CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CHRISTIAN GRIESANG BARBOSA
RASTREAMENTO DE MÁXIMA POTÊNCIA APLICADO AO CONVERSOR BOOST-FLYBACK
Ijuí 2018
CHRISTIAN GRIESANG BARBOSA
RASTREAMENTO DE MÁXIMA POTÊNCIA APLICADO AO CONVERSOR BOOST-FLYBACK
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Dr Mateus Felzke Schonardie
Ijuí 2018
AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha família por estar presente em todos os momentos, incentivando e acreditando sempre no meu potencial, em especial a minha mãe por proporcionar condições para que eu pudesse estudar e cursar o curso de engenharia elétrica na UNIJUÍ.
Agradeço aos meus amigos pelo apoio, companheirismo 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 auxiliando em cada etapa deste trabalho, disponibilizando de seu tempo e conhecimento em meu auxilio. Agradeço também aos demais doutores, mestres e professores, colegas e amigos, que de alguma maneira ou outra puderam dar a sua contribuição.
Por fim, um agradecimento a todo o corpo docente, funcionários e demais colaboradores da UNIJUÍ, que tiveram ligação direta e indireta com todo o aprendizado durante o período de graduação, culminando neste trabalho de conclusão de curso.
Dedico este trabalho ao meu irmão Gregori Griesang Barbosa, que faleceu de forma trágica durante a elaboração deste trabalho, esta conquista é em tua homenagem.
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo e simulação acerca de topologias de conversores CC-CC de alto ganho que podem ser utilizados em sistemas fotovoltaicos aliados aos métodos de rastreamento do ponto de máxima potência, onde são demonstrados conceitos importantes para compreender o funcionamento da geração fotovoltaica. É apresentado um referencial teórico sobre a energia fotovoltaica, destacando a importância das energias renováveis dentro do âmbito brasileiro, além de uma introdução quanto aos possíveis conversores CC-CC e métodos de rastreamento a serem estudados. Em seguida é realizada a simulação através do Software PSIM® utilizando um único painel fotovoltaico, conectando-o a um dos conversores CC-CC abordados, onde é aplicado o método de rastreamento de máxima potência, perturba e observa, escolhido devido à boa resposta e pouco esforço computacional. Por fim, são apresentadas as formas de onda de cada simulação realizada, considerando diferentes variações para parâmetros de irradiação e temperatura, que afetam diretamente a capacidade de geração do painel, tendo em vista a variação destes parâmetros durante o decorrer do dia.
Palavras-Chaves: Energia Solar, Eletrônica de Potência, Conversores CC-CC, Rastreamento de Máxima Potência.
ABASTRACT
This work presents a study and simulation about topologies of high gain CC-CC converters that can be used in photovoltaic systems combined with the methods of tracking the maximum power point, where important concepts are demonstrated to understand the operation of photovoltaic generation. A theoretical reference on photovoltaic energy is presented, highlighting the importance of renewable energies within the Brazilian scope, as well as an introduction about possible CC-CC converters and tracking methods to be studied. Then, the simulation is performed through the PSIM® Software using a single photovoltaic panel, connecting it to one of the CC-CC inverters addressed, where the maximum power, disturbance and observing method is applied, chosen due to the good response and computational effort. Finally, the waveforms of each simulation are presented, considering different variations for irradiation and temperature parameters, which directly affect the generation capacity of the panel, considering the variation of these parameters during the course of the day.
Keywords: Solar Power, Power Electronics, DC-DC Converters, Maximum Power Tracking.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Sistemas Fotovoltaicos em Localidades Remotas ... 17
Figura 2.2 - Corte Transversal de uma Célula Fotovoltaica ... 18
Figura 2.3 - Efeito Fotovoltaico na junção p-n ... 19
Figura 2.4 - Circuito Equivalente e Curva Característica da Célula na Escuridão ... 20
Figura 2.5 - Circuito Equivalente e Curva Característica para a Célula Irradiada ... 20
Figura 2.6 - Circuito Detalhado de uma Célula Alimentando uma Carga ... 21
Figura 2.7 - Sistemas Conectados Diretamente a Rede ... 22
Figura 2.8 - Sistemas Híbridos ... 23
Figura 2.9 - Sistema Isolado com Carga CC sem Armazenamento... 23
Figura 2.10 - Sistema Isolado com Carga CC com Armazenamento ... 24
Figura 2.11 - Sistema Isolado com Carga CA e MMPT ... 24
Figura 2.12 - Sistema Isolado com Carga CA, MMPT e Armazenamento ... 25
Figura 2.13 - Interligação por Meio de um Conversor CC-CC ... 26
Figura 2.14 - PxV com Pontos de Máxima Potência, Sob Temperatura Constante .. 27
Figura 2.15 - Fluxograma do Algoritmo Perturba e Observa ... 28
Figura 2.16 - Funcionamento do método Perturba e Observa ... 29
Figura 2.17 - Passo Elevado de Razão Cíclica ... 29
Figura 2.18 - Passo Reduzido de Razão Cíclica ... 30
Figura 2.19- Fluxograma do Algoritmo Condutância Incremental ... 31
Figura 2.20 - Curva de Potência e 𝞓P em Relação a 𝞓T ... 32
Figura 2.21 - Circuito Característico da Topologia Buck ... 33
Figura 2.22 - Circuito Característico da Topologia Boost ... 33
Figura 2.23 - Circuito Característico da Topologia Buck-Boost ... 34
Figura 2.24 - Conversor Boost Utilizando Técnicas de Cascateamento ... 35
Figura 2.25 - Conversor Boost Utilizando Técnicas de Acoplamento de Indutores ... 36
Figura 2.26 - Obtenção do Conversor Flyback ... 37
Figura 2.27 - Aplicação do Conversor Flyback na Geração fotovoltaica ... 37
Figura 3.1 – Conversor Boost-Flyback série ... 38
Figura 3.2 - Primeira Etapa Conversor Boost-Flyback... 39
Figura 3.3 - Segunda Etapa Conversor Boost-Flyback... 40
Figura 4.2 - Potência de Saída do Conversor Boost-Flyback ... 48
Figura 4.3 – Tensão e Corrente Saída Conversor Boost-Flyback ... 48
Figura 4.4- Curva I x V para variação de Temperatura e Irradiação ... 49
