Sistema de iluminação pública autónomo com variação do fluxo luminoso

(1)

Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2013

Daniel Ant´

onio da

Costa Dinis

Sistema de Ilumina¸

c˜

ao P´

ublica Aut´

onomo com

Varia¸

c˜

ao do Fluxo Luminoso

(2)

(3)

Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2013

Daniel Ant´

onio da

Costa Dinis

Sistema de Ilumina¸

c˜

ao P´

ublica Aut´

onomo com

Varia¸

c˜

ao do Fluxo Luminoso

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e de Telecomunica¸cões, realizada sob a orienta¸cão cient´ıfica dos professores:

Professor Doutor Alexandre Manuel Moutela Nunes da Mota, Professor As-sociado do Departamento de Electrónica, Telecomunica¸cões e Informática da Universidade de Aveiro (orientador)

Professor Doutor Rui Manuel Escadas Ramos Martins, Professor Auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunica¸cões e Informática da Universi-dade de Aveiro (co-orientador)

(4)

(5)

o j´uri / the jury

presidente / president Professor Doutor Paulo Bacelar Reis Pedreiras

Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Professor Doutor Jos´e Ant´onio Barros Vieira

Professor Adjunto do Instituto Polit´ecnico de Castelo Branco

Professor Doutor Alexandre Manuel Moutela Nunes da Mota

(6)

(7)

agradecimentos / acknowledgements

A escrita desta disserta¸cão marca o fim de mais uma etapa que tive o privilégio de viver. Etapa que me fez crescer tanto como pessoa como profissional, cuja conclusão dedico a algumas pessoas pois sem elas teria sido muito mais dif´ıcil, ou imposs´ıvel, de atingir.

Ao Professor Doutor Alexandre Mota e ao Professor Doutor Rui Martins, meus orientadores, por todo o conhecimento que me transmitiram assim como pela motiva¸c˜ao e confian¸ca que me forneceram.

Ao Professor Doutor José Alberto Fonseca, ao Professor Doutor Joaquim Ferreira e ao Professor Doutor Paulo Pedreiras, meus orientadores da Bolsa de Investiga¸cão, pela flexibilidade e independência que me facultaram nestes ´

ultimos meses e, principalmente, pelos conselhos t˜ao importantes que me deram.

A todos os meus amigos, pelos momentos de descontra¸cão e diversão, assim como pelos momentos de estudo e trabalho intensivo, que sem dúvida, incrementaram a minha capacidade de adapta¸cão e gestão de tempo.

`

A Magali, minha melhor amiga, confidente e companheira, por toda a for¸ca, carinho e pela paciência que teve comigo durante estes últimos anos. Ao Augusto, meu irmão, cúmplice e confidente, por todos os “puxões de orelhas” assim como por todas as palavras de carinho, que me permitiram ultrapassar todos os obstáculos e tomar as decisões certas nos momentos corretos.

Ao Nini e à Mimi, meus pais, meus tudo, por todo o esfor¸co que fizeram para me educar e por me terem dado os instrumentos necessários para construir o meu futuro. Amor, humildade e for¸ca são valores que herdei de vós. Agrade¸co-vos também por todos momentos de carinho que tivemos a sorte de viver.

Ao José Mota e à Manuela, meus avós, pelo saber estar, saber ser e saber sentir que desde sempre me têm vindo a transmitir. Sem dúvida, que os vossos ensinamentos, histórias e exemplo de vida em comum me moldaram e me permitiram crescer feliz e com os objetivos bem definidos.

(8)

(9)

Resumo Esta disserta¸cão insere-se no âmbito da eficiência energética e tem como objetivo a implementa¸cão de um sistema de ilumina¸cão pública autónomo, com recurso a painéis fotovoltaicos e baterias, com regula¸cão do fluxo lu-minoso.

Tendo em considera¸cão alguns requisitos de design do poste de ilumina¸cão, revelou-se necessária a incorpora¸cão dos painéis fotovoltaicos nas faces do mesmo, pelo que, de modo a otimizar a autonomia do sistema, optou-se pela introdu¸cão de múltiplos conversores de Maximum Power-Point Trac-king (MPPT). Relativamente à luminária, esta é constitu´ıda por tecnologia Light Emission Diodes (LED) e de modo a, uma vez mais, aumentar a auto-nomia do sistema, foi necessário dotá-la de capacidade para regular o fluxo luminoso de acordo com perfis pré-estabelecidos. Foi também desenvolvida uma interface gráfica para permitir a configura¸cão do sistema, assim como a extra¸cão de resultados para posterior análise.

(10)

(11)

Abstract This dissertation falls within the scope of energy efficiency and aims to im-plement an autonomous public lighting system, with the use of photovoltaic panels and batteries, with regulation of the luminous flow.

Taking into consideration some requirements from lamppost design, the in-corporation of photovoltaic panels on the faces of the lamppost was neces-sary, so in order to optimize the autonomy system, the insertion of multiple Maximum Power-Point Tracking (MPPT) converters was chosen. Regar-ding the luminaire, it consists of Light Emission Diodes (LED) technology and in order to increase the autonomy of the system, once again, it was necessary to grant it with the ability to regulate the light flow according to pre-established profiles. A graphical interface to allow configuration of the system, as well as the extraction of results for further analysis, has also been developed.

(12)

(13)

Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de Figuras iii

Acr´onimos vii

1 Introdu¸cão 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Objetivos . . . 2 1.3 Estrutura da disserta¸cão . . . 2 2 Conceitos fundamentais 5 2.1 Sistemas fotovoltaicos . . . 5 2.1.1 Introdu¸cão . . . 5 2.1.2 Radia¸cão solar . . . 6 2.1.3 Célula fotovoltaica . . . 8 Efeito fotovoltaico . . . 9

Tecnologia de c´elulas solares . . . 10

Modelo el´etrico de uma c´elula fotovoltaica . . . 12

Carater´ısticas el´etricas . . . 14

Fatores que influenciam as curvas carater´ısticas . . . 17

2.1.4 Constitui¸c˜ao de m´odulos fotovoltaicos . . . 19

2.1.5 Conversores comutados DC-DC . . . 21

Descri¸c˜ao conceptual dos conversores DC-DC . . . 21

Topologias convencionais dos conversores comutados . . . 23

Conversores DC-DC como resistˆencias vari´aveis . . . 25

Malha de realimenta¸c˜ao . . . 28

Algoritmos de Maximum Power Point Tracking . . . 29

2.2 Elementos de armazenamento de energia . . . 37

2.2.1 Introdu¸c˜ao . . . 37

2.2.2 Vis˜ao geral . . . 37

2.2.3 Distin¸cão entre fontes primárias e secundárias . . . 40

2.2.4 Conceitos importantes . . . 42

2.2.5 Processo de carga . . . 45

Modelos el´etricos das baterias . . . 47

Baterias de chumbo-´acido . . . 48

(14)

Baterias de i˜oes de l´ıtio . . . 53

2.3 Conceitos luminotécnicos e ilumina¸cão pública . . . 58

3 Sistema desenvolvido 59 3.1 Considera¸c˜oes iniciais . . . 59

3.1.1 Requisitos do projeto . . . 59

3.1.2 Especifica¸cões técnicas dos painéis fotovoltaicos, das baterias e da lu-minária . . . 60

3.2 Hardware . . . 63

3.2.1 Controlador . . . 63

3.2.2 Fonte prim´aria . . . 65

3.2.3 Conversores de MPPT . . . 65

Projeto do conversor Step-Up . . . 66

Circuitos de medi¸c˜ao da tens˜ao e da corrente para o MPPT . . . 67

Interruptor do conversor DC-DC . . . 68

3.2.4 Armazenamento . . . 69

Caracter´ısticas gerais do banco de baterias . . . 69

Circuitos de medi¸c˜ao da tens˜ao e da corrente do banco de baterias . . 69

Circuito de prote¸c˜ao contra sobre-tens˜ao . . . 70

3.2.5 Lumin´aria . . . 71

Drive da lumin´aria . . . 71

Circuito de medi¸c˜ao da corrente de descarga do banco de baterias . . 72

3.2.6 Considera¸c˜oes sobre as Printed-Circuit Board (PCBs) . . . 73

3.3 Firmware . . . 74

3.3.1 Arquitetura do Firmware do PIC-A . . . 74

3.3.2 Arquitetura do Firmware do PIC-B . . . 80

3.4 Software . . . 83

3.4.1 Interface gr´afica . . . 83

4 Resultados 87 4.1 Produ¸c˜ao de energia el´etrica . . . 87

4.1.1 Compara¸c˜ao entre algoritmos de MPPT . . . 87

Algoritmo de MPPT - “Tens˜ao Constante” . . . 88

Algoritmo de MPPT - “Perturba¸c˜ao & Observa¸c˜ao” . . . 90

Algoritmo de MPPT - “Scan & Adjust ” . . . 91

4.1.2 Sistema de gest˜ao de energia do banco de baterias . . . 95

4.2 Consumo de energia el´etrica . . . 96

4.3 Potˆencia consumida pelo sistema desenvolvido . . . 98

5 Conclus˜oes e trabalho futuro 99

Anexos 101

(15)

