UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
Desempenho do Método Perturba e Observa com
Passo Adaptativo e Agrupamento de Pontos em
Módulo Fotovoltaico com Diodo de Passagem
Inteligente Perante o Sombreamento Parcial
Andrew Vinícius Silva Moreira
Orientador: Prof. Dr. Luciano Sales Barros Coorientador: Prof. Dr. André Laurindo Maitelli
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Automação e Sistemas) como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências.
Moreira, Andrew Vinicius Silva.
Desempenho do Método Perturba e Observa com Passo Adaptativo e Agrupamento de Pontos em módulo fotovoltaico com diodo de passagem inteligente perante o sombreamento parcial / Andrew Vinicius Silva Moreira. - 2019.
63f.: il.
Dissertação (Mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Natal, 2019.
Orientador: Dr. Luciano Sales Barros. Coorientador: Dr. André Laurindo Maitelli.
1. Desempenho de módulo solar fotovoltaico - Dissertação. 2. Sombreamento parcial - Dissertação. 3. Diodo de passagem
inteligente - Dissertação. 4. Rastreamento do ponto de máxima potência - Dissertação. 5. Perturba e observa adaptativo com agrupamento - Dissertação. I. Barros, Luciano Sales. II. Maitelli, André Laurindo. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.3
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Desempenho do Método Perturba e Observa com
Passo Adaptativo e Agrupamento de Pontos em
Módulo Fotovoltaico com Diodo de Passagem
In-teligente Perante o Sombreamento Parcial
Andrew Vinícius Silva Moreira
Dissertação de Mestrado aprovada em 31 de julho de 2019 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Dr. Luciano Sales Barros (orientador) ... DEE/UFRN
Prof. Dr. André Laurindo Maitelli (coorientador) ... DCA/UFRN
Prof. Dr. Anderson Luiz de Oliveira Cavalcanti ... DCA/UFRN
Aos meus pais, Antônio Ciríaco Moreira
(in memorian) e Maria da Conceição da
Silva Marques, pelo amor e inspiração.
Aos meus irmãos e sobrinhos pelo apoio e
Agradecimentos
Ao meu orientador, o professor Luciano Sales Barros e ao meu coorientador, o pro-fessor André Laurindo Maitelli, sou grato pela orientação, ajuda e paciência.
Aos colegas durante todo o curso de mestrado, em especial ao Alessandro de Souza Lima e ao Hugo Soeiro Moreira pela amizade e cooperativismo.
Resumo
O crescimento exponencial da utilização da energia solar fotovoltaica faz com que a questão do desempenho dos módulos fotovoltaicos conectados à rede elétrica seja extre-mamente relevante, visto que, se comparada com as outras fontes energéticas, sua efici-ência é relativamente baixa (em torno de 18%). Além disso, o sombreamento parcial im-pacta drasticamente na produção de energia elétrica de um sistema fotovoltaico e dentre os principais estudos para solucionar o problema do sombreamento parcial, destacam-se: as ligações dos diodos de passagem, a tecnologia dos diodos de passagem e o rastrea-mento do ponto de máxima potência. O sombrearastrea-mento parcial refere-se aos níveis distin-tos de irradiância ao longo de um módulo fotovoltaico, já o diodo de passagem refere-se ao dispositivo capaz de detectar o sombreamento parcial e criar um novo caminho para o fluxo de corrente, reduzindo as perdas do módulo por pontos quentes e o rastreamento do ponto de máxima potência refere-se ao rastreio do ponto de máxima potência de acordo com os parâmetros locais de irradiância e de temperatura ambiente. Neste trabalho, será modelado e simulado um módulo fotovoltaico hodierno com 72 células, contendo uma configuração moderna de diodo de passagem inteligente. A fim de que verifique a per-formance do módulo serão simulados sombreamentos parciais e, paralelamente, será uti-lizada a técnica mais simples de rastreamento do ponto de máxima potência: perturba e observa, porém, modificada com passo adaptativo e com agrupamento.
Abstract
The exponential growth in the use of photovoltaic solar energy makes that the question of the performance of photovoltaic modules connected to the grid is extremely relevant since compared to other energy sources its efficiency is relatively low (around 18%). In addition, the partial shading has a drastic impact on the production of electrical energy from a photo-voltaic system and among the main studies to solve the partial shading problem, the most important are: the connections of the bypass diodes, the technology of the bypass diodes and the maximum power point tracking. The partial shading refers to the different levels of irra-diance along a photovoltaic module, the bypass diode refers to the device capable of detect-ing the partial shaddetect-ing and creatdetect-ing a new path for the current flow, reducdetect-ing module losses by hot spots and the maximum power point tracking refers to maximum power point track-ing accordtrack-ing to the local parameters of irradiance and ambient temperature. In this work, a current 72-cell photovoltaic module will be modeled and simulated with a modern smart bypass diode configuration. In order to verify the performance of the module, partial shading will be simulated and, in parallel, will be used the simplest maximum power point tracking technique: perturb & observe, but modified with adaptive step and clustering.
Sumário
Sumário ... i
Lista de Figuras ... iii
Lista de Tabelas ...v
Lista de Símbolos ... vii
Lista de Abreviações ... ix 1 Introdução ...1 1.1Contextualização ...1 1.2Objetivos ...5 1.3Contribuição ...5 1.4Metodologia ...5 1.5Estrutura do Texto ...6 2 Estado da Arte ...9
2.1Desempenho de módulo fotovoltaico perante o sombreamento parcial ...9
2.2Desempenho de módulo fotovoltaico com rastreamento do ponto de máxima potência ... 10
2.3Conclusão ... 11
3 Fundamentação Teórica e Proposta... 13
3.1Modelagem do sistema solar fotovoltaico ... 13
3.2Impactos do sombreamento parcial ... 16
3.3A necessidade do diodo de passagem... 17
3.4O perturba e observa... 20
3.5O perturba e observa proposto ... 21
3.6Conclusão ... 22
4 Resultados ... 23
4.1O módulo fotovoltaico ... 23
4.2O perturba e observa adaptativo com agrupamento ... 24
5 Conclusão ... 35
5.1Conclusão Geral ... 35
5.2Artigos Publicados ... 36
Lista de Figuras
1.1 Fluxo de corrente em grupos de células sombreadas. ...3
1.2 Queda de tensão de um diodo de passagem de silício. ...4
2.1 Recorte do módulo AE Smart Hot-Spot Free. ... 12
3.1 Modelo de célula fotovoltaica com um diodo. ... 13
3.2 Característica ideal de corrente da célula fotovoltaica. ... 14
3.3 Ligação em série das células fotovoltaicas compondo um módulo fotovoltaico. ... 15
3.4 Curva I-V de um gerador solar fotovoltaico. ... 16
3.5 String com uma célula sombreada. ... 17
3.6 Utilização de diodo de passagem em um módulo fotovoltaico. ... 17
3.7 Funcionamento do diodo de passagem em um módulo fotovoltaico. ... 18
3.8 Silício: 30 células sombreadas para inviabilizar um módulo fotovoltaico... 18
3.9 Schottky: 40 células sombreadas para inviabilizar um módulo fotovoltaico. ... 19
3.10 Diodo de passagem inteligente 74611: 68 células sombreadas para inviabilizar um módulo fotovoltaico. ... 19
3.11 Diodo de passagem inteligente 74611 da Texas Instruments. ... 19
3.12 Fluxograma do perturba e observa. ... 20
3.13 Fluxograma do perturba e observa proposto. ... 21
3.14 Fluxograma do estado estacionário proposto. ... 22
4.1 Teste do módulo simulado. ... 23
4.2 Curvas do catálogo. ... 24
4.3 Primeira condição de sombreamento parcial testada. ... 24
4.4 Perfil de irradiância testado para ambas condições. ... 25
4.5 Comparação do tamanho de passo para tensão. ... 25
4.6 Comparação do tamanho de passo para potência. ... 26
4.7 Detalhamento do tamanho de passo para potência. ... 26
4.8 Comparativo de desempenho do perturba e observa fixo grande com o perturba e observa proposto. ... 27
4.9 Comparativo de desempenho do perturba e observa adaptativo sem e com agrupamento. .. 27
4.10 Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento. ... 28
