Aula09-Caio

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO

JOÃO DEL-REI

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

ENERGIAS RENOVÁVEIS - TE

Sumário

1. Formas de se minimizar o efeito do sombreamento

2. Sistemas de MPPT

3. Bibliografia

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

• Um efeito importante que merece destaque quando se trata de

sistemas fotovoltaicos é a ocorrência de sombreamentos, dentre os

quais pode-se citar os suaves e severos.

• Os sombreamentos

suaves

são aqueles onde os

raios solares são

dispersados e se tornam difusos

, podendo ser causados por

nuvens

pouco densas, sujeira, poluição

, etc., diminuindo a potência gerada.

• O sombreamento

severo

ocorre quando os raios solares são

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Quando o sombreamento ocorre em

uma célula

conforme a

Figura 1(a), a redução da potência

é proporcional a área sombreada

.

Entretanto, quando a mesma está inserida em um painel solar

fotovoltaico conforme as Figuras 1(b) e 1(c), a redução de potência do

dispositivo, frente ao sombreamento,

não será proporcional a área

sombreada

.

Esse fenômeno ocorre devido ao fato que a característica V-I de

um célula é altamente não-linear. Conforme é mostrado na Figura 2.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

(a) (b) (c)

Figura 1 – Sombreamento uma célula e de um módulo fotovoltaico: (a) Sombreamento de uma célula solar fotovoltaica (b) sombreamento parcial de quatro células; (c) sombreamento total de oito células.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Módulo não sombreado na string

V I

0

Corrente da string

Módulo sombreado da string

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Uma vez que um arranjo/matriz fotovoltaica é um conjunto de

módulos e um módulo é um conjunto de células, podemos estender o

conceito visto até então para sistemas composto por matrizes. Sendo

assim, um módulo fotovoltaico sombreado, compromete a potência

gerada por outros módulos que estiverem conectados a ele no mesmo

ramo série, como mostra a Figura 3.

Em um painel fotovoltaico, diante do sombreamento de um ou

mais módulos,

haverá redução na potência fornecida pelo conjunto

. A

magnitude dessa redução

depende de fatores como tipo de arranjo,

posição da sombra e intensidade do sombreamento.

Para reduzir o

efeito do sombreamento, podem ser utilizados alguns recursos, como

mostrado a seguir.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

8

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

• Reconfiguração de módulos fotovoltaicos

Em geral, os módulos fotovoltaicos são associados em arranjos, a

fim de que se tenha, na saída do sistema, a tensão e a corrente

desejadas para uma determinada aplicação.

Existem diferentes maneiras de se interconectar os módulos na

matriz fotovoltaica e cada tipo de arranjo possui indicações e

características específicas.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Podem-se citar três topologias básicas, que são ilustradas na Figura 4: • Series-Parallel (SP): os módulos são associados em série e os ramos

resultantes são conectados em paralelo;

• Total Cross Tied (TCT): os módulos são conectados em paralelo e os

conjuntos formados são conectados em série;

• Bridge-linked (BL): os módulos são conectados de forma semelhante a uma ponte retificadora. Esse arranjo possui a metade das conexões da topologia TCT.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

SP TCT BL

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Recentemente, outros tipos de conexões têm sido propostas e testadas, entretanto, as topologias SP e TCT são as mais utilizadas.

Quando os módulos fotovoltaicos são associados na topologia SP ou TCT, o sistema pode ser acometido por alguns problemas, principalmente quando os módulos apresentam características e pontos de operação distintos.

As diferenças no ponto de operação podem surgir de eventuais não-uniformidades de iluminação (sombreamento) e provocam perdas no sistema.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Em um painel fotovoltaico parcialmente sombreado, a potência real do sistema pode ser menor que a soma das potências individuais de todos os módulos. O sombreamento de um módulo é capaz de causar a redução

da corrente resultante da associação e, consequentemente, a potência fornecida pela matriz fotovoltaica também será reduzida.

A máxima potência disponível pelo painel fotovoltaico pode ser elevada se as ligações entre os módulos forem reconfiguradas.