Lista de Figuras

2.1 Espetro Eletromagn´etico, com foco no espetro da radia¸c˜ao solar [8] . . . 6

2.2 Distribui¸c˜ao espetral da radia¸c˜ao solar [3] . . . 7

2.3 Radia¸c˜ao Solar [10] . . . 8

2.4 Corte transversal de uma c´elula fotovoltaica [12] . . . 9

2.5 Espetro de eficiência de uma célula fotovoltaica de camadas múltiplas [16] . . 11

2.6 Tecnologia Fotovolaica [13] . . . 11

2.7 Distribui¸c˜ao “Produ¸c˜ao fotovoltaica - tecnologia” [17] . . . 12

2.8 Modelo El´etrico de uma c´elula fotovoltaica [11] . . . 12

2.9 Curvas carater´ısticas de um m´odulo fotovoltaico I-V e P-V [11] . . . 14

2.10 Interliga¸c˜ao de uma carga aos terminais de uma c´elula fotovoltaica . . . 15

2.11 Ponto de opera¸cão definido pela interse¸cão da recta de condutância com a curva I-V . . . 16

2.12 Influência dos n´ıveis de Irradiância nas curvas carater´ısticas de um módulo fotovoltaico [11] . . . 17

2.13 Influˆencia da Temperatura nas curvas carater´ısticas de um m´odulo fotovoltaico [11] . . . 18

2.14 Influência da resistência série nas curvas carater´ısticas de um módulo fotovol-taico [11] . . . 18

2.15 Influência da resistência paralela nas curvas carater´ısticas de um módulo foto-voltaico [11] . . . 19

2.16 M´odulo fotovoltaico constitu´ıdo por c´elulas fotovoltaicas associadas em paralelo [3] . . . 19

2.17 Módulo fotovoltaico constitu´ıdo por células fotovoltaicas associadas em série [3] 20 2.18 Incorpora¸cão de um d´ıodo de bypass entre células [3] . . . 20

2.19 Incorpora¸cão de um d´ıodo de bloqueio em série com módulos fotovoltaicos [3] 21 2.20 Representa¸cão esquemática de um conversor DC-DC [22] . . . 21

2.21 Representa¸c˜ao esquem´atica de um conversor comutado DC-DC [23] . . . 23

2.22 Topologias b´asicas de conversores comutados [23] . . . 23

2.23 Topologias obtidas através da modifica¸cão das topologias básicas [23] . . . 24

2.24 Topologias n˜ao elementares: SEPIC e Zeta [21] . . . 25

2.25 Esquema de funcionamento de uma realimenta¸cão por amostragem de tensão, com gera¸cão de sinal PWM [21] . . . 28

2.26 Esquema de funcionamento de uma realimenta¸cão por amostragem de tensão, com gera¸cão de sinal PFM [21] . . . 29

2.27 Fluxograma representativo da t´ecnica de Tens˜ao Constante . . . 30

(16)

2.29 Fluxograma representativo da t´ecnica Beta . . . 32

2.30 Casos poss´ıveis na t´ecnica de P&O [11] . . . 33

2.31 Fluxograma representativo da t´ecnica de P&O . . . 33

2.32 Fluxograma representativo da t´ecnica de IncCond [11] . . . 35

2.33 Fluxograma representativo da t´ecnica de IncCond Modificado [11] . . . 36

2.34 Fluxograma representativo da t´ecnica Scan & Adjust . . . 37

2.35 Constitui¸c˜ao de uma c´elula eletroqu´ımica [32] . . . 38

2.36 Representa¸c˜ao da Pilha de Daniell [33] . . . 40

2.37 Processo de descarga de uma c´elula eletroqu´ımica [32] . . . 41

2.38 Ciclo de vida das Células Galvânicas Secundárias . . . 41

2.39 Processo de Carga de uma c´elula eletroqu´ımica [32] . . . 41

2.40 Curvas de descarga de uma bateria de chumbo-´acido [30] . . . 43

2.41 Perfil da evolu¸cão da resistência interna de uma bateria em fun¸cão do seu estado de carga (a) e da temperatura (b) [11] . . . 45

2.42 Modelos el´etricos de baterias durante o Processo de Carga [11] . . . 47

2.43 Constitui¸cão de uma célula eletroqu´ımica de chumbo-ácido [44] . . . 48

2.44 Processo de carga de uma bateria de chumbo-´acido [49] . . . 49

2.45 Constitui¸c˜ao c´elula eletroqu´ımica de Ni-Cd [44] . . . 50

2.46 Constitui¸c˜ao de uma c´elula eletroqu´ımica de Ni-MH [44] . . . 51

2.47 Tabela comparativa das baterias de Ni-MH e Ni-Cd [50] . . . 52

2.48 Perfil de Carga de baterias de NiCd e NiMH [51] . . . 53

2.49 Constitui¸cão célula eletroqu´ımica de iões de l´ıtio [44] . . . 54

2.50 Perfil de Carga de baterias de I˜oes L´ıtio [34] . . . 55

2.51 T´ecnicas de balanceamento end-of-charge - charge shunting [35] . . . 56

2.52 T´ecnicas de balanceamento ativas - charge shuttling - flying capacitor [35] . . 56

2.53 T´ecnicas de balanceamento ativas: conversores de energia - transformador co-mutado [35] . . . 57

2.54 T´ecnicas de balanceamento ativas: conversores de energia - transformador par-tilhado [35] . . . 57

2.55 T´ecnicas de balanceamento ativas: conversores de energia - transformadores m´ultiplos [35] . . . 57

2.56 T´ecnicas de balanceamento passivas - resistˆencia dissipativa [35] . . . 58

3.1 Modelo do poste de ilumina¸c˜ao a utilizar . . . 59

3.2 Diferen¸ca entre Sistemas de MPPT centralizados e distribu´ıdos . . . 60

3.3 Abordagens poss´ıveis na constitui¸c˜ao do banco de baterias . . . 61

3.4 Abordagens poss´ıveis na constitui¸c˜ao do m´odulo fotovoltaico . . . 62

3.5 Diagrama de blocos representativo da arquitetura geral do sistema desenvolvido 63 3.6 Esquem´atico representativo da arquitetura do controlador . . . 65

3.7 Esquem´atico de um conversor DC-DC Boost ou Step-Up . . . 66

3.8 Interliga¸c˜ao entre os conversores de MPPT com os m´odulos fotovoltaicos e com o banco de baterias . . . 67

3.9 Circuitos de medi¸cão da tensão e da corrente de sa´ıda do módulo fotovoltaico 68 3.10 Esquemático representativo do interruptor (gate driver inversor + MOSFET Canal N) . . . 69

3.11 Esquem´atico representativo dos circuitos de medi¸c˜ao utilizados no banco de baterias . . . 70

(17)

3.12 Circuito de prote¸c˜ao contra sobre-tens˜ao do banco de baterias . . . 71

3.13 Driver do tipo step-down para a adapta¸c˜ao entre o banco de baterias e a string de LEDs . . . 72

3.14 Esquema de medi¸c˜ao da corrente de descarga do banco de baterias . . . 73

3.15 S´ıntese das tarefas que constituem o Firmware do PIC-A e suas fun¸c˜oes mais importantes. . . 75

3.16 Esquem´atico representativo das correntes no banco de baterias . . . 77

3.17 Simula¸cão da evolu¸cão do estado de carga com base na equa¸cão 3.3 . . . 78

3.18 Esquema de atribui¸c˜ao das prioridades das tarefas do Firmware do PIC-A . . 80

3.19 S´ıntese das tarefas que constituem o Firmware do PIC-B e suas fun¸c˜oes mais importantes. . . 81

3.20 Perfis Luminosos pr´e-definidos para a lumin´aria . . . 82

3.21 Esquema de atribui¸c˜ao das prioridades das tarefas do Firmware do PIC-B . . 83

3.22 Exemplo da visualiza¸c˜ao gr´afica da Interface. . . 84

4.1 Evolu¸cão da tensão de entrada do conversor 1 sob o algoritmo de MPPT “Tensão Constante” . . . 88

4.2 Compara¸cão entre a potência de entrada e a potência de sa´ıda do conversor 1 sob o algoritmo de MPPT “Tensão Constante” . . . 89

4.3 Curva representativa da eficiˆencia do conversor 1 ao longo do tempo, sob o algoritmo de MPPT “Tens˜ao Constante” . . . 89

4.4 Evolu¸cão da tensão de entrada do conversor 1 sob o algoritmo de MPPT “Per-turba¸cão & Observa¸cão” . . . 90

4.5 Compara¸cão entre a potência de entrada e a potência de sa´ıda do conversor 1 sob o algoritmo de MPPT “Perturba¸cão & Observa¸cão” . . . 91

4.6 Curva representativa da eficiência do conversor 1 ao longo do tempo, sob o algoritmo de MPPT “Perturba¸cão & Observa¸cão” . . . 91

4.7 Compara¸cão entre a potência de entrada e a potência de sa´ıda do conversor 1 sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 92

4.8 Curva representativa da eficiˆencia do conversor 1 ao longo do tempo, sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 92

4.9 Compara¸cão entre a potência de entrada e a potência de sa´ıda do conversor 2 sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 93

4.10 Curva representativa da eficiˆencia do conversor 2 ao longo do tempo, sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 93

4.11 Compara¸cão entre a potência de entrada e a potência de sa´ıda do conversor 1 e do conversor 2 sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 94

4.12 Curva representativa da eficiˆencia do conversor 1 e do conversor 2 ao longo do tempo, sob o algoritmo de MPPT “Scan & Adjust ” . . . 94

