Neste capítulo pretende-se efetuar uma análise comparativa do desempenho das duas topologias que têm vindo a ser consideradas, sob condições de sombreamento parcial. Os esquemáticos utilizados nas simulações do conversor convencional e do distribuído são simples junções dos que são apresentados em anexo. No entanto, convém notar que nos esquemáticos da topologia convencional não se considerou a existência de um transformador de isolamento entre o sistema e a rede, que será necessário para isolamento galvânico e que provocará perdas adicionais. Note-se que o conversor distribuído já inclui transformadores de isolamento na sua configuração, pelo que seria dispensável um outro. Assim sendo, traduz a existência desse transformador aplicando um rendimento de 98% aos resultados obtidos através das respetivas simulações.
Dado que o objetivo é avaliar o ganho energético da solução proposta, nas simulações efetuadas deu-se particular atenção à medição da potência injetada na rede para as várias situações. No entanto, paralelamente, foram monitorizadas as formas de onda das várias grandezas de relevo.
De acordo com a descrição elaborada no capítulo 2, as variáveis de entrada dos modelos dos módulos fotovoltaicos são a irradiância e a temperatura. No contexto do problema atual, a existência de sombreamento terá influência essencialmente na irradiância incidente, pelo que será esse o parâmetro que irá ser variado ao longo dos testes. Em rigor, se a intensidade da radiação varia de uns módulos para os outros, é provável que a temperatura das células também sofra oscilações. Contudo, essas discrepâncias deverão ser pequenas, pelo que, tendo ainda em conta o reduzido impacto da temperatura no desempenho do módulo, se admite que a temperatura se mantém igual à temperatura de referência (𝜃𝑟= 25℃) em todos os módulos.
Em primeiro lugar, é conveniente efetuar uma análise das duas soluções para o funcionamento do painel fotovoltaico com as condições ambientais de referência (𝐺𝑟= 1000 𝑊/ 𝑚2, 𝜃𝑟= 25℃). Para esta situação, as potências injetadas na rede em cada uma das topologias é:
Topologia convencional: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒 = 2897 𝑊
Topologia distribuída: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒= 2834 𝑊
Em condições de iluminação homogénea o desempenho do conversor distribuído é um pouco inferior dado que é afetado por maiores perdas nos seus componentes, principalmente devido à presença do condensador de entrada, o que reduz o seu rendimento. Em particular, a topologia distribuída tem uma redução na potência injetada de 2,17%. Ainda que não seja uma diferença muito significativa, pode-se concluir que se apenas se tiver em conta a eficiência, a topologia distribuída será menos vantajosa em locais onde a ocorrência de sombreamento seja muito improvável.
No que toca à qualidade da energia elétrica injetada na rede, é conveniente analisar a distorção harmónica total (THD) da corrente que lhe é fornecida, obtendo-se:
Topologia distribuída: 𝑇𝐻𝐷 = 2,38%
Como se pode constatar, em ambos os casos o valor situa-se abaixo dos valores indicados pelos fabricantes para sistemas de microgeração ligados à rede, que tipicamente é de 3%.
No que diz respeito aos testes de sombreamento, comece-se por admitir que um dos dez módulos se encontra, por qualquer motivo, a receber uma irradiância de apenas 200 𝑊/𝑚2, enquanto os restantes continuam sob as condições padrão. Neste caso, as potências injetadas na rede são:
Topologia convencional: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒 = 2606 𝑊
Topologia distribuída: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒= 2605 𝑊
Desde logo, constata-se que a potência injetada pelas duas topologias é praticamente igual, o que significa que a potência recuperada do módulo sombreado pelo conversor distribuído é suficiente para compensar a diferença de rendimento que existe entre as duas topologias. Em particular, para a topologia distribuída, verificou-se que enquanto os módulos sujeitos às condições de referência geravam uma potência de cerca de 309 𝑊, o módulo sombreado produzia apenas 61 𝑊.
Na Figura 6.1 podem ser observadas as correntes de saída do módulo sombreado e de um dos módulos sujeitos às condições de referência. Pode concluir-se que o algoritmo de seguimento do ponto de máxima potência está a cumprir o seu objetivo de regular o tremor da corrente de acordo com o valor médio da mesma. Verifica-se também que no caso do módulo sombreado isso provoca um aumento da frequência do conversor, pelo que as perdas de comutação em termos percentuais deverão aumentar. Ainda assim, esta solução é preferível dado que conduz a uma maior estabilidade por parte do conversor.
Figura 6.1 – Correntes de saída de módulos com (G=200 W/m2
) e sem sombreamento (G=1000 W/m2)
De seguida efetuou-se uma simulação novamente com apenas um módulo sombreado, mas com uma irradiância incidente de 400 𝑊/𝑚2, enquanto os restantes continuam sob as condições de referência. Nestes moldes, obteve-se o seguinte resultado:
Topologia convencional: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒 = 2606 𝑊 Topologia distribuída: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒= 2667 𝑊 0.480 0.4801 0.4802 0.4803 0.4804 0.4805 0.4806 0.4807 0.4808 2 4 6 8 tempo [s] C o rr e n te [ A ] G=1000 W/m2 G=200 W/m2
Pode concluir-se que, com estas condições, já se verifica uma injeção de potência na rede superior para a topologia distribuída. Ou seja, apesar da diferença de rendimentos, a potência gerada no módulo sombreado já faz com que o conversor distribuído seja o mais vantajoso em termos energéticos. Em particular, o ganho energético com a topologia distribuída é de 2,34%. Verifica-se também que a potência injetada para a topologia convencional é a mesma que se verificou na situação anterior, o que é coerente com o bypass do módulo sombreado em ambas as situações.
