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Universidade Federal de Santa Catarina Instituto de Eletrônica de Potência
Energia Solar Energia Solar FotovoltaicaFotovoltaica
Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.
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TecnologiaTecnologiaFotovoltaicaFotovoltaica
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1839 – Placas metálicas mergulhadas em eletrólito e exposta à luz geraram eletricidade;
1879 – Célula de Selênio com eficiência inferior a 0,5%;
1905 – Explicação do efeito foto-elétrico, por Albert Einstein;
1920 – Célula de Silício com eficiência de 6%;
1960 – Utilização das células fotovoltaicas em aplicações espaciais;
Década de 70 – Crise do petróleo, desenvolvimento de células de Silício com eficiência de 20% em laboratório e surgimento da primeira empresa do setor fotovoltaico, Solarex.
Décadas de 80 e 90 – Apelo ecológico: surgimento do programa “telhados fotovoltaicos” e da primeira usina fotovoltaica de grande porte;
2007 – Células multi-junções com eficiência da ordem de 40% em laboratório.
Revisão HistRevisão Históóricarica
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Produtividade Versus CustoProdutividade Versus Custo
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Produtividade Versus CustoProdutividade Versus Custo
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Conceitos Conceitos ImportantesImportantes
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RadiaRadiaçção Solar (S)ão Solar (S)
Energia emanada do Sol que chega à Terra através de ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade da luz, suas componentes são:
Radiação direta;
Radiação absorvida;
Radiação difusa.
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Massa de Ar (AM)Massa de Ar (AM)
Índice relacionado à espessura da camada de ar no caminho da radiação proveniente do sol.
Matematicamente, tem-se: 1cos( )
AM
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CCéélula, Mlula, Móódulo e Arranjo/Painel Fotovoltaicodulo e Arranjo/Painel Fotovoltaico
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CaracterCaracteríística de Sastica de Saíída da
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Principais Materiais Empregados na Principais Materiais Empregados na FabricaFabricaçção de Cão de Céélulas Fotovoltaicaslulas Fotovoltaicas
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Materiais EmpregadosMateriais Empregados
A eficiência de Conversão de uma célula fotovoltaica está intimamente ligada ao tipo de material empregado em sua fabricação. Dentre os principais, tem-se:
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Materiais EmpregadosMateriais Empregados
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Alguns Trabalhos Desenvolvidos no Alguns Trabalhos Desenvolvidos no INEPINEP
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Modelagem Fotovoltaica Contabilizando Modelagem Fotovoltaica Contabilizando os Efeitos Ambientais como Radiaos Efeitos Ambientais como Radiaçção e ão e
TemperaturaTemperatura
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Modelagem MatemModelagem Matemáática do Painel Fotovoltaicotica do Painel Fotovoltaico
3 S G módulo S módulomódulo
refref módulomódulo
módulo
n E 1 1 q V -R I-A k T módulo S móduloref T A k T
módulo I ref 0Phref refP
V + R IS TI = 1+u T -T I - I e e -1 -RS T
Equação que descreve o comportamento do painel fotovoltaico em termos da tensão e corrente de saída
Circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico
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Modelagem MatemModelagem Matemáática do Mtica do Móódulo Fotovoltaicodulo Fotovoltaico
Informações do Fabricante Resultados de Simulação
Validação Experimental
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ImplementaImplementaçção de Tão de Téécnicas cnicas UsuaisUsuais
De Rastreamento de MDe Rastreamento de Mááxima xima PotênciaPotência
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Sistema Fotovoltaico com Rastreamento Sistema Fotovoltaico com Rastreamento MMááxima Potênciaxima Potência
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TTéécnica da Tensão Constantecnica da Tensão Constante
Vantagens:
Utilização de um único sensor, para leitura da tensão;
Fácil implementação.
Desvantagem:
Erro de rastreamento quanto T < Tref ou T> Tref.