4.13 Evolu¸cão da tensão de sa´ıda do conversor 1 (tensão do banco de baterias) . . 95

4.14 Evolu¸c˜ao da corrente de sa´ıda do conversor 1 (corrente de entrada do banco de baterias) . . . 95

4.15 Evolu¸c˜ao da tens˜ao de entrada do conversor 1 . . . 96

4.16 Evolu¸c˜ao da corrente de entrada do conversor 1 . . . 96

4.17 Corrente m´edia que circula em cada string de LEDs durante a noite. . . 97

4.18 Corrente de sa´ıda do banco de baterias durante a noite. . . 97 4.19 Consumo do sistema desenvolvido em condi¸c˜oes normais de funcionamento . 98

(18)

5.1 Distin¸cão entre as várias zonas de sensibilidade da retina em fun¸cão do n´ıvel

de ilumina¸c˜ao [66] . . . 102

5.2 Curva de sensibilidade do olho humano [65] . . . 102

5.3 Compara¸cão entre ângulo sólido e ângulo plano [68] . . . 103

5.4 Conceito de iluminˆancia [69] . . . 104

5.5 Conceito de luminˆancia [69] . . . 105

5.6 Figura representativa das quatro relevantes luminot´ecnicas mais importantes [71] . . . 105

5.7 Figura ilustrativa das m´etricas: LOR, ULOR e DLOR [69] . . . 107

5.8 Figura ilustrativa da varia¸c˜ao do fluxo luminoso com o tempo [69] . . . 107

5.9 Figura ilustrativa da varia¸cão do número de lâmpadas em funcionamento com a evolu¸cão do tempo [69] . . . 108

5.10 Figura ilustrativa da varia¸c˜ao do LOR em fun¸c˜ao do tempo [69] . . . 108

5.11 Figura ilustrativa da varia¸c˜ao da iluminˆancia com o passar do tempo [69] . . 109

5.12 Figura ilustrativa da varia¸c˜ao da temperatura da cor de uma fonte luminosa [69]110 5.13 Tecnologias de ilumina¸c˜ao [71] . . . 111

5.14 Tipo de radia¸c˜ao emitida pelos LEDs, consoante os materiais semicondutores utilizados [76] . . . 114

5.15 Categorias de estradas definidas para Portugal com respetivas classes de ilu-mina¸c˜ao [70] . . . 116

5.16 Curva carater´ıstica Corrente de polariza¸c˜ao - Tens˜ao direta [80] . . . 118

5.17 Curva carater´ıstica Fluxo luminoso - Corrente de polariza¸c˜ao [80] . . . 119

5.18 Trama do protocolo de comunica¸c˜ao . . . 119

5.19 Esquem´atico da topologia boost [81] . . . 121

5.20 Efeito do tempo do sinal PWM na corrente que circula na indutˆancia [81] . . 122

(19)

Acr´

onimos

• a-Si Amorphous Silicon

• a-Si:H Hydrogenated Amorphous Silicon • ADC Analog to Digital Converter • BC Banda de Condu¸c˜ao

• BV Banda de Valˆencia

• CCM Continuous Conduction Mode

• CIE Comission Internacionale de l’Eclairage • CIGS Copper Indium Gallium Selenide • CIS Copper Indium gallium Selenide • DC Direct Current

• DCM Discontinuous Conduction Mode • DLOR Downward Light Output Ratio • DSC Dye-sensitized Solar Cell

• ESR Equivalent Series Resistance • FF Fill-Factor

• FM Fator de Manuten¸c˜ao

• FML Fator de Manuten¸c˜ao da Lumin´aria

• FMLL Fator de Manuten¸cão da Luminosidade da Lâmpada • FSL Fator de Sobrevivência da Lâmpada

• IncCond Incremental Conductance • IP ´Indice de Prote¸c˜ao

• IRC ´Indice de Reprodu¸c˜ao de Cor

(20)

• LED Light-Emitting Diode • LOR Light Output Ratio

• MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor • MPP Maximum Power Point

• MPPT Maximum Power Point Tracking • OLED Organic Light-Emitting Diode • P&O Perturba¸c˜ao e Observa¸c˜ao • PCB Printed-Circuit Board • PI Proporcional Integrativo

• RTOS Real-Time Operating System

• SEPIC Single-Ended Primary-Inductor Converter • SFA Sistema Fotovoltaico Aut´onomo

• SI Sistema Internacional • SOC State of Charge • SSL Solid State Lighting • ST Seguidor de Tens˜ao • TF-Si Thin-Film Silicon

• UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter • UGR Unified Glare Rating

• ULOR Upward Light Output Ratio • UV Ultra-Violeta

(21)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Enquadramento

O crescimento populacional e o desenvolvimento tecnológico crescente levaram a um aumento do consumo energético do qual têm surgido algumas questões. Uma delas prende-se com os custos associados que, dado à conjetura financeira atual do pa´ıs e da Europa, se revela uma problemática fulcral a ser solucionada. Portugal não é um pa´ıs auto-sustentável do ponto de vista energético. Segundo dados da Direçcão Geral de Energia e Geologia, no ano de 2011, a taxa de dependência energética foi de 79.3% [1], existindo assim a necessidade de importar energia, o que, para além das consequências ambientais (resultantes da produ¸cão de energia a partir de combust´ıveis fósseis) também aumenta a fatura económica que cada pessoa tem de pagar, de forma direta (aumento do custo dos bens e dos servi¸cos) ou de forma indireta (impostos).

Apesar da resposta a esta questão não ser de todo conhecida, diversas entidades tentam redirecioná-la para a eficiência energética e para as energias renováveis, através do desenvolvimento de planos energéticos nacionais e internacionais.

Como se sabe, a energia encontra-se presente na natureza duma forma não ideal à nossa utiliza¸cão. Assim, para a utilizarmos existe a necessidade de a transformar. O grande problema é que o processo de transforma¸cão não é ideal, isto é, existem sempre perdas. Minimizá-las, quer através de novas tecnologias, quer de novos hábitos, é o objetivo dos programas de incentivo à eficiência energética. Sendo assim, a eficiência energética implica a obten¸cão dos mesmos bens e servi¸cos que atualmente dispomos, com a menor quantidade de energia poss´ıvel. Falando em concreto da ilumina¸cão pública existente em Portugal, pode-se referir que os gastos de energia elétrica, em alguns casos, constituem mais de 50% do or¸camento mensal dos munic´ıpios [2]. Deste modo, cada vez mais a ilumina¸cão pública deve ser encarada como uma área de interven¸cão da eficiência energética.

Com esta disserta¸cão pretende-se desenvolver um sistema de ilumina¸cão pública total-mente autónomo através da incorpora¸cão de módulos fotovoltaicos nas faces do poste de ilumina¸cão. Pretende-se também a incorpora¸cão de tecnologia Light-Emitting Diode (LED) na luminária e aplica¸cão de técnicas de regula¸cão do fluxo luminoso.

(22)

1.2 Objetivos

Esta disserta¸cão tem como principal objetivo o desenvolvimento de um sistema de ilu-mina¸cão pública totalmente autónomo. Para tal torna-se imprescind´ıvel a existência de painéis fotovoltaicos e baterias. De modo a aumentar a autonomia do mesmo, deverá possuir a capacidade de efetuar uma gestão dinâmica do fluxo luminoso da luminária, de acordo com perfis previamente definidos e ainda obedecer a requisitos relativos à geometria do poste de ilumina¸cão em que será incorporado.

Após o estudo prévio do problema e respetiva familiariza¸cão com os sistemas fotovol-taicos autónomos, especificamente com as técnicas de maximiza¸cão da energia produ-zida (técnicas de Maximum Power Point Tracking [MPPT]), seguir-se-à o desenho da arquitetura do sistema a desenvolver. Esta arquitetura compreenderá os detalhes da electrónica do controlador e a sua interliga¸cão com o firmware a desenvolver. Em para-lelo, será necessário proceder à escolha do microcontrolador a utilizar e desenvolver os device-drivers respetivos. Neste ponto, deverá ser cuidadosamente estudada a possibi-lidade de utiliza¸cão de um Sistema Operativo de Tempo Real.

Tendo finalizado as tarefas anteriores e após o hardware e o firmware estarem con-clu´ıdos, deverão ser realizados ensaios no sentido de aumentar a robustez do sistema e prepará-lo para a interliga¸cão com o software que estará dispon´ıvel para ser integrado nos computadores dos técnicos responsáveis pela manuten¸cão do mesmo. O objetivo do software é a configura¸cão e a extra¸cão de resultados do sistema.

1.3 Estrutura da disserta¸

c˜

ao

A presente disserta¸c˜ao encontra-se organizada em cinco cap´ıtulos, descritos e enumera-dos da seguinte forma:

– Cap´ıtulo 1, Introdu¸cão: descri¸cão do problema que serve de base a esta dis-serta¸cão, assim como os objetivos gerais e a sua estrutura;

– Cap´ıtulo 2, Conceitos Fundamentais: neste cap´ıtulo são abordados os principais conteúdos teóricos:

∗ Sistemas fotovoltaicos;

∗ Elementos de armazenamento de energia; ∗ Conceitos luminotécnicos e ilumina¸cão pública.