A primeira matriz fotovoltaica reconfigurável foi proposta em 1990. Os sistemas de reconfiguração vêm sendo alvo de diversos estudos e se tornaram um método emergente para a recuperação de energia em sistemas sombreados.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

14

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Em

matrizes totalmente dinâmicas, as combinações geradas

pela permutação entre os módulos muitas vezes são redundantes.

Para reduzir o número de arranjos e contemplar apenas as

configurações de interesse, alguns sistemas utilizam o parâmetro

Configurations of Interest

(COI), que determina a quantidade de

configurações que efetivamente produzem diferentes resultados.

Para a execução do método de equalização da irradiância, a

matriz pode ter suas dimensões alteradas. Entretanto, o algoritmo de

otimização garante que todas as linhas possuam a mesma quantidade

de módulos. A Figura 6 ilustra o processo de realocação dos módulos

sombreados para uma matriz 4x4.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

16

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

Em painéis fotovoltaicos com topologia SP, o processo de

reconfiguração baseia-se no

agrupamento dos módulos sombreados.

Módulos com níveis de irradiância semelhantes devem ser

conectados em série e os ramos resultantes são conectados em

paralelo

. Desta forma, evita-se que os módulos afetados pelo

sombreamento limitem o fornecimento

de energia dos módulos

iluminados.

Os

módulos totalmente sombreados são excluídos da

associação

, uma vez que sua

contribuição é considerada desprezível

e

os módulos restantes são agrupados de forma a constituir um arranjo

SP. A Figura 7 ilustra a reorganização dos módulos fotovoltaicos em

uma matriz 4x4.

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

18

Formas de se minimizar o efeito do

sombreamento

A exclusão dos módulos mais atingidos pelo sombreamento

pode dar origem a arranjos assimétricos,

como o mostrado na Figura

7(b). Nessas situações, ocorre um desequilíbrio entre os níveis de

tensão das colunas associadas. Uma alternativa para

corrigir

esse

desequilíbrio é o

uso de conversores estáticos.

Em condições normais de funcionamento, quando todos os

módulos estão iluminados, o sistema opera com um inversor central.

Quando

ocorre

o

sombreamento,

os

módulos

severamente

sombreados são excluídos da matriz principal e os demais são

reconfigurados.

Se, por ventura, não houver módulos suficientes para

construir uma associação simétrica, um conversor CC/CC pode ser

conectado ao ramo deficiente

para compensar os níveis de tensão,

como ilustra a Figura 8.

.

20

Figura 8 – Sistema de reconfiguração flexível: (a) condições normais e (b) sombreamento de dois módulos.

Sistemas de MPPT

Um gerador fotovoltaico submetido a uma irradiância solar

uniforme (sem sombreamentos parciais e sem células ou módulos

defeituosos) tem uma

curva P-V

com o formato semelhante ao

apresentado na Figura 9, na qual

existe um único ponto com derivada

nula, ou seja, onde atinge um máximo

.

Este ponto particular da curva é o chamado P

- ponto de

potência máxima, no qual o produto da corrente pela tensão tem o

seu valor máximo.

Sistemas de MPPT

Sistemas de MPPT

Conforme visto anteriormente,

a corrente produzida pelos

módulos fotovoltaicos é diretamente proporcional à irradiância solar

e é muito pouco afetada pela temperatura da célula. Entretanto, a

tensão

e,

consequentemente,

a

potência

gerada

decrescem

significativamente com o aumento da temperatura. Portanto, os

valores de corrente e tensão de potência máxima (I

, V

e P

) são

dependentes das condições de irradiância (principalmente a corrente)

e de temperatura da célula (principalmente a tensão).

Embora as variações de temperatura da célula sejam tipicamente

mais lentas, da ordem de dezenas de segundos, a

irradiância pode

apresentar mudanças drásticas em questão de segundos, como

resultado da passagem de nuvens.

