Conclus˜oes - Desenvolvimento de um sistema bombeamento fotovoltaico com maximização das eficiê

A primeira conclusão, e talvez a mais importante, que pode ser retirada dos resultados experimentais obtidos não tem haver com os resultados em si, mas sim com o processo de obten¸cão destes. O desenvolvimento da bancada experimental teve um papel fundamental na realiza¸cão do que avalia-se ter sido um trabalho de bom n´ıvel. Isto se deu por vários motivos, porém o principal foi a possibilidade de ver na prática aquilo que está escrito no papel e também aquilo que não está escrito.

Entre o que está escrito, pode-se citar o funcionamento do algoritmo de MPPT, o controle do motor, as caracter´ısticas dos paineis solares, o efeito do sombreamento parcial, entre outros. Entre o que não está escrito, talvez o mais importante sejam as deficiências no algoritmo de MPPT da “Condutân- cia Incremental” que na prática não funciona exatamente como deveria.

Neste âmbito, as duas ferramentas dispon´ıveis tiveram também seu papel fundamental, pois não seria poss´ıvel reconhecer as deficiências e possibilidades de melhoria do SBA se não houvesse meios de percebê-los, e eles se manifestam em suas várias grandezas medidas.

Em suma, a montagem da bancada experimental foi fundamental para o desenvolvimento do trabalho e para todas as contribui¸c˜oes que foram obtidas em seu desenvolvimento.

Em rela¸cão aos resultados experimentais, pôde-se validar o funcionamento de ambas as estratégias de melhoria propostas, incluindo ambas tra- balhando simultaneamente.

O algoritmo de MPPT foi implementado e melhorias em seu funcionamento foram adotadas, possibilitando um aproveitamento bastante satis- fatório do arranjo e a manuten¸cão deste próximo ao ponto de máxima potên- cia. Ao término do trabalho identificou-se uma falha da estratégia utilizada durante os per´ıodos de sombreamento parcial do arranjo e deverá ser encon- trada um solu¸cão em trabalhos futuros.

A solu¸cão adotada para a minimiza¸cão de perdas do motor foi testada tanto com o inversor conectado à rede, com a freqüência de alimenta¸cão do motor fixa, quanto no sistema de bombeamento alimentado pelo arranjo

fotovoltaico. Os resultados obtidos mostram que esta estratégia permite uma economia significativa de potência, principalmente em cargas fracionárias (em rela¸cão à nominal).

E importante ressaltar que ambas as estratégias escolhidas dependem muito pouco do motor, bomba e quantidade de paineis solares utilizados, ou seja, são bem gerais. Além disso, a complexidade computacional, o número e custo dos sensores envolvidos são baixos, o que possibilita sua ado¸cão em sistemas simples. Este foi, desde o in´ıcio do trabalho, requisito básico ao seu desenvolvimento. Por um lado, perde-se em desempenho, pois outras estratégias mais complexas permitem um melhor desempenho do sistema, porém, por outro, ganha-se em custo, que pela avalia¸cão inicial feita é um dos principais limitadores da larga utiliza¸cão de sistemas de bombeamento de água fotovoltaicos.

Não serão descritas aqui, porém deve-se comentar que estratégias de automa¸cão foram utilizadas para permitir o funcionamento completamente autônomo do sistema, ou seja, sem qualquer interven¸cão humana. Para de- talhes dos procedimentos utilizados, consultar Corrêa et al. (2008).

Figura 5.2: Interface gr´afica do sistema supervis´orio.

Figura 5.4: Atua¸c˜ao do algoritmo de MPPT, ∆Vf v= 5V .

Figura 5.6: Oscila¸c˜oes em torno do PMP, ∆Vf v= 5V .

Figura 5.8: Atua¸c˜ao do algoritmo de MPPT com banda de tolerˆ_{ancia (≈} 600W/m2_).

Figura 5.9: Atua¸c˜ao do algoritmo de MPPT com banda de tolerˆ_{ancia (≈} 350W/m2_).

t1 t1 t2 t2 t3 t3 Potência Irradiância

Figura 5.10: Comportamento do MPPT durante a diminui¸c˜ao da irradiˆancia.

t1 t1 t2 Potência Irradiância t2

Figura 5.11: Comportamento do MPPT durante o aumento da irradiˆancia.