Estes conteúdos servem de introdu¸cão teórica ao sistema desenvolvido;

– Cap´ıtulo 3, denominado Sistema Desenvolvido: é iniciado com uma breve in-trodu¸cão, onde se expõem algumas considera¸cões iniciais importantes para o sis-tema desenvolvido. Este encontra-se segmentado em três módulos principais e cada um é apresentado detalhadamente:

∗ O Hardware, refere-se aos circuitos anal´ogicos/digitais que constituem a parte f´ısica do sistema;

∗ O Firmware, constitui todo o c´odigo desenvolvido e implementado nos micro-controladores;

(23)

∗ O Software, engloba uma aplica¸cão gráfica desenvolvida para o computador. – Cap´ıtulo 4, Resultados: neste cap´ıtulo procede-se à compara¸cão entre os

algorit-mos de MPPT que foram implementados, assim como à apresenta¸cão de gráficos ilustrativos da varia¸cão do fluxo luminoso da lâmpada e ainda, gráficos do processo de carga do banco de baterias;

– Cap´ıtulo 5, Conclusões e Trabalho Futuro: são apresentadas as ila¸cões do processo de desenvolvimento e de implementa¸cão do sistema desenvolvido, assim como serão apresentadas sugestões de trabalho futuro;

– Anexo A1 - Conceitos luminotécnicos e ilumina¸cão pública: são explorados alguns conceitos e legisla¸cão relativos à ilumina¸cão pública;

– Anexo A2 - Protocolo de comunica¸cão: refere-se aos detalhes do protocolo de comunica¸cão que foi implementado de modo a possibilitar a comunica¸cão entre os microcontroladores e o computador;

– Anexo A3 - Conversor boost : refere-se aos detalhes de projeto relativos ao conversor implementado;

– Anexo A4 - Arquitetura da interface gráfica: são apresentados os detalhes relativos à aplica¸cão gráfica que foi implementada.

(24)

(25)

Cap´ıtulo 2

Conceitos fundamentais

2.1 Sistemas fotovoltaicos

2.1.1 Introdu¸c˜ao

Anualmente, o sol fornece cerca de 1.5 × 1018kW h de energia. Este valor, corresponde a cerca de 10000 vezes o consumo mundial de energia durante um ano [3]. Adicionando o facto do Sol ser uma fonte de energia abundante, limpa, sustentável, renovável, segura e confiável [4], estes argumentos são mais do que suficientes para justificar os largos investimentos que têm sido feitos nos sistemas fotovoltaicos.

Este tipo de sistemas efetuam a conversão de energia solar em energia elétrica, utilizando conversores opto-eletrónicos baseados no efeito fotovoltaico (que será apresentado na seçcão 2.1.3). As vantagens citadas anteriormente, são apenas algumas das mais importantes, po-dendo ainda referir-se: [4]

• A facilidade na instala¸c˜ao dos sistemas fotovoltaicos, assim como a reduzida necessidade de manuten¸c˜ao;

• Os conversores de energia solar em energia elétrica, referidos anteriormente, podem ser incorporados na arquitetura dos edif´ıcios, aliando a estética à sustentabilidade. Para além disso, possuem uma vida útil de cerca de 25 anos;

• Apesar dos custos iniciais serem geralmente elevados, o per´ıodo de recupera¸c˜ao pode variar de 6 a 36 meses;

• Incentivando o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos está a incentivar-se a expansão da economia, tendo em conta a heterogeneidade de áreas que se encontram por detrás deste tipo de sistemas (qu´ımica, f´ısica, metalurgia, eletrónica, entre outras).

Tendo em conta as vantagens referidas anteriormente, a forte procura de energia e os problemas económicos e ambientais associados aos combust´ıveis fósseis, é de prever que no futuro este tipo de sistemas se transformem numa das maiores fontes de energia para a maior parte das aplica¸cões [5][6]. No entanto, para que tal seja poss´ıvel, é fulcral que se verifique uma evolu¸cão neste tipo de sistemas, nomeadamente no tipo de materiais utilizados (tendo em conta que os materiais atuais possuem uma eficiência relativamente reduzida) e na redu¸cão do seu custo inicial. Atualmente, o elevado custo é consequência de fatores económicos como a “lei

(26)

da oferta e da procura” e tamb´em do pre¸co da mat´eria-prima e das unidades armazenadoras de energia que frequentemente necessitam de ser utilizadas [5].

Os sistemas fotovoltaicos podem ser decompostos em trˆes grandes grupos: [3][7] • Sistemas fotovoltaicos aut´onomos;

• Sistemas fotovoltaicos ligados `a rede; • Sistemas fotovoltaicos h´ıbridos.

Dos três sistemas referidos anteriormente, o sistema fotovoltaico autónomo (SFA) é o que vai ser abordado de forma detalhada no decorrer deste documento. É um tipo de sistema que utiliza exclusivamente o sol como fonte de energia, contudo, apresenta uma eficiência bastante reduzida. Assim, torna-se absolutamente imprescind´ıvel métricas de otimiza¸cão e maximiza¸cão da energia produzida pelas células fotovoltaicas e, posteriormente, armazenada em baterias. Este processo de maximiza¸cão revela-se um pouco complexo devido à potência extra´ıda dos painéis fotovoltaicos ser dependente da carga e das condi¸cões atmosféricas. Com vista à otimiza¸cão de um SFA, revela-se indispensável o conhecimento prévio das suas carac-ter´ısticas, razão pela qual, as próximas seçcões irão ser dedicadas a estes aspetos.

2.1.2 Radia¸c˜ao solar

A radia¸cão solar apresenta-se sob a forma de radia¸cão eletromagnética (figura 2.1) propaga-se à velocidade da luz no vácuo (c). Em termos de comprimento de onda, varia desde 0.1 µm a 5 µm.

Figura 2.1: Espetro Eletromagnético, com foco no espetro da radia¸cão solar [8] Um olhar atento para a figura 2.2 permite verificar que a curva de distribui¸cão espectral da radia¸cão solar possui um máximo global. Esse, corresponde ao comprimento de onda de 0.5 µm, que aos nossos olhos equivale à luz verde [3].

(27)

Figura 2.2: Distribui¸c˜ao espetral da radia¸c˜ao solar [3]

A radia¸cão solar é um recurso energético que sofre grande variabilidade, consoante as condi¸cões atmosféricas e meteorológicas, distância Terra-Sol, ângulo Zenital do Sol e a es-pessura da camada atmosférica (identificada por um coeficiente denominado “Massa de Ar”) [3]. Contudo, pode definir-se um valor médio para o n´ıvel da radia¸cão que atinge o topo da atmosfera. Esse valor é cerca de 1.373 kW/m2[3]. Devido a fenómenos de absor¸cão e reflexão dos raios solares nas camadas superiores da atmosfera, só uma parcela atinge a superf´ıcie terrestre. A média desse valor é de 1 kW/m2 [9]. Assim, a radia¸cão solar incidente pode ser decomposta em 3 componentes: [9]

• Radia¸cão Solar Direta: feixes solares que alcan¸cam a superf´ıcie terrestre de forma direta; • Radia¸cão Solar Difusa: feixes solares que são difundidos pela atmosfera ou pelas nuvens,

mas que atingem a superf´ıcie terrestre;

• Radia¸c˜ao Solar Refletida: feixes solares que s˜ao refletidos pela atmosfera, pelas nuvens ou pela superf´ıcie terrestre.

(28)

Figura 2.3: Radia¸c˜ao Solar [10]

Segundo [9], a irradiância pode ser definida como a “quantidade instantânea de fluxo da radia¸cão solar que incide numa determinada superf´ıcie”. É medida em kW/m2 _{e ´}_{e utilizada}

para medir a quantidade de energia recebida numa determinada área, e num determinado in-tervalo de tempo. Integrando esse valor para um dado inin-tervalo de tempo, obtém-se a energia solar [9]. Esta, é transportada por fotões, sendo que cada um, transporta um determinado quantum de energia definido pela equa¸cão 2.1.

Eph = h c λ (2.1) Onde: • h é a Constante de Planck; • c é a velocidade da luz no vácuo; • λ é o comprimento de onda do fotão.

2.1.3 C´elula fotovoltaica

A célula solar, ou fotovoltaica, é um semicondutor que atua como elemento básico na conversão de energia solar em energia elétrica, através do efeito fotovoltaico.

O conhecimento da existência do efeito fotovoltaico data de 1839 quando Edmond Bec-querel observou a produ¸cão de corrente elétrica durante a exposi¸cão à luz de uma célula eletrol´ıtica. Apesar de algumas células terem sido constru´ıdas no decorrer desse século, só

(29)

em 1954, após o desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores, é que a primeira célula solar de sil´ıcio monocristalino foi constru´ıda por Chapin, Fuller e Pearson. Esta, possu´ıa uma eficiência de 6% [11].

Efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico verifica-se em semicondutores, quando fotões na faixa da luz vis´ıvel (1.7 eV até 2.5 eV) conseguem excitar eletrões da banda de valência (BV) para a banda de condu¸cão (BC). Isto é, quando um fotão incide numa jun¸cão P-N, com energia superior à energia de gap, forma um par eletrão-lacuna (excita um eletrão para a banda de condu¸cão enquanto que irá surgir uma lacuna na banda de valência). Por sua vez, o campo elétrico intr´ınseco da zona de deple¸cão vai aplicar uma for¸ca ao par eletrão-lacuna. Uma vez que o eletrão possui carga negativa e a lacuna possui carga positiva, a aplica¸cão da for¸ca vai fazer com que estes se desloquem em dire¸cões opostas, observando-se um fenómeno de separa¸cão de cargas, que irá resultar na forma¸cão de uma diferen¸ca de potencial entre as superf´ıcies opostas da célula (junto ao qual, encontrar-se-ão contactos metálicos). Esta diferen¸ca de potencial é usualmente designada por Tensão de Circuito Aberto (VOC) [11]. Um corte transversal de

uma c´elula fotovoltaica pode ser observado na figura 2.4.

Figura 2.4: Corte transversal de uma c´elula fotovoltaica [12]

As principais razões que podem ser apontadas para a baixa eficiência das células fotovol-taicas são: [11]

• A diferen¸ca entre a energia do fotão incidente e a energia de gap contribuirá unicamente para o aumento da temperatura interna da célula. Especificamente, no caso do sil´ıcio, a energia de gap encontra-se próxima de 1.1 eV, enquanto que a energia do fotão incidente varia desde 1.7 eV até 2.5 eV (luz vermelha até luz azul, respetivamente). Portanto, neste caso, cerca de 0.6 a 1.4 eV são dissipados sob a forma de calor;

• O aumento da temperatura apesar de contribuir para o aumento da corrente em apro-ximadamente 0.1%, diminui a tens˜ao de circuito aberto a uma taxa de 0.3%/oC, o que, consequentemente, diminui a potˆencia gerada em 1% por cada 2.7 K de aumento da temperatura;

(30)

• Após a forma¸cão do par eletrão-lacuna, existe uma probabilidade não nula de os eletrões voltarem a decair para a BV recombinando-se com outras lacunas, antes de atingirem os contactos metálicos da célula fotovoltaica. Na presen¸ca de impurezas ou de defeitos da estrutura cristalina, este efeito tende a ganhar importância;

• A resistência do material semicondutor e do contacto metálico não é nula pelo que existirá sempre potência dissipada nestes elementos;

• Quanto maior a reflexão dos raios incidentes, menores serão os raios absorvidos. Facto pelo qual se torna necessário incorporar materiais anti-reflexivos.

Tecnologia de c´elulas solares

Pode dividir-se a tecnologia de células solares para aplica¸cões terrestres em três gera¸cões: [13]

• A primeira gera¸cão conta com tecnologias envolvendo sil´ıcio monocristalino e policrista-lino. São consideradas tecnologias maduras capazes de fornecer uma razoável eficiência (18% e 12.5%, respetivamente). A principal diferen¸ca entre as células monocristalinas e as policristalinas encontra-se no processo de prepara¸cão das mesmas. A prepara¸cão das primeiras exige sil´ıcio com alto grau de pureza (entre 98% e 99%), com uma estru-tura monocristalina e com baixa densidade de defeitos [3]. A prepara¸cão das segundas também recorre a part´ıculas de sil´ıcio puro, mas estas terão que ser fundidas em blo-cos de sil´ıcio, recorrendo a um processo lento que contribui para que os átomos não se organizem num único cristal [14];

• A segunda gera¸cão, pode ser considerada como uma tentativa de desenvolver células solares de baixo custo. Desenvolvimentos levaram à produ¸cão de células solares por deposi¸cão de finas camadas de materiais sob um substrato (thin-film solar cell ). Con-trariamente à primeira gera¸cão, esta não foi focada num único semicondutor pelo que várias ramifica¸cões foram surgindo. Consoante os materiais utilizados, foram desenvol-vidas: [4]

– Amorphous Silicon (a-Si), hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) e Thin-Film silicon (TF-Si);

– Cadmium telluride (CdTe);

– Copper indium gallium selenide (CIS ou CIGS);

– Dye-sensitized Solar Cell (DSC) e outras c´elulas orgˆanicas.

Este tipo de células apresenta uma eficiência máxima de 15%. No caso das células de sil´ıcio amorfo verificam-se algumas vantagens face às da primeira gera¸cão. Para além do processo de fabrico ser muito mais simples, barato e com menor consumo de energia, ainda é poss´ıvel fabricar células com maiores dimensões face às anteriores [14].

• Estudos recentes no âmbito da termodinâmica revelam que o limite da conversão da radia¸cão solar em energia elétrica é de 93%, o que tem impulsionado o estudo de novas técnicas. De modo a aumentar a eficiência têm sido desenvolvidas células fotovoltaicas com múltiplas camadas de material semicondutor, com espetros de absor¸cão diferentes

(31)

(dentro da gama da luz vis´ıvel até à gama do infra-vermelho). Um exemplo desta tecno-logia foi desenvolvida recentemente pelo Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems e obteve lugar de destaque, por ter atingido a maior eficiência de sempre (44.7%). O espetro de eficiência desta célula encontra-se vis´ıvel na figura 2.5. Paralelamente, ou-tras investiga¸cões estão a ser direcionadas para o desenvolvimento de células h´ıbridas orgânicas/inorgânicas, células fotovoltaicas orgânicas baseadas em hetero-jun¸cões entre materiais poliméricos (ou entre materiais orgânicos de baixo peso molecular). Todas estas, podem ser consideradas como a terceira gera¸cão de células solares [15].

Figura 2.5: Espetro de eficiência de uma célula fotovoltaica de camadas múltiplas [16] Um diagrama representativo da tecnologia de células solares encontra-se apresentado na figura 2.6.

Figura 2.6: Tecnologia Fotovolaica [13]

Evidencia-se na figura 2.7 um gráfico relativo à produ¸cão de células solares no ano de 2010, onde é poss´ıvel verificar que as células da primeira gera¸cão continuam a ser as mais produzidas.

(32)

Figura 2.7: Distribui¸cão “Produ¸cão fotovoltaica - tecnologia” [17] Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica

No caso das células fotovoltaicas, um dos modelos poss´ıveis para a sua carateriza¸cão consiste numa fonte de corrente em paralelo com um d´ıodo (que modela a jun¸cão P-N) e com uma resistência (RP), e em série com uma resistência (RS) [11][18].

Iph D Rp Rs I Id Ip V

Figura 2.8: Modelo El´etrico de uma c´elula fotovoltaica [11]

Através do modelo da figura anterior, é poss´ıvel obter a carater´ıstica corrente-tensão (I-V).

I = Iph− Id− Ip = Iph− Ir " e q(V +I RS) n kb T − 1 # −V + I RS RP (2.2) Onde: [18][11]

• I_phé a corrente produzida pela célula fotovoltaica quando iluminada; • I_dé a corrente do d´ıodo;

• I_ré a corrente de satura¸cão inversa da célula; • n é o fator de idealidade da jun¸cão;

(33)

• q é a carga eletrónica cuja unidade SI é Coulomb (C); • k_b é a constante de Boltzmann cuja unidade SI é (J.K−1); • T é a temperatura da jun¸cão cuja unidade SI é (J.K−1);

• RS e RP são as resistências série e paralelo da célula, respetivamente.

A corrente Iph pode ser descrita pela equa¸c˜ao 2.3: [11]

Iph = [ISC + αT(T − Tr)]

S

1000 (2.3)

Onde:

• ISC ´e a corrente de curto-circuito da c´elula, tendo em conta os valores de temperatura

e de radia¸c˜ao padr˜ao;

• αT ´e valor do coeficiente de temperatura da corrente ISC;

• T e Tr, são a temperatura da célula e uma temperatura de referência, respetivamente;

• S ´e a irradiˆancia em W/m2_.

Por sua vez, a corrente de satura¸c˜ao inversa pode ser modelada por: [11]

Ir = Irr T Tr 3 e _{q Eg} n kb 1 Tr+ −1 T (2.4) Onde:

• Irr a corrente de satura¸c˜ao inversa associada `a temperatura Tr;

• Eg ´e a energia do band-gap intr´ınseca do material constituinte da c´elula.

O valor da corrente gerada pela célula fotovoltaica tornar-se-á nulo caso esta não seja iluminada. Neste caso, e na eventualidade de ela fazer parte de uma associa¸cão de células fotovoltaicas ou de possuir uma carga não resistiva, pode acontecer que a célula se comece a comportar como um d´ıodo, e consequentemente, comece a dissipar energia.

Para obter a equa¸cão geral de uma associa¸cão de células em série e/ou paralelo, parte-se da análise do mesmo circuito, tendo o cuidado de efetuar a multiplica¸cão da tensão obtida pelo número de células em série, e a multiplica¸cão da corrente obtida pelo número de células em paralelo (no caso de estas serem idênticas). Assim, no caso de uma associa¸cão de nS células

em s´erie com nP c´elulas em paralelo, o painel fotovoltaico resultante, pode ser modelado pela

seguinte equa¸c˜ao: [11]

I = nP  Iph− Ir  e q V nS+I RSnP n kb T − 1  − V nS + I RS nP RP   (2.5)

(34)

Carater´ısticas el´etricas

Um exemplo das curvas corrente-tensão (I-V) e potência-tensão (P-V) para um dado módulo fotovoltaico é apresentado na figura 2.9.

(a) (b)

Figura 2.9 Curvas carater´ısticas de um m´odulo fotovoltaico I-V e P-V [11]

Com base nestas curvas, é poss´ıvel definir três pontos importantes: a tensão de circuito aberto (VOC), a corrente de curto-circuito (ISC) e o ponto de máxima potência (Maximum

Power Point - MPP).

