Projeto, Simulação e Análise de um Sistema de MPPT
Baseado no Método do Gradiente de Temperatura
Paula dos Santos, Eduardo M. Vicente, Caio A. da Costa,Tales C. Pimenta, Enio R. Ribeiro
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEIAv. BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho 37500-903 Itajubá, MG, Brasil
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]
Abstract—This paper presents the design, simulation and
analysis of a Maximum Power Point Tracking (MPPT) system for a photovoltaic module, based on the temperature gradient method. In this method, the maximum power point tracking is made by the maintenance of the output voltage near the Maximum Power Point (MPP) voltage, which is proportional to the module temperature.
Through the text, simulations that show the effect of temperature on the modification of the MPP are presented, and the development of a system able to evaluate these changes and to modify the variables of the DC-DC converter, so that the module constantly works at the point of highest power, is also analyzed.
I. INTRODUÇÃO
A crescente demanda de energia elétrica associada à escassez dos recursos naturais tem estimulado o uso de fontes de energias alternativas não poluentes e renováveis para a geração de eletricidade. Os sistemas fotovoltaicos têm se mostrado uma boa alternativa para locais com carência no fornecimento de energia elétrica e em aplicações móveis devido a fatores como: simplicidade na instalação, facilidade de expansão, alto grau de confiabilidade e pouca necessidade de manutenção.
Entretanto a eficiência dos sistemas fotovoltaicos apresenta grande variação na potência elétrica gerada em função das condições climáticas e da carga ao qual estão associados. Variações na irradiância e na temperatura provocam mudanças nos parâmetros elétricos do sistema e alteram o ponto de operação dos módulos fotovoltaicos.
Estudos sobre os efeitos do aumento da temperatura nos módulos fotovoltaicos estão em curso, e um dos principais objetivos é o melhor aproveitamento da energia produzida por um sistema superaquecido [1].
Uma das alternativas para melhorar a eficiência de um sistema sob essas condições é atuar no método de rastreamento do ponto de máxima potência. O Maximum
Power Point é o ponto de operação em que o módulo
fotovoltaico fornece à carga sua maior potência. Nesse ponto o produto dos valores de tensão e corrente do sistema fotovoltaico atinge o valor máximo.
Em muitas análises é usual desconsiderar as variações na temperatura de operação para simplificar os projetos, entretanto, com o aumento da temperatura ocorre uma redução gradual na tensão de operação o que compromete consideravelmente a produção de energia se o sistema de controle não agir de forma adequada.
Várias técnicas vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de tornar cada vez mais precisa a busca pelo ponto de máxima potência diante das mudanças meteorológicas[2], entretanto a complexidade de alguns métodos compromete a relação custo-benefício [3].
O objetivo deste artigo é apresentar o projeto, análise e simulação de um sistema de MPPT baseado no método do Gradiente de Temperatura. Neste método leva-se em consideração a temperatura de operação do sistema fotovoltaico e a partir desta informação determina-se o valor da tensão de máxima potência. A função do sistema de controle implementado através de um compensador PI é garantir que o módulo fotovoltaico opere o mais próximo do ponto de máxima potência.
Este artigo está organizado da seguinte forma: a eficiência dos módulos fotovoltaicos e os principais fatores que influenciam no rendimento de um painel fotovoltaico são apresentados na Seção II. Na Seção III apresenta-se o modelo elétrico para o módulo fotovoltaico. O projeto do conversor CC-CC Buck, acoplado ao sistema fotovoltaico, é desenvolvido na Seção IV. Na Seção V apresenta-se o projeto do compensador PI responsável pela manutenção da tensão de operação do sistema fotovoltaico. Finalmente, na Seção VI realizam-se uma série de simulações do sistema proposto bem como uma comparação ao método de MPPT Tensão Constante. A conclusão é apresentada na Seção VII.
II. EFICIÊNCIA DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Atualmente, os módulos solarescristalinos comerciais apresentam uma eficiência de conversão na faixa de 12 a16%[4]. Entretanto, o rendimento de um sistema fotovoltaico pode ser severamente reduzido se os módulos não estiverem sob condições ideais de funcionamento (S=1000W/m² e T=25°C). O desempenho destes sistemas depende, principalmente, da irradiância e da temperatura.
A. Irradiância
Irradiância é a grandeza utilizada para descrever a radiação solar incidente por unidade de área e é medida em W/m².
Em um módulo fotovoltaico, a incidência da radiação solar provoca o aparecimento de uma corrente foto-gerada diretamente proporcional a essa irradiância. No estado de curto-circuito a corrente resultante também varia na mesma proporção da radiação[5].
Na Figura 1, as curvas I-V para o módulo fotovoltaico KS10 da marca Kyocera[6], sob diferentes níveis de irradiância, são apresentadas. Observa-se que a corrente diminui à medida que diminui o nível de radiação, enquanto a tensão sofre uma menor variação.