4.11 Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento. ... 28
4.12 Segunda condição de sombreamento parcial testada. ... 29
4.13 Comparação do tamanho de passo para tensão. ... 29
4.14 Comparação do tamanho de passo para potência. ... 30
4.16 Comparativo de desempenho do perturba e observa fixo grande com o perturba e observa proposto. ... 31 4.17 Comparativo de desempenho do perturba e observa adaptativo sem e com agrupamento. .. 31 4.18 Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento. ... 32 4.19 Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento. ... 32 4.20 Ciclo de trabalho do conversor boost ligado ao inversor de potência. ... 33
Lista de Tabelas
Lista de Símbolos
𝑞𝑒 Carga do elétron
𝐾𝑖 Coeficiente de temperatura de corrente de curto-circuito
𝐾𝑣 Coeficiente de temperatura de tensão de circuito aberto
𝑘 Constante de Boltzman
𝑛 Constante de idealidade do diodo 𝐼𝑠𝑐 Corrente de curto-circuito
𝐼𝑃 Corrente de saída do sistema fotovoltaico
𝐼𝑜 Corrente de saturação reversa do diodo
𝐼𝑜𝑛 Corrente de saturação reversa do diodo nominal ou de referência 𝐼𝐷 Corrente do diodo
𝐼𝑝ℎ Corrente fotogerada 𝐼𝑅 Corrente parasita 𝑆 Irradiância solar
𝑆𝑛 Irradiância solar nominal ou de referência
𝑅𝑠 Resistência parasita em série 𝑅𝑠ℎ Resistência parasita em paralelo 𝑇𝑎 Temperatura ambiente
𝑇 Temperatura de operação
𝑇𝑛 Temperatura de operação nominal ou de referência
𝑉𝑜𝑐 Tensão de circuito aberto
𝑉𝑃 Tensão de saída do sistema fotovoltaico 𝑉𝐷 Tensão do diodo
𝑉𝑇 Tensão térmica
𝑉𝑇𝑛 Tensão térmica nominal ou de referência 𝑊𝑝 Watt pico
𝜀𝑔𝛼 Constante alfa de energia da banda proibida 𝜀𝑔𝛽 Constante beta de energia da banda proibida 𝜀𝑔 Energia da banda proibida
Lista de Abreviações
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica EPE Empresa de Pesquisa Energética IEA Agência Internacional de Energia
MOSFET Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MME Ministério de Minas e Energia
NR Resolução Normativa
PPgEEC Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Capítulo 1
Introdução
1.1 Contextualização
Uma das principais fontes de energias renováveis no mundo é a energia Solar Foto-voltaica. Essa energia tem recebido mais atenção do que as demais fontes, principalmente por ser um sistema muito adequado à instalação em qualquer lugar no qual exista uma boa disponibilidade de recurso solar, adaptando-se facilmente à arquitetura e à disposição física do local desejado para instalação do sistema fotovoltaico.
Diversos relatórios sobre o balanço energético são emitidos periodicamente por agên-cias e empresas do ramo de energia elétrica, tanto no ambiente nacional brasileiro: a Em-presa de Pesquisa Energética (EPE), ligada ao Ministério de Minas e Energia (MME), quanto no ambiente internacional: a International Energy Agency (IEA). Esses relatórios detalham informações sobre a oferta e o consumo de energia elétrica, bem como os deta-lhes sobre as fontes primárias de energia e outras informações. E, nos últimos anos, esses relatórios indicam o crescimento do uso das fontes renováveis não hídricas, como, por exemplo: solar fotovoltaica, eólica, biocombustível, biomassa e outras.
O último relatório da EPE e da IEA indicam um crescimento exponencial da geração de energia elétrica por fonte solar fotovoltaica no Brasil e no mundo, os quais, confron-tando o ano de 2016 com o ano de 2017, têm-se crescimento de: 875,6% e 31,1%, res-pectivamente [EPE 2018] [IEA 2018].
Além disso, a matriz energética brasileira possui uma participação de fontes renová-veis de 42,9%, sendo uma das mais elevadas do mundo, sendo a média mundial de 13,7% [EPE 2018]. Notoriamente, a enorme bacia hídrica brasileira e o forte crescimento das fontes renováveis não hídricas têm garantido essa participação elevada na matriz energé-tica do país.
Outro ponto que estimulou o crescimento da energia fotovoltaica no Brasil foi a re-gulamentação da geração distribuída. A Resolução Normativa (NR) nº 482, de 17 de abril de 2012 e as suas atualizações: NR nº 687, de 24 de novembro de 2015 e NR nº 786, de 17 de outubro de 2017, todas da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), regu-lamentaram a geração própria de energia elétrica utilizando fontes de energias renováveis
2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO permitindo que a energia ativa injetada por uma unidade consumidora seja cedida à dis-tribuidora local e, posteriormente, compensada com o consumo de energia ativa dessa mesma unidade consumidora ou em outra de mesma titularidade. Caso a energia gerada seja maior que o consumo, o saldo positivo irá gerar créditos para abater o consumo nas faturas dos meses subsequentes ou em outro posto tarifário, tendo validade de até 60 me-ses.
Desse modo, se comparar o ano 2017 com o ano de 2016, a geração distribuída teve um aumento exponencial de 245%, sendo que, aproximadamente, 71% (174,5 MW) da capacidade instalada da geração distribuída é proveniente de energia fotovoltaica e a sua participação na geração de energia elétrica foi de 46,2% (165,9 GWh). Acerca das usinas fotovoltaicas, esse aumento foi de 3.836% (935 MW) na capacidade instalada. Por isso, a contribuição na geração de energia elétrica por energia fotovoltaica totalizou, no Brasil, 832 GWh, um crescimento de 875,6% [EPE 2018].
Pode-se destacar várias razões para o crescimento da energia solar fotovoltaica, entre elas:
• Baixa manutenção;
• Barateamento dos componentes do sistema fotovoltaico; • Consolidação da geração distribuída;
• Fácil instalação do sistema fotovoltaico; • Incentivos governamentais;
• Leilões de novas usinas;
• Módulos fotovoltaicos com maior eficiência;
• Módulos fotovoltaicos com novas tecnologias (por exemplo: meia célula); • Módulos fotovoltaicos com maior potência;
• Preocupação com o meio ambiente; • Sistema modular.
O sistema modular é a divisão do sistema fotovoltaico em seus principais componen-tes, entre eles: módulos e inversores. Essa característica possibilita adaptar o sistema à demanda, com a possibilidade de aumentar o sistema fotovoltaico, mesmo após ser ins-talado. Nesse caso, pode-se instalar outro sistema fotovoltaico em paralelo ou fazer a mudança por componentes mais eficientes. Fora isso, é possível a substituição de um componente avariado por outro de maneira simples e rápida.
Apesar do franco e extraordinário crescimento da energia solar fotovoltaica, essa energia ainda é muito recente, não só com pouca definição técnica consolidada, mas tam-bém com eficiência relativamente baixa se comparada às outras fontes alternativas de energia. Como resultado disso, existe uma preocupação com o desempenho do sistema fotovoltaico, principalmente em otimizar, ao máximo possível, a geração de energia elé-trica independente da condição ambiente atual.
Indubitavelmente, o sombreamento parcial é um grande desafio para a geração de energia elétrica utilizando a energia solar fotovoltaica como fonte alternativa de energia. É sabido que um módulo fotovoltaico é a composição de células fotovoltaicas ligadas em
1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO 3 série e que o sombreamento parcial impõe níveis distintos de irradiância solar em dife-rentes células do módulo. Então a célula com menor nível de irradiância será um ponto limitante no fluxo de corrente e, consequentemente, será um ponto quente ou hot-spot no módulo.
Com o intuito de solucionar paliativamente esse problema, são inseridos diodos de passagem em antiparalelo e ligados aos grupos de células do módulo fotovoltaico. Dessa forma, se uma ou mais células de um grupo estiverem sombreadas, o diodo de passagem do referido grupo será polarizado diretamente, criando um novo caminho ao fluxo de corrente e possibilitando que não haja perda de desempenho das células dos demais gru-pos. Portanto, haverá perda de rendimento apenas para as células do grupo com células sombreadas, conforme Figura 1.1.