2S 987W / m T 57º C
móduloV 26 ,3V
móduloI 4,5A
móduloP 118,3W
mpV 22,5V
mpI 7,45A
mpP 167,6W
E( P ) 29,4%
Resultados Experimentais
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TTéécnica Perturba e Observa cnica Perturba e Observa –– P&OP&O2S 951W / m T 36º C
móduloV 25V
móduloI 7,4A
móduloP 185W
mpV 24,8V
mpI 7,3A
mpP 180W
E( P ) 2,5%
Vantagem:
Atuação nas proximidades do MPP independentemente das condições de radiação e temperatura em regime permanente;
Desvantagens:
Escolha entre velocidade ou precisão de rastreamento;
Uso de dois sensores (tensão e corrente);
Implementação mais complexa;
Erro de rastreamento sob mudanças abruptas de radiação.
Resultados Experimentais obtidos durante a passagem de uma nuvem
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TTéécnica da Condutância Incremental cnica da Condutância Incremental -- CondIncCondInc2S 980W / m T 41º C
móduloV 24V
móduloI 7,2A
móduloP 173W
mpV 24,1V
mpI 7,3A
mpP 176W
E( P ) 1,9%
Desvantages:Desvantages:
Uso de dois sensores (tensão e corrente);
Implementação mais complexa, devido à necessidade de cálculo das derivadas.
VantagensVantagens:
Passo variável;
Alia velocidade e precisão de rastreamento;
Detecção do MPP (derivada nula).
Atuação nas proximidades
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TTéécnica de Rastreamento cnica de Rastreamento Empregando Sensor de Empregando Sensor de
Temperatura: MPPTTemperatura: MPPT--temptemp
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MPPTMPPT--temptemp
26,3
( ) 25º
0,14 /º
refmp
refmp mp ref Vmp ref
Vmp
V V
V V T T u T C
u V C
Nesta técnica, o sensor que lê a corrente do painel fotovoltaica é substituído por umsensor de temperatura, que contabilizará a temperatura na superfície do módulo,
estimando com grande precisão o valor da tensão que impõe a máxima transferênciade potência.
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S=900W/mS=900W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=850W/mS=850W/m2 2 e T=50e T=50ººCC S=830W/mS=830W/m2 2 e T=49e T=49ººCC S=802W/mS=802W/m2 2 e T=41e T=41ººCC S=787W/mS=787W/m2 2 e T=34e T=34ººCC
MPPTMPPT--temptemp
Valores de radiação(S) e temperatura (T) durante os teste com o novo algoritmo de rastreamento, obtidos a partir de um mini-KLA.
S=770W/mS=770W/m2 2 e T=26e T=26ººCC S=758W/mS=758W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=700W/mS=700W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=600W/mS=600W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=500W/mS=500W/m2 2 e T=51e T=51ººCC
S=400W/mS=400W/m2 2 e T=51e T=51ººCC S=300W/mS=300W/m2 2 e T=52e T=52ººCC S=200W/mS=200W/m2 2 e T=52e T=52ººCC S=100W/mS=100W/m2 2 e T=53e T=53ººCC S=50W/mS=50W/m2 2 e T=53e T=53ººCC
Ligação dos pontos teóricos de máxima potência para diferentes condições de radiação e temperatura medidas durante os testes.
Trajetória do ponto de operação do módulo fotovoltaicos sob as mesmas condições da análise teórica (osciloscópio no modo X-Y)
Com emprego da técnica MPPT-temp.
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MPPTMPPT--temptemp
Tensão (marrom), corrente (azul) e temperatura (verde) durante os ensaios empregando a técnica MPPT-temp.
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Proposta de MPPT para PainProposta de MPPT para Painééis is Fotovoltaicos Utilizando Apenas Fotovoltaicos Utilizando Apenas
Sensor de Tensão e Aproveitando a Sensor de Tensão e Aproveitando a Impedância CaracterImpedância Caracteríística do SEPICstica do SEPIC
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MPPT MPPT -- SEPICSEPIC
MÓDULO FOTOVOLTAICO OPERANDO NA REGIÃO DE FONTE DE TENSÃO
POTÊNCIA FORNECIDA AO SEPIC COMPORTAMENTO DA POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA RAZÃO CICLICA
2pv
in pv pvin
VP V I
Z
Esta técnica aproveita a característica de impedância do conversor Sepic, tendo como principal vantagem a eliminação do sensor de corrente.