Figura 1 - Curvas IxV para o módulo KS10 sob temperatura constante e diferentes níveis de radiações.
B. Temperatura
A temperatura é uma medida do grau de agitação das moléculas e é também, um fator de grande influência no funcionamento dos módulos fotovoltaicos. Os módulos fotovoltaicos comerciais são projetados para trabalhar a uma temperatura média de 25°C. O principal efeito provocado pelo aumento da temperatura do módulo é uma redução de sua tensão como se verifica na Figura 2[7].
Figura 2 - Curvas IxV para o módulo KS10 sob radiação constante e
diferentes temperaturas.
Verifica-se, portanto, que as características de saída dos módulos fotovoltaicos são fortemente dependentes das condições climáticas (irradiância e temperatura).
III. MODELO DO MÓDULO FOTOVOLTAICO
Para reproduzir o comportamento de sistemas fotovoltaicos reais, através de simulações computacionais, é fundamental que se disponha de um modelo elétrico adequado. Na literatura são encontrados diversos modelos de células fotovoltaicas capazes de reproduzir com fidelidade o comportamento de uma célula real [8] e [9].
Atualmente encontram-se disponíveis no mercado softwares específicos com modelos de módulos fotovoltaicos bastante satisfatórios.
Para a realização deste trabalho utilizou-se um software de simulação, que possibilita a modelagem e simulação de módulos fotovoltaicos, bem como a alteração das condições de temperatura e irradiância de forma eficaz.
O módulo escolhido para o estudo é o KS10 cujas características são apresentadas na Tabela I.
TABELA I. PARÂMETROS ELÉTRICOS DO MÓDULO KS10-KYOCERA.
Parâmetro Valor VMAX 21,5 [V] IMAX 0,62 [A] VMPP 16,9 [V] IMPP 0,60 [A] PMPP 10,0 [W]
Com o auxílio do software de simulação, foi realizada a modelagem dos parâmetros do módulo KS10 e as curvas resultantes, apresentadas na Figura 3, se mostram similares às curvas apresentadas no datasheet do produto, validando o modelo desenvolvido. Tensão (V) 0 C o rr en te (A) 0 A 0,62 21,5 19,8 0,31 18,2 0,15 1000 W/m² 500 W/m² 250 W/m² 25ºC Tensão (V) 0 C o rr en te ( A ) 0 0,62 21,5 20,0 18,0 1000 W/m² 25ºC 45ºC 65ºC
Figura 3 – Curvas I-V e P-V para o módulo KS10, obtidas através de um modelo computacional.
IV. PROJETO DO CONVERSOR BUCK
A energia gerada por módulos fotovoltaicos apresenta grande variação em função da temperatura, irradiância e da carga. O ponto de operação de um módulo fotovoltaico conectado diretamente a um resistor é dado pela interseção entre a curva da carga e a curva característica do módulo conforme ilustra a Figura 4[4].
Figura 4 – Ponto de operação de um módulo fotovoltaico conectado a uma carga resistiva
Para que essa interseção aconteça exatamente no ponto de máxima potência mesmo diante de modificações na curva característica, recorre-se a circuitos elétricos capazes de modificar o ponto de operação do conjunto módulo-carga. Com um método de controle adequado, os conversores CC-CC se mostram eficientes nessa tarefa, uma vez que o módulo fotovoltaico o “enxerga” como uma carga variável dependente da razão cíclica de chaveamento. De forma simplificada pode-se dizer que o conversor CC-CC atua como um “casador” de impedâncias entre o sistema fotovoltaico e a carga.
Neste trabalho define-se o conversor step-down ou Buck (Figura 5) para a construção do sistema de MPPT. Esta configuração mostra-se eficiente para este tipo de aplicação [8], em função dos níveis de radiância e temperatura.
Figura 5 – Conversor Buck.
Para determinar os parâmetros do conversor é necessário ter em mãos os dados do projeto. Salienta-se que as especificações de entrada são equivalentes aos respectivos valores referentes ao módulo fotovoltaico KS10 operando nas condições de referência (S=1000W/m² e T=25ºC).
A determinação dos parâmetros pode ser feita conforme apresentado em[10].
Determinação da razão cíclica de operação:
(1)
Potência média na carga:
(2)
Corrente média na carga:
(3) Ondulação do indutor: (4)
Ripple máximo na tensão de saída:
(5) Resistência de carga: (6) Capacitor de filtragem: (7) Tensão (V) 0 V Co rre n te (A) 0 A ISC VOC VMPP IMPP MPP R D RL LMIN CMIN RSE RCARGA S C o rr en te ( A ) P o tê n ci a (W ) Tensão (V) Tensão (V)
Indutor Buck: (8)
Os dados estão organizados na Tabela II.