• Corrente de Curto-Circuito

Este valor pode ser calculado, impondo V = 0 na equa¸c˜ao 2.2.

ISC = Iph− Ir " e q(Rs ISC) A kb T − 1 # −RsISC Rp (2.6)

A literatura considera irrelevante a contribui¸cão da resistência série (Rs) para este valor,

pelo que o valor de ISC ´e aproximadamente igual `a foto-corrente gerada (Iph). Este valor

´

e proporcional ao valor da irradiˆancia (S) [18]. • Tens˜ao de Circuito Aberto

Este valor pode ser calculado, impondo I = 0 na equa¸c˜ao 2.2.

Voc = A kbT q ln Iph+ Ir Ir (2.7)

A tensão de circuito aberto é fun¸cão dos n´ıveis de irradiância e da temperatura da jun¸cão (T ). Nomeadamente, cresce logaritmicamente com o aumento da primeira e decresce linearmente com o aumento da segunda [18].

(35)

• Ponto de potˆencia m´axima

Analisando a curva carater´ıstica de uma célula solar e percebendo que para um es-pec´ıfico ponto de opera¸cão a potência fornecida será dada pela área desde a origem até esse ponto, é simples perceber que a potência fornecida por uma célula solar não é constante nem linear. Para n´ıveis de irradiância e de temperatura constantes, a curva carater´ıstica da potência de uma célula solar é cont´ınua e apresenta um único ponto máximo exatamente no “joelho” da curva I-V apresentada anteriormente1. Pode-se ainda definir:

– Tensão do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Voltage - Vmpp)

Corresponde ao valor de tensão que proporciona a máxima transferência de energia. Graficamente, é o valor da tensão no “joelho” da curva I-V;

– Corrente do ponto de m´axima potˆencia (Maximum Power Point Current - Impp)

Corresponde ao valor de corrente que proporciona a máxima transferência de ener-gia. Graficamente, é o valor de corrente no “joelho” da curva I-V;

– Resistência do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Resistance -Rmpp)

Para definir este valor, torna-se necess´ario conhecer qual o ponto de funcionamento de um m´odulo fotovoltaico2 _{quando n˜}_{ao se encontra em vazio, por exemplo, na}

existˆencia de uma carga acoplada aos seus terminais (figura 2.10).

Painél ou

Módulo

Fotovoltaico

R_L V

I

Figura 2.10: Interliga¸cão de uma carga aos terminais de uma célula fotovoltaica Verifica-se que a equa¸cão de carga do circuito anterior (I = _RV

L) corresponde a

uma reta com centro na origem e declive igual a _R1

L. Posto isto, ´e poss´ıvel concluir

que o ponto de opera¸cão será definido pela interse¸cão da curva I-V com uma reta, cujo declive é igual ao inverso da resistência de carga, como se pode verificar na figura 2.11.

1

Assim como será abordado na seçcão 2.1.4, para cumprir especifica¸cões de corrente ou tensão, as células

fotovoltaicas são agrupadas em módulos fotovoltaicos. Em situa¸cões de cobertura parcial de algumas das

células (por exemplo, através de nuvens), deixa de existir um único ponto de potência máxima, passando a

existir m´ultiplos locais [5].

2

O mesmo se aplica a células fotovoltaicas ou a painéis fotovoltaicos, sendo a única diferen¸ca os valores

(36)

I / V

= 1 /

RL

Figura 2.11: Ponto de opera¸cão definido pela interse¸cão da recta de condutância com a curva I-V

Após entender o efeito que uma resistência de carga tem na defini¸cão do ponto de opera¸cão de um módulo fotovoltaico, é intuitivo perceber que a resistência do ponto de potência máxima representa a carga que um módulo fotovoltaico necessita de ter, de modo a que o seu ponto de opera¸cão se encontre no ponto de potência máxima [18][19]. Este valor é definido pela equa¸cão:

Rmpp =

Vmpp

Impp

(2.8) Se o valor da resistência de carga for inferior a Rmpp, o módulo fotovoltaico irá

operar numa região de tensão aproximadamente constante (VOC), caso contrário, o

módulo fotovoltaico irá operar numa região de corrente aproximadamente constante (ISC) [18].

No caso de a carga ser uma bateria ou um condensador, o que foi referido anterior-mente continua válido, com a ligeira diferen¸ca de que a resistência de entrada deste tipo de componentes não é linear e é dependente do seu estado de carga. De modo a aprofundar este assunto, considere-se, sem perda de generalidade, que a tensão de circuito aberto do módulo fotovoltaico é igual à tensão de circuito aberto da bateria. Ao conectar diretamente os dois componentes, inicialmente a tensão que se encontra nos terminais da bateria irá definir o ponto de opera¸cão e à medida que esta vai sendo carregada, passará a consumir menos corrente. Esta diminui¸cão da corrente, poderá ser entendida como um aumento da sua resistência de entrada que na prática equivale a deslocar o ponto de opera¸cão para a ass´ımptota cujo declive ´

e zero (ou seja, para a direita). Tal situa¸cão seria extremamente ineficiente, pois a transferência de energia não seria otimizada.

• Fill-Factor (FF) ´ E definido como: F F = Vmpp.Impp VOC.ISC (2.9) Se uma determinada célula possui um valor de FF igual a um, significa que a curva carater´ıstica I-V se aproxima de um retângulo. À medida que o valor de FF diminui,

(37)

significa que a transi¸c˜ao do ISC para o VOC se d´a de forma suave, e consequentemente,

verifica-se que o valor de máxima potência será efetivamente menor. Valores t´ıpicos encontram-se geralmente entre 0.7 e 0.83 [11].

• Normal Operation Cell Temperature

Este valor define a temperatura normal de opera¸cão da célula fotovoltaica, considerando uma potência luminosa incidente total de 800 W/m2, temperatura ambiente de 20◦C e velocidade do vento de 1 m/s [11].

Fatores que influenciam as curvas carater´ısticas

Como foi referido anteriormente, a curva carater´ıstica I-V não é estática. Pelo contrário, é fortemente dependente de carater´ısticas meteorológicas como a intensidade da radia¸cão solar e a temperatura a que as células se encontram expostas.

• Influˆencia da Irradiˆancia:

A varia¸cão da irradiância quase não afeta a tensão de circuito aberto (exceto quando as varia¸cões são extremas). No entanto, origina uma varia¸cão proporcional na corrente gerada. Assim, a curva P-V tende a variar com os n´ıveis de luminosidade, figura 2.12 [11].

(a) Curva I-V (b) Curva P-V

Figura 2.12 Influência dos n´ıveis de Irradiância nas curvas carater´ısticas de um módulo fotovoltaico [11]

• Influˆencia da Temperatura:

A influência da temperatura na curva carater´ıstica da célula fotovoltaica revela-se contrária à da influência da irradiância. Assim, a corrente gerada apresenta poucas

3

A técnica de MPPT denominada Tensão Constante que será apresentada posteriormente, deriva

(38)

altera¸cões, enquanto que a tensão de circuito aberto tem um efeito inverso à varia¸cão da temperatura, figura 2.13 [11].

(a) Curva I-V (b) Curva P-V

Figura 2.13 Influˆencia da Temperatura nas curvas carater´ısticas de um m´odulo fotovoltaico [11]

• Influência da resistência série e da resistência paralela

O efeito da varia¸cão da resistência série é vis´ıvel na zona em que a célula se comporta como fonte de tensão. Nessa zona, a inclina¸cão da curva que interliga o MPP ao Voc

torna-se mais suave e como consequˆencia a potˆencia disponibilizada torna-se menor4, figura 2.14 [11].

(a) (b)

Figura 2.14 Influência da resistência série nas curvas carater´ısticas de um módulo fotovoltaico [11]

Em contrapartida, a influência da resistência paralela predomina na área em que a célula

(39)

se comporta como fonte de corrente (ou seja, desde ISC at´e MPP). Ao diminuir o valor

desta, a inclina¸c˜ao da curva que liga estes dois pontos torna-se mais suave, diminuindo a potˆencia disponibilizada pela fonte, figura 2.15 [11].

(a) (b)

Figura 2.15 Influência da resistência paralela nas curvas carater´ısticas de um módulo fotovoltaico [11]

2.1.4 Constitui¸c˜ao de m´odulos fotovoltaicos

Uma célula fotovoltaica disponibiliza uma potência reduzida. De modo a alcan¸car tensões e/ou correntes desejadas, é normal associar diversas células fotovoltaicas em módulos fotovol-taicos, que, por sua vez, podem ser associados, criando painéis fotovoltaicos5.

Existem dois modos básicos de associa¸cão de células fotovoltaicas: • Associa¸cão em paralelo

Na associa¸cão de células fotovoltaicas em paralelo (figura 2.16), a diferen¸ca de potencial não se irá alterar, enquanto que as correntes serão somadas. Contudo, no caso de uma das células se degradar ou se encontrar à sombra, a diferen¸ca de potencial de todas as células irá tender para zero. Para colmatar esse problema é usual colocar um d´ıodo em série com cada célula fotovoltaica (ou com cada grupo de células fotovoltaicas em série), antes de as associar em paralelo.