Figura 1.1: Fluxo de corrente em grupos de células sombreadas.
O sombreamento parcial é mais observado no meio urbano oriundo de prédios ou de árvores grandes, vizinhos às instalações fotovoltaicas, embora esteja-o presente também no meio rural, onde as grandes usinas fotovoltaicas são instaladas, devido principalmente às nuvens e à presença de sujeira nos módulos. Por isso, os projetos devem considerar a existência de sombras onde será instalado o sistema fotovoltaico. E uma maneira de con-tornar o problema do sombreamento parcial seria aumentar a quantidade de diodo de pas-sagem por módulo de tal forma que em vez de perder grupos inteiros de células se per-dessem somente as células sombreadas.
Embora o ideal fosse um diodo de passagem por célula, no qual um diodo de passa-gem eliminasse somente aquela célula fotovoltaica que estivesse sombreada, isso, na prá-tica, não seria possível porque a queda de tensão de um diodo de passagem do tipo de silício (0,7 V) é maior do que a tensão operação de uma célula fotovoltaica (0,5 V),
tor-4 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Figura 1.2: Queda de tensão de um diodo de passagem de silício.
Por consequência disso, a utilização de outra tecnologia de diodo de passagem, como, por exemplo: diodo Schottky. Ele possui uma queda de tensão menor (0,4 V) e pode ser utilizado como uma alternativa mais eficiente do que o diodo de silício. No entanto, não seria uma solução completa para qualquer tipo de perfil de sombreamento. Portanto, para um sombreamento com várias células seria inviável.
Exemplificando o caso de um sombreamento de várias células utilizando o diodo
Schottky (considerando as tensões: uma célula fotovoltaica de 0,5 V, um módulo
fotovol-taico de 37,2 V e a queda de tensão de um diodo em operação de 0,4 V): com 41 células sombreadas ter-se-ia uma redução de 20,5 V (células sombreadas) mais a queda de tensão de 16,4 V (diodos polarizados diretamente), totalizando 36,9 V, sendo praticamente a tensão do módulo, ou seja, uma tolerância de 57% (41 células) do total de 72 células.
Portanto, o ideal seria a utilização de um diodo de passagem por célula fotovoltaica e que a tecnologia do diodo de passagem utilizado tivesse uma queda de tensão muito baixa, além de possuir outras características superiores aos diodos de passagem tradicio-nalmente utilizados. Um exemplo disso seria o diodo de passagem inteligente [Bauwens 2016], que é um dispositivo eletrônico que utiliza um transistor de efeito de campo (MOSFET) para emular o comportamento de um diodo de passagem. O diodo de passa-gem inteligente também possui uma potência dissipada muito inferior, além de outras vantagens em relação ao diodo de passagem, como a temperatura de operação.
Uma outra solução possível para o problema do sombreamento parcial seria a utiliza-ção de microinversores. Diferentemente dos diodos de passagem, o qual cria um novo caminho para uma célula sombreada do módulo fotovoltaico, o microinversor isolará o módulo sombreado do arranjo que está conectado, não permitindo que ele prejudique o desempenho global do sistema fotovoltaico. Contudo, se os três diodos de passagem fo-rem polarizados diretamente, o microinversor retirará o módulo do arranjo, mesmo que sejam apenas 3 células sombreadas das 72 células do módulo.
Outro grande problema do sistema fotovoltaico que merece bastante atenção é o ras-treamento do ponto de máxima potência. A geração de energia elétrica do sistema fo-tovoltaico depende fortemente da irradiância solar e da temperatura ambiente. No mo-mento em que essas variáveis se modificam, ao longo de um dia, por conseguinte a curva de potência do sistema fotovoltaico também se alterará. Em virtude disso, o rastreamento do ponto de máxima potência verifica constantemente se o ponto de operação é o ponto de máxima potência na curva do sistema fotovoltaico e reajusta o nível de tensão de ali-mentação do módulo, caso não esteja nesse ponto.
1.1. METODOLOGIA 5 tradicionais, têm-se: perturba e observa, condutância incremental, fração de tensão de circuito aberto, fração de corrente de curto-circuito. Além dessas, existem outras técnicas mais modernas, entre elas: lógica Fuzzy, rede neural, nuvem de partículas, Fibonacci [Moreira 2018]. Técnicas mais modernas são mais assertivas em casos onde ocorrem vá-rios pontos de máxima potência, ou seja, quando ocorre um sombreamento parcial, sendo mais custosos por necessitarem de mais recursos computacionais.
O perturba e observa é a técnica mais simples e econômica [Villalva 2010], porém o seu passo de variação de tensão a fim de encontrar o ponto de máxima potência é fixo. À medida que o passo aumenta, também aumenta a velocidade de convergência e a oscila-ção no ponto de máxima potência, porém no passo pequeno acontece o oposto. Portanto, seria mais adequado que o passo fosse variável, devendo ser proporcional a variação de potência, obtendo mais celeridade com um passo maior quando distante do ponto ótimo e menos oscilações com um passo pequeno quando no ponto ótimo.
Outro ponto negativo do algoritmo tradicional de perturba e observa, é a não estabi-lização quando ele está na região do ponto de máxima potência ou erro em regime. Uma maneira de reverter essa impossibilidade seria utilizando um passo com agrupamento, isto é, que o algoritmo entendesse que está na região do ponto de máxima potência e utilizasse o valor médio com a finalidade de eliminar a oscilações em torno do ponto de máxima potência.
1.2 Objetivos
O objetivo deste trabalho é verificar o desempenho do módulo fotovoltaico perante o sombreamento parcial, sendo essa verificação realizada em módulo moderno com 72 cé-lulas e contendo um diodo de passagem inteligente por célula, utilizando como técnica de rastreamento do ponto de máxima potência o perturba e observa com passo adaptativo à variação de potência e, também, passo com agrupamento na região equilíbrio ou esta-bilidade.
1.3 Contribuição
Este trabalho deseja contribuir a melhoria de uma técnica de rastreamento do ponto de máxima potência simples e tradicional perturba e observa, todavia, modificada com passo adaptativo e com agrupamento, para ser mais eficiente, veloz e estável. Sendo tes-tado em um módulo hodierno contendo um diodo de passagem inteligente por célula fo-tovoltaica modelado para esse fim, com toda modelagem e avaliação de desempenho sendo realizada no Simulink do MATLAB.
6 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
Simulink do MATLAB, depois replicada para obter a mesma quantidade de células de um
módulo atual. Após a validação das curvas do módulo simulado com o do catálogo do fabricante, será inserido um diodo de passagem inteligente por célula e com o fim de obter resultados fidedignos será, por fim, testado o algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência: o perturba e observa adaptativo com agrupamento.
Por meio da revisão do estado da arte, foi possível verificar o impacto de um sombre-amento parcial em um sistema fotovoltaico. O sombresombre-amento parcial gera perda por dis-sipação de energia, uma vez que a célula sombreada se comportará como uma carga pu-ramente resistiva. Outro problema que ocorre são os danos irreparáveis no material semi-condutor e, em casos mais graves, a ocorrência de incêndio (o aumento da temperatura perto de uma falha pode variar de 1 a 80 °C, até temperaturas maiores do que 200 °C nos casos mais extremos).
Uma solução para um sombreamento parcial aleatório é o uso de um diodo de passa-gem por célula, porém a potência dissipada por um diodo de passapassa-gem em condução direta não é interessante, pois quando o sombreamento parcial ocorre em mais da metade das células de um módulo, a potência dissipada pelos diodos de passagem anula o restante do módulo, e com base nisso surgiu o diodo de passagem inteligente, que possui uma potência dissipada 15 vezes menor, tornando viável o seu uso.
Outra necessidade era ajustar o sistema para o ponto ótimo quando ocorre o sombre-amento parcial, para isso é utilizado a técnica de rastresombre-amento do ponto de máxima po-tência, sendo que o perturba e observa é o mais simples de produzir. Todavia, é necessário que ele seja modificado, tendo um tamanho de passo adaptativo a variação de potência para obter mais velocidade e precisão. Apesar de obter uma precisão no estado estacio-nário, ainda existe oscilação em torno do ponto ótimo e para isso foi utilizado o agrupa-mento de ponto, eliminando as oscilações.