Sistemas de MPPT

Da mesma forma, sombreamentos parciais provocados por árvores e edificações próximas, além de folhas ou sujeiras depositadas sobre a superfície dos módulos, podem provocar distorções na curva característica do gerador fotovoltaico, inclusive com a ocorrência de máximos locais, como mostrado na Figura 10. 24 Tensão (V) 0 100 200 300 400 500 600 C o rr e n te ( A ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 100 200 P o tê n c ia ( W )

Figura 10 – Curvas I-V (Vermelha) e P-V (preta) de um gerador de 24 módulos de 36 células em série mostrando a ocorrência de máximos locais na curva de potência em decorrência de sombreamentos parciais, com 6 dos módulos submetidos a um fator de sombreamento de 10 %.

Sistemas de MPPT

Assim sendo, é conveniente que haja um mecanismo de controle eletrônico que observe continuamente as modificações na curva característica I-V e atue sobre o inversor CA-CC e/ou do conversor CC-CC, de modo a manter o gerador fotovoltaico operando na tensão correspondente à tensão de máxima potência, maximizando a transferência de potência e evitando perdas nas células, que surgiriam se o acoplamento ocorresse em outra tensão que não a ótima. Este processo é o chamado de seguimento do ponto de potência máxima (SPPM ou MPPT, em inglês).

O objetivo de um sistema de MPPT é modificar a corrente/tensão drenada do módulo fotovoltaico para extrair a máxima potência de saída do módulo. A carga funcionará como uma carga variável, tendo seu valor controlado pelo conversor CC-CC acoplado entre a carga e o módulo, como mostram as Figuras 11 e 12.

26 DC/DC Converter MPPT L o a d + -+ -Figura 11 – Esquemático de um MPPT.

Sistemas de MPPT

Figura 12 – Conversor CC-CC do sistema de MPPT e o seu efeito sobre a carga conectada ao módulo fotovoltaico.

28 Tensão (V) 0 5 10 15 20 25 C o rr e n te (A ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 _{1000 w/m²} 500 w/m² 100 w/m² 29,2 ohms 59,8 ohm s 350 ohm s 10 W 5,28 W 0,84 W

Sistemas de MPPT

Um seguidor do ponto de máxima potência deve apresentar as

seguintes características:

• Precisão: implica em medidas de corrente e tensão de qualidade;

• Eficácia:

ser capaz de encontrar o ponto de potência máxima

,

mesmo com a ocorrência de máximos locais;

• Rapidez: deve

adaptar-se com presteza às variações

bruscas de

irradiância causadas, por exemplo, por nuvens passageiras.

Sistemas de MPPT

Um dispositivo de seguimento de máxima potência pode ser dividido em dois blocos básicos: uma seção de controle e uma seção de condicionamento de potência.

No caso de inversores de dois estágios, a seção de potência do MPPT consiste, geralmente, em um conversor CC-CC em modo chaveado. A utilização do conversor CC-CC permite uma maior flexibilidade na faixa de tensão de entrada, às custas de uma redução da ordem de 2 % na eficiência global do inversor, em função dos componentes adicionais. Os inversores com múltiplas entradas (multistring), ou os arranjos com múltiplos inversores para sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR), podem possuir dois ou mais dispositivos de SPPM independentes, a fim de permitir a utilização de arranjos fotovoltaicos com características elétricas ou orientações diferentes, por exemplo.

Sistemas de MPPT

No caso do inversor de único estágio, a seção de potência do seguidor de máxima potência é a própria ponte inversora e a conversão é obrigatoriamente do tipo redutora. Isto implica que, no caso de inversores para conexão à rede sem transformador, o gerador fotovoltaico deve ter uma tensão de operação mínima superior ao valor de pico da tensão CA da rede, ou o dobro desta, dependendo da topologia de circuito utilizada.

O bloco de controle do SPPM encarrega-se do ajuste da tensão de polarização do gerador fotovoltaico através de algoritmos que atuam sobre o controle eletrônico (driver) dos dispositivos de chaveamento do conversor CC-CC e/ou da ponte inversora. O algoritmo de controle tem como entrada dados instantâneos de tensão e corrente de operação do gerador fotovoltaico (além de, eventualmente, outros parâmetros como temperatura da célula e irradiância solar).

