DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ROBSON ALESSANDRO STOCHERO
ESTUDO DE CONVERSORES CC-CC E DE MÉTODOS PARA O RASTREAMENTO DO MPP EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Ijuí 2017
ROBSON ALESSANDRO STOCHERO
ESTUDO DE CONVERSORES CC-CC E DE MÉTODOS PARA O RASTREAMENTO DO MPP EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie.
Ijuí 2017
ESTUDO DE CONVERSORES CC-CC E DE MÉTODOS PARA O RASTREAMENTO DO MPP EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador
e pela banca avaliadora do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ.
Ijuí, 03 de julho de 2017.
COMISSÃO EXAMINADORA:
_____________________________________________ Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie Orientador
_____________________________________________ Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues Avaliador da Banca
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por todas as vitórias e conquistas e por me guiar ao longo desta e de todas as demais jornadas, fortalecendo-me frente a cada novo desafio a ser enfrentado.
Agradeço em especial à minha família, inigualável fonte fortalecedora e renovadora, estrutura base capaz de estar presente em todos os momentos, incentivando e acreditando sempre, nas melhores horas e principalmente nas mais difíceis. Em especial à minha filha Amanda, pelo imensurável amor incondicional e recíproco, por sua gigantesca importância em minha vida, motivos pelos quais me fazem ter ainda mais força de me superar a cada obstáculo e a desfrutar de cada momento de felicidade.
Agradeço aos meus amigos pelo apoio, companheirismo, solicitude, compreensão e sincera amizade, oportunizando um convívio essencial para que momentos como este possam ser fraternizados.
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie, pelo enorme empenho e dedicação, sempre se mostrando prestativo e auxiliando em cada etapa deste trabalho, disponibilizando seu tempo e conhecimento em meu auxílio. Agradeço também ao Prof. Dr. Roberto Francisco Coelho, pelo imenso apoio prestado e a todos os demais doutores, mestres, professores, colegas e amigos que de alguma maneira puderam dar sua contribuição para a realização deste.
Por fim, um agradecimento a todo o corpo docente, funcionários e demais colaboradores da UNIJUÍ, que tiveram ligação direta e indireta com o aprendizado durante o período de graduação, culminando neste trabalho de conclusão de curso.
RESUMO
Este trabalho consiste em um estudo acerca de possíveis topologias de conversores CC-CC para o Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT – Maximum Power Point Tracker) em painéis fotovoltaicos, bem como sobre os principais métodos de rastreamento disponíveis na literatura para esta finalidade. Este tipo de implementação é utilizado com o intuito de aumentar o rendimento dos painéis ou arranjos fotovoltaicos, extraindo a máxima potência por eles disponíveis. Assim, é apresentado um referencial teórico sobre a energia fotovoltaica, além de uma introdução quanto aos possíveis conversores CC-CC e métodos de rastreamento a serem estudados. Posteriormente, estes são estudados e comparados, para que finalmente, em conjunto com um arranjo fotovoltaico projetado, sejam simulados em software específico, com a finalidade de se aprofundar o estudo e melhor verificar o funcionamento deste tipo de sistema.
Palavras chave: Geração fotovoltaica de energia elétrica, Rastreamento do Ponto de
ABSTRACT
This work consists of a study about possible topologies of DC-DC converters for Maximum Power Point Tracker (MPPT) in photovoltaic panels, as well as the main tracking methods available in the literature for this purpose. This type of implementation is used in order to increase the efficiency of the panels or photovoltaic arrangements, extracting the maximum power available by them. Thus, a theoretical reference on photovoltaic energy is presented, as well as an introduction about the possible CC-CC converters and tracking methods to be studied. Later, these are studied and compared, so that finally, together with a projected photovoltaic arrangement, they are simulated in specific software, in order to deepen the study and better verify the operation of this type of system.
Key words: Photovoltaic power generation, Maximum Power Point Tracking (MPPT),
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - O sol ... 19
Figura 2 - Inclinação terrestre em relação a sua trajetória elíptica ... 21
Figura 3 - Radiações direta, difusa e refletida ... 22
Figura 4 - Ângulo zenital e a massa de ar ... 23
Figura 5 - Índice de irradiação solar anual na Europa ... 25
Figura 6 - Índice de irradiação solar anual no Brasil ... 26
Figura 7 - Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012 ... 28
Figura 8 - Células fotovoltaicas produzidas em silício ... 31
Figura 9 - Aplicação de painéis de silício amorfo em construção civil ... 32
Figura 10 - Célula, módulo e arranjo fotovoltaicos ... 32
Figura 11 - Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício ... 33
Figura 12 - Curvas IxV com a variação de temperatura e radiação solar ... 34
Figura 13 - Representação de um sistema conectado à rede (SFCR) ... 36
Figura 14 - Análise do MPP... 37
Figura 15 - Resistencia efetiva nos terminais do arranjo fotovoltaico ... 38
Figura 16 - Painel fotovoltaico conectado a carga através de um conversor CC-CC 38 Figura 17 - Conversor Buck ... 39
Figura 18 - Conversor Boost ... 39
Figura 19 - Conversor Buck-Boost ... 40
Figura 20 - Característica da curva 𝑷𝒙𝑽 no método da tensão constante ... 41
Figura 21 – Comportamento no método P&O ... 42
Figura 22 – Curva PxV do método de condutância incremental... 43
Figura 23 - Painel CS6P-265P ... 45
Figura 24 - Curva 𝑰𝒙𝑽 do painel CS6P-265P ... 47
Figura 26 - Gráfico da irradiação solar diária média no Noroeste do RS ... 50
Figura 27 - Módulo fotovoltaico diretamente ligado à uma carga ... 54
Figura 28 - Intersecção da curva de geração com a de carga ... 55
Figura 29 - Módulo conectado à carga através de um conversor CC-CC ... 56
Figura 30 - Resistência efetiva vista pelo módulo ... 57
Figura 31 - Curva de carga da resistência equivalente de entrada ... 58
Figura 32 - Regiões de operação de um conversor Buck como rastreador do MPP . 59 Figura 33 - Regiões de operação de um conversor Boost como rastreador do MPP 61 Figura 34 - Região de operação do conversor Buck-Boost como MPPT ... 63
Figura 35 - Conversor Buck-Boost no software PSIM 9.1.1 ... 67
Figura 36 - Análise do método de MPPT da Tensão Constante ... 69
Figura 37 - Fluxograma de representação do método da tensão constante ... 70
Figura 38 - Fluxograma de representação do método P&O ... 72
Figura 39 - Diferença no MPPT para diferentes valores de passo ... 73
Figura 40 - Possíveis MPPT sob mudanças abruptas da radiação ... 74
Figura 41 - Curva da potência e da derivada da potência pela da tensão em um módulo fotovoltaico ... 75
Figura 42 - Fluxograma da técnica da Condutância Incremental ... 77
Figura 43 - Curva IxV do módulo CS6P-265P ... 78
Figura 44 - Curvas IxV e PxV geradas no software PSIM ... 79
Figura 45 - Curvas IxV e PxV do arranjo fotovoltaico geradas no software PSIM ... 80
Figura 46 - Arranjo fotovoltaico simulado no PSIM ... 81
Figura 47 - Arranjo fotovoltaico com o capacitor de barramento ... 82
Figura 48 - Conversor Buck-Booost simulado ... 83
Figura 49 - Resultados da simulação ... 83
