Desenvolvimento

De modo a unificar os modelos analisados nas seções anteriores, tem-se como base o mo- delo de dois diodos que compreende todo o equacionamento dos demais modelos, conforme Equação 4.21. Desta forma, é possível simplificar a implementação no software MATLAB/- Simulink, tornando a ferramenta mais limpa e eficaz.

I = Iph− ID1 | {z } ISDM −IP | {z } SDM −ID2 | {z } DDM (4.21)

Expandindo a Equação 4.21, o modelo Ideal pode ser representado pela Equação 4.22, suprimindo parcelas da equação do modelos de dois diodos (em vermelho), assim como para o modelo de um diodo representado na Equação 4.23. O modelo de dois diodos mantém a Equação original, reescrita na Equação 4.24.

I = Iph− Io1(e V +I * 0 RS a1Vt _{− 1) −}    XX XX XX XXX Io2(e V +IRS a2Vt _{− 1)}    H H H H H H −V + IRS Rsh (4.22) I = Iph− Io1(e V +IRS a1Vt − 1)    XX XX XX XX_X −Io2(e V +IRS a2Vt − 1) − V + IRS Rsh (4.23) I = Iph− Io1(e V +IRS

a1Vt − 1) − I_o2(eV +IRSa2Vt − 1) − V + IRS

Rsh

(4.24) A corrente fotovoltaica Iph representada pela Equação 4.8, é comum ao modelo de um

desta forma, é necessário suprimi-las da equação. Para tal, na Figura 4.4 é apresentada a implementação da corrente fotovoltaica em blocos no Simulink. Para o modelo ideal, assume- se que RS = 0, e para Rsh é atribuído um valor elevado, na ordem de 10100. Idealmente,

Rsh tenderia ao infinito, contudo isso gera uma indeterminação matemática, resultando em

N aN (Not-a-Number) no Simulink ocasionando erros durante a simulação. Figura 4.4: Implementação de Iph

Fonte: Autor

Na implementação de ID idealmente, não existe resistência série RS portanto, para o

modelo Ideal: RS = 0, Io = Io1 e a = a1 conforme Figura 4.5. Já para o modelo de dois

diodos, é duplicado o bloco no contexto principal, fazendo Io2 = Io1 e a2 = a1, uma vez

que o equacionamento de ID é o mesmo para o modelo de dois diodos como para o modelo

de um diodo, diferenciando-se apenas os fatores de idealidade e as correntes de saturação reversa.

Assim, de acordo com a Equação 4.21, a soma de todas as correntes do sistema resultam na corrente I do módulo. IP representa a perda através de fugas de corrente em Rsh, desta

forma, pode ser interpretado com um circuito adicional à simulação, conforme Figura 4.6. Portanto, assume-se que Itrepresentado pelo bloco cinza na figura, equivale ao somatório

das correntes Iph, ID1, ID2, conforme Equação 4.25.

It= Iph− Io1(e

V +IRS

a1Vt − 1) − I_o2(e V +IRS

Figura 4.5: Implementação de Io

Fonte: Autor

Figura 4.6: Implementação do circuito adicional

Fonte: Autor

Desta forma é possível representar todos os modelos dos módulos fotovoltaicos através da implementação dos blocos apresentados na Figura 4.7.

De modo a simplificar a utilização da ferramenta, a lógica foi implementada através de subsistemas e máscaras no Simulink. Ou seja, através de uma janela interativa, é possível realizar a seleção do modelo o qual deseja-se simular. A vantagem na utilização de máscaras nos modelos, além da organização, é a implementação de linguagem nativa do MATLAB de forma a alterar os parâmetros nos subsistemas do Simulink. Assim, ao simular o modelo

Figura 4.7: Modelo Implementado

Fonte: Autor

Ideal, basta alterar os parâmetros RP ≥ 10100, RS = 0, e comentar o subsistema Id2 de

modo a suprimi-lo da simulação.

Para o modelo de um diodo , mantém-se RP e RS de acordo com os parâmetros cal-

culados previamente através do método de Newton-Raphson. O modelo de um diodo não contém a contribuição do segundo diodo, de modo que é necessário removê-lo da simulação mantendo-o comentado. Já para o modelos de dois diodos, mantém-se todos os subsistemas e parâmetros de acordo com as estimativas realizadas pelo método numérico.

