caractersticas da clula atravs da

variao da carga (resistncia). ................................................................................................ 77

Figura 4.2 Curva de Tenso (V) da clula PV em funo da resistncia () da carga ......... 77

Figura 4.3 Curva de Corrente da clula PV em funo da resistncia () da carga ............. 77

Figura 4.4 Curva de potncia da clula PV em funo da resistncia da carga .................... 78

Figura 4.5 Modelo utilizado para obter as curvas caractersticas da clula atravs da

variao da tenso. ................................................................................................................... 79

Figura 4.6Modelo utilizado para obter as curvas caractersticas de um mdulo PV com 36 clulas. 80

Figura 4.7 Curva I-V de um mdulo com 36 clulas. ........................................................... 80

Figura 4.8 Modelo utilizado para obteno das curvas caractersticas de 2 mdulos PV. .... 81

Figura 4.9 Curva I-V de dois mdulo com 36 clulas cada. ................................................. 81

Figura 4.10 Efeito da Irradincia e da Temperatura na eficincia de um gerador PV. ......... 82

Figura 4.11 Modelo para controlo do sistemas flutuante atravs da variao da potncia de consumo.

.................................................................................................................................................. 84

Figura 4.12 Diagrama de carga do sistema flutuante para o perodo de simulao. ............. 84


XV


Figura 4.15 Potncia pedida clula ..................................................................................... 86

Figura 4.16 Controlo de Resistncia. .................................................................................... 86

Figura 4.17 Resultado da simulao: Tenso, Corrente e Potncia, de resposta da clula ... 86

Figura 4.18 Curvas nominais de descarga de uma bateria de Pb-cido de 6.5Ah e 12V ..... 88

Figura 4.19 Curvas de descarga a 5 A de uma bateria de Pb-cido de 6.5Ah e 12V ........... 89




Figura 4.23 Curvas de descarga a 0,5 A de uma bateria de Pb-cido de 6.5Ah e 12V ........ 89

Figura 4.24 Curvas de descarga a 50 A de uma bateria de Pb-cido de 6.5Ah e 12V. ........ 90

Figura 4.25 Modelo - Simulao de ciclos de carga (sem consumo) .................................... 90

Figura 4.26 Simulao de ciclos de carga (sem consumo) Irr=1000W/m2 EDCi=50% ......... 91

Figura 4.27 Simulao de ciclos de carga (sem consumo) Irr=200W/m2 EDCi=50% ........... 91

Figura 4.28 Modelo de sistema autnomo ............................................................................ 92

Figura 4.29 Simulao de sistema autnomo: produo e consumo & propriedades da bateria

(Irr=1000W/m2 EDCi=80% Pcons=100W) ................................................................................ 92

Figura 4.30 Simulao de sistema autnomo: produo e consumo & propriedades da bateria

(Irr=800W/m2 EDCi=50% Pcons=50W) .................................................................................... 93

Figura 4.31 Modelo de sistema autnomo com inversor ....................................................... 94

Figura 4.32 Simulao 1 - alimentao de carga em corrente alternada com recurso a um

inversor: corrente e tenso no lado do consumo (esq.) & propriedades da bateria (dta.) ........ 94

Figura 4.33 Simulao 2 Tenso de sada com amplitude de 325V (230 V RMS) ............ 94

XVII

ndice de Quadros

Quadro 2.1 Vantagens e desvantagens da utilizao de energia fotovoltaica (adaptado de

Luque & Hedegus, 2011). ........................................................................................................ 21

Quadro 2.2 Sntese das principais vantagens dos sistemas PV ............................................. 42

Quadro 2.3 Sntese das principais desvantagens dos sistemas PV ........................................ 43

Quadro 2.4 Factores gerais que condicionam o desempenho dos sistemas PV. .................... 45

Quadro 2.5 Factores que condicionam a captao e converso da energia solar. .................. 48

Quadro 2.6 Sntese - Factores condicionantes ao desempenho das baterias de acumuladores

.................................................................................................................................................. 50

Quadro 2.7 Factores associados converso e distribuio de energia. ................................ 51

XIX

Lista de Abreviaturas

AC - corrente alternada. LCOE - Custo nivelado da electricidade produzida.

Bateria - bateria de acumuladores electroqumicos. PMP - Ponto de Mxima Potncia.

BSF - Balanceamento do sistema fotovoltaico. LPMP - Operao no ponto de mxima potncia.

BUS Barramento. PV Fotovoltaico / fotovoltaicos.

DC - corrente contnua. PV Array - Gerador Fotovoltaico.

SHER - Sistemas hbridos de energia renovvel. EDC - estado de carga de uma bateria.

IA - inteligncia artificial. CTR - Condies de teste de referncia.

IEA Agncia Internacional de Energia. VE Veculos Elctricos.

Impp - Corrente no ponto de mxima potncia. Vmpp - Tenso no ponto de mxima potncia.

Ipv - corrente da clula/mdulo PV. Voc - Tenso de circuito aberto.

Isc - Corrente de curto-circuito. Vpv - tenso da clula/mdulo PV.

Modelao e Simulao de Sistemas Fotovoltaicos Dissertao de Mestrado Pg. 1/102

1 - Introduo

1.1 - Enquadramento

Apesar da incerteza vivida, em relao s perspectivas de crescimento econmico, como

resultado da crise econmica mundial que o mundo atravessa, a procura por energia primria

cresceu 5% em 2010, levando as emisses de CO2 a um novo mximo. expectvel que esta

tendncia de crescimento se mantenha, perspectivando-se um aumento de um tero do

consumo, entre 2010 e 2035 (IEA, 2011b). O aumento do consumo e do preo dos

combustveis fsseis aliado aos problemas ambientais resultantes da sua utilizao, tem vindo

a favorecer nos ltimos anos a utilizao de tecnologias de energia renovvel, de reduzido

impacte ambiental, baixo custo, fcil fabrico, utilizao e aceitao social (Dali, Belhadj, &

Roboam, 2008).

A tecnologia fotovoltaica (PV) disso um exemplo: produz energia elctrica a partir da fonte

de energia mais abundante, limpa e inesgotvel nossa escala temporal: a energia solar

(Dzimano, 2008; IEA, 2011a) (Figura 1.1); o seu custo tem vindo a baixar intensamente, e

tm recebido uma grande aceitao por parte dos consumidores e sociedade em geral (Luque

& Hedegus, 2011).

Figura 1.1 Recursos energticos disponveis (IEA, 2011a).

Explica-se assim que nas ltimas dcadas se tenha assistido a um desenvolvimento notvel da

tecnologia fotovoltaica, demonstrado pelo aumento do investimento em investigao e

desenvolvimento (Figura 1.2), pelo crescente nmero de publicaes cientficas, e elevado

nmero de instalaes operacionais a nvel mundial (Gilman, Lilienthal, & Lambert, 2006).


Figura 1.2 Investimento em Investigao & Desenvolvimento da tecnologia PV (IEA, 2011a).

De facto, a taxa da curva de aprendizagem1 dos mdulos PV tem sido a mais elevada de

qualquer tecnologia do sector energtico nas ultimas dcadas: 19.3% entre 1976 e 2010

(Figura 1.3). Tal deve-se em parte ao facto desta tecnologia ser uma spin-off da tecnologia de

semicondutores, com elevadas taxas de aprendizagem2 (IEA, 2011a).

Figura 1.3 Investimento em Investigao & Desenvolvimento de Sistemas PV (IEA, 2011a).

O custo dos mdulos PV tem vindo a baixar 20% cada vez que a capacidade instalada duplica

(IEA, 2011a). taxa actual o seu custo poder atingir US 1$ /W, quando a capacidade

instalada crescer mais uma ordem de magnitude (de 100.000 para 1.000.000 de MW) (Luque

& Hedegus, 2011).