Sistemas de MPPT

Sua

implementação pode ser feita de forma analógica ou, mais

comumente, digital,

através de microprocessadores ou processamento

digital de sinais (DSP – digital signal processing).

A

localização de um SPPM, quando incluído em um sistema

fotovoltaico, depende da característica elétrica da carga

, que pode ser

alimentada em CC ou CA. Desta forma, o controle SPPM

poderá atuar

tanto integrado a um conversor CC-CC quanto a um inversor

. A Figura

14 mostra exemplos de sistemas que utilizam SPPM.

Sistemas de MPPT

Inversor Carga c.a.

Gerador FV SPPM Inversor Rede/ Cargas c.a

Sistemas SFI

Sistemas SFCR

Sistemas de MPPT

• Algoritmos de seguimento do ponto de potência máxima

Como visto anteriormente, a função de um dispositivo de

seguimento de potência máxima (SPPM) é otimizar a extração de

potência do gerador fotovoltaico,

através do ajuste contínuo ou

periódico de seus valores de tensão e corrente para cada condição de

irradiância e temperatura da célula

, de modo que este esteja sempre

polarizado em um ponto de potência máxima (P

= V

× I

).

Como os valores de V

e I

não são conhecidos de antemão,

é

preciso encontrá-los através de cálculos e/ou algoritmos

. As

estratégias de SPPM dividem-se em duas categorias: métodos diretos e

Sistemas de MPPT

Os métodos diretos, ou de seguimento verdadeiro, são aqueles que utilizam medições em tempo real da corrente e da tensão disponíveis na entrada do inversor, para encontrar o ponto de potência máxima do gerador fotovoltaico.

Os métodos diretos não necessitam de informações prévias sobre as características do gerador fotovoltaico e são, em princípio, capazes de reagir a variações rápidas nas condições de operação dos módulos.

São exemplos de métodos diretos o “perturba & observa” (P&O) e o da “condutância incremental”.

Sistemas de MPPT

Os

métodos indiretos

são aqueles que

utilizam um sinal de

referência (irradiância, temperatura dos módulos, corrente de

curto-circuito ou tensão de curto-circuito aberto de uma célula de referência ou

do próprio gerador fotovoltaico)

para estimar o ponto de máxima

potência. Essa informação é confrontada com uma base de dados ou

algum modelo matemático com as características previamente

determinadas do gerador fotovoltaico específico.

Por

serem sujeitos a imprecisões e incapazes de detectar os

efeitos de sombreamentos parciais, envelhecimento e acúmulo de

sujeira sobre os módulos

, os métodos indiretos são pouco utilizados

em aplicações comerciais. A seguir são apresentados alguns desses

métodos.

Sistemas de MPPT

Método da razão cíclica fixa: O objetivo principal de um sistema de

MPPT é fazer com que o módulo fotovoltaico produza sempre o máximo de potência possível para um dado instante. No método da razão cíclica fixa, o sistema de controle atua de forma a manter constante o tempo de condução do conversor (mantendo a razão cíclica constante), no valor que produza na saída do módulo a tensão de máxima potência para a situação padrão de teste (S = 1000 W/m² e T = 25 ºC).

Esse método funciona em malha aberta, sem que haja realimentação de corrente ou tensão para corrigir as alterações no ponto de operação do módulo. O valor da razão cíclica que garante que V_MPP(STC) seja obtido quando o módulo estiver operando na STC, é mantido independente das condições de irradiância e temperatura do módulo.

Sistemas de MPPT

Tensão fixa: este método consiste em manter o gerador

fotovoltaico polarizado em uma

tensão de operação ótima

, a fim de se

obter o máximo de geração ao longo de um determinado período. O

valor da tensão de polarização (best fixed voltage) é ajustado

previamente,

escolhido a partir de informações das características do

gerador fotovoltaico

, preferivelmente

considerando a sequência

histórica de dados de irradiância e temperatura locais.