TABELA II.CONVERSOR BUCK.
Parâmetro Valor D 0,71 PCARGA 9,5 [W] ICARGA 0,79 [A] ΔIL 0,079 [A] ΔVO 0,12 [V] RCARGA 15,18 [Ω] CMIN 5,24μ [F] LMIN 2,20m [H]
Entre o módulo fotovoltaico e o conversor Buck é necessária a conexão de um capacitor de barramento (Figura 6) que garante que o módulo fotovoltaico apresente um comportamento de fonte de tensão [4].
Figura 6 – Representação do módulo fotovoltaico como fonte de tensão.
O critério utilizado para o cálculo do capacitor de barramento é a freqüência de comutação do conversor. O capacitor deve responder às variações na radiação e temperatura com relativa velocidade.
No sistema em estudo o capacitor de barramento foi dimensionado em 100μF.
V. COMPENSADOR PI
Os cálculos do compensador que irá atuar junto ao conversor CC-CC são feitos com o auxílio do programa computacional.
O compensador PI é projetado de forma que a margem de fase do sistema fique em torno de 60º, isso resulta em um ganho proporcional Kp=0,501 e um ganho integral Ki=4320. O diagrama de Bode e a resposta ao degrau unitário do sistema compensado podem ser vistos nas Figuras 7 e 8.
Figura 7 – Diagrama de Bode do Conversor Buck.
Figura 8 – Resposta ao degrau unitário do sistema compensado.
VI. MPPT–GRADIENTE DE TEMPERATURA
A tensão de circuito aberto de um módulo fotovoltaico varia principalmente com a temperatura de operação do sistema, enquanto a corrente de curto-circuito é diretamente proporcional à irradiância [3].
A tensão de máxima potência pode ser descrita pela seguinte equação:
[ ]
(9)
Onde:
VMPP – Tensão de máxima potência do módulo;
VMPP_STC – Tensão de máxima potência em condições de teste padrão (25ºC e 1000W/m²); γv - Coeficiente de temperatura. VE C BAR VMOD =VE Tempo (s) T ens ão (V)
TMOD – Temperatura de operação do módulo; TSTC – Temperatura em condições de teste.
Em[3] são apresentados dois diferentes métodos para a aplicação do MPPT baseado na temperatura. Ambos se baseiam no cálculo da tensão (de circuito aberto ou de máxima potência) a partir da leitura da temperatura de operação e tensão no módulo.
O método apresentado neste trabalho utiliza a equação (9) para o cálculo da tensão de máxima potência diante de variações de temperatura. A tensão VMPP calculada é usada como referência para um regulador PI, desta forma o compensador deve atuar para que a tensão de saída do módulo fotovoltaico seja a tensão de máxima potência calculada.
A. Simulações
O circuito elétrico utilizado para simulação é apresentado na Figura 9, onde o módulo fotovoltaico é representado por seu modelo computacional.
100μF 2,5kΩ 1kΩ 1kΩ 500Ω 230nF 1nΩ 5,2μF 1nΩ 32mH C/P DLL 15Ω 1000
Figura 9 – Circuito elétrico projetado.
O módulo fotovoltaico é conectado ao capacitor de barramento e em seguida ao conversor Buck projetado na Seção IV. O controle da razão cíclica do conversor CC-CC é feito pelo controlador PI onde a tensão de referência é a tensão de MPP calculada no bloco DLL.
O código implementado no bloco DLL é apresentado a seguir:
#include <math.h> #include <stdio.h>
__declspec(dllexport) void simuser (t,delt,in,out)
double t, delt; double *in, *out; { double vmpp, vmpp_stc, temp_coef, temp_mod, temp_stc; double x, y, w, z; vmpp = 0.0; vmpp_stc = 16.9; temp_coef = 0.08; temp_mod = in[0]; temp_stc = 25.0; vmpp = vmpp_stc-temp_coef*(temp_mod-temp_stc); x = 17.7; y = 5.0; w = vmpp; z = (w*y)/x; if(z > 5.0) z = 5.0; out[0] = z; }
Nas simulações a irradiância incidente no módulo fotovoltaico foi mantida constante em 1000W/m² enquanto variou-se a temperatura de 15 a 65ºC (Figura 10).
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 10 20 30 40 50 60 70 Vtemp Tempo (s) T emp era tu ra (º C)
Figura 10 – Variação na temperatura de operação.
A título de comparação, paralelamente à utilização do método do Gradiente de Temperatura, implementou-se o método de Tensão Constante (a tensão de referência do compensador é mantida em um valor constante pré-determinado). Na Figura 11 apresenta-se o comportamento da tensão na saída do módulo com ambos os métodos.