Figura 2.16: M´odulo fotovoltaico constitu´ıdo por c´elulas fotovoltaicas associadas em paralelo [3]

5_{Neste processo de associa¸}_c˜_{ao, ser´}_{a conveniente que os seus elementos mais b´}_{asicos (c´}_{elulas fotovoltaicas}

ou módulos fotovoltaicos) sejam idênticos. Caso contrário, o que possuir caracter´ısticas inferiores (tensão e/ou

(40)

• Associa¸c˜ao em s´erie

Na associa¸cão de células fotovoltaicas em série (figura 2.17), a tensão final irá resultar na soma das diferen¸cas de potencial de cada uma. A corrente, no entanto, não sofrerá altera¸cões.

Figura 2.17: Módulo fotovoltaico constitu´ıdo por células fotovoltaicas associadas em série [3]

Caso uma das células se degrade, o caminho será cortado, pelo que, é usual a coloca¸cão de d´ıodos em paralelo com cada célula (ou com cada grupo de células fotovoltaicas em paralelo), no sentido de servir como um caminho alterno. Embora seja uma técnica muito utilizada, a coloca¸cão destes d´ıodos, irá comprometer a uniformidade das curvas I-V e P-V criando múltiplos picos locais [5]. Este tipo de d´ıodos é usualmente designado por d´ıodos de bypass e encontram-se representados na figura 2.18 [19].

Figura 2.18: Incorpora¸c˜ao de um d´ıodo de bypass entre c´elulas [3]

A liga¸cão entre módulos fotovoltaicos e cargas resistivas não apresenta cuidados extra. Contudo, o mesmo não pode ser dito no que toca à liga¸cão de módulos fotovoltaicos a dispo-sitivos armazenadores de energia, como baterias ou condensadores. Tendo em conta que em situa¸cões de muito baixa irradiância a diferen¸ca de potencial apresentada aos terminais do módulo pode ser consideravelmente reduzida quando comparada com a tensão aos terminais da bateria, vai existir uma corrente de descarga da bateria que tende a fluir pelas células fotovoltaicas. Neste caso, as células fotovoltaicas irão atuar como dissipadores de energia que, em casos extremos, pode levar à destrui¸cão das mesmas [3]. Uma solu¸cão passa pela introdu¸cão de um d´ıodo de bloqueio em série com o painel fotovoltaico tal como representado na figura 2.19 [3][19].

(41)

Figura 2.19: Incorpora¸cão de um d´ıodo de bloqueio em série com módulos fotovoltaicos [3]

2.1.5 Conversores comutados DC-DC

Como já foi referido, para além da curva Potência-Tensão de uma célula fotovoltaica ser não-linear e o seu ponto de funcionamento ser definido pela resistência de carga, também é altamente dependente de fatores meteorológicos (temperatura e n´ıveis de irradiância) e intr´ınsecos (resistência série e paralela). Relativamente ao projeto em desenvolvimento, é necessária a interliga¸cão de painéis fotovoltaicos com dispositivos armazenadores de energia. De modo a maximizar a energia elétrica produzida torna-se assim necessário o desenvolvi-mento de um circuito que se comporte como uma resistência de carga que possa ser variada dinamicamente. Variando esta e com o apoio de realimenta¸cão negativa, é poss´ıvel manter o sistema em funcionamento no MPP. Após análise da literatura, verificou-se que a maioria das solu¸cões passa pela utiliza¸cão de conversores DC-DC do tipo comutado, entre o módulo solar e a bateria/condensador. Tal escolha deve-se sobretudo, às facilidades inerentes à altera¸cão da resistência de entrada deste tipo de circuitos [20]. Usualmente, este tipo de conversores ao serem utilizados para esta aplica¸cão espec´ıfica, passam a ser designados por conversores de MPPT. Outra vantagem que advém da utiliza¸cão deste tipo de conversores, é a facilidade em adaptar os diferentes n´ıveis de tensão à sa´ıda da célula fotovoltaica, o que facilita na implementa¸cão de algoritmos que otimizem o processo de carga dos elementos armazenadores de energia.

Descri¸c˜ao conceptual dos conversores DC-DC

Os conversores ou reguladores DC-DC (figura 2.20), permitem regular a tensão (ou cor-rente), dentro de limiares bem definidos, independentemente de fatores externos como a va-ria¸cão dos n´ıveis de potência à entrada, a varia¸cão da temperatura e a varia¸cão da carga à sa´ıda [21].

(42)

Estes podem ser divididos em dois grandes grupos: • Conversores lineares;

• Conversores comutados.

Os primeiros, baseiam-se na dissipa¸cão de potência num elemento série ou paralelo, até se conseguir alcan¸car os n´ıveis de tensão (corrente) desejados. Por este motivo, os n´ıveis de tensão (corrente) à sa´ıda do conversor são sempre inferiores aos da entrada. Geralmente, esse elemento série ou paralelo é um trans´ıstor bipolar a operar na região linear. Apesar de serem ótimos reguladores, apresentam valores de eficiência relativamente baixos, derivado à dissipa¸cão de potência no elemento série/paralelo. Esta, contribui também para o aumento da temperatura interna dos mesmos, o que implica a necessidade de incorporar dissipadores de dimensões consideráveis e/ou circuitos de circula¸cão de ar. Este tipo de cuidados encarece o pre¸co destes conversores. Apresentam ainda uma pequena rela¸cão potência/volume, o que torna a sua aplica¸cão desfavorável para aplica¸cões de grande potência [21][23].

Os segundos apresentam carater´ısticas não lineares e permitem controlar o fluxo de energia elétrica da entrada para a sa´ıda, através da intera¸cão de interruptores, ativos e passivos (d´ıodos), com componentes reativos, indutâncias e/ou condensadores. Estes componentes têm como principal fun¸cão o armazenamento de energia de forma temporária antes de ser transferida da entrada para a sa´ıda [22][23]. Os interruptores são, em geral, semicondutores de potência que permitem ser controlados por um circuito externo, circuito esse que tem em considera¸cão os sinais de sa´ıda do conversor para gerar os sinais de controlo do mesmo (realimenta¸cão). Duas abordagens são, em geral, apresentadas para os sinais de controlo: Pulse Width Modulation (PWM), em que o sinal resultante apresenta uma frequência fixa e uma largura de impulso variável, ou Pulse Frequency Modulation (PFM) em que o sinal resultante apresenta uma frequência variável [21].

No presente trabalho vamos abordar a atua¸cão de circuitos com PWM, por serem os circuitos utilizados na elabora¸cão do projeto. No controlo com PWM atua-se uma variável de controlo denominada duty-cycle (δ) e que denota a largura de impulso variável. Através da varia¸cão desta, é poss´ıvel ajustar os n´ıveis de tensão (ou corrente) à sa´ıda do conversor para além de ainda ser poss´ıvel variar a resistência de entrada (ver seçcão 2.1.5). A utiliza¸cão deste tipo de conversores permite que a tensão de sa´ıda seja superior ou inferior à tensão de entrada, e para além disso, pode apresentar ou não a mesma polaridade.

Adicionalmente aos componentes referidos anteriormente, também é normal inclu´ırem-se filtros de entrada e sa´ıda. Estes filtros têm como principal objetivo colmatar o facto da comuta¸cão periódica dos interruptores gerar frequências harmónicas que tendem a aumentar o valor do ripple na sa´ıda, para além de gerar ru´ıdo eletromagnético. Na figura 2.21 encontra-se uma representa¸cão esquemática de um conversor comutado [23].

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Figura 2.21: Representa¸cão esquemática de um conversor comutado DC-DC [23] Este tipo de conversores possui dois modos de funcionamento dependendo da corrente que circula na indutância. Se a corrente se anular em algum instante está-se perante o modo de condu¸cão descont´ınua (Discontinuous Conduction Mode - DCM), caso contrário, está-se perante o modo de condu¸cão cont´ınua (Continuous Conduction Mode - CCM). Este será o único abordado ao longo deste texto, por apresentar uma maior eficiência [24]. Como a gama de frequências que este tipo de conversores admite pode variar desde kHz a MHz, os componentes reativos podem ter menor volume6, o que aumenta a rela¸cão potência/volume. Este aspeto e o alto rendimento que proporcionam (devido às perdas por comuta¸cão serem teoricamente nulas)7 revelam-se as maiores vantagens deste tipo de circuitos.

Topologias convencionais dos conversores comutados

As topologias convencionais que vão ser apresentadas nesta seçcão são não isoladas, ou seja, partilham a mesma referência. Contudo, é poss´ıvel dotá-las de transformadores, em aplica¸cões que impliquem a necessidade de isolamento galvânico entre a entrada e a sa´ıda [21][23].

As topologias convencionais dos conversores comutados n˜ao isolados, podem ser agrupadas em:

• Topologias elementares

Na figura 2.22 apresentam-se as trˆes topologias b´asicas de conversores comutados: [23]

Vout Vin L D S Cout (a) Buck Vout Vin L D S _Cout (b) Boost Vout L D S Vin Cout (c) Flyback

Figura 2.22 Topologias b´asicas de conversores comutados [23]

6

Relembrar que quanto maior a frequˆencia de comuta¸c˜ao, menor a quantidade de energia que um

compo-nente reativo tem que armazenar para posterior fornecimento `a carga.