Figura 4.5 - Parâmetros do Painel Inseridos no Software ... 50
Figura 4.6 - Curva I x V e P x V Geradas pelo Software ... 50
Figura 4.7 - Painel Fotovoltaico com Capacitor de Barramento ... 51
Figura 4.8 - Circuito Simulado no Software PSIM ... 52
Figura 4.9 - Potência do Painel Comparada a Potência Através do MMPT ... 53
Figura 4.10 - Verificação Método Perturba e Observa... 54
Figura 4.11 - Tensão na Carga ... 54
Figura 4.12 - Corrente na Carga ... 55
Figura 4.13 - Variação Lenta nos Parâmetros de Entrada do Painel ... 55
Figura 4.14 - Potência do Painel x Potência Conversor para Variação Lenta ... 56
Figura 4.15 - Tensão na Carga para Variação Lenta ... 56
Figura 4.16 - Corrente na Carga para Variação Lenta... 57
Figura 4.17 - Variação Lenta nos Parâmetros de Entrada do Painel ... 57
Figura 4.18 - Potência do Painel x Potência Conversor para Variação Rápida ... 58
Figura 4.19 - Tensão na Carga para Variação Rápida ... 59
Figura 4.20 - Corrente na Carga para Variação Rápida ... 59
Figura 4.21 - Utilização de Entrada em Rampa ... 60
Figura 4.22 – Variação da Irradiação em Rampa ... 61
Figura 4.23 - Variação da Temperatura em Rampa ... 61
Figura 4.24 - Potência para Entrada em Rampa ... 62
Figura 4.25 - Tensão de Saída para Entrada em Rampa ... 62
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Especificações de Projeto ... 44 Tabela 2 - Características Painel Canadian CS6U - 330P ... 49
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CA – Corrente Alternada CC – Corrente Continua
MMPT – Rastreamento de Máxima Potência (Maximum Power Point Tracker) IPV – Corrente painel fotovoltaico
fMMPT – Frequência de Rastreamento Ponto de Máxima Potência PWM – Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation) kHz – Kilo Hertz
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 11 1.1 JUSTIFICATIVA ... 14 1.2 OBJETIVO GERAL ... 14 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16 2.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 17
2.2 SISTEMAS CONECTADOS Á REDE ELÉTRICA ... 21
2.3 INTRODUÇÃO AS TÉCNICAS DE RASTREAMENTO DO MMPT ... 25
2.3.1 Método da Tensão Constante ... 26
2.3.2 Perturbação e Observação (P&O) ... 28
2.3.3 Técnica Condutância Incremental (IncCond) ... 30
2.4 POSSÍVEIS CONVERSORES UTILIZADOS PARA MMPT ... 32
2.4.1 Conversor Boost Aplicado a Geração Fotovoltaica ... 34
2.4.2 Conversor Flyback Aplicado a Geração Fotovoltaica ... 36
3 BOOST-FLYBACK APLICADO A GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ... 38
3.1 PARAMETROS DO CONVERSOR BOOST-FLYBACK ... 40
4 SIMULAÇÕES E RESULTADOS ... 44
4.1 SIMULAÇÃO CONVERSOR BOOST-FLYBACK ... 44
4.2 DETERMINAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO PAINEL SOLAR... 48
4.2.1 Definição Capacitor de Barrramento ... 51
4.3 BOOST-FLYBACK OPERANDO COMO MMPT ... 52
4.3.1 Irradiação e Temperatura Constante ... 53
4.3.2 Variação Lenta de Irradiação e Temperatura ... 55
4.3.3 Variação Rápida de Irradiação e Temperatura ... 57
4.3.4 Variação para Entrada em Rampa ... 59
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 64
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 65
6 REFERÊNCIAS ... 66
ANEXO A...69
1 INTRODUÇÃO
A energia, nas suas mais diversas formas, é indispensável à sobrevivência da espécie humana. O homem sempre procurou evoluir, buscando maneiras de suprir suas necessidades, assim como de adaptar-se ao ambiente em que vive. Com isso, quando ocorre a exaustão, escassez ou a inconveniência de um dado recurso, é preciso adequar e compensar com o surgimento de outro (ANEEL, 2005).
Com o avanço tecnológico e a crescente busca pela qualidade de vida, garantiu-se conforto e longevidade principalmente pelo avanço na medicina, agricultura, entre outros setores. Com isso, a densidade populacional vem aumentando e causando impactos ambientais, que vem sendo discutidos mundialmente, mediante a conscientização e preservação dos recursos naturais, concomitantemente o acompanhamento do desenvolvimento socioeconômico e tecnológico (FREITAS & DATHEIN, 2013). Deste modo, envolvem questões como as energias renováveis, sendo considerada qualquer energia renovável aquela que faz uso dos recursos naturais que possuem capacidade de regeneração, tem tido mais enfoque por parte da sociedade e dos pesquisadores devido à escassez dos combustíveis fósseis e a necessidade de preservar os recursos naturais.
No cenário mundial, os combustíveis fósseis, carvão mineral, gás, hidroeletricidade e fontes nucleares, são exemplos de fontes de energia primaria com maior índice de exploração, mas possuem um contexto bastante distinto do existente no Brasil. Contudo, o maior potencial disponível foi explorado e o remanescente nem sempre é conveniente aproveitar, devido à localização distante dos centros urbanos, sendo um fator que necessita de altos investimentos em linhas de transmissão e distribuição. Outro fator relevante se deve ás questões ambientais associadas à construção das usinas de grande porte (SALAMONI, 2009).
No Brasil, a maior parte da produção de energia da matriz energética é oriunda de hidrelétricas, sendo responsáveis por cerca de 60% da geração de energia, tendo também a geração térmica com uma parcela significativa, correspondendo a aproximadamente 26% (ANEEL, 2018).
Outra fonte de energia que vem se expandindo, mas ainda representa um percentual muito pequeno é a geração fotovoltaica, proveniente da radiação solar que incide sobre a superfície terrestre. Está fonte de energia pode ser utilizada para o aquecimento resistivo, normalmente chuveiros, que ocorre por meio de concentradores ou coletores solares. Outra aplicação é o aquecimento e iluminação natural de ambientes, decorrentes da incidência dos raios solares no interior de construções. Utilizando a energia solar de uma forma mais específica, é possível aproveita-la como uma fonte de geração de energia elétrica por meio dos denominados painéis solares, compostos por materiais geralmente fabricados a base de silício, capazes de realizar a conversão através do processo fotovoltaico (ANEEL, 2005).