A agncia internacional de energia (IEA) encara esta tecnologia como uma das mais

promissoras, esperando num cenrio de promoo da sua utilizao que esta possa, em 2050,

representar 20% da produo elctrica mundial, o equivalente a 18000 TWh (IEA, 2011a).

Contudo, apesar de se verificar uma reduo dos custos e aumento da eficincia dos mdulos

fotovoltaicos, tal no significa que o mesmo suceda para os restantes componentes dos

1 A curva de aprendizagem, um mtodo utilizado para prever a evoluo do custo de um bem.

2 As taxas de aprendizagem para a tecnologia de condutores so das mais elevadas: i.e. 45% para chips de memrias DRAM, e 35% para

LCDs (IEA, 2011a). Taxa de aprendizagem: 1% para Hidroelctricas, 5% para biomassa e geotrmica, 7% para a elica offshore..


sistemas PV. Os sistemas PV so na maior parte das aplicaes compostos por equipamentos

com distintas tecnologias, niveis de maturidade, custo e fiabilidade. Assim, nem todos os

componentes do sistema tm o mesmo nvel de maturidade tecnolgica dos mdulos PV

(Luque & Hedegus, 2011).

No conjunto dos seus elementos, estes sistemas ainda enfrentam obstculos que impedem a

sua disseminao massiva, nomeadamente o seu custo, e baixa eficincia global, reflectida no

preo por kWh de energia produzida (Omran, 2010).

De facto, o indicador mais adequado para comparao entre tecnologias de produo

energtica, o valor total de custo de produo e fornecimento de electricidade ao

consumidor at ao final do ciclo de vida de cada tecnologia (LCOE3). O LCOE contabiliza j

a eficincia global de todo o sistema.

Os motivos pelos quais o LCOE ainda elevado nos sistemas PV, est relacionado com os

seguintes factores:

natureza intermitente da produo de energia, dependente da irradiao solar, que

condiciona a fiabilidade no fornecimento de energia. Esta obriga, nas aplicaes

autnomas, a recorrer a equipamentos de acumulao da energia, normalmente

baterias, resultando o processo de acumulao em perdas que afectam o rendimento do

sistema.

para obter a mxima produo do gerador fotovoltaico necessrio recorrer a a

conversores CC/CC comandados por controladores electrnicos para controlo da

tenso de operao em funo das condies de temperatura e irradincia exteriores.

para possibilitar ainda a utilizao de aparelhos elctricos alimentados pelas redes

comuns de distribuio torna-se tambm necessrio recorrer a conversores (inversores

e transformadores) para converter a corrente contnua produzida pelos geradores

fotovoltaicos, em corrente alternada, e transformar tambm a tenso de sada do

sistema.

em sistemas fotovoltaicos (PV) que possibilitem a injeco da electricidade produzida

rede de distribuio, necessrio recorrer a inversores com as caractersticas

adequadas para efectuar o sincronismo com a rede. Sem esquecer a necessidade de

equipar o sistema com os dispositivos de proteco adequados.

3 O custo global de electricidade, ou Levelised cost of electricity (/kWh), o indicador utilizado para comparar o custo da electricidade

produzida por diferentes tecnologias. Cobre todos os investimentos e custos operacionais ao longo da vida do sistema, incluindo os

combustveis consumidos e a substituio de equipamentos (IEA, 2011a).


Apercebemo-nos assim do grau de complexidade que um sistema fotovoltaico pode alcanar,

e das inmeras variveis que condicionam a sua operao e desempenho.

Como veremos em maior pormenor ao longo deste trabalho, so diversos os factores que

condicinam a desempenho de um sistema PV:

1. factores ambientais (externos);

2. factores internos intrinsecos tecnologia dos seus equipamentos constituintes;

3. factores relacionados com a relao utlizador-tecnologia.

Relativamente aos primeiros (1 e 2), podemos observar como exemplo na Figura 1.4 os

efeitos a nvel da perda de eficincia global, para o caso de um sistema PV conectado rede

para venda de energia (sem acumulao). Neste exemplo, mesmo sem a existncia de

dispositivos de acumulao, apercebemo-nos do nmero de variveis que esto envolvidos,

no computo da desempenho global do sistema.

Analisando a figura, observa-se que deve-se em primeiro lugar, considerar a quantidade de

energia que chega superfcie dos mdulos solares (irradincia) antes de ocorrer o processo

de converso fotoelctrico. Esta varia ao longo do dia consoante o local e a hora (latitude e

longitude), com o grau de inclinao do colector, e tambm ao longo do ano, consoante o

movimento aparente do sol.

Figura 1.4 Diagrama de Sankey de um sistema PV em Creta (Kymakis et al., 2009).

O processo de converso, determinado pela eficincia da clula, tem um rendimento de

apenas 15%4, significando que 85% da energia proveniente da irradincia que incide sobre os

4 Em condies de teste de referncia (STC) (ver Anexo I.2)


mdulos desperdiada. Para alm do nvel de irradincia existem ainda outros factores

ambientais externos, como a temperatura, e o vento, que condicionam o desempenho das

clulas, como veremos adiante (Cap. 2.1).

Aps converso fotovoltaica, do total de energia elctrica produzida pelas clulas h que

subtrair as perdas nos mdulos: perdas internas por degradao nos mdulos (5%), perdas

trmicas (7,12%), e perdas por acumulao de poeiras nos mdulos (5,86%). Assim, da

energia convertida no processo fotovoltaico, apenas 82% (produo lquida) sai realmente

do campo de geradores.

Contudo, entre o gerador, e as cargas, ocorrem ainda perdas adicionais: perdas internas na

rede do lado da produo (6%), perdas na converso para corrente alternada, nos inversores

(7,84%), perdas na transformao da tenso (2%), e ainda as perdas na rede de distribuio

(4,54%). Do total de energia elctrica lquida produzida pelos geradores, apenas 80% chega

ao consumo final (Kymakis et al., 2009). Ainda se considerarmos todo o processo de

produo, distribuio e consumo, as perdas atingem os 38% do total de energia produzida

pelas clulas PV, como vimos no exemplo anterior. No caso de sistemas com acumulao de

energia com baterias h que considerar ainda as perdas associadas aos ciclos de carga e

descarga.

Por ultimo, para alm dos factores ambientais e tecnolgicos, existem ainda factores

relacionados com a interface utilizador-tecnologia (Figura 1.5), como o dimensionamento, a

instalao, o controlo da carga de baterias, a manuteno, os factores ambientais externos, a

operao, o transporte e ainda a logstica de aquisio, que influenciam o desempenho de um

sistema (Luque & Hedegus, 2011).

Figura 1.5 Diagrama causa-efeito no desempenho de sistemas PV (Luque & Hedegus, 2011).


De facto, tendo em conta o referido, muito pouca ateno tem sido dada aos equipamentos

responsveis pelo balanceamento do sistema fotovoltaico (BSF5), nomeadamente a nivel do

seu desenvolvimento, e promoo de sinergias entre estes (gerador, acumulador, e

equipamentos de electrnica de potncia e controlo), assim como aos factores externos, e de

relao utilizador-tecnologia.

As baterias solares, por exemplo, so consideradas o elo mais fraco destes sistemas

(Seeling-hochmuth, 1998), pois utilizam ainda a tecnologia de chumbo-cido, com mais de

100 anos, que no foi desenvolvida especificamente para a aplicao a sistemas PV (Luque &

Hedegus, 2011).