Figura 51 - Resultados da simulação do método da tensão constante ... 85
Figura 52 - Valores medidos no método da tensão constante ... 85
Figura 53 - Resultados da simulação do método P&O ... 87
Figura 54 - Valores medidos no método P&O ... 88
Figura 55 - Resultados da simulação do método da Condutância Incremental ... 89
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais características do Sol... 20
Tabela 2 - Parâmetros do painel CS6P-265P ... 45
Tabela 3 - Parâmetros do arranjo fotovoltaico... 52
Tabela 4 - Principais parâmetros dos conversores CC-CC vistos como MPPT ... 64
Tabela 5 - Especificações para a modelagem do conversor Buck-Boost em MCC... 65 Tabela 6 - Comparação dos valores de MPP com os valores obtidos na simulação 86 Tabela 7 - Comparação dos valores de MPP com os valores obtidos na simulação 88 Tabela 8 - Comparação dos valores de MPP com os valores obtidos na simulação 90
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AM Massa de Ar (Air Mass)
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CC CEMIG COBEP CRESESB MCC MPP MPPT ONU Corrente Contínua
Companhia Energética de Minas Gerais
Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência
Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
Método de Condução Constante
Maximum Power Point (Ponto de Máxima Potência)
Maximum Power Point Tracker (Rastreamento do Ponto de Máxima Potência)
Organização das Nações Unidas P&O
SEP SFV SFCR
Perturba e Observa
Sistema Elétrico de Potência Sistema Foto Voltaico
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Significado Unidade
𝐶 Capacitância F (Farad)
𝐶𝑏𝑎𝑟 Capacitor de barramento F (Farad)
𝐶𝑚𝑑 Consumo médio diário kWh (quilo Watt hora)
𝐷 Razão Cíclica
𝐷(𝑛) Razão Cíclica atual
𝐷(𝑛 − 1) Razão Cíclica anterior
D Diodo
𝑑𝑃 Derivada da potência
𝑑𝑉 Derivada da tensão
𝐹 Frequência Hz (Hertz)
𝐹𝑀𝑃𝑃𝑇 Frequência de rastreamento Hz (Hertz)
𝐹𝑠 Frequência de chaveamento kHz (quilo Hertz) 𝐺 Ganho estático do conversor
𝐼 Corrente elétrica A (Ampère)
𝐼𝑐𝑐 Corrente de curto circuito A (Ampère)
𝐼𝑒 Corrente de entrada A (Ampère)
𝐼𝑚𝑎𝑥 Corrente de máxima potência A (Ampère) 𝐼𝑚𝑝 Corrente de máxima potência A (Ampère)
𝐼𝑜 Corrente de saída A (Ampère)
𝐼𝑝𝑣 Corrente do painel fotovoltaico A (Ampère)
𝐾𝑡𝑐 Constante de cálculo
𝐿 Indutância H (Henry)
𝑃 Potência elétrica W (Watt)
𝑃𝑒 Potência de entrada Potência no MPP Corrente no MPP Tensão no MPP Razão Cíclica W (Watt) 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐷 𝑃𝑓𝑣 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐷
Potência do painel fotovoltaico Potência no MPP Corrente no MPP Tensão no MPP Razão Cíclica Wp (Watt pico) 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐷 𝑃𝑚𝑎𝑥 Potência no MPP W (Watt) 𝑃𝑜 Potência de saída Potência no MPP Corrente no MPP Tensão no MPP Razão Cíclica W (Watt) 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐷
𝑅 Resistência elétrica Ω (Ohm)
𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 Resistência de carga Ω (Ohm)
𝑅𝑒𝑖(𝐷, 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) Resistência efetiva de entrada Ω (Ohm)
𝑠𝑡𝑒𝑝 Passo de cálculo
𝑡 Tempo s (segundo)
𝑉 Tensão elétrica V (Volt)
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 Tensão de carga V (Volt)
𝑉𝑚𝑎𝑥 Tensão de máxima potência V (Volt)
𝑉𝑚𝑝 Tensão de máxima potência V (Volt)
𝑉𝑝𝑣 Tensão do painel fotovoltaico V (Volt)
𝛥𝐷 Variação do Duty / passo de cálculo
𝛥𝐼 Variação da corrente A (Ampère)
𝛥𝐼𝑚𝑎𝑥 Máxima ondulação de corrente %
𝛥𝑃 Variação da potência W (Watt)
𝛥𝑡𝑀𝑃𝑃𝑇 Intervalo de tempo de rastreamento ms (mili segundo)
𝛥𝑇 Variação da tensão V (Volt)
𝛥𝑉𝑚𝑎𝑥 Máxima ondulação de tensão %
θ Ângulo Theta grau
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 JUSTIFICATIVAS ... 16 1.2 OBJETIVOS ... 17 1.2.1 Objetivo geral ... 17 1.2.2 Objetivos específicos ... 17 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 18 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 19
2.1 O SOL, SUA ENERGIA E IMPORTÂNCIA ... 19
2.2 RADIAÇÃO SOLAR NA TERRA ... 22
2.3 ENERGIA FOTOVOLTAICA ... 27
2.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 30
2.5 SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ... 34
2.5.1 Sistemas isolados ... 35
2.5.2 Sistemas Conectado à Rede (SFCR) ... 35
2.6 INTRODUÇÃO AO MÉTODO DO MPPT ... 36
2.6.1Introdução aos possíveis conversores utilizados para o MPPT ... 39
2.6.2 Introdução aos métodos de rastreamento do MPP ... 40
3 PROJETO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 44
3.1 ESCOLHA DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 44
3.2 DETERMINAÇÃO DO ARRANJO FOTOVOLTAICO ... 47
3.2.1 Associação dos módulos fotovoltaicos ... 51
4 DETERMINAÇÃO DO CONVERSOR E DOS MÉTODOS A SEREM SIMULADOS ... 53
4.1 ESCOLHA E PROJETO DO CONVERSOR CC-CC ... 53
4.1.1Estudo dos conversores Buck, Boost e Buck-Boost como rastreadores de MPP ... 54
4.1.2 Estudo do conversor Buck como rastreador do MPP ... 56
4.1.3 Estudo do conversor Boost como rastreador do MPP ... 60
4.1.5 Projeto do conversor Buck-Boost escolhido para ser simulado como MPPT . 64
4.2 MÉTODOS DE RASTREAMENTO DO MPP ... 67
4.2.1 Método da tensão constante ... 68
4.2.2 Método Perturba e Observa (P&O) ... 71
4.2.3 Método da Condutância Incremental ... 75
5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS ... 78
5.1 IMPLEMENTAÇÃO DO ARRANJO FOTOVOLTAICO NO SOFTWARE DE SIMULAÇÃO ... 78
5.1.1 Determinação do capacitor de barramento ... 81
5.2 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR BUCK-BOOST ... 82
5.3 SIMULAÇÃO DO CONVERSOR BUCK-BOOST COMO MPPT ... 84
5.3.1 Resultados da simulação com o método da Tensão Constante ... 85
5.3.2 Resultados da simulação com o método Perturba e Observa (P&O) ... 87
5.3.3 Resultados da simulação com o método da Condutância Incremental ... 89
6 CONCLUSÃO ... 91
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 91
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 93
ANEXO A ... 95
APÊNDICE A ... 97
APÊNDICE B ... 98
1 INTRODUÇÃO
Frente a uma preocupação cada vez maior com a escassez de recursos naturais em todo o planeta, torna-se cada vez mais interessante a utilização de fontes renováveis de energia. Neste meio, existindo de forma gratuita e abundante, encontra-se a energia solar (SILVA, 2003).
Além do mais, de acordo com Demonti (1998), se apenas uma pequena parte da energia irradiada sobre a superfície terrestre, no período de algumas horas, fosse convertida, todos os problemas com a energia elétrica mundial seriam sanados ou ao menos minimizados.
De acordo com ele ainda, a irradiação solar que se dá na atmosfera terrestre em apenas duas horas, já seria mais do que suficiente para o suprimento do consumo de energia elétrica da população mundial durante o período de um ano.
Pode-se dizer também, conforme Silva (2003), que o início de todos os processos orgânicos e inorgânicos que originaram a matéria e a vida presentes neste planeta, se devem à energia irradiada pelo Sol. Assim sendo, pode-se considerar que a totalidade das fontes naturais de energia acabam sendo decorrentes da energia dele provida. O petróleo, por exemplo, se formou a partir de condições especiais que ocorreram com a matéria orgânica proveniente de seres vivos, como animais e plantas que fizeram uso da energia para existirem. O mesmo vale, também como exemplo, para a fotossíntese, que consiste na transformação da energia do Sol, por parte das plantas, na energia suficiente para realizar processos necessários para seu crescimento e desenvolvimento.