A radiação solar está diretamente ligada às condições climáticas e atmosféricas. Apenas uma parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares que ocorre na atmosfera. Apesar disso, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície seja na ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial (CRESESB, 2000).
O Brasil é privilegiado em relação à energia solar, devido à imensa quantidade de raios solares emitidos no seu território. Outro fator que auxilia nesse sentido são as reservas de quartzo para a produção de silício, responsáveis pelo processo fotovoltaico. Alguns outros benefícios podem ser citados, como a manutenção nas centrais geradoras, utilização em locais isolados e de difícil acesso e uma grande vida útil nos sistemas utilizados. Todavia, o processo de produção dos módulos e componentes periféricos ocasiona a emissão de produtos tóxicos (AGUILAR et al., 2012).
O crescimento das energias renováveis não se limita ao setor elétrico. O uso direto de energias renováveis para fornecer calor e mobilidade em todo o mundo também está aumentando, embora seja a partir de uma base baixa. No Brasil, a participação da utilização direta e indireta de fontes renováveis no consumo final de energia aumenta de 39% em 2017 para 45% em 2040, em comparação a progressão global de 9% para 16% no mesmo período (IEA-WEO, 2017).
Sistemas fotovoltaicos podem apresentar-se conectados á rede, isolados ou híbridos. Mesmo que esses sistemas autônomos de energia possam
apresentar-se como uma alternativa para a geração de eletricidade, geralmente em locais onde o acesso à rede elétrica é restrito ou não existem, o uso da energia solar fotovoltaica em pouco tempo estará sendo anexada aos sistemas conectados a rede. O potencial de exploração deste tipo de geração é enorme para aplicações em micro geração distribuída, podendo ser utilizada também através de parques de geração, funcionando como usinas de eletricidade (VILLALVA E GAZOLI, 2012).
A utilização de módulos fotovoltaicos pode ser usada em residências, nos telhados ou até mesmo na fachada, em edifícios ou empreendimentos, abastecendo necessidades locais, como eletricidade ou aproveitados com a construção de usinas. A eficiência das células fotovoltaicas comerciais apresenta uma eficácia relativamente baixa, normalmente entre 10% a 20%, devido à tecnologia existente. (IEA-WEO, 2013).
Atualmente, existem vários projetos em curso ou em operação, para o aproveitamento da energia solar no Brasil, particularmente por meio de sistemas fotovoltaicos de geração de eletricidade, com o intuito de atender as comunidades isoladas da rede de energia elétrica e ao desenvolvimento regional. Promover o avanço econômico-social dessas regiões, preservar a sua diversidade biológica, garantindo o suprimento energético das regiões mais desenvolvidas são alguns dos desafios da sociedade brasileira (ANEEL, 2005).
Uma das restrições técnicas à difusão de projetos de aproveitamento da energia solar é a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, sendo necessária a utilização de uma grande área para a captação de energia que seja suficiente para tornar as chamadas usinas solares um empreendimento economicamente viável. Contudo, se comparada à energia hidráulica, por exemplo, que muitas vezes também requer grandes áreas, observa-se que a limitação de espaço não é tão restrita ao aproveitamento de energia solar (ANEEL, 2005).
Entretanto um sistema de geração de energia fotovoltaica para se tornar mais difundido depende também do desenvolvimento de equipamentos complementares que tornem os sistemas mais versáteis, ou seja, adaptando-os as mais diversas aplicações, e eficientes, aproveitando melhor a energia gerada pelos painéis (THOMAS, 1998).
1.1 JUSTIFICATIVA
A qualidade da energia elétrica está sendo afetada com a utilização de fontes alternativas, principalmente com o crescimento da geração distribuída. No caso da geração fotovoltaica, a produção de energia é heterogênea devido à variabilidade na incidência dos raios solares ao longo do dia e a presença de nuvens com maior frequência em determinadas regiões (SILVA, 2011). A intermitência e a variação na geração faz com que perturbações sejam inseridas nas redes de distribuição convencionais.
Tendo em vista que as novas tecnologias de geradores produzem tensão e corrente alternada em diversas frequências variáveis, utilizados nas usinas eólicas, ou até mesmo tensões variáveis em corrente continua, provenientes da geração fotovoltaica, se faz necessário que essas tensões sejam retificadas e alternadas, o que representa nesse caso a utilização da eletrônica de potência. Com o intuito de contribuir para um melhor aproveitamento na geração fotovoltaica, este trabalho procura realizar um estudo sobre conversores CC-CC elevadores de tensão de alto ganho presentes na literatura, e posteriormente será realizado a implementação de um dos conversores analisados.
1.2 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho é realizar a análise e estudo sobre as topologias de conversores CC-CC de alto ganho que possam ser utilizados em instalações com painéis fotovoltaicos, que sofrem a constante variação em sua capacidade de geração de energia, devido às variações naturais de irradiação e temperatura independente do local que sejam instalados.
Para minimizar os efeitos da variação na capacidade gerada será considerada a utilização de métodos de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência, para que possibilite um maior aproveitamento da energia gerada por painéis fotovoltaicos. Desta forma, serão realizadas simulações através de software computacional para verificar o funcionamento dos conversores CC-CC em conjunto com o MMPT.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
A seguir estão descritos os objetivos específicos deste projeto no que diz respeito aos estudos necessários para a implementação do mesmo:
Revisar a bibliografia em Geração de Energia Elétrica Fotovoltaica;
Revisar a bibliografia em Aproveitamento da Energia Solar existente;
Revisar a bibliografia sobre Conversores CC-CC;
Revisar a bibliografia sobre rastreamento do ponto de máxima potência relacionada a Conversores CC-CC;
Simulação do Conversor CC-CC Boost-Flyback utilizando o método de rastreamento Perturba e Observa.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está organizado em seis capítulos, divididos de forma apresentada a seguir. O capítulo 1 faz uma breve introdução sobre a geração fotovoltaica, com enfoque para o setor brasileiro.
O capítulo 2 faz uma revisão bibliográfica sobre sistemas fotovoltaicos. No decorrer do capítulo, são abordados temas como rastreamento de máxima potência e possíveis conversores utilizados como rastreamento de máxima potência.
Já no capítulo 3, é demonstrado o funcionamento do conversor Boost-Flyback através do circuito característico do conversor e das suas equações.
No capítulo 4, são demonstradas as simulações realizadas bem como os resultados obtidos ao final de cada uma das simulações.