7

Na pr´atica existem, com muito menor peso do que nos conversores lineares. Contudo, ainda podem

vir a ser minimizadas com t´ecnicas de interruptores ressonantes ou quase-ressonantes, que permitem que nos

instantes de comuta¸cão a corrente ou a tensão sejam nulas. Para obter mais informa¸cão acerca deste tipo de

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Analisando a figura 2.22 ´e poss´ıvel identificar:

– Um conversor step-down, também denominado buck. Esta topologia permite obter uma tensão de sa´ıda inferior à tensão de entrada (figura 2.22a);

– Um conversor step-up, também denominado boost, que permite obter uma tensão de sa´ıda superior à tensão de entrada (figura 2.22b);

– Um conversor flyback8, tamb´em denominado por inversor, que permite que a tens˜ao de sa´ıda tenha o sinal invertido face ao sinal de entrada (figura 2.22c).

Introduzindo algumas modifica¸cões nas topologias anteriores (figura 2.23) é poss´ıvel obter: [23] C1 S D Vin C2 R L1 L2 Vout (a) Buck C1 S D Vin L1 L2 C2 R Vout (b) Boost C1 S D Vin L1 L2 C2 R Vout (c) Cük

Figura 2.23 Topologias obtidas através da modifica¸cão das topologias básicas [23] – Um conversor step-down, também denominado buck, com um filtro de segunda

ordem na entrada (figura 2.23a);

– Um conversor step-up, tamb´em denominado boost, com um filtro de segunda ordem na sa´ıda (figura 2.23b);

– Um conversor Cük. O módulo da tensão de sa´ıda deste conversor pode ser superior ou inferior à tensão de entrada e possui um filtro de segunda ordem tanto à entrada como à sa´ıda (figura 2.23c).

• Topologias n˜ao elementares

Existem topologias não elementares como o Single-Ended Primary Inductance Converter (SEPIC ) e o Zeta que também têm um papel preponderante na indústria. Os seus circuitos encontram-se apresentados na figura 2.24.

8_{Alguma literatura designa este tipo de conversores por buck-boost. Contudo, n˜}_{ao confundir com os}

con-versores derivados de buck-boost que ir˜ao ser referidos neste documento. Estes, implicam sempre n´ıveis de

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L1 C1 D L2 S C2 RL Vout Vin (a) SEPIC RL C2 L1 Vout Vin S C1 L2 D (b) Zeta

Figura 2.24 Topologias n˜ao elementares: SEPIC e Zeta [21]

Ambos, apresentam um princ´ıpio de funcionamento semelhante ao Cük e permitem que a tensão de sa´ıda seja inferior ou superior à tensão de entrada.

Conversores DC-DC como resistˆencias vari´aveis

Como foi referido no in´ıcio desta seçcão, os conversores DC-DC enquadram-se perfeita-mente nos métodos de obten¸cão da potência máxima de uma célula fotovoltaica devido à sua resistência de entrada ser variável dinamicamente em fun¸cão do duty-cycle (δ) do sinal aplicado ao elemento de potência.

De seguida, partindo das equa¸cões dos três tipos de conversores comutados mais utilizados (topologias buck, boost e derivadas do buck-boost9), vão-se deduzir as equa¸cões que definem as suas resistências de entrada.

Para a dedu¸cão das resistência de entrada de cada um dos conversores, certas simplifica¸cões vão ser realizadas:

• O rendimento do conversor em modo CCM tem o valor de 100% e, como tal:

PIN = POU T (2.10)

• As tensões de condu¸cão dos d´ıodos e dos interrutores vão ser desprezadas.

As seguintes dedu¸c˜oes poderiam ter sido feitas sem as simplifica¸c˜oes anteriores. Contudo, iriam aumentar o grau de complexidade das mesmas, sem valor acrescentado para os resultados que se pretendem demonstrar.

• Topologia Buck :

Tendo em conta que nesta topologia:

VOU T = VINδ (2.11)

VOU T = RLIOU T (2.12)

Na equa¸cão anterior, RLé a resistência de carga acoplada ao conversor DC-DC.

9

Estas ´ultimas englobam as topologias mais complexas, como o Zeta, o C¨uk, o SEPIC e as abordagens

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Substituindo a equa¸c˜ao 2.11 na equa¸c˜ao 2.10:

VINIIN = VINδ IOU T

IIN = δ IOU T (2.13)

Substituindo a equa¸c˜ao 2.11 na equa¸c˜ao 2.12:

VINδ = RLIOU T

IOU T =

VINδ

RL

(2.14) Combinando as equa¸c˜oes 2.13 e 2.14:

IIN δ = VINδ RL IIN = VINδ2 RL

Conclui-se que a resistˆencia de entrada da topologia Buck, pode ser modelada por: RIN =

RL

δ2 (2.15)

• Topologia Boost :

Tendo em conta que nesta topologia:

VOU T =

VIN

1 − δ (2.16)

Substituindo a equa¸c˜ao 2.16 na equa¸c˜ao 2.10: VINIIN = VIN 1 − δ IOU T IIN = IOU T 1 − δ (2.18)

Substituindo a equa¸cão 2.16 na equa¸cão 2.17: VIN 1 − δ = RLIOU T IOU T = VIN RL(1 − δ) (2.19) Combinando as equa¸cões 2.18 e 2.19:

IIN(1 − δ) = VIN RL(1 − δ IIN = VIN RL(1 − δ)2

A equa¸cão que modela a resistência de entrada da topologia Boost é:

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• Topologias derivadas do Buck-Boost : Tendo em conta que nesta topologia:

VOU T =

VINδ

1 − δ (2.21)

Substituindo a equa¸c˜ao 2.21 na equa¸c˜ao 2.10: VINIIN = VINδ 1 − δ IOU T IIN = δ IOU T (1 − δ) (2.23)

Substituindo a equa¸cão 2.21 na equa¸cão 2.22: VINδ 1 − δ IOU T = RLIOU T IOU T = VINδ (1 − δ) RL (2.24) Combinando as equa¸cões 2.23 e 2.24:

IIN(1 − δ) δ = VINδ (1 − δ) RL IIN = VINδ2 RL(1 − δ)2

Conclui-se, que a resistˆencia de entrada das topologias derivadas do Buck-Boost, pode ser descrita por:

RIN =

RL(1 − δ)2

δ2 (2.25)

Analisando as equa¸c˜oes 2.15, 2.20 e 2.25, verifica-se que variando δ, a resistˆencia de entrada do Buck varia entre RL e ∞, a do Boost encontra-se entre 0 e RL, enquanto que a dos

conversores derivados do Buck-Boost varia entre 0 e ∞. Deste modo, verifica-se que ao utilizar unicamente uma destas topologias nunca será poss´ıvel percorrer a totalidade da curva I-V desde ISC até VOC. No caso concreto do ponto de potência máxima se encontrar fora da

regi˜ao abrangida por uma destas topologias, nunca ser´a poss´ıvel alcan¸car esse ponto, devido `

a resistência de entrada do conversor estar confinada dentro de outros limites [25]. Deste modo, com o objetivo de percorrer a curva completa, torna-se necessária a utiliza¸cão de uma topologia mais complexa, como o Zeta, o Cük, o SEPIC ou uma abordagem multi-estágio, englobando um boost e um buck [24][25].

No entanto, ´e preciso ter em aten¸c˜ao que:

• Não é necessário possuir topologias que permitam obter a totalidade da curva I-V para aplica¸cão de algoritmos de MPPT. O que se torna imprescind´ıvel é que a gama de varia¸cão da resistência de entrada do conversor em questão englobe o ponto de potência máxima.

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Malha de realimenta¸c˜ao

De modo a incorporar realimenta¸cão nos circuitos anteriores, podem ser seguidas duas abordagens: realimenta¸cão por malha de tensão ou por malha de corrente. Neste ponto, apenas se vai estudar a realimenta¸cão por malha de tensão.

Como já foi referido na seçcão 2.1.5, os circuitos externos que ativam o interruptor geral-mente fazem-no com recurso a sinais de PWM ou de PFM.

• Pulse Width Modulation:

A ideia subjacente a este tipo de realimenta¸cão é amostrar a tensão de sa´ıda, compar´ a-la com uma tensão de referência e aplicar o sinal resultante a um gerador de PWM. Consequentemente, o duty-cycle do sinal vai ser fun¸cão da tensão de sa´ıda pretendida [21]. Na figura 2.25 encontra-se um esquema de funcionamento.

Vref PWM V in V o u t L D C Rl A

Figura 2.25: Esquema de funcionamento de uma realimenta¸cão por amostragem de tensão, com gera¸cão de sinal PWM [21]

• Pulse Frequency Modulation:

Esta alternativa baseia-se na gera¸cão de um sinal variável em frequência. Este sinal ativa o elemento de potência quando a tensão de sa´ıda se encontra acima da tensão pretendida e desativa-o, caso contrário. Esta é uma das principais vantagens desta técnica, devido a só alterar o estado do elemento de potência quando é necessário, o que leva a uma diminui¸cão das perdas do circuito [21].

O circuito da figura 2.26 pretende mostrar um esquema de funcionamento plaus´ıvel para esta técnica. Existe um sinal C que é utilizado para colocar o elemento de potência inativo (que se irá encontrar após o flip-flop). Só quando uma amostra da tensão de sa´ıda (αV out) for inferior à tensão de referência é que o elemento de potência voltará ao modo ativo [21].