A legisla¸c˜ao referente `a ilumina¸c˜ao p´ublica e os conceitos luminot´ecnicos que lhe servem de base, s˜ao imprescind´ıveis para o correto dimensionamento de sistemas de ilumina¸c˜ao p´ublica. Contudo, uma vez que esta disserta¸c˜ao tem por objetivo o desenvolvimento de um prot´otipo generalizado, n˜ao tendo conhecimento espec´ıfico das dimens˜oes da estrada, do n´ıvel de lumi- nosidade e de outros parˆametros espec´ıficos, optou-se por incluir em anexo esta sec¸c˜ao. Deste modo, o anexo A1 ´e referente aos conceitos luminot´ecnicos e `a ilumina¸c˜ao p´ublica.
Cap´ıtulo 3
Sistema desenvolvido
3.1
Considera¸c˜oes iniciais
Esta sec¸c˜ao apresenta alguns dos conceitos que tiveram um papel preponderante no design do sistema desenvolvido, assim como algumas op¸c˜oes iniciais que foram tomadas. Apesar de serem referentes `a implementa¸c˜ao pr´atica do hardware, ser˜ao j´a explicitadas devido a serem essenciais para a compreens˜ao da arquitetura deste.
3.1.1 Requisitos do projeto
Para o desenvolvimento deste projeto de disserta¸c˜ao certos requisitos tiveram que ser cumpridos. Alguns, relacionados com a autonomia do sistema e com o consumo da lumin´aria revelaram-se important´ıssimos para o dimensionamento dos pain´eis fotovoltaicos e das ba- terias. Contudo, o que mais impacto teve no projeto do sistema encontrava-se relacionado com a geometria do poste de ilumina¸c˜ao. De modo a n˜ao entrar em conflito com aspetos estruturais e est´eticos, foi requerido que os pain´eis fotovoltaicos fossem embutidos em cada face do poste de ilumina¸c˜ao, cujo modelo se encontra representado na figura 3.1.
Figura 3.1: Modelo do poste de ilumina¸c˜ao a utilizar
Tendo em conta que ao longo do percurso solar, algumas faces estar˜ao iluminadas ao inv´es de outras, a produ¸c˜ao de energia el´etrica nunca ser´a uniforme. Assim, uma associa¸c˜ao em s´erie
(paralelo) dos pain´eis fotovoltaicos comprometeria o desempenho global do sistema, tendo em conta que os da face menos exposta `a radia¸c˜ao solar iriam limitar a corrente (tens˜ao) de sa´ıda do sistema. Face a este pormenor, foi necess´ario desenvolver uma solu¸c˜ao que otimizasse o balan¸co energ´etico do sistema, de modo a aumentar o rendimento e, por conseguinte, a autonomia do mesmo. A op¸c˜ao tomada, passou pelos sistemas de MPPT distribu´ıdos. Estes, tˆem sido alvo de investiga¸c˜ao nos ´ultimos anos, devido em grande parte `a necessidade de adequar pain´eis fotovoltaicos `a geometria f´ısica de edif´ıcios. A ideia principal ´e a op¸c˜ao por m´ultiplos sistemas de MPPT em vez de centralizar todos os pain´eis fotovoltaicos num ´unico sistema (figura 3.2). Apesar do inevit´avel aumento do custo do sistema, o rendimento e a autonomia s˜ao incrementados, visto que os problemas de associa¸c˜ao de pain´eis fotovoltaicos em condi¸c˜oes de luminosidade n˜ao uniforme s˜ao minimizados.
O ponto de convergˆencia das sa´ıdas dos conversores de MPPT ocorre no banco de baterias. Assim, a op¸c˜ao de incorpor´a-los, `a primeira vista, parecia ser uma fonte de problemas devido a cada um dos conversores tentar impˆor a sua tens˜ao de sa´ıda. Na pr´atica, tal n˜ao vai acontecer, devido `a resistˆencia de entrada do banco de baterias ser reduzida. Este facto, vai permitir que seja o pr´oprio banco de baterias a fixar a tens˜ao de sa´ıda dos conversores, o que, consequentemente, vai ocasionar que varia¸c˜oes no duty-cycle, dos sinais de controlo dos conversores, sejam repercutidas em varia¸c˜oes do ponto de funcionamento dos pain´eis fotovoltaicos. Assim, obriga-se cada uma das faces a operar no ponto de m´axima potˆencia, de modo a otimizar a produ¸c˜ao de energia el´etrica.
Banco de Baterias Face 1: Face 2: Face 3: Face 4: DC-DC MPPT Módulo Fotovoltaico
(a) Sistemas com conversores de MPPT centralizados DC-DC MPPT DC-DC MPPT DC-DC MPPT DC-DC MPPT Banco de Baterias Face 1: Face 2: Face 3: Face 4:
(b) Sistemas com conversores de MPPT distribu´ıdos
Figura 3.2: Diferen¸ca entre Sistemas de MPPT centralizados e distribu´ıdos
3.1.2 Especifica¸c˜oes t´ecnicas dos pain´eis fotovoltaicos, das baterias e da
lumin´aria
A lumin´aria dispon´ıvel para o poste de ilumina¸c˜ao ´e constitu´ıda por trˆes strings de cinco LEDs. Cada string encontra-se dimensionada para correntes at´e 1 A, o que totaliza uma potˆencia de 45 W, quando polarizada para a corrente m´axima.