O capítulo 5 é realizado as considerações finais sobre o trabalho e seus resultados bem como a descrição das sugestões para trabalhos futuros. No capítulo 6, são apresentadas as referencias utilizadas para a elaboração do trabalho.
Por fim, é demonstrado no anexo A, o Datasheet do painel fotovoltaico utilizado nas simulações. No apêndice A, contém o código C utilizado no software PSIM para realizar as simulações.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Atualmente, existe uma incessante busca pela autossuficiência energética mundial, desta forma a energia elétrica aliada a uma grande diversificação na matriz energética, faz com que seja necessário buscar diferentes fontes de energias alternativas supram a escassez de combustíveis fósseis. Neste caso, é necessário que os países sejam contemplados com o controle de fontes primarias de energia elétrica, térmica ou veicular, sendo que em um mundo globalizado é necessário que exista um interdependência entre os países e a autossuficiência em alguma fonte de energia (IGNATIOS, 2006).
Deste modo, o aproveitamento da energia gerada a partir do sol, inesgotável na escala terrestre, seja como fonte de calor ou luz, é hoje, uma das alternativas energéticas mais promissoras. Quando se fala em energia, é necessário lembrar que o sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia, uma vez que são em outras palavras, derivadas da energia do sol. É a partir da energia do sol que ocorre a evaporação, diretamente relacionada ao ciclo das águas, que possibilita o represamento normalmente de rios para posteriormente utilizar na geração de eletricidade a partir da hidroeletricidade. A radiação solar faz com que ocorra a circulação atmosférica em larga escala, ocasionando os ventos. Indiretamente, fontes de energia como o petróleo, carvão e gás natural foram constituídos a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia utilizada para seu desenvolvimento mediante a radiação solar (CRESESB, 2018).
A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em eletricidade. Este efeito foi relatado por Edmond Becquerel, em 1839, quando foi observado o aparecimento de uma diferença de potência nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz, tendo como parte fundamental no processo de conversão a célula fotovoltaica (CRESESB, 2018).
O desenvolvimento da tecnologia teve como base no inicio a busca por empresas do setor de telecomunicações e fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. A partir disto, apoiou-se em um agente impulsionador, a corrida espacial, pois a célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado para fornecer energia suficiente para a permanência no
espaço por longos períodos de tempo. Outro fator que impulsionou foi à necessidade de manter a energia disponível para satélites. Com a crise energética de 1973, o interesse em aplicações terrestres foi renovado. Contudo, para que fosse economicamente viável seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao das utilizadas em explorações espaciais. Com isso modificou-se o perfil das empresas envolvidas, fazendo com que, por exemplo, empresas de petróleo acabassem diversificando seus investimentos e englobando a produção de energia a partir da radiação solar (CRESESB, 2018).
Com a redução dos custos, sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações remotas e de clima severo, como demonstrado na Figura 2.1, possibilitando levar energia elétrica através de vários projetos sociais, sendo possíveis devidas às facilidades deste sistema e acaba se tornando uma importante alternativa. (DIAS, 1999).
Figura 2.1 - Sistemas Fotovoltaicos em Localidades Remotas
Fonte: (IMHOFF, 2007).
2.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Por definição, sistema fotovoltaico é um conjunto integrado de módulos fotovoltaicos e outros componentes, normalmente elétricos ou eletrônicos, projetado para realizar a conversão de energia solar em eletricidade (MAYCOCK, 1981; TREBLE, 1991). A energia gerada é disponibilizada nos terminais dos painéis fotovoltaicos na forma continua. Podem ser conectadas diretamente as cargas, como motores e lâmpadas. No entanto, os aparelhos
que funcionam diretamente em energia continua CC são restritos e possuem um custo de implementação elevado, por isso necessitam da utilização de um sistema de conversão para transformar de forma eficiente esta energia CC na forma alternada CA usualmente utilizada em aparelhos eletrônicos (IMHOFF, 2007).
Para que um determinado material se transforme em uma célula fotovoltaica, é necessário que o semicondutor passe por uma etapa de purificação e posteriormente por uma etapa de dopagem, onde é adicionado traços de elementos químicos, tais como boro e fósforo, para formar a junção p-n (CRESESB, 2018).
O efeito fotovoltaico ocorre em materiais denominados semicondutores, caracterizados pela presença de bandas de energia, sendo uma com a presença de elétrons, denominada banda de valência e outra totalmente vazia, denominada banda de condução. O semicondutor mais utilizado é o silício, devido os seus átomos ser caracterizados por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando assim uma rede cristalina. Quando adicionado átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, haverá um elétron em excesso que ficará sobrando e fracamente ligado ao seu átomo de origem. Deste modo, com pouca energia térmica, este elétron que está fracamente ligado se livre indo para a banda de condução, denominando-se de dopante n (CRESESB, 2006). A Figura 2.2 ilustra o corte transversal de uma célula fotovoltaica.
Figura 2.2 - Corte Transversal de uma Célula Fotovoltaica
Por outro lado, quando introduzido um átomo com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, ocorrerá uma falta de elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Neste caso, esta falta de elétrons é denominada lacuna, e com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode ocupar está posição, fazendo com que a lacuna se desloque, sendo este sistema denominado de dopante p (CESESB 2006).
Quando introduzido átomos de boro em uma parte e fósforo na outra, estará sendo formada uma junção do tipo p-n, ilustrado na figura 2.3. Neste caso, os elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam, fazendo com que haja um acumulo de elétrons no lado p, tornando-se negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Com isso, as cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons. Se a junção for exposta a fótons com energia suficiente, formará pares de elétron-lacuna. Caso aconteça na região onde o campo é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando uma corrente através da junção e dando origem a uma diferença de potencial, este efeito é denominado fotovoltaico (CRESESB, 2006).
Figura 2.3 - Efeito Fotovoltaico na junção p-n
Do ponto de vista elétrico, uma célula fotovoltaica, fabricada a partir do silício e dopada adicionando impurezas do tipo p e n, tem o princípio de funcionamento e suas propriedades elétricas parecidas a de um diodo comum, também fabricado a partir de silício, e do ponto de vista elétrico pode ser representado através de um circuito elétrico. O diagrama e a curva característica de funcionamento para uma célula não iluminada estão representados a seguir na Figura 2.4 (GREENPRO, 2004).
Figura 2.4 - Circuito Equivalente e Curva Característica da Célula na Escuridão
Fonte: (IMHOFF, 2007).