Com base nisso, foi modelado e simulado várias células fotovoltaicas com a finali-dade de equivaler um módulo fotovoltaico e validar com o catálogo do fabricante. Após isso, foi inserido um diodo de passagem inteligente por célula, visando ter similaridade com módulos atuais, denominados de hot-spot free (ou livre de pontos quentes), e imple-mentado o perturba e observa adaptativo com agrupamento.
1.5 Estrutura do Texto
Os demais capítulos do texto estão organizados como segue:
• Capítulo 2 revisa o Estado da Arte do desempenho do módulo fotovoltaico perante o sombreamento parcial, também revisa o uso do diodo de passagem e do diodo de passagem inteligente. Por fim, revisa das técnicas de rastreamento do ponto de má-xima potência, em especial, o perturba e observa adaptativo e com agrupamento; • Capítulo 3 detalha a modelagem matemática do sistema solar fotovoltaico,
espe-cialmente a menor unidade do sistema: a célula fotovoltaica, em seguida a combi-nação série dela ou o módulo fotovoltaico. Fora isso, explica o impactante problema do sombreamento parcial com suas implicações no desempenho do sistema fotovol-taico. Apresenta os tipos de ligações e as tecnologias do diodo de passagem, bem
1.1. ESTRUTURA DO TEXTO 7 como seu funcionamento e problemas, destacando o diodo de passagem inteligente; e, por fim, expõe o rastreamento do ponto de máxima potência, demonstrando o perturba e observa e suas modificações;
• Capítulo 4 apresenta os resultados obtidos pelo desenvolvimento deste; • Capítulo 5 expressa as conclusões e artigos publicados.
Capítulo 2
Estado da Arte
Este capítulo revisa o Estado da Arte do desempenho do módulo fotovoltaico perante o sombreamento parcial levando em conta os tipos de ligações e as tecnologias do diodo de passagem, principalmente o diodo de passagem inteligente. E de maneira idêntica para o rastreamento do ponto de máxima potência.
2.1 Desempenho de módulo fotovoltaico perante o
som-breamento parcial
Segundo Simon e Meyer (2009), uma maneira simples de detecção de ponto quente no módulo fotovoltaico (decorrente de célula avariada ou sombreada sem diodo de pas-sagem) é a utilização de câmera com infravermelho para mapear sua superfície. A iden-tificação de temperaturas elevadas é muito importante visto que a temperatura pode cau-sar danos irreparáveis à célula, podendo inviabilizar o módulo permanentemente ou até mesmo causar incêndio.
Segundo Daliento et all (2016), uma solução para a mais grave consequência do som-breamento parcial: o ponto quente, e essa solução é a criação de um circuito de passagem modificado com propósito de aumentar a confiabilidade da célula fotovoltaica perante o sombreamento parcial. Nesse trabalho é utilizado um transistor de efeito de campo (MOSFET) em série com as células e o seu terminal de gatilho paralelo com o diodo de passagem. Com isso, é possível reduzir a potência dissipada quando o diodo de passagem estiver ativado.
Segundo Bauwens e Doutreloigne (2016), são testados alguns diodos de passagem inteligente visando analisar o desempenho de cada diodo de passagem inteligente dispo-nível no mercado, com o intuito de reduzir as perdas por sombreamento parcial em siste-mas fotovoltaicos. O melhor diodo de passagem inteligente testado foi o da Texas
Instru-ments, denominado de SM74611, que teve o melhor desempenho principalmente por ter
uma reduzida potência dissipada quando em modo de condução.
Segundo Pannebakker et all (2017), o desempenho do módulo fotovoltaico é muito sensível perante o sombreamento parcial, uma vez que as interconexões ou a arquitetura das células no módulo fotovoltaico é realizada em série. Assim, quando uma célula é
10 CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE tornando-se uma carga, ou seja, uma perda desnecessária. Ademais, é demonstrado a me-lhora da tolerância do módulo acerca do sombreamento parcial utilizando um diodo de passagem por célula, sendo ele um diodo de passagem inteligente da Texas Instruments. Segundo Niazi et all (2018), o desempenho do módulo fotovoltaico quando exposto ao sombreamento parcial resulta em elevação de temperatura na célula que está sombre-ada, isso faz reduzir, no curto prazo, a potência de saída do módulo, mas no longo prazo, a confiabilidade do sistema fotovoltaico, principalmente por reduzir a vida útil das células fotovoltaicas já que as elevadas temperaturas podem danificá-las irreversivelmente. Nesse trabalho é proposto uma nova topologia para passagem do fluxo de corrente, não utilizando diodos, mas sim transistores para reduzir esse problema, além de comparar com outros artigos.
2.2 Desempenho de módulo fotovoltaico com
rastrea-mento do ponto de máxima potência
Segundo Villalva (2010), o rastreamento do ponto de máxima potência é uma função indispensável para todo conversor de eletrônica de potência, porquanto é responsável em extrair a máxima potência instantânea do sistema fotovoltaico independente das condi-ções de irradiância solar, de temperatura ambiente, de sombreamento parcial e de dife-renças físicas entre os módulos instalados. Fora isso, dentre as técnicas desenvolvidas nesse trabalho, a mais simples é a perturba e observa, com baixo custo (perturba e observa digital) e com desempenho satisfatório embora, de acordo com o tamanho do passo de tensão ou incremento utilizado, o perturba e observa pode ser lento e sempre possuirá um erro de regime (podendo ser mínimo, na escala de microvolts), embora possa ser mínimo dependendo do tamanho do passo de tensão. Portanto, à medida que o passo é definido com menor incremento, a técnica se torna mais estável e com menor erro de regime, po-rém mais lenta.
Segundo Moçambique (2012), o rastreamento do ponto de máxima potência é larga-mente utilizado, especiallarga-mente os mais simples, baratos e confiáveis, como, por exemplo: o perturba e observa. Assim, com o uso do rastreamento do ponto de máxima potência é possível a utilização otimizada da energia disponível, pois o algoritmo opera no ponto ótimo do sistema. Portanto, os métodos Heurísticos, entre eles o perturba e observa, são mais utilizados que os outros métodos de rastreamento do ponto de máxima potência que são baseados em modelos ou em treinamentos.
Segundo Subudhi (2013), o rastreamento do ponto de máxima potência é uma parte essencial do sistema fotovoltaico. Destacando que existem diversas técnicas, no trabalho são testadas 26 técnicas e classificadas com base em vários critérios, como, por exemplo: número de variáveis de controle, tipo estratégia de controle, custo, complexibilidade e outros. Além disso, indica qual técnica seria mais indicada para o tipo de instalação fo-tovoltaica (interligado à rede ou isolado). Dentre uma das técnicas está o perturba e ob-serva, dando ênfase para dois tipos de perturba e observa modificados, o primeiro ajusta o passo com base na variação de tensão e o segundo ajusta com base na variação de ciclo de trabalho do conversor, conforme Amrouche (2012).
2.2. DESEMPENHO DE MÓDULO FOTOVOLTAICO COM RASTREA-MENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA
11
Segundo Sundareswaran (2014), o sombreamento parcial resulta em uma curva de potência do sistema fotovoltaico contendo mais de um ponto de máxima potência, assim, com a finalidade de encontrar o ponto de máxima potência global é realizado um estudo com-parativo entre as técnicas de rastreamento do ponto de máxima potência modernas, as quais conseguem obter o ponto global de máxima potência, independente do sombrea-mento parcial. Em Moreira (2018), o rastreamento do ponto de máxima potência global com melhor resultado foi dado pela sequência de Fibonacci que utiliza como incremento de tensão a sequência numérica do mesmo, assim foi encontrado um excelente tempo de convergência e precisão elevada de 99,58%.