O Sol é a fonte inicial e primordial de energia deste planeta, tendo ligação direta não apenas com geração de energia dele proveniente, mas também com todos os meios e processos que de alguma forma tiveram sua interferência. Pode-se ainda dizer que, com considerável expansão nas últimas décadas, muitos estudos e implementações de sistemas que utilizam esta como fonte de energia estão sendo cada vez mais exploradas, tornando-se, cada vez mais, uma tendência mundial.
1.1 JUSTIFICATIVAS
Em meio esta expansão supracitada e a uma necessidade da matriz energética nacional e internacional, que acaba fazendo com que novas fontes de energia sejam estudadas e aplicadas no sistema, encontra-se a microgeração de energia fotovoltaica, segundo Souza (2009). Esta pode ser implementada de maneira residencial ou comercial, podendo ser utilizada de forma isolada em relação ao sistema de energia elétrica (como por exemplo, sendo armazenada em um banco de baterias, ou sendo diretamente conectada a equipamentos) ou conectada à rede elétrica (Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede - SFCR) (CRESESB, 2014).
Assim sendo, com este tipo de geração de energia, o consumidor consegue reduzir seus custos mensais com energia elétrica. No caso de a geração de energia elétrica ser utilizada de forma isolada, o benefício seria pela redução na tarifa mensal e por promover uma ajuda ao SEP (Sistema Elétrico de Potência), visto que o seu consumo de energia proveniente do sistema seria reduzido.
O mesmo vale para o sistema SFCR, onde a energia gerada é contabilizada por um medidor bidirecional e convertida em créditos de desconto no custo da tarifa mensal. Este desconto pode tornar-se então subsídio para o custeio do sistema, o que pode torna-lo lucrativo, a partir do momento em que o montante desse subsídio ultrapassa seu valor de custo, levanto também em consideração os devidos juros.
Ainda em fase de crescimento no Brasil, estes dois tipos de sistemas citados são bastante difundidos em países como a Alemanha, Itália, Japão, Estados Unidos, dentre outros. Isto se tornou possível nestes países, por motivos como o incentivo governamental à instalação deste tipo de sistemas, através de políticas favoráveis e da redução do custo dos painéis, resultando em redução do custo de implementação (CRESESB, 2014).
Desta maneira, mostra-se de suma importância, no atual contexto nacional e mundial, o fato de tornar cada vez mais eficiente o sistema de geração fotovoltaica de energia elétrica, fazendo jus ao método de rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT – Maximum Power Point Tracker). Através deste método, possibilitado através de um conversor CC-CC conectado entre o painel ou arranjo fotovoltaico e a carga, com o auxílio de um método de rastreamento, se faz possível extrair o máximo de
potência possível do módulo ou do arranjo fotovoltaico, melhorando consideravelmente sua eficiência.
Este estudo acerca de alguns dos métodos de rastreamento do MPP (Ponto de Máxima Potência) aplicados a partir de conversores CC-CC, bem como um embasamento teórico para tal e simulações computacionais deste tipo de implementação, será apresentado neste trabalho de conclusão de curso.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Tem este trabalho por objetivo geral, estudar os métodos de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT), conhecendo os principais métodos de rastreamento e algumas possíveis topologias de conversores CC-CC que podem ser aplicados neste tipo de sistema, possibilitando um maior aproveitamento da energia elétrica gerada a partir dos painéis fotovoltaicos, cujos sofrem variação da capacidade de geração de energia devido às alterações de radiação solar e temperatura neles incidentes. Também efetuar simulações em software específico a fim de aprofundar o conhecimento e verificar o funcionamento dos conversores CC-CC, atuando como rastreadores do ponto de máxima potência, em conjunto com os métodos de rastreamento.
1.2.2 Objetivos específicos
São objetivos específicos deste trabalho:
Revisar a bibliografia em Geração de Energia Elétrica Fotovoltaica; Revisar a bibliografia sobre o MPPT;
Estudar possíveis conversores CC-CC aplicados ao MPPT;
Estudar possíveis métodos de rastreamento do MPP a serem aplicados, via simulação computacional, ao conversor CC-CC escolhido;
Realizar simulações computacionais do conversor escolhido em conjunto com os métodos de rastreamento do MPP determinados.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho possui uma organização formada por sete capítulos. No capítulo 2 é apresentado um embasamento teórico, remetendo a dados característicos do Sol, da sua radiação na terra, apresentando a energia fotovoltaica, os painéis e os sistemas de geração fotovoltaicos, contendo ainda uma introdução aos possíveis conversores utilizados para o MPPT e aos métodos de rastreamento do MPPT a serem estudados.
O terceiro capítulo deste relatório contém o projeto dos painéis e do arranjo fotovoltaico, onde será determinado o modelo dos painéis e a potência destes e do arranjo fotovoltaico, tais informações se tornam subsídio para que este seja posteriormente simulado.
O capítulo 4, por sua vez, é responsável por apresentar a determinação do conversor CC-CC e dos métodos de rastreamento a serem posteriormente simulados em conjunto com este, no capítulo posterior. Apresentando os conversores CC-CC Buck, Boost e o Buck-Boost, e bem como os métodos de rastreamento da Tensão Constante, Perturba e Observa (P&O) e da Condutância Incremental.
Já o capítulo 5, demonstra a implementação do arranjo fotovoltaico no software de simulação, bem como do conversor CC-CC e do seu circuito, demonstrando as simulações e resultados decorrentes destes. Sendo assim, simulando o conversor CC-CC escolhido em conjunto com os três métodos de rastreamento do MPP previamente apresentados.
Por fim, os capítulos 6 e 7 representam respectivamente a conclusão final deste trabalho, trazendo uma interpretação geral deste e analisando os resultados de simulação, e as referências bibliográficas utilizadas para a realização deste.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 O SOL, SUA ENERGIA E IMPORTÂNCIA
O Sol é responsável direto pela existência das diferentes formas de vida na Terra. É a estrela central do sistema solar e sob órbita ao seu redor se encontram os planetas deste sistema, sendo assim, responsável também pela existência do sistema solar. É uma estrela de gás incandescente, composto em sua maior parte por hidrogênio e hélio, sendo suas principais regiões mostradas na figura 1. (CRESESB, 2014).
Figura 1 - O sol
Fonte: Cresesb (2014)
Ainda de acordo com a fonte supracitada, a mais elevada temperatura do Sol se encontra no seu núcleo, na casa de 15 milhões K (Kelvin), sendo essa a região mais densa, onde ocorrem reações termonucleares responsáveis pela energia ali produzida.
Posteriormente, a zona radiativa é responsável pela transferência da energia produzida pelo núcleo para as regiões superiores. A fotosfera possui cerca de 330 km de espessura e temperatura na casa de 5800 K, sendo ela a primeira região da
atmosfera solar, e a camada visível. A cromosfera, por sua vez, é a região normalmente não visível, com espessura de aproximadamente 2500 km e temperaturas que variam, em sua base, de 4300 K até cerca de 40000 K (CRESESB, 2014).
Sua distância em relação à Terra é de aproximadamente 150 milhões de quilômetros e é determinante para as formas de vida, para a temperatura e para os ciclos nela presentes. Na tabela 1, encontram-se as principais características do sol (CRESESB, 2014).
Tabela 1 - Principais características do Sol Principais características do Sol
Massa 1,989 𝑥 1030 𝐾𝑔 Raio 696.000 𝑘𝑚 Densidade média 1.409 𝑘𝑔 𝑚−3 Densidade central 1,6 𝑥 105 𝑘𝑔 𝑚−3 Distância 1,499 𝑥 108 𝑘𝑚 Potência luminosa 3,83 𝑥 1026 𝑊 Temperatura efetiva 5.785 𝐾 Temperatura central 1,5 𝑥 107 𝐾
Composição química principal Hidrogênio: 91,2% / Hélio: 8,7% / Oxigênio: 0,078% / Carbono: 0,043%
Período rotacional no equador 25 dias
Período rotacional na latitude 60° 29 dias
Fonte: Cresesb (2014)
De acordo com Reis (2011), toda essa energia produzida pelo sol, viaja no espaço através da radiação eletromagnética de ondas curtas, sendo 97% dessa radiação variando em comprimentos de onda de 0,3 a 3 µm, e chega até a atmosfera terrestre para ser fator determinante para a vida existente nesse planeta. Sendo assim a principal fonte de energia da Terra (CRESESB, 2014).