Quando a luz incide na célula solar, a energia dos fotões gera alguns portadores de cargas livre. Está célula iluminada, forma um circuito paralelo entre fonte de corrente e um diodo. Na Figura 2.5, é possível observar que a fonte de corrente gera uma corrente IPV, sendo proporcional a radiação solar incidente. Para esta situação, a curva característica é representada no terceiro e quarto quadrante, uma vez que esta curva é desviada Pela magnitude da corrente gerada em direção à polarização inversa (IMHOFF, 2007).
Figura 2.5 - Circuito Equivalente e Curva Característica para a Célula Irradiada
Outro modelo utilizado para a representação com maior precisão do funcionamento de uma célula fotovoltaica adiciona uma resistência série e outra em paralelo ao circuito simplificado, representando a queda de tensão existente quando os portadores de cargas migram do semicondutor para os contatos elétricos. Pode-se observar também a corrente de fuga inversa do diodo (IMHOFF, 2007). Este sistema está representado na Figura 2.6 a seguir.
Figura 2.6 - Circuito Detalhado de uma Célula Alimentando uma Carga
Fonte: (IMHOFF, 2007).
2.2 SISTEMAS CONECTADOS Á REDE ELÉTRICA
Sabendo que o Brasil possui um território grande e ainda possui um número elevado de comunidades que não possuem acesso à energia elétrica, localizadas normalmente longe dos grandes centros, existem inúmeras instalações de sistemas fotovoltaicos autônomos de baixa potência, destinados a suprimento de necessidades básicas como iluminação, refrigeração e bombeamento de água (IMHOFF, 2007).
Devido às características de baixa tensão e corrente de saída de uma célula fotovoltaica, é necessário agrupar várias células formando assim um módulo. O arranjo das células nos módulos pode ser realizado conectando-as em série ou paralelo. Conectando as células em paralelo, a corrente em cada módulo é somada, já a tensão do modulo é a mesma da célula, mas este arranjo não é utilizado, salvo condições especiais. Para conexões em série, a tensão de cada célula é somada, possibilitando adicionar acumuladores, como baterias, dependendo da tensão gerada (CRESESB, 2006).
Sistemas conectados à rede elétrica geralmente são constituídos por um número elevado de painéis, e não possuem armazenamento de energia tendo
em vista que toda a energia gerada é entregue diretamente à rede. Esse tipo de sistema representa para o sistema elétrico uma fonte de grande porte conectada ao mesmo, sendo que o arranjo de painéis fotovoltaicos é conectado diretamente a inversores e logo em seguida à rede elétrica, como ilustra o diagrama de blocos a seguir na Figura 2.7. Todavia, este tipo de sistema necessita de certa complexidade no projeto dos inversores, uma vez que devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança, considerando que a rede não deve ser afeta por distúrbios que possam ocorrer na geração (IMHOFF, 2007).
Figura 2.7 - Sistemas Conectados Diretamente a Rede
Fonte: (IMHOFF, 2007).
Os sistemas híbridos são aqueles que apresentam mais de uma fonte de geração, como por exemplo, turbinas eólicas, células de combustível, módulos fotovoltaicos. A utilização de mais de uma forma de geração de energia elétrica o arranjo de painéis fotovoltaicos pode ser reduzida quando aliados com a capacidade de armazenar a energia com banco de baterias, demonstrado no diagrama da Figura 2.8 a seguir, pois a outra geração garante o fornecimento de energia durante períodos de insolação e a noite (IMHOFF, 2007).
Figura 2.8 - Sistemas Híbridos
Fonte: (IMHOFF, 2007).
Para um sistema autônomo, a configuração mais simples é aquela que a carga CC está conectada diretamente na saída do modulo, ou na saída do arranjo fotovoltaico e neste caso como o sistema está conectado diretamente, não existe condicionamento ou armazenagem de energia, como demonstrado na Figura 2.9. Contudo, esta configuração do sistema não é capaz de aproveitar toda a potência fornecida, uma vez que com a alteração das condições climáticas o ponto de máxima potencia acaba se deslocando, reduzindo assim a eficiência do sistema. Para melhorar o desempenho, o emprego de um sistema de condicionamento de energia que garanta o funcionamento dobre o ponto de máxima potencia pode ser utilizado (IMHOFF, 2007).
Figura 2.9 - Sistema Isolado com Carga CC sem Armazenamento
Fonte: (IMHOFF, 2007).
Quando utilizado o armazenamento de energia para cargas CC, o objetivo é fornecer energia elétrica a cargas sem a geração fotovoltaica simultânea. O excedente de energia que é gerado pode ser utilizado durante a noite ou em
períodos chuvosos, quando não é possível gerar energia (IMHOFF, 2007). Este sistema está demonstrado no diagrama de blocos a seguir na Figura 2.10.
Figura 2.10 - Sistema Isolado com Carga CC com Armazenamento
Fonte: (IMHOFF, 2007).
No momento em que é utilizada uma carga CA, sem armazenamento de energia, deve ser adicionado um inversor entre o sistema de geração e a carga, como demonstrado a seguir na Figura 2.11. Este sistema, assim como o sistema CC sem armazenamento, é prejudicado por períodos de insolação. Esta configuração tem o desempenho prejudicado, pois não existe controle da tensão no barramento CC, entrada do inversor, ficando dependente do nível de tensão gerada pelos painéis fotovoltaicos. Entretanto, pode ser adicionado entre o arranjo de painéis e o inversor um estágio CC-CC com um banco capacitivo, possibilitando assim, o controle da tensão de barramento CC e se possibilita o funcionamento do sistema sob o ponto de máxima potência (IMHOFF, 2007).
Figura 2.11 - Sistema Isolado com Carga CA e MMPT
Fonte: (IMHOFF, 2007).
Para uma configuração com carga CA e armazenamento de energia, um banco de baterias pode armazenar o excesso de energia produzida pelos módulos fotovoltaicos durante o dia. A utilização do estágio CC-CC neste caso, além de garantir o controle da tensão do barramente e uma possivel utilização
do sistema sob o ponto de máxima potência, deve-se garantir uma carga eficiente ao banco de baterias e protege-las contra oscilações na geração (IMHOFF, 2007). Este sistema é representado na Figura 2.12.
Figura 2.12 - Sistema Isolado com Carga CA, MMPT e Armazenamento
Fonte: (IMHOFF, 2007).