Segundo Figueiredo (2019) e Alik (2015), o rastreamento do ponto de máxima potência para uma condição de sombreamento parcial, o qual possui mais de um ponto máxima potência em sua curva de potência, a utilização do algoritmo enxame de partículas apresenta um de-sempenho superior se comparado com o algoritmo de perturba e observa, pois com o enxame de partículas é possível localizar o máximo global. Contudo, demandará de mais recursos.
2.3 Conclusão
Verificou-se que o diodo de passagem inteligente está bem consolidado nos trabalhos científicos atuais e até já é possível encontrar módulos com essa tecnologia no mercado, utilizando um diodo de passagem inteligente por célula, como o módulo fotovoltaico da empresa alemã AE SOLAR, sendo o módulo denominado de Smart
Hot-Spot Free, que patenteou seu próprio diodo de passagem inteligente, estando o
12 CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE
Figura 2.1: Recorte do módulo AE Smart Hot-Spot Free.
O uso de uma unidade de diodo de passagem inteligente 74611 por célula teria um aumento no custo total do módulo fotovoltaico de 10,4%, assumindo que um diodo de passagem Schoktty representa 0,12% do custo total do módulo fotovoltaico, enquanto que um diodo de passagem inteligente da Texas Instruments representa 0,15%, isto é, um aumento por unidade de 25%. Contudo, são utilizados 24 vezes mais diodos de passagem, passando de 3 unidades de diodo de passagem para 72 unidades de diodos de passagem inteligente, aumentando seu custo final.
Por outro lado, não foi encontrado um rastreamento do ponto de máxima potência simples, como o perturba e observa com uma resposta rápida no tempo por conta de um passo de tensão adaptativo à medida que o nível de variação de potência aumenta ou diminui e que consiga eliminar o erro de regime com o ponto médio da região de conver-gência.
Capítulo 3
Fundamentação Teórica
e Proposta
Este capítulo apresenta a modelagem do sistema solar fotovoltaico, sendo a sua menor unidade denominada de célula fotovoltaica. Já o conjunto de células ligadas em série é denominado de módulo fotovoltaico, enquanto o conjunto de módulos ligados em série é denominado de série fotovoltaica e o conjunto de séries ligados em paralelo é denomi-nado de arranjo fotovoltaico. Expõe também os impactos do sombreamento no sistema fotovoltaico, em especial o sombreamento parcial. Além disso, ratifica a importância do diodo de passagem e, principalmente, as vantagens do diodo de passagem inteligente para o sistema fotovoltaico perante o sombreamento parcial, com vistas a reduzir as perdas e aumentar sua tolerância quanto ao sombreamento parcial. E, por fim, evidencia a impor-tância do rastreamento do ponto de máxima potência e, principalmente, as vantagens de se utilizar uma técnica de simples implementação: perturba e observa, porém, alterando algumas características para ficar mais eficiente e com menor erro de regime, indepen-dente da condição exposta.
3.1 Modelagem do sistema solar fotovoltaico
Antes de mais nada, é necessário a modelagem da célula fotovoltaica para posterior-mente ser montado um módulo fotovoltaico. O modelo mais utilizado para modelagem de uma célula é o modelo de um diodo [Villalva et all 2009], pois apresenta uma boa aproximação com os módulos fotovoltaicos de catálogos comerciais, conforme Figura 3.1.
Figura 3.1: Modelo de célula fotovoltaica com um diodo.
14 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
silício (mono ou policristalino), então a mesma se comportará, também, como um diodo, que é atravessado por uma corrente unidirecional 𝐼𝐷 (equação de Shockley), que depende da tensão 𝑉𝑃 nos terminais da célula (desprezando as resistências parasitas), conforme Figura 3.2.
Figura 3.2: Característica ideal de corrente da célula fotovoltaica.
Observa-se uma queda de tensão no circuito até os contatos exteriores, é causada por uma resistência parasita que pode ser representada por uma resistência em série 𝑅𝑠. Do mesmo modo, também existe uma corrente de fuga, provocada por outra resistência pa-rasita que pode ser descrita como uma resistência em paralelo 𝑅𝑠ℎ.
A corrente 𝐼𝑃 é definida conforme Equação (3.1) :
𝐼𝑃 = 𝐼𝑝ℎ− 𝐼𝐷− 𝐼𝑅.
(3.1) Sendo decomposta nas Equações (3.2) a (3.4):
𝐼𝑝ℎ= 𝑆 𝑆𝑛(1 + 𝐾𝑖(𝑇 − 𝑇𝑛))𝐼𝑠𝑐, (3.2) 𝐼𝐷 = 𝐼0(𝑒( 𝑉𝐷 𝑉𝑇)− 1), (3.3) 𝐼𝑅 = 𝑉𝐷 𝑅𝑠ℎ. (3.4)
Onde, 𝑇, 𝐼𝑜, 𝑉𝐷 e 𝑉𝑇 são definidos como (3.7), (3.8), (3.9) e (3.9), respectivamente:
𝑇 = 𝑇𝑎+ 𝑆 ( 𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20 800 ), (3.5) 𝐼0 = 𝐼0𝑛( 𝑇 𝑇𝑛) 3 𝑒(𝜀𝑔( 1 𝑉𝑇𝑛 − 1 𝑉𝑇)) , (3.6) 𝑉𝐷 = 𝑉𝑃 + 𝑅𝑠𝐼𝑃, (3.7) 𝑉𝑇 = 𝑘𝑛𝑇 𝑞𝑒 . (3.8)
3.1. MODELAGEM DO SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO 15 𝐼0𝑛 = (1+𝐾𝑖(𝑇−𝑇𝑛))𝐼𝑠𝑐 𝑒 ((1+𝐾𝑣(𝑇−𝑇𝑛))𝑉𝑜𝑐 𝑉𝑇𝑛 )− 1 , (3.9) 𝜀𝑔 = 𝜀𝑔𝑛 − 𝜀𝑔𝛼( 𝑇2 𝜀𝑔𝛽 + 𝑇), (3.10) 𝑉𝑇𝑛 =𝑘𝑛𝑇𝑛 𝑞𝑒 . (3.11)
Em suma, 𝑆 é a irradiância solar; 𝐾𝑖 é o coeficiente de corrente de curto-circuito; 𝑇 é a temperatura de trabalho da célula em Kelvin (𝐾); 𝐼𝑠𝑐 é a corrente de curto-circuito; 𝐼0 é a corrente de saturação reversa do diodo; 𝑉𝐷 é a tensão nos terminais do diodo; 𝑉𝑇 é o potencial térmico ou a excitação térmica, que varia com a temperatura e é responsável por alterar a vibração dos elétrons na junção 𝑝 − 𝑛; 𝑇𝑎 é a temperatura ambiente; 𝑁𝑂𝐶𝑇 (Normal Operating Cell Temperature) é a condição de operação para temperatura ambi-ente de 20 °𝐶, irradiância solar de 800 𝑊/𝑚² e velocidade do vento de 1 𝑚/𝑠²; 𝜀𝑔 é o
gap de energia ou a energia da banda proibida do semicondutor; 𝐼𝑃 é a corrente nos ter-minais da célula; 𝑘 é constante de Boltzman (𝑘 = 1,38064903.10−23 𝐽/𝐾); 𝑛 é o cons-tante de idealidade do diodo; 𝑞𝑒 é a carga do elétron (𝑞𝑒 = 1, 60217663.10−19 𝐶); 𝐾
𝑣 é
o coeficiente de tensão de circuito aberto; 𝑉𝑜𝑐 é a tensão de circuito aberto; 𝜀𝑔𝛼 é a cons-tante alfa da dependência de temperatura do gap de energia (silício: 𝜀𝑔𝛼 = 7,021.10−4);
𝜀𝑔𝛽 é a constante beta da dependência de temperatura do gap de energia (silício: 𝜀𝑔𝛽 = 1108). As demais variáveis com subíndice “n” são os parâmetros nominais ou de refe-rência.
O módulo fotovoltaico é uma combinação de células fotovoltaicas ligadas em série, embora já existam módulos com até 144 células (células com metade do tamanho), con-forme Figura 3.3, sendo dois conjuntos em paralelo de 72 células ligadas em série, sendo essa uma alternativa física para amenizar problemas de sombreamento parcial e entregar um módulo com maior potência e com maior eficiência. E mais recentemente, existem módulos bifaciais contendo o dobro de células, isto é, 288 células em um único módulo, contendo quatro grupos de 72 células, duas em cada face do módulo.