Conforme Silva (2003), o início de todos os processos orgânicos e inorgânicos que originaram a matéria e a vida presentes neste planeta se devem à energia irradiada pelo sol. Segue ainda, que todas as fontes naturais de energia se devem pela energia dele provida. O petróleo, por exemplo, provém de condições especiais que ocorreram com a matéria orgânica de plantas (que converteram energia solar em química) e de outros seres vivos, como os animais em geral (que também se
beneficiaram desse processo), o mesmo vale para o carvão e para o gás natural. As plantas, por sua vez, realizam através da fotossíntese, esta conversão de energia solar em energia química, o que é primordial para seu crescimento e desenvolvimento, além de ser responsável pela redução de gás carbônico e liberação de mais oxigênio no planeta, o que é essencial para praticamente todos os seres vivos da terra.
De acordo com Silva (2003), todos os seres vivos, de forma direta ou indireta, fazem uso de alguma forma de conversão da energia solar. Além do mais, o próprio ciclo das águas (que tem origem na evaporação) e o ciclo dos ventos estão diretamente ligados à energia do Sol (CRESESB, 2014).
Além da já citada distância da terra em relação ao sol ser determinante para os ciclos, temperatura, luminosidade e formas de vidas terrestres, outro fator acaba fazendo com que existam as conhecidas quatro estações do ano. Trata-se da inclinação de aproximadamente 23,45 graus que existe entre o eixo de giro da terra em relação ao plano normal de sua trajetória elíptica anual ao redor do sol. Esta inclinação fica evidenciada na figura 2, e sua consequência são as já citadas quatro estações do ano, e, por conseguinte, a variação de dias mais logos ou mais curtos - em relação à noite - conforme a estação. Estes fatores influenciam diretamente na quantidade de radiação solar emitida em um dia (CRESESB, 2014).
Figura 2 - Inclinação terrestre em relação a sua trajetória elíptica
2.2 RADIAÇÃO SOLAR NA TERRA
A radiação provida pelo sol viaja pelo espaço em forma de ondas eletromagnéticas, com comprimento de onda já citado no item 2.1, e chegam até a superfície terrestre. Flutuações climáticas fazem com que a incidência da radiação solar no limite superior da atmosfera terrestre sofra dispersões, reflexões e absorções até chegar ao solo (REIS, 2011).
Ainda de acordo com Reis (2011), a total radiação solar, chamada radiação global, que incide sobre um determinado local do solo ou sobre um corpo neste local “é a soma dos componentes direto, difuso e refletido” (REIS, 2011, p. 212). Tais componentes são demonstrados pela figura 3.
Figura 3 - Radiações direta, difusa e refletida
Fonte: FC Solar (2016)
Radiação direta: A radiação direta é a que vem diretamente do disco solar, sem ter sofrido mudança de direção durante seu percurso até tocar o solo ou um objeto, além da provocada pela refração atmosférica. Ou seja, quando não existe espalhamento ou reflexão (REIS, 2011).
Radiação difusa: A radiação difusa ocorre quando a direção dos raios solares é modificada devido à reflexão ou espalhamento na atmosfera, conforme Reis (2011).
Esta modificação pode ocorrer tanto pelas nuvens quanto pelos gases presentes na atmosfera, onde devido a tais interações, os raios solares acabam se espalhando em todas as direções (CRESESB, 2014).
Radiação refletida: Entende-se por radiação refletida toda aquela que, devido à inclinação dos raios solares, inclinação do solo ou dos elementos terrestres, acaba refletindo e incidindo novamente os mesmos para outro ponto. Ela é dependente das variáveis características do solo e do quanto o corpo, objeto ou equipamento captador está inclinado, segundo Reis (2011). O coeficiente de o quanto a superfície está inclinada é chamado “Albedo”. Podem ser responsáveis por esta reflexão os variados elementos, objetos, edificações, variações no terreno, dentre outros que podem ocasionar o citado. O ângulo zenital (ângulo que a radiação forma em relação ao plano normal da terra) também influencia no índice de reflexão.
Influenciam na absorção e espalhamento da radiação solar fatores como a espessura da camada atmosférica, da qual pode-se também tirar a identificação de um coeficiente chamado de Massa de Ar (AM), cuja influência para a variação se dá em conjunto com o ângulo zenital, e também a fatores determinantes como a distância da terra em relação ao sol, bem como as condições atmosféricas e meteorológicas, conforme Cresesb (2014). O índice AM pode ser calculado pela equação (1):
𝐴𝑀 =
1cos 𝜃 (1)
De forma complementar, pode-se dizer que θ representa o ângulo zenital que acaba se formando entre o raio incidente e a terra, conforme demonstra a figura 4.
Figura 4 - Ângulo zenital e a massa de ar
A partir disto, e de acordo com Reis (2011), existem fatores que determinam a variação dos níveis de radiação solar em um dado plano horizontal da superfície terrestre. Sendo alguns destes fatores como as estações do ano, a já citada inclinação da terra comparando o seu eixo de giro com o plano da sua orbita ao redor do sol, e as variações de dada região por diferenças em relação à latitude, altitude e das já citadas condições meteorológicas.
De acordo com Cresesb (2014), entende-se como Irradiância Solar a densidade média anual que provém do fluxo energético da radiação solar. Sua unidade de medida pode ser dada em (W/m²). Quando medida no topo da atmosfera da terra, de forma perpendicular em relação ao raio solar, a irradiação solar é chamada Constante solar. Existe ainda o termo Irradiação solar ou Insolação Solar, que nada mais é do que a irradiância solar em relação a um tempo determinado, podendo ter unidade de medida como (Wh/m²) (CARVALHO, 2013).
A constante solar no topo da atmosfera terrestre é de 1.367 W/m², sabendo que o raio médio da terra tem aproximadamente 6.371 km, chega-se à conclusão de que no topo da atmosfera a potência total disponibilizada é de aproximadamente 174 mil TW (terawatts), de acordo com Cresesb (2014). Ainda de acordo com a mesma fonte, consta que 46% da irradiância solar que incide no topo da atmosfera acaba sendo refletida novamente para o espaço ou sendo por ela absorvida. Dos 54% restantes, 7% é refletida e 47% é absorvida pela superfície terrestre. Ou seja, de toda a potência que o sol emite sobre a terra, aproximadamente 94 mil TW acabam chegando de fato à superfície terrestre (CRESESB, 2014).
Ainda conforme o mesmo autor, o consumo de energia primária mundial no ano de 2011 havia sido de 143 mil TWh. Assim sendo, ao multiplicar os 94 mil TW por duas horas, chega-se a 188 mil TWh. Ou seja, com apenas duas horas, a energia recebida na superfície terrestre supera o consumo anual de energia da humanidade (CRESESB, 2014).
De acordo com Cresesb (2014), aproximadamente 74% da produção mundial de energia fotovoltaica encontra-se na Europa. Sendo que o país que mais se destaca no continente europeu nesta área é a Alemanha.
No Brasil, o índice de irradiação solar é elevado, isto acaba sendo comprovado através das figuras 5 e 6, onde na primeira é demonstrado um mapa de
índice de irradiação horizontal global média do continente europeu, enquanto que na segunda, o mesmo índice é ilustrado para o Brasil.
Esta analise acaba comprovando que o pior índice de irradiação média anual incidente no Brasil ainda é superior ao melhor índice de irradiação média anual da Alemanha. O que demonstra que apesar de atualmente a Alemanha ser uma potência mundial na geração fotovoltaica, o Brasil representa um potencial interessante neste quesito, devido aos seus elevados índices de irradiação solar.