De acordo com esta simulação, a potência que o módulo sombreado produz quando irradiado por 400 𝑊/𝑚2 ascende aos 126 𝑊, que são desperdiçados com a utilização da topologia convencional. Novamente registaram-se as correntes que se verificam para o módulo sombreado e para um dos módulos sob as condições de referência, como se pode constatar na Figura 6.2. Embora se registem algumas pequenas irregularidades na forma de onda da corrente do módulo sombreado, pode-se constatar novamente que o algoritmo de MPPT está a cumprir a sua função, proporcionando um eficiente extração da potência.
Figura 6.2– Correntes de saída de módulos com (G=400 W/m2
) e sem sombreamento (G=1000 W/m2)
O teste que se optou por efetuar de seguida recorre novamente à irradiância de 200 𝑊/𝑚2, no entanto considera-se agora que em vez de apenas um módulo em condições sombreamento existem três, enquanto os restantes se mantêm sob as condições de referência. Com estas condições, o resultado para as potências injetadas foi o seguinte:
Topologia convencional: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒 = 2007 𝑊
Topologia distribuída: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒= 2151 𝑊
É notório que o ganho energético que se obtém com a topologia distribuída é já bastante significativo, constituindo um aumento de potência de 7,17% em relação ao método convencional.
Por fim, considerando igualmente a presença de sombreamento em três módulos, mas sujeitos a uma irradiância de 400 𝑊/𝑚2, os resultados são ainda mais vantajosos:
Topologia convencional: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒 = 2007 𝑊 Topologia distribuída: 𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒= 2337 𝑊 0.480 0.4801 0.4802 0.4803 0.4804 0.4805 0.4806 0.4807 0.4808 2 4 6 8 tempo [s] C o rr e n te [ A ] G=1000 W/m2 G=400 W/m2
Ou seja, para este caso, o ganho energético que se obtém com a solução distribuída ascende aos 16,4%, o que constitui um benefício já bastante aliciante e justificativo da adoção desta filosofia.
7 Conclusões
Neste trabalho começou-se por realizar um breve enquadramento das energias renováveis, e em particular da energia solar. Nesta fase introdutória explanou-se também a nova filosofia que se propõe neste estudo para melhorar a eficiência e a fiabilidade de sistemas fotovoltaicos em condições de sombreamento parcial.
Uma vez que este trabalho se baseia em simulação computacional para testar a validade dos pressupostos adotados, em primeiro lugar foi necessário desenvolver um modelo do painel fotovoltaico que possibilite a sua representação nesse formato. Além disso, foi ainda tido em conta que este modelo teria de permitir a simulação de diferentes condições ambientais em simultâneo para os vários módulos. A parametrização deste modelo foi efetuada com o intuito de que os dez módulos utilizados no sistema fotovoltaicos representassem um módulo comercial real. Através da sua simulação pôde-se concluir que os resultados obtidos eram coerentes com os expectáveis e com os valores de catálogo do módulo comercial, validando-se assim o modelo implementado.
Já que um dos principais objetivos do trabalho era efetuar uma análise comparativa entre a solução convencional que é utilizada atualmente na maioria dos sistemas fotovoltaicos e a solução que aqui se propõe, foi necessário estudar e dimensionar um conversor que pudesse ser utilizado para o primeiro caso. Em particular, optou-se pela utilização de um conversor DC-DC elevador, capaz de receber a energia proveniente da série de módulos e efetuar o seguimento do ponto de máxima potência. Este conversor foi simulado isoladamente para condições ideais e pôde-se constatar que as formas de onda resultantes eram bastante próximas das previstas teoricamente, pelo que se concluiu que o modelo utilizado era adequado para o objetivo definido.
De seguida avançou-se para o estudo e dimensionamento dos conversores a utilizar para a topologia distribuída que se propôs neste trabalho. Cada um dos conversores teria de ser capaz de receber a energia de um único módulo fotovoltaico e entregá-la num condensador com metade da tensão de entrada do inversor, já que se optou pela implementação de duas séries de cinco conversores em paralelo. Em simultâneo teria ainda de realizar o algoritmo de MPPT, adaptável a cada módulo, independentemente das condições ambientais. Este conversor foi testado computacionalmente de forma isolada e em conjunto com os restantes e os resultados obtidos validaram a sua utilização, de acordo com o estudo teórico previamente efetuado.
