4.5.1 Conversor Boost aplicado ao rastreamento do ponto de máxima potência
4.5.1.1 Técnica de rastreamento do ponto de máxima potência baseada na medição de temperatura: MPPT-temp
Esta técnica unifica a simplicidade do método da tensão constante com a velocidade e precisão de rastreamento do método da condutância incremental, sendo sua origem vinculada diretamente à observação da equação (4.2), repetida em (4.10), por conveniência.
( ) STC STC
mp mp Vmp
V T V T T u (4.10)
É notório, a partir de (4.10), que a tensão de máxima potência Vmp(T)
se estabelece, exclusivamente, em função da temperatura Tna superfície do
arranjo, sabendo-se que as demais grandezas da equação são constantes e
precisão, é possível determinar em tempo real o valor da tensão que deve ser imposta nos terminais do arranjo para que ocorra a máxima transferência de potência.
Não obstante, presumindo-se que Vmp(T) refere-se à tensão a ser aplicada na entrada do conversor cc-cc, cuja tensão de saída é regulada e igual a Vo, o ganho estático passa a ser definido, independentemente do conversor empregado, por (4.11).
( ) o o STC STC mp mp Vmp V V G V T V T T (4.11)Destarte, a definição do conversor cc-cc a ser utilizado e, consequentemente, da equação do ganho estático, permite calcular a razão cíclica que garantirá a operação do arranjo fotovoltaico no MPP. No caso específico do conversor Boost, cujo ganho estático é dado por (4.8), a aplicação do procedimento citado conduz a (4.12).
( ) 1 STC STC mp Vmp mp o V T T T V (4.12)Manipulando-se algebricamente (4.12), é possível encontrar (4.13), em que α e β são constantes calculadas através de (4.14) e (4.15), respectivamente. ( ) mp T T (4.13) Vmp o V (4.14) STC STC o mp Vmp o V V T V (4.15)
O resultado encontrado em (4.13) evidencia a simplicidade do algoritmo, que se resume à solução de uma equação linear. Fisicamente, o sistema pode ser configurado de acordo com a Figura 4.13.
Cumpre destacar que tal implementação somente é viável devido aos efeitos desacoplados da radiação e da temperatura na tensão e corrente geradas pelos módulos fotovoltaicos. Por conseguinte, garantindo-se que a tensão de operação corresponda à de máxima potência, os efeitos da radiação não precisam ser considerados pelo algoritmo.
Outra observação importante diz respeito à dinâmica associada ao rastreamento: em virtude de a temperatura na superfície do arranjo variar
lentamente, as atualizações da razão cíclica podem ser feitas em intervalos longos, mantendo o sistema no MPP sem necessidade de utilização de microcontroladores de alto desempenho, no caso de escolha por implementação digital.
Figura 4.13 – Estrutura proposta para rastreamento de máxima potência através da técnica MPPT-temp.
A eficiência de rastreamento da técnica MPPT-temp foi comprovada também, de forma independente, por [82], através de um estudo comparativo entre diversos métodos propostos na literatura. Os resultados dessa comparação são reapresentados na Tabela 4.10.
Através da análise apresentada, percebe-se que o método baseado na medição da temperatura alia a simplicidade de implementação e excelente fator de rastreamento, além da redução de custo com aquisição de sensores, resultando na melhor configuração entre as analisadas. Particularmente, atenta-se ao fato de que o sistema já dispõe de um sensor para leitura e controle da tensão do barramento cc, logo, há necessidade de adição de apenas um sensor extra no estágio de rastreamento, para leitura da temperatura. Ainda, de acordo com [82], a eficiência do método proposto se estabelece em patamares superiores a 98%, embora, conforme será mencionado no capítulo referente à apresentação dos resultados experimentais, o percentual ultrapasse 99%.
Por fim, como desvantagem aparente do método, cita-se sua dependência em relação aos parâmetros relacionados ao arranjo fotovoltaico utilizado, haja vista que variações paramétricas poderiam, no decorrer dos anos, afetar a eficiência do rastreamento, ainda que, conforme demonstrado a seguir, tal efeito seja irrelevante.