Figura 5 - Índice de irradiação solar anual na Europa
Figura 6 - Índice de irradiação solar anual no Brasil
Fonte: Adaptado de Solargis (2016)
De acordo ainda com Cresesb (2014), o avanço tecnológico no Brasil na área fotovoltaica encontra-se em fase de crescimento, bem como tem passado por períodos de dificuldades. Mas é notório seu potencial referente aos índices de irradiação solar.
2.3 ENERGIA FOTOVOLTAICA
Vale salientar, que para fins de Engenharia, a energia solar é utilizada basicamente de duas maneiras: sendo elas a energia solar térmica e a energia solar fotovoltaica, conforme Cresesb (2014). A energia solar térmica consiste basicamente em captar, armazenar e utilizar o calor proveniente da radiação solar, podendo este ser utilizado para aquecimento de água em residências, aquecimento de piscinas, dentre outras aplicações que acabam sendo utilizadas de forma isolada ou para reduzir o consumo de energia elétrica, sendo mundialmente utilizado. De acordo com Reis (2011), existe também, dentre a geração solar térmica, a geração termossolar, sendo um processo que converte a energia solar em energia térmica e posteriormente em elétrica. Por mais que a energia solar térmica seja amplamente utilizada em escala mundial, não será entrado em mais detalhes a respeito, entendendo que este não é o objeto de estudo deste trabalho.
A energia solar fotovoltaica, por sua vez, é a conversão direta da luz irradiada pelo sol em eletricidade. Neste processo de conversão, a célula fotovoltaica, que é fabricada com material semicondutor, tem papel fundamental (CRESESB, 2014).
O efeito fotovoltaico se dá pela característica de alguns materiais que apresentam uma diferença de potencial quando incididos por raios luminosos, segundo Demonti (1998). Conforme Coelho (2008), descoberto por Edmond Becquerel em 1839, este efeito fotovoltaico se deu inicialmente, a partir da exposição à luz de placas metálicas mergulhadas em um eletrolítico. No entanto, de acordo com Cresesb (2014), a produção industrial de células fotovoltaicas aconteceu apenas em 1956, devido ao crescimento da área da eletrônica. Atualmente, o Silício é o material mais utilizado para a produção de células fotovoltaicas, seguido das produzidas – em menor número – de materiais como o Arsenieto de Gálio e o Sulfeto de Cádmio, segundo Demonti (1998). Tais características e outras sobre as células e os painéis fotovoltaicos serão melhor descritas no item 2.4.
A expansão do interesse da utilização das células fotovoltaicas teve impulso com a crise petrolífera de 1973, quando começou a se estudar e utilizar novas fontes de energia renováveis. A partir daquele momento essa tecnologia passou a ter mais investimentos e consequentemente, dentre outros motivos, o custo da aplicação deste tipo de sistema passou a reduzir, conforme Cresesb (2014). Posteriormente, as
células fotovoltaicas passaram a ser mais utilizadas e difundidas, sendo inclusive implementadas no espaço sideral como fonte de energia em satélites (CEMIG, 2012). A partir de então, com o aumento de investimentos e de políticas que facilitaram a expansão da implementação de sistemas de geração de energia fotovoltaicas, bem como a redução de seus custos, muitos países passaram a fazer uso desta tecnologia. No final da década de 1990, países como a Alemanha e Japão já apresentavam aumentos consideráveis no desenvolvimento deste mercado (CRESESB, 2014).
De acordo com Cresesb (2014), atualmente, o país líder na produção de células fotovoltaicas é a China, que em 2012 produziu 23 GWp (watt-pico é a unidade de potência de saída de um gerador fotovoltaico) em módulos fotovoltaicos, somando 64% da produção deste ano. Sendo 11% da produção deste ano na Europa. A figura 7 mostra os principais fabricantes em 2012.
Figura 7 - Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012
Fonte: Cresesb (2014)
Já no que diz respeito à potência instalada, conforme já citado anteriormente, de 2000 a 2012 o destaque é a Alemanha, seguido da Itália. Sendo que a maioria dos painéis produzidos se encontram instalados na Europa (CRESESB, 2014).
Por mais que o número de painéis fotovoltaicos instalados esteja aumentando mundialmente, a geração de eletricidade mundial está baseada no massivo consumo de combustíveis não renováveis. Conforme Souza (2009, p. 1), dados da ONU estimam que apenas “14% da energia primária consumida no planeta tem origem em fontes renováveis, ao passo que 86% do total empregariam as fontes tradicionais - petróleo, carvão, gás natural e nuclear”. Desta forma, a grande dependência de fontes não-renováveis traz preocupação quanto ao seu esgotamento.
O Brasil encontra-se em situação especial mediante a geração de energia elétrica, quando comparado com outros países. Pois, conforme Souza (2009), a matriz enérgica brasileira concentra-se quase que em sua totalidade - cerca de 92% - na geração hidroelétrica. A energia hidroelétrica enquadra-se como fonte de energia renovável, pois depende da água dos leitos dos rios e bem como do índice de chuvas. Por mais que as áreas alagadas sejam fontes de questionamentos do ponto de vista ecológico, não tem por finalidade deste trabalho entrar neste mérito, uma vez as fontes de energia que mais degradam o meio ambiente são as que, no caso do Brasil, são utilizadas de forma complementar à geração hidroelétrica, para suprimento das necessidades da matriz energética nacional.
De acordo com Souza (2009), as melhores localizações geográficas onde poderiam ser construídas usinas hidroelétricas no Brasil já foram exploradas. Sendo que apenas este tipo de geração já não consegue acompanhar a crescente demanda de energia elétrica brasileira; soma-se isso aos períodos de estiagem e torna-se assim necessária a inserção de outras fontes de energia no sistema.
Neste contexto, entra a grande necessidade de investimento em fontes de energia que possam ser renováveis e que possam contribuir para o crescimento da demanda de energia elétrica. Neste meio, encontram-se as microgerações de energia elétrica e, dentre elas, encontra-se a energia solar fotovoltaica, tanto atuante de forma isolada, quanto conectada à rede elétrica da concessionária.
Por mais que na escala mundial a utilização de fontes não renováveis ainda esteja em números consideráveis, vale salientar o investimento que os países supracitados vêm fazendo a respeito. Como os já citados países com maior mercado de módulos fotovoltaicos, sendo a Alemanha, seguida por Itália, além de, por exemplo, Japão e Estados Unidos. O crescimento das instalações também tem crescido em
países asiáticos, como a China e a índia, muito disso devido as já citadas políticas favoráveis e redução dos custos dos painéis, incentivando a instalação deste tipo de sistema. No Brasil, o mercado de instalação de painéis fotovoltaicos também se encontra em um momento de crescimento (CRESESB, 2014).
Assim sendo, de acordo com o já exposto, a tendência é que no Brasil, assim como em outros países, o mercado fotovoltaico tenda a aumentar, visto que o custo dos painéis tem sofrido redução constante em seus valores e que em muitos países tem se adotado políticas que incentivem a sua instalação.
2.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
A ocorrência do efeito fotovoltaico acontece pela excitação de elétrons em alguns materiais, particularmente semicondutores, quando incididos pela luz, conforme Carvalho (2012). Devido a essa incidência luminosa, estes materiais apresentam uma diferença de potencial. Como já citado no item 2.3, este efeito foi descoberto por Edmond Becquerel em 1839 (DEMONTI, 1998).
A fim de simplificar o entendimento, pode-se dizer que uma célula fotovoltaica consiste em um semicondutor, no qual, através do processo de dopagem, se adicionam impurezas. Assim sendo, esta célula passa a ter em sua saída uma diferença de potencial devido a luz sobre ela incidente. Dopantes com características diferentes causam alterações na tensão e na corrente de saída da célula, fazendo com que existam significativas modificações na sua eficiência de conversão de energia (COELHO, 2008).