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0 5 10 15 20 25 Vmod Vmod2 Tempo (s) T en sã o ( V )
A curva em azul representa a tensão de saída do módulo fotovoltaico com a utilização do método Tensão Constante. Como o próprio nome diz, o princípio do método é manter a tensão em um valor constante (tensão de MPPT em condições ideais de operação, neste caso 16,9 V) independente das variações climáticas.
A curva em vermelho representa a tensão de saída do módulo quando o sistema de MPPT é baseado no Gradiente de Temperatura. Pode-se observar que conforme a temperatura de operação é elevada ocorre uma redução na tensão do sistema conforme descrito na Seção II-B.
O reflexo da alteração na tensão de operação do módulo fotovoltaico pode ser melhor observado através da avaliação da potência gerada. Na Figura 12 apresenta-se uma comparação entre a potência para os dois métodos supracitados. A curva em vermelho representa a potência gerada pelo módulo fotovoltaico quando o método de MPPT utilizado é o Gradiente de Temperatura. Já a curva em azul é obtida com a utilização do método Tensão Constante.
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0 2 4 6 8 10 12 Vmod*Imod Imod2*Vmod2 Tempo (s) Po tên ci a (W )
Figura 12 – Potência gerada.
Pode-se observar que o método baseado no Gradiente de Temperatura produz melhores resultados. Com a alteração da tensão de referência no compensador o sistema pôde operar mais próximo do ponto de máxima potência real e mesmo em temperaturas elevadas obtém-se um melhor aproveitamento da energia gerada.
VII. CONCLUSÃO
Este artigo apresentou o projeto, simulação e análise de um sistema de MPPT baseado no método do Gradiente de Temperatura.
Inicialmente apresentou-se a influência dos parâmetros meteorológicos na eficiência do sistema fotovoltaico, verificou-se que a temperatura de operação do sistema tem uma relação direta com a produção de energia.
Em seguida desenvolveu-se o projeto do conversor CC-CC, bem como do sistema de MPPT baseado no método do Gradiente de Temperatura.
Através de simulações pôde-se concluir que a utilização da temperatura como parâmetro no sistema de controle representa uma grande vantagem quando comparado a um sistema onde se despreza essa grandeza. A comparação entre as curvas de potência do sistema sujeito aos métodos de Tensão Constante e Gradiente de Temperatura deixa evidente que a alteração na tensão de operação produz melhores resultados, sobretudo quando a temperatura é elevada.
Por fim, pode-se dizer que o método do Gradiente de Temperatura é uma alternativa viável para sistemas de baixo custo, tendo em vista que os sensores utilizados são de fácil aquisição e, com o maior rendimento proporcionado por esse método de controle, o aumento na potência gerada justificaria o investimento.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES e a FAPEMIG pelo apoio financeiro.
REFERÊNCIAS
[1] R.F. Coelho, F.M. Concer, D. C. Martins, “A MPPT Approach Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems” Industry Applications (INDUSCON) - Novembro de 2010, pp. 1-6.
[2] C. S. Chim, P. Neelakantan, H. P. Yoong, K. T. K. Teo, “Fuzzy Logic Based MPPT for Photovoltaic Modules Influenced by Solar Irradiation and Cell Temperature” Computer ModellingandSimulation (UKSim), 13th InternationalConferenceon. 2011, pp. 376 – 381
[3] R. Faranda, S. Leva, “Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems” WSEAS Transactions on Power Systems.2008, Issue 6, Volume 3, pp.446-455.
[4] R. F. Coelho, “Estudo dos conversores Buck e Boost aplicados ao rastreamento de máxima potência de sistemas solares fotovoltaicos. Florianópolis”. Dissertação de Mestrado, 2008. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC.
[5] P. Santos, C. A. Gallo and E. R. Ribeiro, “Análise das associações de módulos fotovoltaicos sombreados”. XVIII Congresso Brasileiro de Automática– CBA, Bonito - MS, pp. 2535 – 2542, Setembro de 2010. [6] http://www.kyocerasolar.com.br/ - acessoem 10/2011.
[7] V. Quashing and R. Hanitsch “Influence of Shading on Electrical Parameters of Solar Cells”Photovoltaic Specialists Conference. Conference Record of the Twenty Fifth IEEE - 2001, Berlin, Germany,pp. 1287 – 1290.
[8] R. Demonti “Processamento da energia elétrica proveniente de módulos fotovoltaicos”. Florianópolis. Tese de Doutorado, 2003. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC.
[9] M. M. Casaro, D. C. Martins “Modelo de Arranjo Fotovoltaico Destinado a Análises em Eletrônica de Potência Via Simulação” 2008Revista Eletrônica de Potência, vol. 13, no. 3, pp. 141-146. [10] I. Barbi, Projeto de fontes chaveadas. 2001, 1ª Edição, Editora da