Tabela 4.10 – Quadro comparativo entre diferentes métodos de rastreamento de máxima potência.
Método Tensão
constante P&O CondInc
P&O modificado Depende
módulo fotovoltaico
Sim Não Não Não
Fator de
rastreamento Razoável Bom Bom Muito bom
Implementação Simples Simples Média Complexa
Precisão Não Sim Sim Sim
Sensores V V, I V, I V, I Método CondInc modificado MPPT - temp Beta CondInc com PI Depende módulo fotovoltaico
Não Sim Sim Não
Fator de
rastreamento Muito bom Excelente Excelente Excelente
Implementação Complexa Simples Média Média
Precisão Sim Sim Sim Sim
Sensores V, I V, temp V, I V, I
4.5.1.1.1 Influência do envelhecimento dos módulos fotovoltaicos na
eficiência de rastreamento do método MPPT-temp
Consensualmente, a vida útil dos módulos fotovoltaicos está estimada em torno de 25 anos, contudo, a deterioração inicia-se desde o primeiro ano de operação. Segundo [88], o envelhecimento de módulos fotovoltaicos ocorre principalmente devido aos efeitos climáticos aos quais são expostos, sendo os principais processos envolvidos na degradação, listados a seguir:
Corrosão - causada pela difusão de vapor de água no encapsulamento que, a longo prazo, resulta na deterioração dos contatos elétricos;
Estresse termomecânico - oriundo da alternância entre dia e noite. Esse efeito resulta em trincas nos materiais com diferentes coeficientes de expansão;
Fotodegradação e termodegradação – ambos os efeitos causam perda de elasticidade, transmissão óptica, e problemas de isolamento, estando associados ao material semicondutor;
Estresse mecânico (estático e dinâmico) - causado por forças externas, como vento e neve.
Apesar de o envelhecimento dos módulos fotovoltaicos surgir como resultado da associação de todos os efeitos de degradação, alguns estudos vêm tentando quantificar a contribuição de cada um dos fatores individualmente. De acordo com [88, 89], o principal efeito causador do envelhecimento está associado à absorção de radiação ultravioleta pela superfície superior das células de silício que compõem o módulo, tornando- as gradativamente opacas e culminando na redução da corrente fotogerada. A comprovação da predominância desse fator de envelhecimento foi apresentada em [90], sendo replicada nesta tese através da Tabela 4.11.
Tabela 4.11– Sumário das taxas de degradação observadas para quatro tipos de módulos de silício cristalino sujeitos ao envelhecimento em tempo real e acelerado.
Tipo de módulo Potência [W] Taxa de redução [%/ano]
Pmp Icc Vca FF1
Mono 11 0,88 0,59 0,12 0,14
Mono 16 0,76 0,60 0,14 0,02
Poli 9 0,70 0,25 0,14 0,24
Poli 18 0,53 0,24 0,08 0,08
1 Fator de forma (FF) definido pela relação V
mpImp/VcaIcc.
Mediante os resultados apresentados, percebe-se que a degradação dos módulos está inerentemente associada ao decrescimento da corrente fotogerada. De maneira explícita, [89] comenta: “A degradação dos módulos ocorre principalmente devido à redução de Icc, enquanto Vca e FF não sofrem alterações significativas”. Na mesma linha de raciocínio, [90] afirma: “A degradação não aparenta ser termicamente ativada”.
Assim sendo, pode-se inferir que embora o envelhecimento afete as grandezas envolvidas na geração, aquelas associadas à radiação sofrem maiores alterações em relação às dependentes da temperatura. Portanto, o método de rastreamento baseado na medição da temperatura, a priori, não será perturbado por mudanças do ponto de operação do módulo, pois as variáveis utilizadas no algoritmo são exclusivamente dependentes da temperatura, que se mantêm praticamente inalteradas com o envelhecimento.
Finalmente, a estratégia aplicada ao conversor Boost para controlá-lo como rastreador de máxima potência, no modo interligado, torna-se simples e eficiente, somando-se robustez à precisão e rapidez de rastreamento.
Na próxima seção iniciam-se os estudos referentes à estratégia de controle a ser aplicada ao conversor Boost para que opere adequadamente no modo isolado.