O método da

tensão fixa, por sua natureza (a rigor não é um método de

seguimento),

é incapaz de responder a variações nas condições

atmosféricas

, sombreamentos parciais e alterações nas características

do gerador fotovoltaico, decorrentes de envelhecimento, sujeira, etc.

Mesmo assim, pode ser útil quando combinado com outros métodos,

especialmente sob condições de baixa irradiância.

Sistemas de MPPT

Tensão de circuito aberto: este método baseia-se no pressuposto de que a

tensão de potência máxima está relacionada à tensão de circuito aberto por uma constante de proporcionalidade. Assim, durante a operação, o gerador fotovoltaico é periodicamente desconectado por meio de uma chave eletrônica, sendo então sua tensão de circuito aberto medida e um novo valor de polarização calculado. O valor da constante de proporcionalidade é uma característica particular do gerador fotovoltaico, associada à tecnologia utilizada na fabricação das células fotovoltaicas e também às condições de irradiância e de temperatura. Valores típicos situam-se entre 0,7 (filmes finos) e 0,8 (silício cristalino). Embora de fácil implementação, necessitando da medida de uma única grandeza, o método tem como desvantagem a incapacidade de detectar variações bruscas de irradiância e sombreamentos parciais, além de requerer um interruptor extra para a medição da tensão de circuito aberto, e acarretar uma perda energética nos momentos em que o gerador fotovoltaico está desconectado.

Sistemas de MPPT

Corrente de curto-circuito: similarmente ao anterior, este método

considera que a

corrente de máxima potência está relacionada à

corrente de curto-circuito por uma constante de proporcionalidade,

associada à tecnologia utilizada na fabricação das células fotovoltaicas

e com valores típicos entre

0,8

(filmes finos)

e 0,9

(silício cristalino). As

desvantagens são similares àquelas do método da tensão de circuito

aberto.

Sistemas de MPPT

Perturba & observa (P&O): este método é o mais utilizado em sistemas de seguimento de potência máxima para inversores conectados à rede. Seu funcionamento consiste em forçar o deslocamento do ponto de operação em uma dada direção (perturbar) e observar o resultado na potência de saída do gerador fotovoltaico. A modificação no ponto de operação é feita através de pequenos incrementos (positivos ou negativos) na tensão de polarização a intervalos de tempo determinados. Um incremento positivo de tensão, por exemplo, refletindo-se em um aumento da potência, indica que o ponto de operação se deslocou em direção ao ponto de máxima potência e a perturbação deve prosseguir no mesmo sentido. Quando a potência de saída começar a diminuir, significa que a tensão de máxima potência foi ultrapassada e a próxima perturbação de tensão deve ser no sentido oposto. O processo se repete e, como resultado, o ponto de operação fica oscilando em torno do valor exato da tensão de máxima potência.

Sistemas de MPPT

Condutância incremental: este método é um

aperfeiçoamento

do método P&O

e consiste na

determinação do ponto de potência

máxima a partir do sinal da derivada da potência em relação à

tensão.

O método permite calcular em qual sentido a perturbação no

ponto de operação deverá ser feita, evitando que, no caso de variações

rápidas de irradiância, o seguidor tome o sentido errado.

Bibliografia

1. R.F. Coelho, Estudo dos Conversores Buck e Boost Aplicados ao Rastreamento de Máxima Potência de Sistemas Solares Fotovoltaicos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.

2. P.S. Vicente, Reconfiguração de Painéis Fotovoltaicos Sombreados Utilizando a Teoria dos Conjuntos Aproximados, Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2015.

3. J.T. Pinho, M.A. Galdino, “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos”, Grupo de Trabalho de Energia Solar, CEPEL, Rio de Janeiro, 2014

4. E.M. Vicente, Sistema de MPPT para Painéis Fotovoltaicos com Baixa Complexidade e Alto Rendimento, Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2015.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO

JOÃO DEL-REI

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

ENERGIAS RENOVÁVEIS - TE

44