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Corrente e tensão no painel e carga para transitóriode carga em t=5s
Potência na saída do painel (Ppv) e entregue à carga (Pcarga)
MPPT MPPT -- SEPICSEPIC
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Corrente e tensão no painel e na carga Potência de saída do painel e entregue à carga
MPPT MPPT -- SEPICSEPIC
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Radiação incidente
Temperatura do painel
Máxima potência
disponível segundo a
curva P-V do painel
Potência entregue à carga pelo
SEPIC
Desvio de potência
(%)
1000 W/m2 25 0C 800 Wp 797 W 0.375
500 W/m2 25 0C 371.72 Wp 371.27 W 0.12106
1000 W/m2 50 0C 749 Wp 743.67 W 0.71162
500 W/m2 50 0C 348 Wp 345.96 W 0.58621
50 W/m2 50 0C 15.6 Wp 12.53 W 19.679
Resultados de simulações realizadas
MPPT MPPT -- SEPICSEPIC
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MPPT com Behavior MatchingMPPT com Behavior Matching
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Essa técnica permite que o conversor opere com razão cíclica e freqüência constantes, sem malha de controle, e reproduza as características de saída do painel
Conversor trifásico série ressonante conectado a um arranjo fotovoltaico
MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching
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MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching
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Saída do Painel fotovoltaico saída do conversor
MPPT MPPT –– Behavior MatchingBehavior Matching
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LimitaLimitaçções dos Conversores Estões dos Conversores Estááticos ticos no Rastreamento do Ponto de no Rastreamento do Ponto de
MMááxima Potênciaxima Potência
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Conversores CCConversores CC--CC como MPPTCC como MPPT
A característica I-V de um painel fotovoltaico apresenta apenas valor
positivos de tensão e corrente e, portanto, fica completamente definida no primeiro
quadrante do plano I versus V.
Como a curva I-V depende de condições ambientais (radiação e
temperatura), o ponto de MPP varia aleatoriamente no primeiro quadrante.
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Conversores BUCK como MPPTConversores BUCK como MPPT
Conclusão:Em virtude de o conversor
Buck não poder rastrear em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma
boa solução para rastreamento do ponto de
máxima potência
2
( , )R loadeiload
DD R atanR
2( , ) /e load loadR D R R D
0 ,R loadeload
1< (D R )< atanR
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Conversores BOOST como MPPTConversores BOOST como MPPT
Conclusão:Em virtude de o conversor Boost não puder rastrear
em todo primeiro quadrante, o mesmo não se torna uma boa solução para
rastreamento do ponto de máxima potência
2( , ) (1 )e load loadR D R D R
21( , )
(1 )R loadeiload
D R atanD R
, 90ºR loadeload
1atan < (D R )<R
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Conversores BUCKConversores BUCK--BOOST como MPPTBOOST como MPPT
Conclusão:Devido ao fato de o conversor
Buck-Boost conseguir impor seu ponto de operação em todo o
primeiro quadrante, torna-se a melhor solução em aplicações de
rastreamento. Todos os conversores com a mesma característica
estática são igualmente aplicáveis a esta função.
21( , )e load loadDR D R R
D
2
2( , )(1 )R loadei
load
DD R atanD R
0º , 90ºR loade< (D R )<
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Sistemas Fotovoltaicos Interligado Sistemas Fotovoltaicos Interligado àà Rede ElRede Eléétrica Comercialtrica Comercial
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InterligaInterligaçção com a Rede Monofão com a Rede Monofáásicasica
Características1) Mantém a forma da corrente na rede sempre
senoidal;2) Atua como inversor e filtro ativo
simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade;
3) Potência processada de 1kW;4) Transição natural entre os modos de injeção e
absorção de potência na rede elétrica.
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InterligaInterligaçção com a Rede Trifão com a Rede Trifáásicasica
Características
1) Modelagem e controle empregado a Transformada de Park;2) Atua como inversor e filtro 3) ativo simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade;4) Potêncioa processada de 12kW;
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Prof. Prof. DenizarDenizar Cruz Martins, Dr.Cruz Martins, Dr.MscMsc. Roberto Francisco Coelho. Roberto Francisco Coelho
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