O elemento que completa ambos os sistemas fotovoltaicos é o inversor, que é responsável pela transformação da tensão contínua, proveniente dos conversores DC-DC, numa tensão alternada coerente com as exigências da injeção de potência na rede. Além do estudo teórico e do dimensionamento do inversor em ponte completa utilizado, foi ainda necessário desenvolver o controlador não linear da corrente de saída e o controlador linear da tensão de entrada. Mais uma vez simulou-se este componente de forma isolada e para condições ideais e verificou-se que os resultados obtidos estavam em plena concordância com o previsto, pelo que se confirmou a validade do modelo desenvolvido.
Efetuou-se a análise comparativa em termos energéticos dos dois sistemas, com o intuito de verificar em que condições se obtém de facto um ganho apreciável com a solução aqui proposta. Em primeiro lugar testaram-se as duas topologias submetendo todos os módulos às condições de referência e verificou-se que neste caso a solução convencional leva uma ligeira vantagem em termos de rendimento. No que toca ao sombreamento, efetuaram-se quatro testes diferentes dois com apenas um módulo sombreado com irradiâncias de 200 𝑊/𝑚2 e 400 𝑊/𝑚2, respetivamente, e outros dois com três módulos sombreados, para as mesmas irradiâncias. Verificou-se que ao longo destes testes o ganho energético proporcionado pela topologia distribuída foi crescendo, atingindo mesmo os 16,4% no último caso.
A principal conclusão que se retira é que o conversor eletrónico distribuído para painéis solares granulares, tal com foi aqui apresentado, tem potencialidade para ser consideravelmente vantajoso em instalações que tenham frequentemente um ou mais módulos sujeitos a uma irradiância incidente reduzida em comparação com os restantes.
Trabalhos futuros poderão incidir na melhoria do rendimento do conversor distribuído, até um ponto em que seja equivalente ou até superior ao do conversor convencional, tornando a sua implementação ainda mais vantajosa e para um universo mais alargado de situações. Além disso, seria também de grande interesse científico a concretização física deste sistema em ambiente experimental, com o intuito de comprovar as conclusões obtidas através das simulações descritas. Uma outra vertente que pode vir a ser explorada no futuro é a implantação dos conversores distribuídos ao nível da célula fotovoltaica ou de pequenos conjuntos de células, tornando o processo de extração de energia ainda mais adaptativo e eficiente, além de aumentar a fiabilidade do painel.
8 Bibliografia
[1] Renewable Energy World, URL: http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2011/ 08/the-silent-energy-revolution-20-years-in-the-making.
[2] Renewables 2014 Global Status Report, REN21, 2014.
[3] Rui Castro, "Uma Introdução às Energias Renováveis: Eólica, Fotovoltaica e Mini-Hídrica", 2011, IST Press.
[4] Lee H. Goldberg, "Active Bypass Diodes Improve Solar Panel Efficiency and Performance", 2012, Digi-Key Corporation.
[5] Francesco Pulvirenti, Amadeo La Scala, Salvatore Pennisi, "Low-Power Cool Bypass Switch for Hot Spot Prevention in Photovoltaic Panels",2011, ETRI Journal.
[6] Prabhakaran Neelakantan, Soo Siang Yang, Bih Lii Chua, Kenneth Tze Kin Teo, Chia Seet Chin, "Effect of Partially Shaded Conditions on Photovoltaic Array’s Maximum Power Point Tracking", 2011, International Journal of Simulation Systems, Science & Technology.
[7] Yingli Solar, URL: http://www.yinglisolar.com/.
[8] José Fernando Alves da Silva, "Sistemas de Alimentação Autónomos - Textos de Apoio", 2009, Instituto Superior Técnico.
[9] José Fernando Alves da Silva, "Electrónica Industrial: Semicondutores e Conversores de Potência ", 2013, Fundação Calouste Gulbenkian.
[10] J. A. Brandão Faria, "Electromagnetic Foundations of Electrical Engineering", 2008, Wiley.
[11] Seon-Ju Ahn, Joon-Ho Choi, Won-Wook Jung, Sang-Yun Yun, Il-Keun Song, Seok-Il Go, "Simulation and Analysis of Existing MPPT Control Methods in a PV Generation System", 2011, Journal of International Council on Electrical Engineering.
[12] José Pedro Sucena Paiva, "Redes de Energia Eléctrica - Uma Análise Sistémica", 2004, IST Press.
[13] M. Tomé, Maria Teresa Diogo, "Matemática Computacional - Notas de Aulas", 2009, Instituto Superior Técnico.
[14] J. F. A. da Silva, V. Fernão Pires, S. F. Pinto e J. D. Barros, "Advanced control methods for power electronics systems", 2003, Mathematics and Computers in Simulation, Vol. 63 (3), pp 281-295.
[15] J. F. A. da Silva, "PWM audio power amplifiers: sigma delta versus sliding mode control", 1998, International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Vol. 1, pp 359-362.
[16] J. F. A. da Silva, "Sliding mode control of voltage sourced boost-type reversible rectifiers", 1997, Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE'97), Vol. 2, pp 329-334
[17] Filipa Isabel Félix Bernardes, "Compensação de sobretensões originadas por sistemas de microgeração em redes de baixa tensão", 2014, Instituto Superior Técnico.