2.3 INTRODUÇÃO AS TÉCNICAS DE RASTREAMENTO DO MMPT
Com a baixa eficiência de conversão das células solares, aliado ao custo elevado de instalação, é fundamental que se possa extrair a máxima potência gerada pelos painéis, a fim de aumentar a eficiência do sistema e reduzir os custos sobre a energia gerada. Para tal fim, é necessário garantir que o sistema opere o maior tempo possível sobre o ponto de máxima potência (IMHOFF, 2007).
Tendo em vista que os painéis apresentam, por si só, rendimentos não expressivos e que o ponto de operação de um modulo fotovoltaico está atrelado às condições climáticas e à carga que está conectado, circuitos capazes de maximizar a potência gerada, chamados de Rastreadores de Máxima Potência, devem ser empregados de modo que o rendimento de conversão não seja ainda mais reduzido (COELHO, 2008).
Normalmente, são utilizados circuitos capazes de modificar o ponto de operação do conjunto módulo-carga, estabelecendo a máxima transferência de potência sob qualquer condição. Desta forma, estes circuitos são obtidos pela interpolação, entre o módulo fotovoltaico e a carga, de um conversor CC-CC, conforme é possível observar na Figura 2.13.
Figura 2.13 - Interligação por Meio de um Conversor CC-CC
Fonte: (COELHO, 2008).
Com o avanço da tecnologia, diversos métodos para a busca do ponto de máxima potência foram desenvolvidos. Os mais utilizados são classificados em três tipos, tensão constante, perturbação e observação, e condutância incremental (OLIVEIRA, 2006). Estas técnicas se diferenciam de acordo com a forma de rastreamento, resultando em diferenças significativas no aproveitamento da energia gerada pelos painéis fotovoltaicos (IMHOFF, 2007).
Existem outras técnicas que também podem ser utilizadas, no entanto são consideravelmente mais complexas e demandam uma capacidade de processamento de dados maior. Dentre elas, podemos citar a técnica denominada de Rede Neural Artificial, que obtém o ponto de máxima potência por meio da simulação do funcionamento de uma rede de neurônios, que são arranjados em três diferentes camadas, sendo denominadas de entrada, oculta e saída. Outro método mais complexo é a partir de controladores de lógica de Fuzzy que são capazes de utilizar valores do tipo exatos e transforma-los em Fuzzy (IMHOFF, 2007).
2.3.1 Método da Tensão Constante
Esta é uma das técnicas mais simples para a busca do ponto de máxima potência, no entanto, é pouco precisa que impõem uma tensão de saída no módulo, mantendo-a fixa. A ideia é que grampeando esta tensão em um valor de referência, estará se garantindo a máxima transferência de potência para qualquer condição de radiação, conforme demonstra a Figura 2.14, onde a
linha tracejada conecta os pontos de máxima potência e a linha continua o valor da tensão grampeada (COELHO, 2008).
Uma das desvantagens desse método é o simples fato de omitir as variações de temperatura nas analises, ou seja, o método torna-se preciso desde que a temperatura de operação do módulo fotovoltaico não se altere daquela que foi imposta na tensão de grampeamento estabelecida. Por isso, quando ocorre uma variação na temperatura da célula, o sistema sofre variação na tensão, deste modo o ponto de máxima potência se altera significativamente, e como a tensão de referência permanece a mesma, o módulo não fornecerá a máxima eficiência possível (COELHO, 2008).
Figura 2.14 - PxV com Pontos de Máxima Potência, Sob Temperatura Constante
Fonte: (COELHO, 2008).
Embora exista um erro considerável nesta técnica, ela possui uma implementação viável devido ao fato de ser possível utiliza-la de forma simples, seja analógica ou digital, e ainda pelo fato de requerer a utilização de um único sensor para a leitura da tensão de saída do modulo. Além de tudo, empregar uma técnica que mantenha a tensão do módulo sempre a mesma, deixando-a próximo ao ponto de máxima potência, é melhor do que não utilizar (COELHO, 2008).
2.3.2 Perturbação e Observação (P&O)
Este método é bastante difundido em toda a literatura, sendo um dos primeiros a considerar ambos os sinais de tensão e corrente para realizar o rastreamento de máxima potência (CORRÊA, 2008). O método é baseado na alteração da referência e posteriormente na comparação da potência disponibilizada pelo arranjo dos painéis fotovoltaicos antes e depois da alteração, com isso se define o sentido da próxima perturbação. O valor de tensão ou de corrente que se utiliza como referência para o sistema é acrescido ou reduzido por um fator constante, alterado a cada iteração, levando o sistema a operar próximo ao ponto de máxima potência dos painéis (IMHOFF, 2007).
A estrutura básica do algoritmo na forma de fluxograma com base no método perturba e observa é representado na Figura 2.15.
Figura 2.15 - Fluxograma do Algoritmo Perturba e Observa
A Figura 2.16 descreve o funcionamento deste método. O tamanho da perturbação determina a qualidade em regime permanente ou a velocidade de resposta, dependendo da necessidade. Utilizando um passo maior o sistema acaba convergindo mais rapidamente ao ponto de máxima potência, porém a oscilação é maior em regime (COELHO, 2007), conforme demonstrado na Figura 2.17.
Figura 2.16 - Funcionamento do método Perturba e Observa
Fonte: (COELHO, 2008).
Figura 2.17 - Passo Elevado de Razão Cíclica
Quando considerado um passo menor, o tempo de convergência se torna mais lento e em regime permanente, possui uma oscilação em torno do ponto menor (COELHO, 2007), como demonstrado na Figura 2.18.
Figura 2.18 - Passo Reduzido de Razão Cíclica
Fonte: (COELHO, 2008).
No entanto, está técnica possui algumas limitações, como a presença de erro em regime permanente, resposta dinâmica considerada lenta e operação fora do ponto de máxima potência caso ocorra uma alteração muito rápida em parâmetros como temperatura e radiação solar. Contudo, esta técnica apresenta um melhor aproveitamento quando comparada com a técnica de tensão constante, porém para a variação de uma baixa radiação até uma radiação incidente mais elevada, o algoritmo sofre um atraso para se aproximar do ponto de máxima potência, reduzindo o aproveitamento da energia gerada (IMHOFF, 2007).
2.3.3 Técnica Condutância Incremental (IncCond)
Comparadas as técnicas apresentadas anteriormente, a técnica de condutância incremental apresenta resultados melhores em regime permanente, além disso, possui resultados mais rápidos em relação a mudanças de radiação (IMHOFF, 2007).