Considerando todos estes factores, e o facto da eficincia das clulas fotovoltaicas, alcanar

actualmente, na melhor situao (NREL, 2012); 43% em clulas de multijuno com

concentrao solar, 29,1% para clulas com uma nica juno de GaAs, 27,6 e 25% para

clulas cristalinas de silicio com, e sem concentrao respectivamente, 20,3% para

tecnologias de filme fino, e dentro das tecnologias mais recentes: 11,8% para dye-sensitized, e

10% para clulas orgnicas, faz sentido que seja aproveitada ao mximo toda a energia que

seja por elas produzida (Figura 1.6).

Figura 1.6 Evoluo da eficincia das clulas PV (NREL, 2012).

5 Ou BOS na sigla anglosaxnica referente a Balance of System

Efi

cin

cia

(%)


De facto, comparativamente ao forte investimento para melhoria da relao custo-eficincia

das clulas fotovoltaicas, pouco tem sido feito para optimizar os sistemas como um todo, o

que se dever complexidade destes sistemas.

Contudo, utilizando o potencial computacional disponvel nos dias de hoje, j possvel lidar

com sistemas deste nvel de complexidade, recorrendo sua modelao e simulao. Neste

sentido tm-se vindo a recorrer a tcnicas de modelao, resultando no desenvolvimento de

aplicaes informticas que permitem modelar e simular o desempenho destes sistemas.


1.2 - Objectivos do trabalho

O objectivo desta dissertao o de avaliar o potencial de utilizao da modelao e

simulao para optimizao dos sistemas fotovoltaicos como um todo, identificando as

principais vantagens e desvantagens da sua utilizao.

Como objectivos especficos props-se:

inferir sobre o modo como a modelao poder contribuir para a optimizao dos

sistemas fotovoltaicos, e quais os principais condicionantes.

elucidar sobre as vantagens da modelao, e utilizao de aplicaes informticas em

geral pode trazer nas aplicaes energticas em geral, e nos sistemas fotovoltaicos em

particular.

identificar as limitaes e cuidados a ter na modelao e simulao.

avaliar o potencial da modelao, como um mtodo de ensino para ensino e

investigao.

Para o efeito, em primeiro lugar foram identificados os principais factores que condicionam o

desempenho destes sistemas recorrendo ao estudo dos sistemas fotovoltaicos na bibliografia

especializada. Em segundo lugar, e como caso prtico de estudo, procedeu-se modelao de

algumas configuraes de sistemas PV, e respectivos componentes em ambiente

MatlabTM

/SimulinkTM,

tendo para isso sido necessrio estudar esta aplicao de

programao/simulao, e os modelos dos componentes dos sistemas PV. Por ltimo foram

analisadas as vantagens e desvantagens da utilizao de diversas ferramentas de modelao e

optimizao de sistemas PV.


1.3 - Estrutura da dissertao

A dissertao pode-se considerar dividida em duas partes: uma parte inicial de

desenvolvimento terico, na qual feita a apresentao dos sistemas fotovoltaicos, e

identificao dos principais factores de optimizao; e uma parte prtica, correspondente ao

trabalho de simulao de sistemas fotovoltaicos realizado. Por ltimo apresenta-se um

captulo com as tendncias/estado de arte da optimizao, finalizando com as concluses do

trabalho.

No Captulo 1 feita um breve enquadramento aos sistemas fotovoltaicos, e so referidos os

objectivos e estrutura do trabalho. O segundo captulo inicia-se com a introduo aos

princpios chave subjacentes tecnologia fotovoltaica (Cap 2.1). A partir da descrio da

clula fotovoltaica - o elemento base do gerador fotovoltaico introduzido o princpio

fotovoltaico, so apresentadas as curvas de corrente-tenso, e as principais condicionantes ao

desempenho da clula e mdulos PV: a irradincia e a temperatura de operao.

No captulo 0 feita uma introduo aos sistemas fotovoltaicos do ponto de vista tecnolgico.

Para facilitar a compreenso dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos, e das

condicionantes sua operao, apresentam-se sequencialmente, segundo o seu grau de

complexidade, diversas configuraes de sistemas PV.

Inicia-se a descrio partindo da configurao mais simples (gerador conectado directamente

carga), at chegar, atravs da introduo de elementos adicionais (bateria, reguladores de

carga, etc.) a configuraes mais complexas. Em cada sistema apresentado, so discutidas as

suas valncias e constrangimentos adicionais, (comparativamente aos anteriores),

introduzindo os conceitos/critrios necessrios para a compreenso da problemtica do

controlo e optimizao destes sistemas.

No captulo 2.3, realizada inicialmente uma anlise aos vrios factores que condicionam o

desempenho os sistemas PV. ento abordado o estado actual e tendncias na optimizao

destes sistemas, e so estudadas algumas ferramentas de simulao, assim como o estado da

arte da utilizao de tcnicas de inteligncia artificial em sistemas fotovoltaicos.

No captulo 2.3, apresentam-se conceitos de modelao, e os principais modelos dos sistemas

utilizados. Os resultados da modelao (simulaes) so apresentados no captulo 4.

Por ltimo, no captulo 5, so apresentadas as concluses do trabalho efectuado no mbito

desta dissertao.


2 - Sistemas Fotovoltaicos

2.1 - A clula fotovoltaica como base dos Sistemas Fotovoltaicos

2.1.1 - A clula fotovoltaica

Uma clula fotovoltaica um dispositivo semiconductor que converte a energia solar em

corrente contnua atravs do efeito fotovoltaico (Seeling-hochmuth, 1998).

As clulas fotovoltaicas geram electricidade quando iluminadas por luz solar ou artificial. A

energia solar fotovoltaica obtida atravs da converso da radiao solar em electricidade

atravs do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico, descoberto em 1839 por Edmond

Becquerel, consiste na criao de uma diferena de potencial nos extremos de uma estrutura

de material semi-condutor6, produzido pela absoro de luz (Abro, 2011). Estas contm uma

juno entre dois tipos de materiais diferentes na qual se gera um campo elctrico.

Figura 2.1 Esquema de uma clula fotovoltaica tpica de juno p-n (USDE, 2005).

Apesar da teoria de semicondutores se encontrar fora do mbito da maioria dos artigos e

dissertaes encontradas, incluindo desta dissertao, aconselha-se a anlise do trabalho de

(Mark, Gray, & Alam, 2011) da Universidade de Purdue, sintetizado num webinar sobre a

teoria dos semicondutores de clulas PV, que explica estes conceitos avanados de forma

clara e compreensvel.

6 Seria exaustivo, e fora de mbito deste trabalho, descrever em detalhe o processo de converso fotovoltaica. Contudo, para obter mais

informao sugere-se a consulta do trabalho de Mark et al. (2011), referido na bibliografia.


2.1.2 - Parmetros Caractersticos das Clulas Fotovoltaicas

Cada clula ou mdulo fotovoltaico tem uma relao corrente-tenso tpica que dada pela

respectiva curva I-V (Seeling-hochmuth, 1998) (Figura 2.2).

Figura 2.2 Curva I-V de um mdulo PV (Omran, 2010; Rekioua & Matagne, 2012).

Existem alguns parmetros tpicos da curva I-V importantes para caracterizar uma clula ou

mdulo fotovoltaico: a corrente de curto-circuito (Isc) e a tenso de circuito-aberto (Voc). A

corrente de curto-circuito medida fazendo um curto-circuito (shunt) aos terminais da clula

e corresponde corrente quando a tenso na clula nula (Vpv=0). A tenso de circuito-aberto

a tenso quando a corrente nula (Ipv=0) (Rekioua & Matagne, 2012).