Figura 3.3: Ligação em série das células fotovoltaicas compondo um módulo fotovoltaico. + 1) 1) sim ΔV > 0 sim Vref = V ref + Vpasso (k ) k)
16 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.2 Impactos do sombreamento parcial
O sombreamento pode ser explicado como uma irradiância solar com uma magnitude baixa, contudo se for uniforme na superfície de um módulo, ele não é danoso. Porém se não for uniforme, então será prejudicial para o módulo porque ocasionará o aquecimento da célula sombreada, denominado de hot-spot (ponto quente), uma vez que essa célula se comportará como uma carga resistiva, dissipando parte da potência do módulo (células iluminadas). Além disso, a temperatura elevada poderá causar danos irreparáveis a célula sombreada, inviabilizando o módulo inteiro em caso de problemas no diodo de passagem. Conforme Figura 3.4, onde 𝑉𝑏𝑟 é a tensão de ruptura da célula e 𝑉𝑜𝑐 é a tensão de circuito aberto, é possível observar a curva i-v de um gerador solar fotovoltaico, onde é possível verificar que o nível de tensão modifica de polaridade quando o nível de corrente supera a corrente de curto-circuito, ficando com valores de tensão negativos e tais valores são elevados suficientes para ativar a condução de um diodo de passagem.
Figura 3.4: Curva I-V de um gerador solar fotovoltaico.
Uma vez que uma célula está sombreada parcialmente, seu nível de corrente de curto-circuito diminui ficando, na maioria das vezes, menor que a metade das demais células sem sombreamento parcial, por isso todo módulo deve ter um diodo de passagem a fim de evitar danos irreparáveis à célula. A Figura 3.5, mostra que uma célula sombreada totalmente funciona como um bloqueio para o fluxo de corrente no módulo fotovoltaico, todavia se ela estive parcialmente sombreada, ela funciona como um limitante de corrente ou até mesmo como uma carga quando o nível de corrente supera sua corrente de curto-circuito. -15 -10 -5 0 5 10 15 Tensão (V) 0 5 10 15 20 C o rr ent e (A )
Curva I-V com parâmetros constantes
Vbr Voc
3.3. A NECESSIDADE DO DIODO DE PASSAGEM 17
Figura 3.5: String com uma célula sombreada.
3.3 A necessidade do diodo de passagem
Quando existe qualquer impedimento no fluxo de corrente de um módulo fotovol-taico, seja por sombreamento parcial, total, diferença física entre módulos ou até mesmo posicionamento distinto em um telhado, o diodo de passagem é essencial para desviar o fluxo do restante das células sem sombreamento. Conforme Figura 3.6, o diodo de passa-gem deve ser ligado em antiparalelo com as células. E, atualmente, a maioria dos módulos com 72 células utilizam 3 diodos de passagem, assim sendo, 24 células por diodo de passagem.
Figura 3.6: Utilização de diodo de passagem em um módulo fotovoltaico. Conforme Figura 3.7, é possível analisar o quanto é impactante o sombreamento uti-lizando a configuração mais comum de 3 diodos de passagem por módulo. Como
resul-18 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Figura 3.7: Funcionamento do diodo de passagem em um módulo fotovoltaico. Observa-se que a melhor situação será um diodo de passagem por célula, no entanto os diodos utilizados possuem, relativamente, uma grande queda de tensão ou uma elevada potência dissipada quando em modo de condução direta, visto que a tensão de operação de uma célula fotovoltaica fica em torno de 0,5 V e a queda de tensão de um diodo de silício é de 0,7 V, conforme Figura 3.8.
Figura 3.8: Silício: 30 células sombreadas para inviabilizar um módulo fotovoltaico. Embora o diodo de Schottky seja mais eficiente que o de silício e tenha uma queda inferior, sendo de tensão de 0,4 V, ainda assim ele não seria interessante na configuração de um diodo de passagem por célula, pois sua tolerância perante o sombreamento seria, aproximadamente, 56% do total de células do módulo.
Por exemplo, considerando-se um módulo de 72 células com cada célula de 0,5 V de tensão de operação, então teria uma tensão de 36 V no módulo fotovoltaico. Contudo a cada célula sombreada e considerando um diodo de passagem por célula perder-se-ia 0,5 V da célula mais a queda de tensão de 0,4 V do diodo polarizado, portanto considerando a metade do módulo, tem-se uma queda de: 32,4 V. Para 40 células têm-se 36 V de queda de tensão, inviabilizando o restante do módulo, conforme Figura 3.9.
3.3. A NECESSIDADE DO DIODO DE PASSAGEM 19
Figura 3.9: Schottky: 40 células sombreadas para inviabilizar um módulo fotovoltaico. Por essa razão, algumas empresas criaram o diodo de passagem inteligente, que tem uma queda de tensão de 0,026 V [Texas Instruments 2016], isto é, quinze vezes menor que a do diodo Schottky. Assim, o diodo de passagem inteligente consegue uma tolerância de 94% perante o sombreamento, ou seja, um ganho de 70%, além de outras vantagens, conforme Figura 3.10.
Figura 3.10: Diodo de passagem inteligente 74611: 68 células sombreadas para inviabi-lizar um módulo fotovoltaico.
Conforme Figura 3.11, o diodo de passagem inteligente é um dispositivo que emula o funcionamento de um diodo e para isso utiliza um MOSFET. Por essa razão garante o desempenho superior que o tradicional diodo de passagem, além de ter uma temperatura de trabalho menor o que auxilia o bom desempenho do módulo uma vez que a eficiência do módulo fotovoltaico diminui com o aumento da temperatura.
20 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.4 O perturba e observa
Essa técnica de rastreamento do ponto de máxima potência é simples. Basicamente é alterado o nível de tensão imposta ao módulo pelo conversor de potência e então é verificado o que ocorre com a potência, caso ocorra um aumento, então o algoritmo continua elevando a tensão, senão o contrário, conforme Figura 3.12, [Femia et all 2008].
Figura 3.12: Fluxograma do perturba e observa.
O passo de incremento de tensão é o maior limitador dessa técnica, haja visto sua relação com a velocidade de convergência, ou seja, um passo grande encontra mais rápido um ponto de máxima potência, entretanto terá um erro maior em regime, bem como o contrário. Portanto, o melhor seria ter um incremento ajustável ou proporcional à variação de potência observada, conforme [Walker et all 2006].
Outro problema é o erro em regime inerente a essa técnica. Este trabalho sugere a utilização de uma classificação dos níveis observados pelo algoritmo quando se percebe que está na região de um ponto de máxima potência, fazendo a medição e agrupando ou calculando o ponto médio desses pontos com o propósito de eliminar o erro em regime ou de eliminar as oscilações nessa região dando estabilidade para o algoritmo.
Conquanto existem outras versões modificadas desse algoritmo. Nesses trabalhos não foram feito um estudo com um passo variável proporcional a variação de potência, apenas sendo observado passos proporcionais a tensão de circuito aberto [Al-Amoudi et all 1998] ou outros [Subudhi e Pradhan, 2013] [Mousa et all 2019].
3.5. O PERTURBA E OBSERVA PROPOSTO 21
Figura 3.13: Fluxograma do perturba e observa proposto.
O estado estacionário ocorre quando a condição de estabilidade atende o nível de sensibilidade determinado, isto é, quando acontece uma baixa oscilação de potência, con-sequentemente, de tensão. Neste caso, o estado estacionário é realizado com a subtração da amostra de tensão atual com sua anterior, considerando as últimas cinco amostras, uma a uma, sendo que os resultados dessas quatro subtrações são somados e retirado o valor absoluto do somatório. Se o resultado desse somatório atender a sensibilidade
determi-3.5 O perturba e observa proposto
O perturba e observa é uma técnica de rastreamento do ponto de máxima potência relativamente simples. Basicamente, é alterado o nível de tensão imposto ao módulo pelo conversor de potência, e após isso, é verificado o que ocorre com a potência e caso ocorra um aumento, então o algoritmo continua elevando a tensão, senão o contrário.