Atualmente, o material mais utilizado para a confecção destas células é o Silício, segundo Demonti (1998). Dominam o mercado mundial de produção de células fotovoltaicas as produzidas a partir de lâminas de Silício cristalino (monocristalino ou policristalino). Conforme Cresesb (2014), outras tecnologias, em menor proporção na escala mundial de produção, utilizam filmes finos de outros materiais como telureto de cádmio, disseleneto de cobre, índio e gálio, além de composições com silício amorfo hidrogenado, silício crescido em fitas ou em silício microcristalino. Mais recentemente apareceram também, células fotovoltaicas orgânicas em filmes finos, com rendimentos menores que as de silício. Já as células fotovoltaicas baseadas em
multijunções, ainda pouco utilizadas pela por serem mais recentes, prometem um rendimento superior, próximo aos 40% (CRESESB, 2014).
As já citadas e muito difundidas células de silício cristalino, possuem um custo mais elevado. As células de silício monocristalino possuem uma eficiência de 12 a 14%, e seu custo é mais elevado que o das células de silício policristalino, que apresentam uma eficiência que varia de 11 a 13%, conforme Carvalho (2012). Porém, atualmente já são comercializados painéis de silício policristalino com eficiências ligeiramente melhores, como por exemplo, os painéis utilizados como base para o projeto do arranjo fotovoltaico posteriormente simulado, com eficiência na casa dos 16%. As células de silício amorfo hidrogenado, por sua vez, ficam em valores de eficiência inferiores a 9%. Nesta mesma faixa de eficiência, ou menores, de acordo com o caso, encontram-se as demais células feitas em filmes finos, com exceção das feitas de multijunções, que prometem valores maiores de eficiência (DEMONTI, 1998). A figura 8 apresenta respectivamente as células fotovoltaicas de silício monocristalino, policristalino e a de filmes finos. A figura 9, por sua vez, demonstra uma célula fotovoltaica de silício amorfo, em filmes finos, aplicada diretamente em telhas.
Figura 8 - Células fotovoltaicas produzidas em silício
Figura 9 - Aplicação de painéis de silício amorfo em construção civil
Fonte: Silva (2003)
Sendo os painéis fotovoltaicos um meio pelo qual se converte a energia irradiada pelo sol em energia elétrica, entende-se por “célula” o dispositivo elementar para tal conversão. “Módulo”, por sua vez, é um conjunto de células interligadas e encapsuladas com o objetivo de gerar energia elétrica. Por fim, o “arranjo” é a interligação elétrica entre módulos afim de se formar uma única estrutura. A figura 10 demonstra a diferenciação supracitada.
Figura 10 - Célula, módulo e arranjo fotovoltaicos
De forma mais direta e simplificada possível, a célula é formada por uma junção PN de materiais semicondutores. Quando os fótons incidem sobre esta junção, acaba ocorrendo que os elétrons das camadas mais externas se libertam, existindo então uma diferença de potencial e um circuito elétrico fechado, conforme Gonçalves (2006), o que é elucidado pela figura 11, que representa a junção PN de uma célula de silício.
Figura 11 - Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício
Fonte: Cresesb (2014)
Os painéis fotovoltaicos comerciais são normalmente encontrados em tensões de 12 a 68 V, correntes de 0,5 a 10 A e potências de 3 a 325 W. Se prevê ainda, que quando necessário, pode-se associá-los em série e/ou paralelo, para se chegar em valores de tensão ou corrente desejadas (DEMONTI, 1998).
É importante ainda citar, que além da variação da incidência luminosa sob o painel, a temperatura também influencia na energia gerada, segundo Coelho (2008).
Lembrando ainda que o fator, já citado no item 2.2, chamado massa de ar, também influencia diretamente na radiação sobre a célula.
A figura 12 determina as curvas de corrente por tensão (𝐼𝑥𝑉), devida a variação da temperatura (a) e da radiação solar (b).
Figura 12 - Curvas IxV com a variação de temperatura e radiação solar
Fonte: Kyocera (2017)
Percebe-se, que ao passo que a radiação solar se mantém constante e a temperatura varia (a), ocorre uma variação direta na tensão gerada pelo painel. A medida que quando a temperatura é constante e a radiação solar varia (b), ocorre uma variação mais significativa na corrente gerada.
Cabe ressaltar ainda, que o sombreamento parcial de dada região do painel, também acaba interferindo negativamente, diminuindo a potência gerada (COELHO, 2008).
2.5 SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
Os Sistemas Fotovoltaicos (SFV) são basicamente divididos em sistemas isolados e em sistemas conectados à rede elétrica. Existem ainda os sistemas híbridos, que são aqueles que combinam a energia fotovoltaica com uma ou mais fontes de energia (CRESESB, 2014).
2.5.1 Sistemas isolados
Os sistemas isolados podem ser puramente fotovoltaicos ou híbridos. Para tal, estes sistemas necessitam de uma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias, ou de outras formas, como por exemplo em um bombeamento de água, onde a forma de armazenar energia pode ser feita através de tanques elevados (CRESESB, 2014).
Estes sistemas isolados podem ser aplicados em estações repetidoras de telefone, sinalizadores marítimos, sistemas de bombeamento de água, fonte de energia elétrica para residências, satélites artificiais, dentre outras aplicações. A justificativa de sua implementação se dá quando não é possível a chegada de energia elétrica de outra forma, ou quando o custo para levar energia até determinado local se torna maior que o custo da instalação isolada (DEMONTI, 1998).
2.5.2 Sistemas Conectado à Rede (SFCR)
Este tipo de sistema se caracteriza pelo fato de que a potência produzida pelo gerador fotovoltaico acaba sendo entregue de forma direta à rede da concessionária (Figura 13). Para tal, se faz necessário a utilização de um inversor (conversor CC-CA), que cumpra as exigências de qualidade e segurança, para maior duração do sistema e para a confiabilidade da energia entregue à rede. Bem como um medidor bidirecional, para controle da energia injetada e da energia consumida (CRESESB, 2014).
A regulamentação deste tipo de sistema é disposta pela ANEEL, através da resolução 687 do ano de 2015, que estabelece de forma preliminar, as condições de acesso de microgeração e minigeração distribuída para os sistemas de distribuição de energia elétrica.
Figura 13 - Representação de um sistema conectado à rede (SFCR)
Fonte: Real Solar (2017)
Este tipo de sistema visa que a energia gerada pelo consumidor, seja convertida em créditos para desconto na fatura mensal de energia. Assim, esse desconto pode se tornar subsídio para a quitação do custo da instalação (CRESESB, 2014).
2.6 INTRODUÇÃO AO MÉTODO DO MPPT
Prevendo que no capítulo 4 deste trabalho será abordado profundamente os itens citados neste item 2.6, cabe a este último, apresentar apenas uma breve introdução quanto ao método de MPPT, bem como abordar de forma introdutória os demais assuntos.
Analisando-se que devido a variações climáticas, como as de irradiação solar e de temperatura, os níveis de tensão e de corrente do painel fotovoltaico acabam variando, o resultado disto é que para cada variação destes, existe um único ponto de máxima potência (MPP) gerado pelo painel fotovoltaico, conforme demonstrado pela figura 14 (DEMONTI, 1998).
Estes pontos acabam por se localizar nos joelhos da curva característica 𝐼𝑥𝑉. Assim sendo, para cada valor de corrente disponibilizada pelo painel, existe um respectivo valor de tensão, cujos representam o ponto de máxima potência (MPP)
possível, e vice-versa. Estes pontos são identificados na figura 14 como “mpp1” e “mpp2”.
Figura 14 - Análise do MPP
Fonte: Demonti (1998)
Assim sendo, visando que os módulos fotovoltaicos não apresentam rendimentos expressivos, conforme Coelho (2008), e a fim de se melhorar este rendimento do sistema, faz-se necessário a implementação de um método que consiga entregar o máximo de potência disponível, independente da carga conectada em sua saída (SILVA, 2003).
Este método de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT – Maximum Power Point Tracker), consiste em algum conversor CC-CC que aliado a um método de rastreamento, consiga entregar o máximo de potência disponível pelos painéis. Visando melhor rendimento da energia captada pelos painéis, bem como tornando-os menos susceptíveis às variações de temperatura e luminosidade (COELHO, 2008).