Tendo em conta a geometria do poste de ilumina¸c˜ao, as dimens˜oes das baterias e a ma- ximiza¸c˜ao da autonomia do sistema, encontrava-se prevista a utiliza¸c˜ao de trˆes baterias de chumbo-´acido. As especifica¸c˜oes destas s˜ao:
• 12 V nominais; • Capacidade: 26 Ah;
• Resistˆencia interna: ' 11.5 mΩ.
De modo a interligar as trˆes baterias, foi necess´ario estudar as abordagens poss´ıveis para a associa¸c˜ao destas. As abordagens poss´ıveis na constitui¸c˜ao do banco de baterias (em s´erie ou em paralelo) s˜ao apresentadas na figura 3.3.
- + - + - + DC DC DC DC DC DC 45 V (máxima carga) 36 V (nominal) MÓDULOS FOTOVOLTAICOS + CONVERSORES
(a) Associa¸c˜ao de baterias em s´erie
- + - + - + 14.7 V (máxima carga) 12 V (nominal) DC DC DC DC DC DC PRODUÇÃO MÓDULOS FOTOVOLTAICOS + CONVERSORES
(b) Associa¸c˜ao de baterias em paralelo
Figura 3.3: Abordagens poss´ıveis na constitui¸c˜ao do banco de baterias
Tendo em considera¸c˜ao que a diferen¸ca de potencial nas strings de LEDs se encontra entre 12.5 e 16 V, a op¸c˜ao pela coloca¸c˜ao das trˆes baterias em s´erie tende a oferecer vantagens relativamente aos custos do produto, devido `a necessidade de conversores comutados do tipo redutor de tens˜ao entre o banco de baterias e a lumin´aria, pondo de parte os conversores que utilizam as duas topologias (buck-boost ).
Relativamente aos pain´eis fotovoltaicos, encontravam-se dispon´ıveis doze para a incor- pora¸c˜ao em cada poste de ilumina¸c˜ao. As caracter´ısticas el´etricas destes compreendem:
• 18 V de tens˜ao de circuito aberto; • 1 A de corrente no MPP;
• 15 V de tens˜ao no MPP;
Apesar do n´umero de pain´eis a utilizar ser superior ao n´umero de faces do poste de ilu- mina¸c˜ao do sistema, n˜ao existiu a necessidade de desenvolver um controlador de MPPT para cada um dos pain´eis fotovoltaicos, j´a que, os que se encontram na mesma face, teoricamente, iriam produzir quantidades equivalentes de energia el´etrica. Na constitui¸c˜ao dos m´odulos foto- voltaicos1 que ser˜ao inclu´ıdos em cada face do poste de ilumina¸c˜ao, tamb´em foram estudadas duas abordagens apresentadas na figura 3.4 (associa¸c˜ao em s´erie ou em paralelo).
52.8 Voc 42 Vmpp 1 Ampp DC DC - + - + - + 45 V (máxima carga)) 36 V (nominal) CONVERSORES + LUMINÁRIA
(a) Associa¸c˜ao de pain´eis fotovoltaicos em s´erie
17.6 Voc 14 Vmpp 3.06 Ampp DC DC - + - + - + 45 V (máxima carga) 36 V (nominal) Consumo CONVERSORES + LUMINÁRIA
(b) Associa¸c˜ao de pain´eis fotovoltaicos em paralelo
Figura 3.4: Abordagens poss´ıveis na constitui¸c˜ao do m´odulo fotovoltaico
Mais uma vez, tendo em conta a minimiza¸c˜ao de custos, a op¸c˜ao tomada passou pela constru¸c˜ao do m´odulo fotovoltaico tendo por base a associa¸c˜ao em paralelo dos pain´eis, por exigir apenas uma interface com as baterias do tipo elevadora de tens˜ao, pondo de parte, uma vez mais, os conversores que utilizam as duas topologias (buck-boost ). Apesar de se ter referido anteriormente a impossibilidade desta topologia permitir a reprodu¸c˜ao da totalidade da curva I-V do m´odulo fotovoltaico, ´e necess´ario ter em considera¸c˜ao que as baterias n˜ao s˜ao cargas resistivas, pelo que tal constata¸c˜ao n˜ao pode ser aplicada diretamente. Como se ver´a
1
Para n˜ao criar ambiguidades entre os pain´eis fotovoltaicos e a associa¸c˜ao destes, vai-se empregar a ex-
adiante, esta abordagem revelou um bom desempenho e permitiu a aplica¸c˜ao de algoritmos de MPPT.