Potência Irradiância

Figura 5.12: Falha na resposta do algoritmo de MPPT quando ocorrem varia¸c˜oes acentuadas de irradiˆancia.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 500 1000 [W], [W/m 2 ] P_fv S 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 200 300 400 V fv [V] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 10 20 Vazão [m 3 /h] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 50 Freqüência [Hz] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 40 Temperatura [ o C] Tempo [Horas]

Figura 5.13: Resultado di´ario do SBA com MPPT obtido no dia 30 de junho de 2008.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 500 1000 [W], [W/m 2 ] _P fv S 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 200 300 400 V fv [V] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 10 20 Vazão [m 3 /h] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 50 Freqüência [Hz] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 40 Temperatura [ o C] Tempo [Horas]

Figura 5.14: Resultado di´ario do SBA com MPPT obtido no dia 29 de junho de 2008.

Figura 5.15: Resultado di´ario do SBA com MPPT obtido no dia 28 de junho de 2008.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 P in [pu] V s [pu] I s [pu] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1280 1300 1320 1340 Tempo [s] Velocidade [rpm] Filtrada [rpm]

Figura 5.16: Ensaio do algoritmo de procura do ponto de m´ınimas perdas no motor para f = 45Hz. 0.650 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 freqüência [pu]

Econômia de potência [pu]

P o = k.ωR P

o = k.ωR 2

Figura 5.18: Atua¸c˜ao do algoritmo de MLPT com irradiˆancia constante de aprox- imadamente 350W/m2.

Conclus˜oes e Propostas de

Continuidade

Dentre as várias aplica¸cões da energia fotovoltaica, a de bombeamento de água é uma das mais interessantes do ponto de vista econômico, técnico, ambiental ou humanitário. Como se viu, o correto dimensionamento do SBA é de extrema importância para o atendimento de uma determinada demanda, seja em rela¸cão à escolha da fonte de energia utilizada ou das tecnologias dos componentes empregados. Dentre as várias op¸cões, o SBA estudado é apenas mais uma. Porém, devido ao seu baixo custo, robustez e flexibilidade, trata- se de uma solu¸cão extremamente competit´ıva, mesmo se confrontada com sistemas que utilizam outras fontes de energia. A etapa inicial de escolha do motor e da bomba centr´ıfuga é, sem dúvida, o mais importante no dimensionamento do SBA, pois o desempenho do sistema depende muito do casamento motor-bomba-instala¸cão hidráulica. A escolha equivocada pode levar a um desempenho desapontador do SBA e frustar espectativas em rela¸cão à energia fotovoltaica.

Tendo em vista o alto custo da energia fotovoltaica e as limita¸cões iner- entes ao processo fotovoltaico de conversão da energia, optou-se por trabalhar no aumento da eficiência do sistema, visando a diminui¸cão dos custos de instala¸cão e o tempo de retorno do investimento, que se expressa em um maior volume de água bombeado com uma menor capacidade instalada. Para isso foi dado foco no aumento da eficiência em n´ıvel de aplica¸cão, ou seja, sem altera¸cões construtivas dos diversos componentes do sistema.

Através da modelagem do sistema, simula¸cões computacionais e pesquisa bibliográfica, foram propostos dois métodos para se alcan¸car o objetivo proposto: o primeiro procura maximizar a eficiência da conversão fotovoltaica,

pois este ponto de opera¸cão varia com a temperatura e com a irradiância. Dos vários algoritmos presentes na literatura, o escolhido foi o método da “Condutância Incremental”, pois ao mesmo tempo que possui um desempenho satisfatório é simples e de fácil implementa¸cão; a segunda estratégia utilizada tem como objetivo minimizar as perdas no motor de indu¸cão, pois, como a carga da bomba varia consideravelmente com a velocidade de rota¸cão, é poss´ıvel através da redu¸cão de fluxo magnético manter a eficiência do motor praticamente constante ao seu valor máximo em toda a faixa de opera¸cão. A modelagem e ensaio do motor permitiram obter uma maneira simples de reduzir as perdas neste: a minimiza¸cão da corrente de estator. Apesar do ponto de m´ınima corrente não ser exatamente aquele de máximo rendimento, as simula¸cões realizadas mostram que a diferen¸ca entre a máxima eficiência e a eficiência neste ponto são ´ınfimas.