De acordo com Cobep (2011), sabendo-se que a potência de saída dos módulos fotovoltaicos está diretamente ligada à carga, cabe aos Rastreadores de Máxima Potência – o conversor CC-CC em conjunto com o algoritmo de rastreamento – através da alteração de sua razão cíclica (𝐷), fazer com que a resistência de carga seja uma função direta do ganho estático do conversor (𝐺) (indiretamente tendo a ver
com sua razão cíclica (𝐷)), extraindo assim o máximo de potência possível do módulo ou do arranjo fotovoltaico. Assim pode-se dizer que a carga R, representada na figura 15, seria uma espécie de carga variável dependente de seu valor e da razão cíclica (D). A figura 26, por sua vez, demonstra a interpolação realizada pelo conversor CC-CC entre o painel e a carga.
Figura 15 - Resistencia efetiva nos terminais do arranjo fotovoltaico
Fonte: Neto (2012)
Figura 16 - Painel fotovoltaico conectado a carga através de um conversor CC-CC
Fonte: Neto (2012)
Os subitens 2.6.1 e 2.6.2 a seguir também terão apenas caráter introdutório, visto que estes assuntos também serão melhor difundidos no quarto capítulo.
2.6.1 Introdução aos possíveis conversores utilizados para o MPPT
Os conversores CC-CC têm por finalidade controlar o fluxo de potência da fonte de entrada para uma fonte de saída. São constituídos por semicondutores de potência operando como interruptores, e por elementos passivos como indutores e capacitores, conforme Petry (2001). As três topologias a serem estudadas no quarto capítulo serão os conversores Buck, Boost e o Buck-Boost.
De forma sucinta, o conversor Buck (figura 17) se trata de um conversor abaixador de tensão, tendo a entrada em tensão e a saída em corrente. Além de apenas diminuir a tensão na saída, possui uma corrente de saída de boa qualidade e a corrente na entrada é descontínua (PETRY, 2001).
Figura 17 - Conversor Buck
Fonte: Petry (2001)
O conversor Boost (Figura 18), por sua vez, é um conversor elevador de tensão, tendo entrada em corrente e saída em tensão. Ele pode apenas aumentar a tensão na saída, tendo corrente de saída descontínua e visando corrente de entrada com boa qualidade (PETRY, 2001).
Figura 18 - Conversor Boost
Por fim, o conversor Buck-Boost (Figura 19) consiste em conversor que pode ser tanto elevador quanto abaixador, possuindo entrada e saída em tensão e tanto a corrente de entrada quanto a de saída são descontínuas (PETRY, 2001).
Figura 19 - Conversor Buck-Boost
Fonte: Petry (2001)
2.6.2 Introdução aos métodos de rastreamento do MPP
Este item remete a um breve comentário sobre os três métodos de rastreamento do MPP, que serão posteriormente melhor estudados.
Os primeiros circuitos para o rastreamento da máxima potência surgiram em 1968, com o objetivo de melhorar sistemas cujos tivessem uma fonte não linear e uma carga arbitrária, de acordo com Coelho (2008). Desde então surgiram muitas técnicas. Dentre estas, as três mais difundidas na literatura e que serão estudadas no capítulo 4 deste, são: Método da tensão constante, Perturba e Observa (P&O) e Condutância Incremental.
Método da tensão constante: consiste basicamente em uma técnica pouco precisa, que impõe uma tensão de saída do módulo e a mantém fixa (Figura 20). O ponto negativo consiste na falha que este método apresenta por omitir as variações de temperatura na análise, uma vez que esta influencia diretamente na tensão gerada pelo painel (COELHO, 2008).
Figura 20 - Característica da curva 𝑷𝒙𝑽 no método da tensão constante
Fonte: Coelho (2008)
Método Perturba e Observa (P&O): este método é mais difundido na literatura e considera tensão e corrente para o rastreamento do MPP. Neste caso, é feito uma leitura de tensão e corrente do painel enquanto o conversor CC-CC opera em sua razão cíclica. Posteriormente, com apoio do algoritmo de rastreamento, a razão cíclica é incrementada ou decrementada, e a partir daí o sistema detecta se a potência aumenta ou diminui. A partir de então, em função da nova potência, a razão cíclica continua incrementando ou decrementando, mantendo a operação no MPP, conforme Coelho (2008). A imagem 21 descreve o comportamento da potência e da tensão neste método.
Figura 21 – Comportamento no método P&O
Fonte: Adaptado de Coelho (2008)
Método da Condutância Incremental: este método tem operação semelhante à do anterior, agindo mais rapidamente e tendo menor oscilação da potência, porém exigindo maior esforço computacional. Também incrementando ou decrementando a razão cíclica, este método toma como base a razão entre a derivada da potência e a derivada da tensão. Conforme o resultado desta razão, a razão cíclica é incrementada ou decrementada, segundo Coelho (2008). As derivadas maior e menor que zero exemplificadas pela curva PxV, são demonstradas pela figura 22.
Figura 22 – Curva PxV do método de condutância incremental
Fonte: Coelho (2008)
Caberá ao quinto capítulo simular estes métodos de rastreamento em conjunto com o conversor CC-CC escolhido, ambos melhor esclarecidos no quarto capítulo.
3 PROJETO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Cabe a este capítulo determinar a escolha do painel fotovoltaico e seus parâmetros, para que possa ser projetado o arranjo fotovoltaico que posteriormente será simulado no capítulo 5.
3.1 ESCOLHA DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Tomando-se como base os parâmetros do painel escolhido, como valores de tensão de saída, corrente de saída, potência dos painéis, dentre outras informações contidas em seu datasheet (folha de dados), será possível determinar o arranjo fotovoltaico e posteriormente simular este arranjo no software de simulação.
Assim sendo, após uma pesquisa levando em consideração a relação de características técnicas dos painéis fotovoltaicos, bem como o rendimento dos mesmos, o grau de difusão da marca do painel a ser escolhido, possibilidade de adquirir o datasheet do mesmo, dentre outros fatores, efetuou-se a escolha do painel a ser parametrizado. Sendo este um painel de silício policristalino, da marca canadense Canadian Solar, modelo CS6P-265P, com potência nominal máxima de 265 W, tensão em máxima potência de 30,6 V, corrente em máxima potência de 8,66 A, eficiência de 16,47%, dentre outros parâmetros contidos em seu datasheet, cujo encontra-se no ANEXO A deste trabalho. A figura 23 demonstra o painel escolhido.
Figura 23 - Painel CS6P-265P
Fonte: Canadian (2016)
Outros parâmetros importantes do painel CS6P-265P, disponíveis em seu datasheet, estão contidos na tabela 2.
Tabela 2 - Parâmetros do painel CS6P-265P
Fonte: Canadian (2016)
Parâmetros do painel CS6P-265P sob condições padrão
(Irradiação=1000 W/m², Massa de Ar=1,5 e temperatura ambiente=25°C)
Potência máxima nominal (𝑷𝒎𝒂𝒙) 265 W
Tensão de máxima potência (𝑽𝒎𝒑) 30,6 V
Corrente de máxima potência (𝑰𝒎𝒑) 8,66 A Tensão de circuito aberto (𝑽𝒄𝒂) 37,7 V Corrente de curto circuito (𝑰𝒄𝒄) 9,23 A
Eficiência do módulo 16,47 %
Temperatura de operação -40°C ~ +85°C
Coeficiente de temperatura em 𝑽𝒄𝒂 -0,31 % / °C Coeficiente de temperatura em 𝑰𝒄𝒄 0,053 % / °C
De acordo com Carvalho (2012), se faz necessário esclarecer alguns dos parâmetros de maior relevância dos módulos fotovoltaicos, sendo estes descritos na tabela supracitada. Dessa forma, tem-se o seguinte:
Potência máxima nominal (𝑃𝑚𝑎𝑥): refere-se à máxima potência gerada pelo módulo fotovoltaico.
