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