O perturba e observa adaptativo possui um tamanho de passo proporcional à variação de potência, considerando 10% do valor dessa variação. Isso garante uma resposta no tempo mais rápida, porque quando ocorre uma variação de irradiância brusca, necessari-amente, ocorrerá uma variação brusca na potência. Assim, nesse momento, o tamanho de passo será maior e atingirá a região de estabilidade mais rapidamente.
Além disso, quando está na região de estabilidade ou no entorno do ponto de máxima potência, o tamanho de passo diminui, uma vez que a variação de potência também dimi-nui, porém ainda existem pequenas oscilações. A fim de eliminar essas pequenas oscila-ções é preciso o uso do agrupamento das cinco últimas amostras de nível de tensão, isto é, a média simples dos valores das 5 últimas amostras, conforme Figura 3.13.
22 CAPÍTULO 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Figura 3.14: Fluxograma do estado estacionário proposto.
Uma vez determinado o nível de tensão com agrupamento (média simples), é verifi-cado se ocorre variação de potência, caso sim, o algoritmo retorna para o perturba e ob-serva adaptativo.
3.6 Conclusão
O módulo fotovoltaico modelado e simulado tem um erro inferior a 1% se comparado com as curvas fornecidas pelo fabricante, levando em consideração os pontos de corrente, potência e tensão dados no datasheet. Portanto, a modelagem de um diodo é muito efici-ente e de fácil manipulação.
Neste capítulo, conclui-se que o sombreamento impacta diretamente no desempenho de um módulo fotovoltaico, seja bloqueando o fluxo de corrente quando uma única célula está totalmente sombreada ou limitando o fluxo e gerando elevação de temperatura na célula quando exposto a um sombreamento parcial.
Conclui-se que desempenho do diodo de passagem inteligente é superior aos tradici-onais diodos de passagem. Embora não seja, de fato, um diodo com outra tecnologia ou com outro material, pois ele emula o comportamento de um diodo de passagem através de um MOSFET e garante menor potência dissipada. Além disso, utilizando a melhor configuração perante o sombreamento que seria um diodo de passagem inteligente por célula, ele garante elevada tolerância ao sombreamento.
Conclui-se que o perturba e observa é uma técnica de rastreamento do ponto de má-xima potência simples, de fácil desenvolvimento e confiável, entretanto seu passo fixo limita seu desempenho além de não estabilizar em um ponto com erro nulo. Portanto, o passo adaptativo e com agrupamento resolveria tais barreiras da técnica.
Capítulo 4
Resultados
Este capítulo apresenta os resultados obtidos no tocante à modelagem e simulação do módulo fotovoltaico, sendo uma abordagem de célula a célula, onde cada célula é prote-gida por um diodo de passagem inteligente. Por fim, o módulo é exposto a duas variações de sombreamento parcial e analisado o desempenho do rastreamento do ponto de máxima potência utilizando o perturba e observa com o passo adaptativo e com agrupamento.
4.1 O módulo fotovoltaico
O módulo simulado baseou-se no módulo comercial do fabricante: Canadian, mo-delo: MaxPower CS6U, de 330 Wp, 72 células e policristalino, conforme Tabela 4.1. Os resultado de simulação das curvas de corrente versus tensão para diferentes níveis de irradiância e temperatura para esse módulo fotovoltaico podem ser verificados pela Fi-gura 4.1 e comparados com a FiFi-gura 4.2, resultando em uma aproximação de 99,4%.
Tabela 4.1: Dados elétricos do módulo fotovoltaico modelado.
Dados Elétricos em STC: 330P
Potência Máxima Nominal (Pmax) 330 W
Tensão de Potência Máxima (Vmp) 37,2 V
Corrente de Potência Máxima (Imp) 8,88 A
Tensão de Circuito Aberto (Voc) 45,6 V
24 CAPÍTULO 4. RESULTADOS
Figura 4.2: Curvas do catálogo.
4.2 O perturba e observa adaptativo com agrupamento
Neste trabalho, foram realizados dois testes, sendo o primeiro conforme Figura 4.3. No primeiro teste foram selecionadas algumas células fotovoltaicas aleatoriamente para aplicar o sombreamento parcial e se essas células selecionadas fossem em um módulo convencional ter-se-ia um nível de potência próximo de zero, pois cada célula sombreada estaria em uma zona de proteção de cada um dos três diodos de passagem.
Figura 4.3: Primeira condição de sombreamento parcial testada.
A fim de verificar o desempenho do módulo fotovoltaico modelado, foram realizadas variações de irradiância nas células selecionadas (para ambas condições testadas) a fim de simular um sombreamento parcial, conforme Figura 4.4, possuindo aumento e dimi-nuição de irradiância. Porém, no instante de tempo entre 6 e 8 segundos, tem-se, na ver-dade, todas as outras células com 1.000 W/m² (sombreadas) e as selecionadas com 1.200 W/m².
4.2. O PERTURBA E OBSERVA ADAPTATIVO COM AGRUPA-MENTO
25
Figura 4.4: Perfil de irradiância testado para ambas condições.
Conforme Figura 4.5, pode-se observar que a velocidade de convergência é direta-mente ligada ao tamanho do passo, isto é, um passo grande tem maior velocidade para alcançar a região ótima, podendo ser um máximo global ou local. Assim como as oscila-ções em estado estacionário estão diretamente ligadas ao tamanho de passo, ou seja, quanto menor o tamanho de passo, menores as oscilações em estado estacionário.
Figura 4.5: Comparação do tamanho de passo para tensão.
Conforme Figura 4.6, pode-se ratificar que a velocidade de convergência com um passo proporcional à variação de potência possui mais celeridade quando está fora do
26 CAPÍTULO 4. RESULTADOS
Figura 4.6: Comparação do tamanho de passo para potência.
Conforme Figura 4.7, é exibido o detalhamento da Figura 4.6 no intervalo de tempo entre 6 e 8 segundos, visando ratificar que o passo adaptativo é grande fora do estado estacionário e pequeno dentro do estado estacionário, ao ponto de, aparentemente, das oscilações sumirem devido à redução de variação de potência em estado estacionário, porém as oscilações continuam. É possível observar, neste caso, que existe um atraso mínimo, uma oscilação grande no estado estacionário e um valor médio inferior (dife-rença de 0,3 W) se comparado o perturba e observa adaptativo com perturba e observa de passo fixo com tamanho grande, mas se comparar com o perturba e observa de passo fixo com tamanho pequeno houve o oposto, com um atraso de 1,4 segundo.
Figura 4.7: Detalhamento do tamanho de passo para potência.
Conforme Figura 4.8, é exibido a comparação do perturba e observa com tamanho de passo grande em relação ao uso do perturba e observa adaptativo com agrupamento, res-pectivamente, clustering off e clustering on. O agrupamento só é possível uma vez que o algoritmo detecta que está no estado estacionário, onde ocorrem as pequenas oscilações, pois está no entorno do ponto de máxima potência. Assim que as oscilações são menores que um determinável valor e detectado pelo algoritmo, então é calculado o ponto médio
4.2. O PERTURBA E OBSERVA ADAPTATIVO COM AGRUPA-MENTO
27
ou a média das 5 últimas amostras de tensão e imposta ao módulo fotovoltaico, elimi-nando perdas por oscilações no estado estacionário.
Figura 4.8: Comparativo de desempenho do perturba e observa fixo grande com o per-turba e observa proposto.
Conforme Figura 4.9, é apresentado a comparação entre o perturba e observa adaptativo sem agrupamento e o perturba e observa adaptativo com agrupamento. O atraso exibido ocorre por conta do tempo necessário para o cálculo da média. Todavia, as oscilações são eliminadas no estado estacionário.
Figura 4.9: Comparativo de desempenho do perturba e observa adaptativo sem e com agrupamento.
28 CAPÍTULO 4. RESULTADOS
Figura 4.10: Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento.
Conforme Figura 4.11, é observado o detalhe entre o intervalo de tempo de 6,5 a 8,0 segundos. Essa oscilação no estado estacionário provoca perda de eficiência para o con-versor, visto que fica oscilando numa região de equilíbrio.