Como se pode observar na Figura 2.2 a corrente mantm-se aproximadamente constante

desde o ponto de curto-circuito Isc at um determinado valor de resistncia da carga. A partir

desse ponto o valor da corrente diminui acentuadamente, at se anular no ponto de tenso

mxima, Voc (correspondente ao ponto em que o circuito se encontra aberto). Este valor de

tenso pode ser medido nos contactos da clula7. Como veremos adiante, no captulo de

simulao, os valores da curva I-V podem ser calculados recorrendo a uma resistncia

varivel (potencimetro), um voltmetro e um ampermetro (Pereira & Oliveira, 2011).

A potncia mxima que possvel fornecer por um gerador fotovoltaico obtida atravs da

seguinte expresso:

(W) (Eq. 2.1)

Sendo produzida energia sempre que (valores de potncia positivos) sempre que Vpv satisfaa

a seguinte condio:

(Eq. 2.2)

7 O Voc toma normalmente o valor de 0,6V para a maior parte das clulas (Pereira & Oliveira, 2011)


Uma vez que a clula PV tem um comportamento semelhante ao de um dodo8 (Figura 2.5),

fora deste intervalo, ou seja, para valores de tenso negativos, a clula actua como uma carga,

dissipando energia.

Figura 2.3 Curva I-V tpica de um dodo (Osorio, 2009).

Assim, a clula actuar como carga resistiva quando a irradincia for insuficiente para a

polarizar: em situaes de sombreamento, ou nos perodos nocturnos. Para evitar que tal

suceda so utilizados nos mdulos fotovoltaicos dodos de bypass em anti-paralelo (Figura

2.4), para permitir que a corrente se desvie das clulas obscurecidas evitando o seu

sobreaquecimento (Pereira & Oliveira, 2011).

Figura 2.4 Dodos de bloqueio num gerador fotovoltaico (Omran, 2010).

Em caso de falha, ou no existncia dos dodos de bypass, as clulas actuam como resistncia,

recebendo e dissipando termicamente toda a corrente produzida pelas clulas a montante, o

que d origem criao de pontos quentes que danificam, e afectam severamente a operao

do mdulo.

8 Podendo ser utilizada a equao de Schockley-Read para modelar o seu comportamento (ver Cap. 3.2 ).


Como vemos, o sombreamento pode ser um dos factores responsveis pela reduo do

desempenho dos mdulos, e por conseguinte de todo o sistema PV9.

Atravs da equao anterior (Eq. 2.1) obtm-se a curva que relaciona a potncia produzida

pela clula ou mdulo solar, em funo da sua tenso (Figura 2.5):

Figura 2.5 Curva P-V de um mdulo fotovoltaico (Omran, 2010).

O ponto da curva no qual a potncia gerada pelo gerador mxima denominado por ponto

de potncia mxima, ou Maximum Power Point (MPP). Os valores correspondentes de Vpv e

Ipv so chamados de Vmpp e Impp (Figura 2.6). Neste ponto o valor de potncia designado

Pmpp (Rekioua & Matagne, 2012).

Figura 2.6 Pontos tpicos da curva I-V de um mdulo PV (Rekioua & Matagne, 2012).

A potncia mxima produzida pela clula pode ser obtida atravs da Eq. 2.3.

(Eq. 2.3)

Conclui-se assim que para a gama de tenses na qual operam a clula, ou mdulo PV, existe

um valor de tenso e corrente (um ponto caracterstico da curva I-V) no qual a produo

elctrica mxima. Assim a produo de uma clula, ou mdulo, pode ser controlada em

funo da tenso na qual opera.

9 Esta falha enquadra-se na categoria 3 (factores de relao homem-tecnologia), referida na introduo.

Po

tn

cia

(W)

Tenso (V)

Co

rren

te (

A)

Tenso (V)


O controlo da tenso de funcionamento da clula, mdulo, ou gerador PV um dos

factores tecnolgicos de optimizao.

Como veremos adiante, a maximizao da produo elctrica depender tambm da

irradincia e temperatura (factores ambientais externos).

A eficincia de converso de um mdulo ou clula fotovoltaica corresponde razo entre a

energia convertida para energia elctrica, e a energia da luz solar recebida, pelo que, como

vimos depender directamente do ponto de funcionamento (tenso) da clula. Ou seja, se a

clula/mdulo operar no ponto MPP a sua eficincia ser mxima.

A eficincia de uma clula PV depende do ponto da curva I-V no qual esta opera.

2.1.3 - O mdulo fotovoltaico

Os mdulos comerciais so compostos normalmente por 36 ou 72 clulas conectadas em srie

(Figura 2.7), de forma a elevar a sua tenso, e assim a potncia debitada. Uma vez que a tenso

em circuito aberto de uma clula comercial de 0,6 V, a tenso de cada mdulo em circuito

aberto poder ser da ordem dos 20 V ou 40 V (Pereira & Oliveira, 2011).

Figura 2.7 Esquema de um mdulo PV com 36 clulas conectadas em srie (Dzimano, 2008).

Numa ligao em srie a mesma corrente flui por todas as clulas, e a tenso nos terminais de

um mdulo corresponde soma das tenses individuais de cada clula. Por outro lado,

quando as clulas so ligadas em paralelo, a corrente ser a soma da corrente de cada clula

individual, e a tenso ser equivalente tenso de uma nica clula (Dzimano, 2008). A

potncia do mdulo, em condies de referncia varivel entre 10 e 150 W e o seu tamanho

entre 0,2 a 1,5 m2 (Pereira & Oliveira, 2011).


O mdulo tem tambm como funo proteger as clulas individuais da gua, da sujidade, e

outros elementos, cumprindo tambm a funo de proteco mecnica, sendo que as clulas

so colocadas no mdulo numa estrutura com uma ou duas lminas de vidro.

2.1.4 - O gerador fotovoltaico Array

Um gerador fotovoltaico, ou array, uma estrutura que consiste num nmero de mdulos

conectados para fornecer energia elctrica para uma determinada aplicao. Os geradores

podem variar em potncia de poucas centenas de watts a centenas de quilowatts (Dzimano,

2008). Como vimos, as clulas so ligadas em srie para formar um mdulo fotovoltaico. Para

aumentar a tenso os mdulos podem ser ligados em srie formando uma fileira (string). Por

ltimo, para aumentar a corrente as fileiras podem ser ligadas em paralelo formando um

array, conhecido por gerador fotovoltaico. O nmero de mdulos em cada fileira definido

em funo da tenso requerida para o gerador (Figura 2.8). Do mesmo modo que o nmero de

fileiras em paralelo definido de acordo com a corrente necessria ser fornecida pelo

elemento gerador (Omran, 2010).

Figura 2.8 Estrutura de um gerador fotovoltaico (PV Array) (Dzimano, 2008)

Assim, a corrente e tenso para n mdulos conectados em srie dada por:

(Eq. 2.4)

(Eq. 2.5)

A corrente, e tenso, para m mdulos conectados em paralelo dada por:

(Eq. 2.6)


(Eq. 2.7)

Com a associao de mdulos em srie obtm-se valores de tenso mais elevados, mas a

corrente mantm-se. Por outro lado, com a associao de mdulos em paralelo obtm-se

valores de corrente mais elevados, mas a tenso mantm-se.

2.1.5 - A importncia da radiao solar

Como seria de prever, o nvel de irradiao solar afecta o desempenho da clula e mdulos

PV. Como vimos, a quantidade de irradiao solar recebida numa superfcie num determinado

local depende de vrios factores: da localizao geogrfica10

, da hora do dia, da estao do

ano, da morfologia e do clima local (Figura 2.9) (Dzimano, 2008).

Figura 2.9 Irradiao solar - dependncia da declinao e coordenadas geogrficas (Luque & Hedegus, 2011).