Tensão de máxima potência (𝑉𝑚𝑝): se caracteriza por ser a tensão de saída do módulo, quando este se encontra no ponto de operação de máxima potência.
Corrente de máxima potência (𝐼𝑚𝑝): é a corrente de saída do módulo, quando este se encontra no ponto de operação de máxima potência.
Tensão de circuito aberto (𝑉𝑐𝑎): é a tensão de saída do módulo fotovoltaico quando este não está fornecendo potência, ou seja, quando a corrente de saída acaba sendo nula.
Corrente de curto circuito (𝐼𝑐𝑐): é a corrente de saída do módulo fotovoltaico quando este encontra-se com seus terminais de saída conectados entre si, ou seja, em curto-circuito, sendo assim a tensão de saída nula.
Eficiência do módulo: de acordo com Cresesb (2014), é definido como o parâmetro que determina a efetividade do processo de conversão de energia solar em elétrica. Sendo a relação entre a potência elétrica gerada pelo painel fotovoltaico e a potência da energia solar que incide sobre o painel.
Cabe ainda ressaltar a importância de se conhecer as curvas características 𝐼𝑥𝑉 do painel a ser considerado. Pois estas, somadas aos parâmetros da tabela supracitada, são essênciais para que o painel possa ser modelado com o máximo de precisão possível, para fins de uma simulação confiável do sistema. A forma de inserção destes parâmetros no software de simulação, bem como a representação destas curvas características no ambiente computacional, será sucintamente descrita no transcorrer do capítulo 5 deste trabalho.
Através da figura 24 é possível conhecer as curvas características 𝐼𝑥𝑉 do painel fotovoltaico CS6P-265P, sendo a curva demonstrada à esquerda, referente às saídas de tensão e corrente do painel, mediante variações de índices de irradiação. Enquanto que a curva demonstrada à direita, remete às saídas de tensão e corrente do painel, devido a mudanças nos valores de temperatura a ele expostas. Estas curvas também constam no datasheet deste painel fotovoltaico.
Figura 24 - Curva 𝑰𝒙𝑽 do painel CS6P-265P
Fonte: Canadian (2016)
3.2 DETERMINAÇÃO DO ARRANJO FOTOVOLTAICO
Partindo do pressuposto de que o painel fotovoltaico já tenha sido escolhido, parte-se para uma nova etapa, a determinação da potência de instalação (para fins de simulação) do sistema fotovoltaico. Desta forma, como a intenção do autor é simular um sistema fotovoltaico agregando mais do que um painel fotovoltaico, estipula-se assim uma potência base para o arranjo a ser determinado.
Assim sendo, visando que esta simulação poderia representar um arranjo de painéis suficientes para, por exemplo, suprir a instalação de uma residência unifamiliar, estipulou-se que esta suposta residência teria um consumo médio mensal de aproximadamente 175 kWh mês. Desta forma, dividindo o consumo médio mensal pelo respectivo número de dias de cada mês, repetindo esta operação para os doze meses do ano, somando os resultados e dividindo esta soma por doze, obtém-se a
equação 2, que é responsável por determinar o consumo médio diário de energia elétrica nesta residência hipotética.
𝐶𝑚𝑑 =
𝑐𝑚1 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚2 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚3 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚4 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚5 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚6 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚7 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚8 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚9 𝑛𝑑+ 𝑐𝑚10 𝑛𝑑 + 𝑐𝑚11 𝑛𝑑 + 𝑐𝑚12 𝑛𝑑 12 (2) Sendo:𝐶𝑚𝑑 = consumo médio diário (kWh);
𝐶𝑚(𝑛) = consumo mensal no referido mês do ano (kWh); 𝑛𝑑 = número de dias do referido mês.
Prosseguindo, aplicando-se esta equação, chega-se a um valor de consumo médio diário de energia elétrica de aproximadamente 5,75 kWh por dia.
Seguindo esta analogia, sabendo o suposto consumo médio diário de energia elétrica, e tomando como base o exposto por Atomra (2017), pode-se chegar à equação 3. Esta determinará a potência necessária para ser alcançada pelo arranjo de painéis fotovoltaicos.
𝑃
𝑓𝑣=
𝐶𝑚𝑑 𝑥 𝐶𝑖𝐸𝑓 𝑥 𝐼𝑆𝑚𝑒𝑑
(3)
Onde:
𝑃𝑓𝑣 = Potência do arranjo fotovoltaico (kWp);
𝐶𝑚𝑑 = Consumo médio diário de energia elétrica (kWh); 𝐶𝑖 = Constante de irradiância (1 kW/m²);
𝐸𝑓 = Eficiência estipulada (83%);
𝐼𝑆𝑚𝑒𝑑 = Irradiação solar diária média (kWh/m²);
Para que a equação 3 possa ser resolvida, e assim possa ser determinada a potência do arranjo fotovoltaico, se faz necessário conhecer ou estipular uma irradiação solar diária média (𝐼𝑆𝑚𝑒𝑑), que supostamente incidiria sob os painéis fotovoltaicos. Em vista disto, estipula-se que os índices de irradiação solar a serem levados em consideração serão os do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, nas proximidades da cidade de Ijuí. Lembrando que este trabalho não visa uma implementação prática do sistema, mas sim, simulação do funcionamento do mesmo em busca do rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT). Assim, a
determinação do local de escolha dos índices de irradiação solar, são meramente necessários para que a modelagem do sistema possa ser efetuada, sem conter montagens práticas.
Logo, seguindo os passos de Atomra (2017), para que os valores de índices de irradiação solar diária média nesta região sejam determinados, basta informar os valores de latitude e longitude da localidade desejada no site Cresesb (2017), na aba potencial energético, posteriormente na aba potencial solar, que consequentemente se faz possível a visualização dos índices de irradiação solar dos municípios próximos ao de Ijuí, visto que este último não consta nos dados deste sistema. Todavia, através de um simples cálculo de média aritmética, envolvendo os índices de irradiação das três cidades mais próximas contidas no sistema (sendo elas Panambi, Cruz Alta e São Luiz Gonzaga), se faz possível determinar um valor aproximado de irradiação solar diária média nas proximidades desta parte da região noroeste do estado. Por conseguinte, aplicando o exposto, pode-se determinar que o índice de irradiação solar diária média na região é de aproximadamente 4,57 kWh/m².dia.
Através de figura 25, disponível em Cresesb (2017), é possível identificar os valores médios de irradiação solar diária média nos três municípios já descritos. Através destes valores, foi possível chegar ao valor aproximado de irradiação supracitado. A figura 26 da mesma fonte, por sua vez, elucida um diagrama representando a variação dos índices de irradiação média nesta região, no decorrer dos doze meses de um ano, ilustrando o contido na figura 25.
Figura 25 - Irradiação solar diária média no Noroeste do RS
Figura 26 - Gráfico da irradiação solar diária média no Noroeste do RS
Fonte: Cresesb (2017)
A partir do exposto, pode-se então fazer uso da equação (3), com a finalidade de se determinar a potência do arranjo fotovoltaico. Portanto, aplicando-se a equação, obtém-se o seguinte resultado:
𝑃𝑓𝑣 = 5,75 𝑥 1 0,83 𝑥 4,57 Logo:
𝑃𝑓𝑣 = 1,5159 𝑘𝑊𝑝
Assim sendo, sabendo-se que a potência nominal de cada painel solar CS6P-265P é de 265 W, utiliza-se a equação (4) para que seja determinado o número de painéis fotovoltaicos incluídos no arranjo.
𝑁
𝑚𝑜𝑑=
𝑃𝑓𝑣𝑃𝑚𝑜𝑑
(4)
Onde:
𝑁
𝑚𝑜𝑑= Número de módulos fotovoltaicos necessários;𝑃
𝑓𝑣= Potência do arranjo fotovoltaico (kWp);𝑃
𝑚𝑜𝑑= Potência de cada módulo fotovoltaico (W).Aplicando a equação (4), obtém-se o seguinte resultado: 𝑁𝑚𝑜𝑑= 1,5159 𝑘
265 𝑁𝑚𝑜𝑑 = 5,7 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠
