Arquitectura do Sistema e Electrónica de Potência

Existem actualmente dois tipos de arquitectura que diferem essencialmente no tipo de interligação entre os vários componentes constituintes. A arquitectura mais antiga, com um estado de maturação mais avançado, é conhecida por DC-Coupled, em que os sistemas são interligados através de um bus comum em corrente contínua. A outra alternativa é utilizar uma arquitectura AC-Coupled, e neste caso, os componentes estão interligados em corrente alterna [6].

6.3.1 Arquitectura AC-Coupled

A arquitectura AC-Coupled é constituída fundamentalmente por inversores DC/AC que impõe valores de frequência e tensão apropriados, criando assim um bus comum AC. Podemos assim acoplar diversos sistemas de produção independentes, ou mesmo cargas, como se observa na Figura 6.4.

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Figura 6.4 – Sistema Híbrido Off-Grid com Arquitectura AC-Coupled

As principais vantagens desta arquitectura, é sem dúvida, a escalabilidade. Necessidades de expansão da rede fazem-se simplesmente ligando mais unidades produtoras do lado AC e respectivos inversores, sem necessidade assim de se modificarem os outros equipamentos. Apenas o sistema que impõe e controla as características da rede (Inversor/Carregador) é específico desta arquitectura, todos os outros são também utilizados em sistemas On-Grid, e como tal muito vulgarizados e de reduzido custo.

Como referido, o sistema que impõe e controla as características da rede é o elemento central desta arquitectura. Este controla o nível de tensão e frequência no bus AC a que está ligado, injectando potência proveniente das baterias quando o consumo é superior à produção, ou carregando as baterias quando existe excesso de energia a ser produzida na rede.

Como exemplo, o fabricante SMA [14] detém um portfólio extenso destes produtos para diversas potências de utilização (Sunny Island, Sunny Boy, Sunny Wind, em trono de vários kW), mas que para o caso da nossa estação remota de telecomunicações, dadas as características e potência exigida, não parece ser a solução técnica e economicamente mais viável.

6.3.2 Arquitectura DC-Coupled

Nesta arquitectura, os vários elementos constituintes do sistema híbrido estão interligados através de um bus DC (Figura 6.5) havendo um inversor responsável pela conversão de toda a energia gerada de DC para AC caso queiramos ligar o sistema a rede pública (On-Grid). Eventualmente, todos estes equipamentos de conversão podem ser agrupados num único equipamento, incluindo a gestão de grupos gerador Diesel.

Como exemplo, o fabricante Ingeteam disponibiliza um destes inversores de ligação à rede pública (Ingecon Hybrid [14]) com potências entre os 3kW e 12kW, e que reúne todos os conversores necessários a aplicar à energia proveniente de diversas fontes (fotovoltaica, eólica, motor Diesel), e respectivo armazenamento (baterias).

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Figura 6.5 – Sistema Híbrido Off-Grid com Arquitectura DC-Coupled

A vantagem desta arquitectura é a qualidade da energia fornecida aos consumidores uma vez que depende apenas do inversor que faz a conversão DC/AC. Além de que, e como já havia sido referido, é uma arquitectura mais antiga e de tecnologia muito desenvolvida, e consequentemente de custo substancialmente mais reduzido.

Embora exija diversos conversores AC/DC, DC/DC, com redução no rendimento global, para o nosso caso particular da estação remota de telecomunicações que é alimentada com corrente continua (-48V ± 10%, secção 3.1.1), o conversor DC/AC é dispensado, e como tal esta parece ser a melhor opção arquitectural para alimentar a nossa estação remota.

6.3.3 Selecção da Arquitectura

Dado que o nosso sistema remoto de telecomunicações exige pouca potência (Tabela 3.3, aproximadamente 360W), e é alimentado por uma corrente continua (-48V ±10%), devemos assim optar por uma arquitectura DC Coupled dispensando o inversor DC/AC de ligação à rede eléctrica pública, e utilizando conversores independentes para cada uma das fontes renováveis (fotovoltaica, eólica). O agrupamento de todos estes sistemas de conversão num único sistema (exemplo: Ingecon Hybrid [14]), para o nosso caso particular, só iria encarecer o custo total do projecto.

Na secção 4.6.1 admitiu-se para o nosso projecto a utilização de painéis PV 155-M por apresentar um menor custo por Watt pico. A ligação destes painéis ao bus DC faz-se interligando um MPPT Solar Charge Controller (Figura 4.7) para que dada uma tensão gerada pelo conjunto de painéis fotovoltaicos fornecida à entrada deste dispositivo (que varia conforme a radiação solar e temperatura), este gera uma tensão constante à saída maximizando sempre a potência (MPPT), permitindo assim alimentar correctamente a nossa carga, e com segurança carregar o nosso banco de baterias e também proteger os painéis da carga das baterias quando estes pouco ou nada produzem (durante a noite).

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Existem inúmeros fabricantes com estes produtos, mas procurou-se um que tivesse alguma diversidade de forma a encontrar-se um dispositivo a baixo custo, e com uma saída configurável de 48V. Recorrendo assim ao revendedor Altestore, este apresenta o modelo

Outback Flexmax 60 Charge Controller com saídas configuradas (incluindo os 48V) e com um

preço relativamente competitivo (a rondar os 400€). Esta unidade tem as seguintes características técnicas principais dadas na Tabela 6.4.

Tabela 6.4 – Características Técnicas Principais do OutbackFlexmax 60 ChargeController

Características Técnicas Outback Flexmax 60 Charge Controller Tensão Nominal das Baterias 12, 24, 36, 48, or 60 VDC (Single model - selectable via

field programming at start-up)

Corrente Máxima de Saída 6amps @ 104 F (40C) with adjustable current limit Número Máximo de Arrays 12 VDC systems 90Watts / 24 VDC systems 180Watts /

48 VDC systems 360Watts / 6VDC Systems 450Watts Número Recomendado de

Arrays

12 VDC systems 75Watts / 24 VDC systems 150Watts / 48 VDC systems 300Watts / 6VDC Systems 375Watts

Eficiência 98,1%

Para o caso da turbina eólica, de acordo com as características do nosso sistema, admitiu- se a utilização da turbina Whisper 100 (secção 5.2). O mesmo fabricante sugere a utilização do equipamento Whisper 100/200 Controller, de reduzido custo (a rondar os 500€), e com diversas saídas DC configuráveis. Uma destas saídas satisfaz exactamente as nossas necessidades, 48V contínuos. É possível ainda e como anteriormente referido, através deste controlador, ligar até 3 turbinas Whisper em simultâneo e daí aumentarmos a potência do nosso sistema sem termos de alterar a sua arquitectura.

A Figura 6.6 exemplifica assim a arquitectura DC-Coupled a utilizar com a respectiva interligação entre os dispositivos, caso a alternativa seleccionada seja a híbrida (fotovoltaico e eólico, Alternativa 3 da Tabela 3.5)

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Uma vez seleccionada a arquitectura a utilizar no projecto em questão e os respectivos dispositivos conversores, seguir-se-á o dimensionamento do banco de baterias, e o número de painéis e turbinas exactos necessários para satisfazer a alimentação da nossa estação remota de telecomunicações.