A ferramenta desenvolvida, comporta-se como um bloco do Simulink, conforme mostrado na Figura 4.8 através do bloco destacado em verde nomeado como PV.

A entrada de dados para simulação corresponde à Temperatura do painel (T) em °C e ao nível de irradiação (G) em W m−2_{. A janela de configuração mostrada na Figura 4.9}

representa o meio pelo qual são inseridos os dados referentes à identificação de parâmetros e a seleção do modelo em 1. Em 2, é possível obter as curvas características I-V e P-V por meio da entrada manual do dados, através dos parâmetros inseridos em 1.

A seleção do modelo é realizada através do Callback Editor, cuja interrupção se dá a partir da manipulação de um determinado parâmetro na janela de configurações, como mostrado pela Figura 4.10. Desta forma, ao selecionar o modelo, a função Callback habilita apenas os parâmetros correspondentes ao mesmo, mantendo os demais desabilitados, além de ajustar os valores de RS e Rsh para os valores determinados anteriormente. A função

Figura 4.8: Modelo Implementado

Fonte: Autor

4.4

Sistema de Aquisição de Dados

Para realizar a validação dos modelos anteriormente apresentados e implementados na ferramenta computacional desenvolvida foi necessário realizar a aquisição de um conjunto de dados reais de irradiância, temperatura e potência elétrica fornecida pelo painel sob condições operacionais reais.

Para tanto foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados capaz de registrar os níveis de corrente e tensão do painel, obtendo-se assim a potência fornecida pelo mesmo, irradiân- cia e temperatura que são os parâmetros de entrada dos modelos. Os ensaios experimentais foram realizados utilizando um painel fotovoltaico da fabricante Canadian Solar, modelo CS6U-330P de 330Wp, este painel é usualmente utilizado em sistema de geração de ener- gia residenciais. A partir dos dados disponibilizados pelo fabricante (ver Figura 4.12), foi possível estabelecer os critérios para aquisição das grandezas anteriormente mencionadas. Aquisição da Corrente

Conforme os dados fornecidos pelo fabricante do painel, usado nos teste, o nível de corrente de curto circuito é 9,45A (ver Figura 4.12). Com isso é necessário garantir o mínimo de 10A na aquisição dos dados de corrente de modo a não trabalhar sob o limite máximo fornecido pelo painel, garantindo o maior nível de precisão do sensor, trabalhando em toda sua faixa operacional. O sensor utilizado para aquisição da corrente do painel é o

Figura 4.9: Configurações dos modelos

Fonte: Autor

ACS712 da fabricante Allegro.

O sensor ACS712 fornece soluções econômicas e precisas para detecção de corrente CA ou CC em sistemas industriais, comerciais e de comunicações. As aplicações típicas incluem controle de motor, detecção e gerenciamento de carga, fontes de energia de modo de comu- tação e proteção de falha de sobrecorrente. O dispositivo consiste em um circuito por efeito Hall linear preciso cuja tensão de saída é linearmente proporcional ao nível de corrente me- dido através de uma resistência interna que gira em torno de 1,2mΩ, proporcionando baixa

Figura 4.10: Editor da máscara

Fonte: Autor

Figura 4.11: Editor da máscara

Figura 4.12: Parametrização do painel utilizado

Fonte: Autor

perda de potência. Aquisição da Tensão

Para aquisição dos níveis de tensão operacional do painel, é necessário reduzir o nível de tensão, de forma linear, a partir de um divisor resistivo. Assim, a Equação 4.26 estabelece o nível de tensão do conversor A/D (Analógico para Digital) através do divisor resistivo.

VA/D =

VinR1

R1+ R2

(4.26) onde:

VA/D é a tensão de entrada no canal analógico do microcontrolador (5V);

Vin é a tensão do painel (45,6V);

Para determinação de R1 e R2, é necessário atribuir a R1 = 10kΩ, onde através da

Aquisição da Temperatura

A aquisição da temperatura é realizada através de um sensor de temperatura LM35 com uma tensão de saída linearmente proporcional à temperatura de 10mV/C. O disposi- tivo LM35 não requer nenhuma calibração para fornecer precisões típicas de temperatura ambiente ao longo de uma faixa de temperatura de -55 °C a 150 °C.