O estudo dos métodos de procura do ponto de máxima potência do arranjo fotovoltaico serviu de base para a proposta de um método de minimiza¸cão de perdas no motor que, por sua semelhan¸ca com os algoritmos de MPPT, foi chamado de MLPT (minimum losses point tracking. O algoritmo utilizado é exatamente igual ao método “Perturba e Observa”, diferindo do original apenas pelas variáveis envolvidas.

O desenvolvimento do trabalho realizado permitiu obter várias contribui¸cões interessantes e validar as estratégias propostas. Dentre estas contribui¸cões devem ser destacadas as melhorias e mesmo a compreen¸cão do funcionamento do algoritmo de MPPT da “Condutância incremental”. Outra contribui¸cão, e que não se aplica somente a sistemas de bombeamento de água, foi o método de redu¸cão de perdas proposto, cuja principal vantagem é sua flexibilidade de uso por não depender nem do motor nem das caracter´ısti- cas da carga utilizada. Se for poss´ıvel reduzir as perdas, o MLPT conseguirá fazê-lo, mesmo que não alcance todo o potencial de economia poss´ıvel.

Pode-se afirmar, porém, que a maior contribui¸cão deste trabalho foi, sem dúvida, o desenvolvimento da bancada experimental e do sistema super- visório. Com o grosso do trabalho de montagem de ambos realizado, há agora uma infinidade de possibilidades de aproveitamento e estudos poss´ıveis. O autor se limita a sugerir apenas alguns:

uma bomba que seja mais apropriada à instala¸cão hidráulica. Durante o trabalho imaginou-se se não seria interessante a ado¸cão de duas ou mais bombas de acordo com a época do ano ou mesmo hora do dia como uma maneira de aumentar o desempenho do sistema;

• Outra questão que o autor lamenta não ter feito, e que acredita resultar em uma análise muito interessante, é a coleta de dados ao longo dos meses do ano, possibilitando a ampla caracteriza¸cão do desempenho do sistema;

• Outro estudo válido seria confrontar o desempenho do sistema uti- lizando os métodos propostos e outros presentes na literatura. Poderia- se, por exemplo, verificar a diferen¸ca de rendimento em dias semelhan- tes (um conceito ainda a ser desenvolvido) do sistema com o método de MPPT da “Condutância Incremental” e aquele que apenas mantém a tensão constante;

• Assim como a ado¸cão de outro método de MPPT ou melhorias no utilizado se tornam mais simples de serem realizadas, o mesmo se aplica ao método de redu¸cão de perdas no motor;

• Embora o controle da tensão tenha permitido o correto funcionamento do sistema, percebeu-se que a correta modelagem e projeto do contro- lador pode resultar em uma melhora significativa de seu desempenho e do método de procura do ponto de máxima potência;

• A pesquisa das varia¸cões das perdas no motor em rela¸cão à estratégia de modula¸cão, assim como uma melhor avalia¸cão do efeito do ´ındice de modula¸cão poderia resultar em conclusões importantes;

• Os métodos propostos possuem vários parâmetros que foram escolhidos experimentalmente. O estudo de uma metodologia para a determina¸cão destes parâmetros seria extremamente bemvinda.

Enfim, as possibilidades são amplas e o autor espera que o trabalho não se conclua com esta disserta¸cão.

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C´alculo do Modelo do Motor

de Indu¸c˜ao

A.1 M´etodo de Newton-Raphson

Considere o sistema composto por n equa¸cões do tipo f (x) = 0, sendo que x é descrito pela expressão matemática (A.1) e representa o vetor de variáveis do sistema.

x = [x1 x2 x3 ... xn]T (A.1)

Deseja-se encontrar o vetor xo que seja solu¸c˜ao do sistema representado

por g (A.2), ou seja, o vetor xo que fa¸ca g(xo) = 0.

g = [f1(x) f2(x) . . . fn(x)]T (A.2)

Para tanto, realiza-se uma rotina iterativa que recalcula a cada passo um novo vetor xk+1 a partir das vari´aveis do passo corrente xk (A.5). A

varia¸cão no vetor de variáveis é calculado através da expressão (A.4), onde

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