Figura 4.11: Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento.
Os resultados da primeira configuração de sombreamento parcial, apresentam simila-ridades acerca de nível de tensão e de potência, mas divergindo na velocidade de conver-gência e nas oscilações em estado estacionário.
Neste trabalho, o segundo perfil de sombreamento parcial foi realizado conforme Fi-gura 4.12, a fim de verificar o desempenho em outra condição de maior número de células sombreadas (4 vezes mais células). De maneira análoga com o primeiro perfil de som-breamento parcial, foram selecionadas células fotovoltaicas aleatoriamente, totalizando 12 células para a realização do teste de sombreamento (mesmo perfil de irradiância do perfil de sombreamento parcial anterior).
4.2. O PERTURBA E OBSERVA ADAPTATIVO COM AGRUPA-MENTO
29
Figura 4.12: Segunda condição de sombreamento parcial testada.
Conforme Figura 4.13, pode-se observar que o tamanho de passo pequeno demora demasiadamente e não consegue encontrar a tempo o estado estacionário. O tamanho de passo grande tem maior velocidade para alcançar a região ótima, podendo ser um máximo global ou local (ocorrendo no último intervalo de tempo entre 8 e 10 segundos).
Figura 4.13: Comparação do tamanho de passo para tensão.
Conforme Figura 4.14, pode-se verificar que no entorno do tempo de 6 segundos o tamanho de passo pequeno teve um salto, isso ocorreu pois no intervalo anterior de tempo
30 CAPÍTULO 4. RESULTADOS
Figura 4.14: Comparação do tamanho de passo para potência.
Conforme Figura 4.15, é explicado o que ocorre no intervalo de tempo entre 8 e 10 segundos da Figura 4.13, onde apresentou divergência entre os resultados do perturba e observa com passo fixo (pequeno e grande) e o adaptativo. Ocorreu que como houve uma queda de potência, o perturba e observa adaptativo reduziu a tensão, aproximando do máximo global, porém, o perturba e observa com tamanho fixo tomou o viés oposto, indo para o máximo local.
Figura 4.15: Curva P-V para 1.200 e 600 W/m².
Conforme Figura 4.16, é exibido a comparação do perturba e observa com tamanho de passo grande em relação ao uso do perturba e observa adaptativo com agru-pamento, respectivamente, clustering off e clustering on. Assim que as oscilações são menores que um determinável valor e detectado pelo algoritmo, então é calculado o ponto médio ou a média das 5 últimas amostras de tensão e imposta ao módulo fotovoltaico, eliminando perdas por oscilações no estado estacionário.
4.2. O PERTURBA E OBSERVA ADAPTATIVO COM AGRUPA-MENTO
31
Figura 4.16: Comparativo de desempenho do perturba e observa fixo grande com o per-turba e observa proposto.
Conforme Figura 4.17, é apresentado a comparação entre o perturba e observa adap-tativo sem agrupamento e o perturba e observa adapadap-tativo com agrupamento. O atraso foi removido se o cálculo da média for realizado constantemente e usado quando necessário, ganhando tempo.
Figura 4.17: Comparativo de desempenho do perturba e observa adaptativo sem e com agrupamento.
32 CAPÍTULO 4. RESULTADOS
Figura 4.18: Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento.
Conforme Figura 4.19, é observado o detalhe entre o intervalo de tempo de 6,5 a 8,0 segundos. Essa oscilação no estado estacionário provoca perda de eficiência para o con-versor, visto que fica oscilando numa região de equilíbrio.
Figura 4.19: Comparativo de desempenho sem ou com agrupamento.
Na Figura 4.20, apresenta o ciclo de trabalho do conversor boost interligando o mó-dulo fotovoltaico com o inversor. Assim, é possível verificar que o pico apresentado no primeiro momento do perfil de sombreamento parcial para o segundo caso em 2 segun-dos, onde ocorre um pico de tensão, não desligará o conversor uma vez que opera dentro do limite de operação adequado de 0,2 a 0,8. Assim, o efeito de borde de nuvem, que é uma mudança drástica de irradiância, não desligaria o conversor.
4.3. CONCLUSÃO 33
Figura 4.20: Ciclo de trabalho do conversor boost ligado ao inversor de potência.
Os resultados da segunda configuração de sombreamento parcial, apresentam diver-gência acerca de nível de tensão e de potência em alguns momentos, principalmente pelo maior nível de sombreamento e velocidade de convergência.
4.3 Conclusão
Capítulo 5
Conclusão
5.1 Conclusão Geral
Foi modelado e simulado um sistema fotovoltaico com diodo de passagem com base em um modelo fotovoltaico comercial atual e, também, um algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência usando perturba e observa com passo proporcional à variação de potência, sendo eficiente, porém não elimina o erro de regime. Para zerar as oscilações de regime ou em estado estacionário é necessário o uso do agrupamento, o qual detecta que está numa condição de baixa oscilação e determine o ponto médio com um erro mí-nimo.
Portanto, fica confirmado que não somente o sombreamento parcial é impactante na produção de energia elétrica, como também que o diodo de passagem é essencial para evitar danos irreversíveis às células fotovoltaicas, além de aumentar sua tolerância pe-rante o sombreamento. Já o diodo de passagem inteligente, na configuração de um por célula, apresenta uma elevada tolerância ao sombreamento, superando os 90% de tole-rância em relação à quantidade total de células de um módulo fotovoltaico. Além do mais, o diodo de passagem inteligente eleva a eficiência do sistema fotovoltaico porque permite que células iluminadas ou não sombreadas continuem fornecendo energia sem serem des-ligadas por um tradicional sistema de passagem, o qual contém mais de uma célula por diodo de passagem, geralmente entre 20 a 32 células por diodo de passagem.
O tamanho de passo adaptativo apresentou uma resposta no tempo rápida, tanto para transitório quanto para região de estabilidade, mas somente com o agrupamento foi pos-sível eliminar as oscilações em estado estacionário.
Assim, o perturba e observa proposto eliminou as perdas que ocorrem no perturba e observa de passo fixo, sendo que para o tamanho grande uma perda por conta das oscila-ções em estado estacionário e para o tamanho pequeno uma perda por conta do atraso para rastrear o estado estacionário.
Dessa forma, o perturba e observa adaptativo com agrupamento elimina as perdas desnecessárias por chaveamento, embora essas perdas sejam pequenas, elas ainda exis-tem, mesmo quando utilizado o tamanho de passo adaptativo. Por outro lado, é possível eliminar essas perdas com o uso de agrupamento, possibilitando um erro em estado esta-cionário mínimo ou nulo, dependendo do nível de sensibilidade e das últimas amostras.
36 CAPÍTULO 5. CONCLUSÃO
turba e observa proposto, bem como possíveis modificações para que seja possível en-contrar o máximo global com uma resposta mais simples.
5.2 Artigos Publicados
Durante o curso de mestrado foram desenvolvidos os seguintes artigos:
1. Moreira, A. V. S, Lima, A. de S., Maitelli, A., L. e Barros, L. S. (2019), “An
Adaptive Perturb and Observe Method with Clustering for Photovoltaic Mo-dule with Smart Bypass Diode under Partial Shading”, em Innovative Smart
Grid Technologies Conference – ISGT, publicado;
2. Lima, A. de S., Moreira, A. V. S, Maitelli, A., L. e Barros, L. S. (2019),
“Ma-ximum Power Point Tracking through Magic Square for Photovoltaic Modu-les Under Partial Shading”, em Innovative Smart Grid Technologies
Confe-rence – ISGT, publicado;
3. Moreira, A. V. S, Lima, A. de S., Maitelli, A., L. e Barros, L. S. (2019),
“Com-parison of Clusters for an Adaptive Perturb and Observe Method for Photo-voltaic Module with Smart Bypass Diode under Partial Shading”, no
periódico Applied Energy, em submissão.
4. Lima, A. de S., Moreira, A. V. S, Maitelli, A., L. e Barros, L. S. (2019), “Magic Square Permutation for Six per Six Modules Photovoltaic Arrays
Referências Bibliográficas
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URL:
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