A irradiao11

mede a radiao solar recebida numa determinada rea de superfcie num

determinado perodo (i.e. kWh/m2 por dia e corresponde ao integral no tempo da irradincia

(Rekioua & Matagne, 2012). A irradincia corresponde quantidade instantnea de fluxo

solar incidente numa superfcie (kW/m2) (Figura 2.10).

Figura 2.10 Relao entre Insolao e Irradincia solar (Rekioua & Matagne, 2012).

10 Uma vez que o ngulo de incidncia da luz numa determinada superfcie ir depender da sua orientao (da latitude).

11 A insolao outro nome dado irradiao, sendo normalmente expresso em horas de radiao padro de 1 kW/m2.


A densidade de radiao no exterior da atmosfera corresponde a 1.373 kW/m2, mas apenas 1

kW/m2 chega superfcie terrestre (Figura 2.11).

Figura 2.11 Componentes da radiao solar (Luque & Hedegus, 2011).

A irradiao incidente numa dada superfcie, e o seu espectro, variar assim tambm de

acordo com as condies climatricas: i.e. nebulosidade, composio de gases da atmosfera.

A irradiao (ou irradincia), juntamente com a temperatura de operao da clula, um dos

parmetros ambientais externos que condicionam o desempenho dos sistemas fotovoltaicos.

Assim, o conhecimento da radiao solar dos factores mais preponderantes a ter em conta na

modelao, e optimizao de sistemas fotovoltaicos (ver Cap. 2.3.4.4).

2.1.6 - Influncia da irradincia e temperatura no desempenho das clulas PV

As caractersticas elctricas de uma clula fotovoltaica dependem fundamentalmente da

irradincia e da temperatura qual a clula se encontrar exposta. Nas figuras seguintes

(Figuras 2.12 e 2.13) podemos observar o efeito da irradincia e da temperatura no

comportamento da clula atravs da anlise das curvas corrente-tenso (I-V).

Figura 2.12 Curvas I-V e P-V da clula PV para diferentes valores de irradincia e temperatura constante (Omran, 2010)


Como podemos observar na Figura 2.12, para a mesma temperatura de operao, o aumento

da irradincia provoca, um aumento linear da intensidade de corrente na zona linear da curva

(aumento da corrente de curto-circuito, Isc). No entanto, a tenso de circuito aberto (Voc)

apenas aumenta ligeiramente com a elevao da irradincia.

Figura 2.13 Curvas I-V e P-V da clula PV para diferentes valores de temperatura e irradincia constante (Omran, 2010)

Por outro lado, o aumento de temperatura, para o mesmo valor de irradincia, provoca uma

diminuio significativa da tenso de circuito-aberto, Voc, reduzindo a gama de tenso de

operao na qual o valor de corrente da curva tem um comportamento linear (constante).

Verifica-se tambm um aumento muito ligeiro da corrente na zona linear da curva (Figura

2.13).

A temperatura um parmetro importante no funcionamento de qualquer sistema PV pois as

clulas tm tendncia a aquecer devido exposio directa radiao solar. Para alm disso,

internamente, parte da energia captada no transformada em energia elctrica sendo

dissipada sob a forma de calor. Por este motivo, a temperatura de operao da clula sempre

mais elevada do que a temperatura ambiente.

No vero, devido ao aumento de temperatura, pode-se verificar uma diminuio na potncia

produzida de 35%, sendo que para evitar este fenmeno os mdulos devem ser capazes de

dissipar o calor para o exterior (Pereira & Oliveira, 2011).

A temperatura outro dos factores ambientais (externos) que condiciona o

desempenho das clulas e mdulos PV.


2.2 - Introduo aos Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos mudaram a forma como pensamos acerca da energia. Esta

tecnologia provou ser possvel gerar electricidade para o homem numa variedade de

aplicaes, escalas, climas e localizaes geogrficas. Estes sistemas tanto podem fornecer

energia a uma famlia de agricultores localizados numa zona remota sem acesso

electricidade, bombeando gua para consumo prprio ou de animais, ou fornecer electricidade

a estaes de comunicaes em zonas remotas sem ser necessrio construir uma estrada.

Podem tambm permitir a uma famlia na cidade produzir parte do seu consumo anual, e

ainda vender electricidade rede. Do espao, at ao sector dos transportes podemos encontrar

aplicaes dos sistemas fotovoltaicos.

Para alm disso a energia produzida tem a vantagem de ser silenciosa, ter baixos custos de

manuteno e no depender do abastecimento de combustveis (Seeling-hochmuth, 1998).

A tecnologia PV fornece neste momento energia a cerca de 10% da populao mundial rural

sem acesso rede (Luque & Hedegus, 2011). Outra evidncia que demonstra a importncia

dos sistemas fotovoltaicos, o facto de o mercado dos mdulos PV ter multiplicado mais de

20 vezes na dcada entre 1998 e 2008 (Luque & Hedegus, 2011) sendo a tecnologia de

produo de energia com crescimento mais rpido nos ltimos dez anos (IEA, 2011a).

Os sistemas PV podem ser instalados tambm como sistemas hbridos, nos quais a energia

fotovoltaica combinada com outras fontes de energia tal como a energia elica, com

pequenas centrais hidroelctricas ou geradores convencionais a combustveis fosseis. Assim

possvel tirar partido de vrias fontes de energia melhorando o rendimento global e a

viabilidade da instalao12

.

Os sistemas PV podem ser instalados em modo autnomo (conhecidos como sistemas off-

grid na designao anglo-saxnica) no qual cada instalao individual abastece um

determinado consumo, ou serem utilizados sistemas de maior dimenso para alimentar

pequenas redes elctricas (mini-grids). No caso dos sistemas autnomos, a energia produzida

dever cobrir necessariamente o consumo (Dzimano, 2008).

Normalmente sistemas com um mdulo de 10-40W e uma pequena bateria tm capacidade

suficiente para alimentar quatro lmpadas fluorescentes compactas. Sistemas com 50-100W

com baterias de 100Ah possibilitam alimentar rdios, leitores de CD e pequenas televises.

12 Para mais informao sobre sistemas hbridos fotovoltaicos consultar o Anexo II.1 onde feita uma pequena introduo a estes sistemas.


Com sistemas maiores possvel alimentar todos os equipamentos de uma casa, no entanto, o

seu custo torna-se muito elevado (Luque & Hedegus, 2011).

Por ultimo os sistemas PV tambm podem fornecer energia a uma habitao e ser conectados

a rede de distribuio de energia, permitindo fornecer electricidade para consumo prprio e/ou

para injeco (venda) de electricidade rede.

Em reas edificadas os sistemas PV podem ser instalados nas coberturas dos edifcios -

conhecidos como BAPV (building-adapted PV systems) - ou ser integrados na sua cobertura

ou fachadas (sistemas conhecidos como BIPV - building-integrated PV systems).

Existem diversos tipos de sistemas e aplicaes para os sistemas PV, sendo por esse motivo

estes normalmente classificados em funo de serem dependentes ou no da rede elctrica de

distribuio (Figuras 2.14 e 2.15), e do seu tipo de aplicao.

Figura 2.14 Classificao de Sistemas Fotovoltaicos (Dzimano, 2008).

PV

Sistemas Autnomos Sistemas

conectados rede

Sistemas directamente

conectados rede

Conectados atravs de

instalao domstica

Sem acumulao Com acumulao

Utensilios

Peq. aplicaes

AC autnomo

DC autnomo

Sistemas Hbridos

Com turbina

elica

Com gerador

diesel

Com cogerao


Figura 2.15 Classificao de Sistemas Fotovoltaicos (Luque & Hedegus, 2011).