Aquisição da Irradiação

A irradiância total (global) em uma superfície plana é medida por um piranômetro. Desta forma, é implementado a versão SP LITE2 da fabricante Kipp & Zonen para a aqui- sição dos níveis de Irradiação Global Horizontal. O dispositivo é particularmente adequado para monitorar a eficiência de sistemas de energia solar fotovoltaica, onde a resposta es- pectral é semelhante à das células fotovoltaicas. Além disso, é um dispositivo simples para medições de rotina da irradiação solar. Ele possui um difusor cônico que fornece excelente resposta direcional. Embora a faixa espectral seja limitada pelo detector por fotodiodo, o desempenho do SP LITE2 se compara favoravelmente aos piranômetros de termopar de se- gunda classe ISO 9060 sob condições claras e desobstruídas de luz natural. Sua sensividade é cerca de 84µV/W m−2_.

O sistema de aquisição ainda compreende o uso de um cartão de memória o qual é usado para registrar os dados organizados juntamente com o horário de cada aquisição a partir do uso de um Real Time Clock (Relógio de Tempo Real) DS1307 da fabricante Maxim Itegrated. O microcontrolador utilizado para gerenciamento é um PIC18F4520 da fabricante Microchip, trabalhando a 48MHz a partir de um controlador PLL (Phase Locked Loop). O sistema é alimentado através do uso de baterias, com autonomia de 72 horas a qual pode ser recarregada mediante utilização de fonte externa. O sistema desenvolvido pode ser observado através da Figura 4.13 destacando-se os elementos que o compõe:

1. Bateria de LiPo de 5500mAh;

2. Display 16x2 para aferição dos dados em tempo real; 3. Cartão SD para registro dos dados;

4. Microcontrolador PIC18f4520 responsável pelo gerenciamento do sistema; 5. RTC DS1307;

Figura 4.13: Sistema de Aquisição de Dados

Fonte: Autor

7. Conexão para o sesor de temperatura do painel; 8. Conexão painel/carga;

9. Conexão para o piranômetro;

10. Botões de ajuste de taxa de amostragem, data e hora; 11. Condicionamento de tensão para alimentação do sistema.

Este módulo foi utilizado para aquisição dos dados, que posteriormente permitem as validações dos modelos estudados neste trabalho.

4.5

Resumo do Capítulo

Neste capítulo é apresentada a metodologia adotada no desenvolvimento da ferramenta computacional. Além disso é apresentado o processo iterativo de Newton-Raphson o qual é responsável pela determinação dos parâmetros de cada um dos modelos apresentados no Capítulo 3. Desta forma, todo o equacionamento necessário no desenvolvimento do processo iterativo, parte fundamentalmente da lei de Ohm e dos circuitos elétricos de cada modelo. Grande parte deste equacionamento é comum ao modelo de um diodo e dois diodos, pois dependem exclusivamente de RS e Rsh. Ainda, é apresentada a ferramenta computacio-

dos mesmos simultaneamente ou individualmente. Ainda como metodologia de validação, é apresentado o sistema de aquisição de dados, onde será possível realizar a análise compara- tiva do erro causado pela simulação, com referência aos dados reais obtidos.

Resultados

5.1

Introdução

Neste capítulo são apresentados os resultados da análise comparativa dos três modelos matemáticos estudados neste trabalho. Para realizar a análise foi utilizado a ferramenta es- pecialmente desenvolvida para este fim e apresentada no capítulo anterior. Inicialmente são apresentados os resultados da estimação dos parâmetros dos modelos matemáticos avaliados, assim como a validação dos modelos a partir de duas etapas. A primeira etapa compreende uma análise comparativa entre as curvas características I-V e P-V de 2 painéis fotovoltaicos com potências nominais significativamente diferentes, disponibilizadas pelos respectivos fa- bricantes, e as curvas geradas pela implementação dos modelos matemáticos na ferramenta desenvolvida. Já na segunda etapa foi realizada a análise comparativa da potência elétrica de um terceiro painel fotovoltaico sob condições operacionais práticas, a partir de dados obtidos por meio do sistema de aquisição também desenvolvido neste trabalho, e a potência resultante da implementação dos modelos na ferramenta computacional.