A utilizao de sistemas fotovoltaicos tem inmeras vantagens (Quadro 2.1). Contudo

existem tambm algumas desvantagens inerentes, cujo impacte se tem tentado minorar atravs

da optimizao dos sistemas, e que sero objecto de estudo desta dissertao.

Quadro 2.1 Vantagens e desvantagens da utilizao de energia fotovoltaica (adaptado de Luque & Hedegus, 2011).

Vantagens Desvantagens

Fonte energtica abundante, facilmente acessvel, e

infinita escala temporal humana. Fonte energtica difusa e de baixa densidade.

No contribui directamente para as alteraes

climticas ou poluio ambiente: no produz

emisses gasosas ou resduos.

Custo de investimento inicial elevado.

Baixos custos de operao (no necessita de

combustvel). Produo horria e diria difcil de prever.

No h movimentao interna de peas: reduzido

desgaste.

Falta de meios de acumulao de energia com boa

relao tecno-econmica.

Elevada fiabilidade (garantias dos fabricantes de

mais de 30 anos)

Modularidade (permite expandir o sistema

facilmente).

Integrao paisagstica (pode ser integrado em

edifcios novos ou j existentes).

Instalao rpida perto de qualquer ponto de

consumo.

Produo anual pode ser facilmente estimada.

Para cobrir as necessidades de consumo em momentos de indisponibilidade solar, os sistemas

autnomos utilizam frequentemente um mdulo de apoio acumulador de energia, que poder

Residencial Produtos de

Consumo Comercial Vila/Aldeia Aeroespacial Residencial Comercial Utility

Iluminao de

Jardim

Carregadores

Semforos

Relgios

Calculadoras

Sist. de

Rega

Proteco

Catdica

Telecomuni

caes

Telecomuni

caes

Refrigerao

Prod. Mdicos

Casa com

armazenam.e

m DC

Casa com

armazenam.

em AC

C

Casa com armazename

nto em DC PV + Diesel

(Hbrido)

Microrede Acumulao

Sem

Acumulao

BIPV

Telhado

Fachada

Solo

Central

Distribuido

PV

Off-grid On-grid


ser uma bateria de acumuladores. No caso dos sistemas conectados rede (on-grid) a prpria

rede elctrica cumpre a funo do mdulo de apoio.

Os sistemas autnomos necessitam de um meio de acumulao de energia: i.e.

normalmente baterias de acumuladores electroqumicos.

Uma vez que os mdulos PV produzem corrente contnua em baixa tenso, um sistema de PV

requer normalmente componentes adicionais, tal como inversores DC/AC e transformadores

de elevao de tenso para garantir as condies necessrias no lado do utilizador, para

alimentar os equipamentos utilizados nas redes convencionais.

Ao produzirem corrente contnua em baixa tenso torna-se necessrio, na maior parte

dos casos recorrer equipamentos conversores (inversores) e transformadores de

tenso.

Para optimizar e controlar a operao dos sistemas fotovoltaicos so utilizados dispositivos de

controlo de potncia (power conditioning units PCU). As unidades de condicionamento so

responsveis pela execuo de diferentes tipos de funes de condicionamento de sinal e

potncia, consoante o tipo de sistema e sua aplicao. Um mesmo equipamento pode integrar

mais que uma funcionalidade (i.e. inversor com controlo de carga da bateria de

acumuladores), facilitando assim a instalao e a operao do sistema.

Para facilitar a compreenso dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos existentes, e a

identificao dos principais factores que condicionam o seu desempenho optou-se por

apresentar nos sub-captulos seguintes, de forma sequencial segundo o seu grau de

complexidade, diversas configuraes de sistemas PV.

Inicia-se a descrio partindo da configurao mais simples (elemento gerador conectado

directamente carga), at chegar, atravs da introduo de elementos adicionais (bateria de

acumuladores electroqumica, regulador de carga, inversor) a configuraes mais complexas.

Comea-se com a anlise do sistema flutuante, formado apenas por mdulos fotovoltaicos e

cargas DC. Continua-se com a introduo de uma bateria de acumuladores, definindo-se

assim o sistema autnomo. Em seguida introduzido um regulador de carga sistema com

regulador de bateria. Com a incorporao de um inversor passam a existir dois (barramentos)

de potncia DC e AC, denominando-se este o sistema completo. Um conversor CC/CC entre

painis e baterias permite aplicar estratgias de controlo na gerao de energia, denominando-

se este por sistema controlado. Por ltimo introduz-se no sistema um ponto de acesso rede,

no sistema conectado rede.


Em cada sistema apresentado, so discutidas as suas valncias e constrangimentos adicionais,

introduzindo os conceitos necessrios para a compreenso da problemtica da optimizao

destes sistemas.

2.2.1 - Sistema flutuante

O sistema flutuante o sistema mais simples de todas as configuraes possveis num sistema

fotovoltaico. Este consiste simplesmente em conectar directamente os mdulos fotovoltaicos

s cargas (Figura 2.16).

Figura 2.16 Esquema elctrico do sistema flutuante (Murillo, 2003).

Neste sistema apenas existe uma tenso e corrente. So as cargas que fecham o circuito,

polarizando assim os mdulos e definindo o ponto de trabalho do sistema (Figura 2.17)

(Murillo, 2003).

Figura 2.17 Regime de funcionamento do sistema flutuante (Murillo, 2003)

Note-se que este sistema no poder cumprir com quaisquer requisitos de potncia quando

no exista suficiente disponibilidade solar (irradincia) uma vez que no dispe de meios de

acumulao de energia.

Murillo & Bergs (2003) realizaram uma experincia controlada em laboratrio para um

sistema flutuante. Considerando os valores de entrada (irradincia e temperatura nos painis, e

Tenso (V)

Co

rren

te (

A)


resistncia e temperatura de funcionamento da carga) obtiveram-se os valores de corrente e

tenso no sistema presentes na Figura 2.18, recorrendo a simulao efectuada em MatlabTM

.

Figura 2.18 Sistema flutuante: irradincia e temperaturas nos mdulos PV e tenso e corrente do circuito (Murillo, 2003).

O perfil de carga corresponde activao de cargas de 120W controladas mediante rels de

activao. Observou-se claramente, a partir dos resultados obtidos que os mdulos solares so

incapazes de alimentar correctamente as cargas. A tenso situa-se muito prxima da tenso de

circuito-aberto (ver Figura 2.17), no se conseguindo gerar potncia suficiente (Murillo,

2003).

Assim, relativamente ao sistema flutuante pode-se concluir o seguinte:

1. No possibilita alimentar cargas em momentos de nula ou fraca irradincia;

2. em momentos com algum nvel irradincia nem sempre consegue alimentar as cargas,

uma vez que a resistncia da carga condiciona o ponto de funcionamento (tenso) do

sistema a um valor que no maximiza (optimiza) a produo de energia13

.

13 Relativamente a este ponto, ver Captulo Determinao das Curvas Corrente/Potncia-Tenso (4.1).

Tempo (h) Tempo (h)

Tempo (h) Tempo (h)

Ten

so

(V

)

Co

rren

te (

V)

Irra

di

nci

a (W

/cm

2)

Tem

per

atu

ra (

C)

(W/c

m2)


2.2.2 - Sistema Autnomo

O sistema autnomo ou stand-alone formado por mdulos fotovoltaicos, bateria de

acumuladores e cargas. Este sistema pode considerar-se como a ampliao do sistema

flutuante, incorporando uma bateria de acumulador configurao apresentada anteriormente.

Figura 2.19 Esquema elctrico do sistema autnomo (Murillo, 2003).

Continua a existir uma nica tenso no circuito, mas as correntes que circulam por cada

elemento so distintas. Neste caso, a bateria fora o ponto de trabalho do sistema a localizar-

se na margem do seu regime de tenso de operao normal, identificado na zona amarela da

Figura 2.20, onde se representa o regime de funcionamento do sistema autnomo (neste caso

utilizada uma bateria com tenso nominal de 24V).

Figura 2.20 Regime de funcionamento do sistema autnomo (Murillo, 2003).

A corrente que circula pela bateria a corrente gerada pelos mdulos fotovoltaicos subtrada

da corrente consumida pelas cargas. Ao contrrio do sistema flutuante, o sistema autnomo

dispe de alguma capacidade para alimentar as cargas quando diminui a irradincia solar.

Note-se que esta configurao j permite simular a maior parte dos sistemas fotovoltaicos

convencionais, pois dispe dos elementos indispensveis: mdulos fotovoltaicos, bateria e

cargas (Murillo, 2003).

Utilizando os mesmos dados climticos (irradincia e temperatura no exterior, e resistncia e

temperatura de funcionamento da carga) do exemplo anterior, Murillo (2003) simulou a

Tenso (V)

Co

rren

te (

A)


evoluo da tenso do sistema e da corrente gerada pelos mdulos, e a corrente que flui pela

bateria e pelas cargas (Figura 2.21).

Nota: valores empricos representados a cor vermelha e valores simulados representados a cor azul.

Figura 2.21 Sistema autnomo: Tenso do sistema, corrente produzida pelos mdulos PV, e corrente na bateria e nas cargas(Murillo, 2003)

14.

Note-se que a corrente que flui pela bateria bidireccional: nas horas de mxima irradincia

os mdulos geram corrente suficiente para alimentar as cargas e carregar a bateria, enquanto

que durante a noite toda a corrente fornecida pela bateria.

Verifica-se que a colocao da bateria no sistema permitiu solucionar os problemas de

alimentao das cargas, que existia no sistema flutuante. Contudo isso feito custa

sobretudo da energia acumulada na bateria (Figura 2.22).

Constata-se neste caso que o nvel de energia da bateria decresce continuamente ao largo dos

6 dias analisados (Figura 2.22), devido incapacidade dos mdulos carregarem

suficientemente a bateria durante as horas de irradincia.

14 A trao vermelho apresentam-se os valores empricos (medidos) e a azul os valores simulados A diferena entre os valores medidos e

simulados devem-se actuao no prevista de um regulador de bateria.

Bateria - Tempo (h) Cargas - Tempo (h)

Mdulos PV - Tempo (h) Tempo (h)

Ten

so

(V

) C

orr

ente

(A

)

Co

rren

te (

A)

Co

rren

te (

A)


Figura 2.22 Evoluo do nvel de energia na bateria (Murillo, 2003).

Nos sistemas autnomos com recurso a acumulao em baterias, o seu

dimensionamento e desempenho depende da capacidade e estado de carga da bateria.

A eficincia da bateria por sua vez dependente das condies de irradiao solar, entre

outros factores. No captulo seguinte iremos abordar com mais detalhe este elemento.

Assim podemos concluir que a bateria de acumuladores um elemento de apoio til para

alimentar cargas em momentos de fraca ou nula irradincia. Contudo a sua capacidade

limitada.

2.2.3 - Acumuladores de Energia

Como vimos os sistemas autnomos utilizam uma bateria de acumuladores de elementos

electroqumicos como forma de armazenamento de energia para fornecer energia quando no

existe disponibilidade solar e para possibilitar a resposta a diferentes perfis de consumo. No

fundo a bateria de acumuladores utilizada para situaes em que o elemento gerador PV no

consegue responder s necessidades de consumo da instalao.

As baterias de acumuladores electroqumicas armazenam energia na forma qumica. A

maioria dos sistemas utiliza baterias de acumuladores (baterias) de chumbo-cido de descarga

profunda (Seeling-hochmuth, 1998). Estas baterias tm a melhor relao preo-eficincia, e

podem assegurar correntes de carga tanto elevadas como reduzidas com uma boa eficincia

(EU, 2004).

A sua maior limitao o facto de terem de ser operadas dentro de limites bem definidos uma

vez que so susceptveis a danos em determinadas condies, tais como sobrecarga, subcarga

e permanecerem durante longos perodos de tempo num baixo estado de carga. No entanto

caso as suas condies de funcionamento sejam favorveis estas podero durar at 15 anos em

configuraes de sistemas autnomos (Seeling-hochmuth, 1998).

Tempo (h)


As baterias consistem em um ou mais elementos electroqumicos (clulas) conectadas em

srie. Cada elemento constitudo por placas que se encontram imersas num electrlito. A

tenso de cada clula depende da natureza do electrlito. Quando descarregadas ocorre uma

reaco qumica entre as placas, e o electrlito produz electricidade, ocorrendo o inverso

quando a bateria carrega (Seeling-hochmuth, 1998).

A espessura das placas dos elementos da bateria determina a descarga mxima aps a qual a

bateria sofre danos. As baterias de ciclos rpidos (de descargas pouco profundas) no devem

ser descarregadas para alm de 10 a 20% na gama da sua capacidade nominal (profundidade

de descarga) correndo o risco de se deteriorarem. As baterias de placas tubulares, indicadas

para ciclos profundos, podem ser descarregadas frequentemente at 70 a 80% da sua

profundidade de descarga. No entanto tm o inconveniente de no poder ser carregadas e

descarregadas de forma rpida (Jimenez, 1998).No dimensionamento do sistema, a seleco

da tenso nominal da bateria depende do inversor ou controlador de produo utilizado,

podendo a sua tenso variar de 12, 24, 48 at 120 e 240 V DC. Assim, as baterias devem ser

seleccionadas e combinadas em srie para satisfazer estes requisitos de tenso. O nmero de

linhas de baterias (em srie) que podem ser conectadas em paralelo normalmente limitado a

cerca de cinco para evitar custos de monitorizao e manuteno.

A bateria de acumuladores dever ser dimensionada correctamente, para evitar falhas

no fornecimento de energia assim como para evitar acrscimo de custo demasiado

elevado ao sistema (relao custo-benefcio).

2.2.3.1 - Capacidade de um acumulador

A capacidade (C) de um acumulador a quantidade de electricidade que a bateria pode

fornecer at ficar totalmente descarregada, em determinadas condies de descarga. A

capacidade varia consoante a intensidade da corrente de descarga e com a temperatura.

Quando a temperatura diminui, a capacidade diminui, devido influncia da temperatura na

densidade do electrlito, influenciando os processos internos. Segundo EU (2004), se a

temperatura descer de 20 C para 0 C, a capacidade disponvel poder diminuir at 25 %.

O valor da capacidade da bateria depende das condies de sua utilizao: da temperatura, das

correntes de carga e descarga, do tipo de descarga (parciais, ou profundas). Todos estes

factores afectam cumulativamente as condies e capacidade da bateria ao longo do seu ciclo

de vida, como veremos em seguida (Seeling-hochmuth, 1998).


Nos sistemas fotovoltaicos, a capacidade de armazenamento situa-se geralmente entre 0,1 e

100 kWh, embora j tenham sido implementados alguns sistemas na gama dos MWh (EU,

2004).

2.2.3.2 - Descarga

A corrente de descarga influencia a capacidade de uma bateria. Vejamos o seguinte exemplo:

para uma descarga de 100 horas, possvel extrair da bateria 100 Ah (C100), podendo ser

descarregada durante 100 horas com uma corrente de 1A. Os fabricantes de baterias

costumam representar a capacidade de baterias em Ah. Embora no seja uma medida directa

da energia de uma bateria (como o joule (J) ou watt-hora (Wh)), uma medida comum de

quanto uma bateria deve durar. Se a mesma bateria for descarregada por uma intensidade de

corrente de 8 A, a tenso final de descarga atingida ao fim de 10 h, pelo que apenas pode

fornecer 80 Ah. Assim, a capacidade da bateria C10 de 80 Ah.

Figura 2.23 Relao da capacidade (Ah) com o tempo de descarga (h) (EU, 2004).

Vejamos noutro exemplo (Figura 2.24) a diferena entre duas curvas de descarga, a 1 e 20 A

para uma bateria de 12V e 90 Ah.

Figura 2.24 Curvas de descarga de uma bateria de chumbo-cido (Seeling-hochmuth, 1998).

Tempo de descarga (h)

Cap

acid

ade

(Ah

)

Profundidade de descarga (%)

Ten

so (

V)


As descargas profundas (tenso da bateria baixa muito) diminuem o tempo de vida til das

baterias. Com elevadas correntes de descarga ocorre o fenmeno de sulfatao: as molculas

de sulfato depositam-se nas placas no incio do processo e bloqueiam a rpida penetrao das

restantes molculas (EU, 2004).

Normalmente define-se um valor limite de descarga. A profundidade de descarga, a

percentagem de carga retirada a uma bateria, at ao valor limite de descarga (tenso) pr-

definido. essencial que as baterias de chumbo-cido de ciclo longo nunca descarreguem

mais de 60% da sua carga total (Pereira & Oliveira, 2011).

O nmero de descargas e nvel de profundidade atingida condiciona o tempo de vida das

baterias. A curva caracterstica da Figura 2.25 ilustra o ciclo de vida til de uma bateria de

chumbo-cido. Para profundidades de descarga de 70 % (o que significa que 70% da sua

capacidade descarregada regularmente), atinge um ciclo de vida de apenas 200 ciclos. Para

50 %, aumenta significativamente para um nmero algures acima de 400 ciclos e, para 20 %,

atinge 1.000 ciclos. (EU, 2004).

Figura 2.25 Ciclo de vida til de acumuladores de Chumbo-cido (a negro) (EU, 2004).

Por este motivo, a capacidade nominal da bateria Cn tem de ser sempre especificada

juntamente com a respectiva corrente de descarga ou, como habitual, em funo do tempo

de descarga para o qual a capacidade nominal da bateria expressa. (EU, 2004). A capacidade

nominal o produto da descarga constante In e do tempo de descarga tn: Cn = In x tn 15

(EU,

2004).

15 A capacidade de uma bateria mede-se em Ah e no em Wh porque a corrente um valor mensurvel que independente da tenso do

circuito assim possvel comparar baterias em circuitos com diferentes tenses).

Nmero de ciclos de carga e descarga

Pro

fun

did

ade

de

des

carg

a (%

)


2.2.3.3 - Carga de uma bateria

O processo de carga no constante: para a bateria de chumbo-cido, nas primeiras 4 horas a

bateria carrega 80% da sua capacidade e 20% nas trs horas seguintes (Pereira & Oliveira,

2011).

A sobrecarga e a operao a temperaturas elevadas pode causar um fenmeno conhecido por

gassing, em que quantidades excessivas de H2 e O2 so formadas. Este fenmeno diminui o

tempo de vida da bateria, o que pode provocar um aumento da resistncia interna, perdas de

gua conduzindo a sulfatao e curto-circuito, e reduo da capacidade e do ciclo de vida.

Para prolongar a sua durabilidade as baterias devero ser carregadas no mximo a 10-20% da

sua capacidade nominal por hora. i.e. uma bateria com 100Ah dever carregar a um mximo

de 20Ah (Pereira & Oliveira, 2011).

Parte da energia utilizada para carregar a bateria perdida no processo de converso electro-

qumico. No processo de carregar e descarregar a bateria a eficincia global poder variar,

tipicamente entre 50 a 80% (Seeling-hochmuth, 1998).

2.2.3.4 - Auto-Descarga

Para alm das perdas que se verificam durante a carga e descarga, na bateria ocorre tambm

um fenmeno de auto-descarga quando no est a ser utilizada.

Para reduzir a auto-descarga, as baterias que no estiverem a ser utilizadas devem ser

armazenadas a baixas temperaturas. A bateria com menor efeito de auto-descarga a de

chumbo-cido, mas tambm a que tem menor nmero de ciclos de vida. A taxa de auto-

descarga pode duplicar a cada 10C de aumento de temperatura. A percentagem de auto-

descarga mensal anda a volta de 2 a 4% dependendo do tipo de bateria (Pereira & Oliveira,

2011).

Por outro lado, para optimizar o desempenho as baterias no devem estar durante perodos

longos (mais de duas semanas) com baixos estados de carga. Sujeitas a ciclos parciais nestas

condies tornam as baterias susceptveis sulfatao (corroso das placas) e estratificao

do electrlito, ambas reduzindo a capacidade e ciclo de vida (Seeling-hochmuth, 1998).

As baterias devem ser equalizadas uma vez por ms. A equalizao um processo no qual se

procede sobrecarga controlada das baterias para evitar que as vrias baterias do sistema

tenham tenses diferentes, o que pode provocar a ocorrncia de correntes parasitas (Pereira &

Oliveira, 2011; Seeling-hochmuth, 1998).


2.2.3.5 - Proteco da bateria (reguladores de carga ou carregadores)

Para proteger as baterias de situaes de sobre-carga, sobre-descargas e auto-descarga, entre

outros dos efeitos indicados anteriormente, so utilizados dispositivos chamados

controladores ou reguladores de carga. Algumas das funes dos reguladores de carga

incluem: proteco contra sobrecargas e subcargas, controlo de operao do mdulo ou

gerador PV no ponto de mxima eficincia, funes de equalizao, tenses de flutuao,

alarmes, compensao por temperatura da bateria.

Uma bateria electroqumica tem as seguintes tenses de operao: tenso nominal (do

fabricante), tenso de flutuao (tenso aplicada bateria para evitar a auto-descarga),

tenso de carga (tenso que se aplica para nivelar a tenso entre vrias baterias num

circuito), tenso final de descarga (tenso correspondente ao valor limite de descarga

permitido para uma bateria, aps o qual ocorrem danos irreversveis) (Pereira & Oliveira,

2011).

Estes valores de tenses so parametrizveis na maioria dos reguladores: tenso de corte de

sobrecarga Vsc, acima da qual interrompida a ligao do gerador com a bateria, tenso de

recarregamento de carga Vrc, acima da qual restabelecida a ligao da bateria com o

gerador), tenso de corte de descarga profunda Vsd, abaixo da qual se desconectam as cargas

de consumo, tenso de recarregamento da recarga Vrd, acima da qual se restabelece a

conexo com as cargas de consumo (Pereira & Oliveira, 2011).

Os controladores de carga so equipamentos essenciais para garantir boas condies

de funcionamento das baterias, e prolongar o seu tempo de vida til.

2.2.3.6 - Concluses

Para aproveitar o mximo da capacidade das baterias, as descargas devem ser lentas (a

corrente de descarga deve ser baixa), aumenta-se assim a eficincia e o tempo de vida til

(Pereira & Oliveira, 2011).

No dimensionamento das baterias devem ter-se em conta estes parmetros, devendo ser feito

um trade-off entre uma profundidade de descarga baixa, em que a bateria ser menos afectada

pela sulfatao, mas poder ser interrompida a alimentao e ocorrero mais ciclos de

carga/descarga, e uma profundidade de descarga elevada, em que apesar da alimentao ser

mais constante, e o nmero de ciclos reduzido, o tempo de vida da bateria poder ser reduzido

devi

modelação e simulação sistemas fotovoltaicos mestrado.pdf

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