Este método tem funcionamento semelhante ao anterior, possuindo menor oscilação de potência, contudo exige maior esforço computacional.
Realiza o incremento ou decremento da razão cíclica, tomando como base a razão entre a derivada de tensão e a derivada de potência, conforme o resultado, a razão cíclica é incrementada ou decrementada (COELHO, 2007).
A estrutura básica do algoritmo na forma de fluxograma com base no método condutância incremental é representada na Figura 2.19.
Figura 2.19- Fluxograma do Algoritmo Condutância Incremental
Fonte: (COELHO, 2008).
Conforme demonstrado na Figura 2.20, quando a relação entre as derivadas for maior que zero, a operação do modulo está com tensão abaixo do ponto de máxima potencia, sendo que quando a relação for menor que zero a tensão de operação do painel está além do ponto de máxima potência. Desta forma, o objetivo deste método é buscar o ponto onde a relação entre as derivadas de potência e tensão seja igual à zero, com isto não ocorre variação
das derivadas e o ponto de operação é justamente o de máxima potência (COELHO, 2007).
Figura 2.20 - Curva de Potência e 𝞓P em Relação a 𝞓T
Fonte: (COELHO, 2008).
2.4 POSSÍVEIS CONVERSORES UTILIZADOS PARA MMPT
Os conversores CC-CC são responsáveis por controlar o fluxo de potência de uma fonte de entrada para uma fonte de saída. São constituídos por semicondutores operando como interruptores e por elementos passivos como capacitores e indutores. As topologias de conversores CC-CC não isolados mais abordadas na literatura é composta por conversores Boost, Buck e Buck-Boost (PETRY, 2001).
Basicamente, um conversor Buck, com circuito característico demonstrado na figura 2.21, se trata de um conversor abaixador de tensão, possuindo sua entrada em tensão e a saída em corrente. Esta topologia possui
uma corrente de saída de boa qualidade, entretanto, a corrente de entrada é descontinua (PETRY, 2001).
Figura 2.21 - Circuito Característico da Topologia Buck
Fonte: (PETRY, 2001).
Para a topologia Boost, demonstrado na Figura 2.22, ao contrario do anterior, é um conversor elevador de tensão, possuindo entrada em corrente e saída em tensão. Neste caso, possui uma corrente na entrada de boa qualidade, mas a saída apresenta uma corrente descontinua (PETRY, 2001).
Figura 2.22 - Circuito Característico da Topologia Boost
Fonte: (PETRY, 2001).
Quando ocorre a união dos conversores citados, surge o Buck-Boost demonstrado na figura 2.23. Esta topologia pode atuar como conversor abaixador ou elevador, dependendo da necessidade da aplicação. Neste caso, possui tanto a corrente de entrada quanto a de saída descontínua (PETRY, 2001).
Figura 2.23 - Circuito Característico da Topologia Buck-Boost
Fonte: (PETRY, 2001).
2.4.1 Conversor Boost Aplicado a Geração Fotovoltaica
Em sistemas fotovoltaicos, os conversores CC-CC não isolados representam uma das soluções mais adequadas (LI, 2011). Quando comparados a conversores CC-CC isolados, os não isolados permitem a redução de custo e possibilitam a elevação da eficiência dos sistemas dos sistemas em que estão inseridos (SCHMITZ, 2015).
Em aplicações fotovoltaicas que não necessitam de isolamento, conversores CC-CC Boost convencional normalmente costuma ser utilizados, devido à estrutura simples e da característica de entrada em corrente. Em teoria, o conversor Boost possui ganho ilimitado quando sua razão cíclica for aproximada da unidade. No entanto, na pratica é diferente, pois com elevados valores de razão cíclica, ocorre uma drástica redução no ganho de tensão e a eficiência (MOHAN, 1995).
Essa diferença entre teoria e pratica deve-se principalmente as perdas ocorridas nos componentes devido às perdas por condução, ocasionado pelas altas correntes de pico. Deste modo, é necessária a utilização de semicondutores que suportam altas tensões, devido aos valores elevados de tensão de saída, que aumentam mais as perdas por condução e comutação (SCHMITZ, 2015).
Muitos conversores CC-CC baseados no conversor boost foram propostos na literatura nos últimos anos. Geralmente, fazem uso de técnicas de cascateamento, de multiplicação de tensão, acoplamento de indutores como artifícios para elevar o ganho estático do Boost clássico e evitar a operação
destes conversores na região de razão cíclica elevada e reduzir os esforços nos semicondutores (SCHMITZ, 2015).
A utilização do método de associação de conversores em cascata, Ilustrado na Figura 2.24 bem como a utilização de multiplicadores de tensão representam as técnicas mais simples para elevação do ganho estático do conversor Boost. Em contraponto, ambos os métodos utilizam inúmeros estágios para atingir o ganho de tensão esperado, necessitando assim de muitos componentes, que acaba reduzindo a eficiência da estrutura e aumentando o custo do sistema (SCHMITZ, 2015).
Figura 2.24 - Conversor Boost Utilizando Técnicas de Cascateamento
Fonte: (SCHMITZ, 2015).
Quando empregado o uso de indutores acoplados, como demonstrado na Figura 2.25, permite o ajuste do ganho pela relação de transformação entre os enrolamentos, não sendo necessário adicionar mais componentes ao circuito. Na teoria, essa relação de transformação pode ser tão grande quanto necessário. Entretanto, na pratica, o aumento indiscriminado resulta na elevação da tensão sobre o diodo de saída, afetando o aspecto construtivo do indutor acoplado, resultando em alguns casos em maiores perdas nos enrolamentos. Este tipo de método faz com que a corrente de entrada seja descontínua, necessitando de filtros na entrada quando utilizado em aplicações fotovoltaicas (SCHMITZ, 2015).
Figura 2.25 - Conversor Boost Utilizando Técnicas de Acoplamento de Indutores
Fonte: (SCHMITZ, 2015).
Outro problema relacionado a estes conversores está na dispersão intrínseca existente no indutor acoplado. Mesmo que a energia seja absorvida pelo capacitor Boost, após a entrada em condução do interruptor, o indutor de dispersão entrará em ressonância com o capacitor parasita do diodo de saída, necessitando utilizar um circuito grampeador. Para suprir essa necessidade, a utilização de cascateamento e multiplicação de tensão em conjunto com indutores acoplados tem se tornado frequente (SCHMITZ, 2015).
Existem trabalhos na literatura contendo conversores CC-CC de alto ganho baseados no conversor Boost, mas até o momento não existe uma classificação adequada quanto a esses conversores, pois podem aparentemente são diferentes. No entanto, são similares e até podem ser representados pelas mesmas equações (SCHMITZ, 2015).
2.4.2 Conversor Flyback Aplicado a Geração Fotovoltaica
O conversor Flyback tem o seu funcionamento baseado em um conversor Buck-Boost, e neste caso utiliza um transformador que isola o circuito do primário do secundário, substituindo a indutância utilizada nos conversores Buck-Boost, como ilustra a Figura 2.26. Outro fator que diferencia os conversores é a utilização invertida do diodo, resolvendo o importuno da polaridade inversa da tensão de saída do Buck-Boost (FERRIOLI, 2015).
Figura 2.26 - Obtenção do Conversor Flyback
Fonte: (FERRIOLI, 2015).
Para sistemas fotovoltaicos, o conversor Flyback tem como principal função além de elevar a tensão proveniente dos módulos, realizar o isolamento galvânico entre o módulo e a rede, proporcionando maiores condições de segurança ao sistema em caso de descargas atmosféricas e contato de pessoas com a estrutura do módulo, além de evitar correntes de fuga e geração de ruídos eletromagnéticos. Neste caso são possíveis, alimentar diretamente os painéis na entrada dos conversores. A figura 2.27 representa um exemplo de aplicação do conversor Flyback para a geração fotovoltaica (DEMONTI, 2003).
Figura 2.27 - Aplicação do Conversor Flyback na Geração fotovoltaica
3 BOOST-FLYBACK APLICADO A GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
O conversor Boost-Flyback realiza a integração na seção de entrada dos conversores Boost e Flyback através dos principais elementos, compartilhando o indutor acoplado e a chave. As seções de saída podem ser associadas em série, paralelo ou em cascata, sendo essas três topologias as mais difundidas na literatura (DREHER, 2012).
Considerando aplicações em baixos níveis de tensão de entrada, a associação em paralelo da entrada dos conversores é mais adequada, no entanto é necessário que os indutores tenham intervalos de magnetização e desmagnetização parecidos, bem como tensões similares. Por compartilhar os mesmos níveis de tensão nos indutores, a integração dos conversores não altera as etapas de operação, mantendo o ganho estático dos conversores Boost e Flyback (FERRIOLI, 2015).
Considerando a associação da saída dos conversores em série, está topologia tem como objetivo alcançar um alto ganho de tensão na saída e baixos esforços de tensão nos semicondutores, através da soma das tensões de saída dos dois conversores (DREHER, 2012). Isto é possível por meio da interligação em série dos capacitores de saída CF (capacitor Flyback) e CB
(capacitor Boost), conforme demonstrado na Figura 3.1 abaixo.
Figura 3.1 – Conversor Boost-Flyback série
Pode-se observar através da Figura 3.1, que a principal característica desta topologia é a possibilidade de utilizar indutâncias acopladas, permitindo a integração das estruturas básicas dos conversores Boost e Flyback, melhorando o desempenho que possuem em separado mantendo suas vantagens como o alto ganho de tensão sem elevar o ciclo de trabalho além do limite de operação.
De acordo com JUNIOR (2019), considerando uma analise ideal para a transferência de energia onde não existem perdas nos componentes e que o interruptor esteja operando com frequência de chaveamento fixa e razão cíclica variável, a operação do conversor Boost-Flyback pode ser descrita através da operação em duas etapas.
Na primeira etapa, conforme demonstrado na Figura 3.2, o interruptor está conduzindo, ao passo que os diodos DB e DF encontram-se bloqueados, uma vez que estão reversamente polarizados. Neste caso, os capacitores CB e CF fornecem energia para a carga RO.
Figura 3.2 - Primeira Etapa Conversor Boost-Flyback
Fonte: (FERRIOLI, 2015).
Na segunda etapa, conforme demonstrado na Figura 3.3, o interruptor está bloqueado e os diodos DB e DF encontram-se diretamente polarizados. Desta forma a fonte fornece energia para os capacitores CB e CF, também para a carga RO.
Figura 3.3 - Segunda Etapa Conversor Boost-Flyback
Fonte: (FERRIOLI, 2015).
3.1 PARAMETROS DO CONVERSOR BOOST-FLYBACK
Devido à conexão em série e a tensão de saída ser a soma dos capacitores, o ganho estático do conversor pode ser definido como a soma da parcela correspondente ao conversor Boost e ao conversor Flyback (JUNIOR, 2017). Desta forma, o ganho estático pode ser definido através da equação 3.1.
(3.1)
Para determinar a razão cíclica do conversor, é necessário levar em consideração a relação de espiras do indutor acoplado e o ganho estático do conversor (JUNIOR, 2017). A razão cíclica pode ser definida através da equação 3.2.
(3.2)
Tendo em vista que a tensão de saída do conversor Boost-Flyback corresponde à soma das tensões nos capacitores VCB e VCF (JUNIOR, 2017),
(3.3)
Devido à conexão em série e a tensão de saída ser a soma dos capacitores, a equação 3.4 define a parcela do conversor Flyback. Já a equação 3.5, representa a parcela do conversor Boost (JUNIOR, 2017).
(3.4)
(3.5)
Em termos de valor médio, a corrente de saída pode ser calculada de acordo com a lei de Ohm onde a potência sobre tensão é igual a corrente, conforme a equação 3.6 (JUNIOR, 2017).
(3.6)
Da mesma forma que a corrente foi definida na equação 3.6, pela lei de Ohm pode-se então calcular a resistência de carga para a potência especificada, sendo a razão entre a tensão de saída sobre a corrente de saída, conforme a equação 3.7.
(3.7)
A corrente de entrada, em termos de valor médio pode ser expressa pela razão entre a potência de entrada e a tensão de entrada. Partindo do principio que o conversor é ideal, com rendimento unitário, a corrente de entra pode ser definida também pela razão entre a potência de saída e a tensão de entrada (JUNIOR, 2017). A corrente de entrada está definida na equação 3.8.
(3.8)
3.1.1.1 Dimensionamento dos Capacitores
Para a definição dos capacitores, devem ser consideradas as especificações de ondulação de tensão e frequência de comutação, desta forma as capacitâncias podem ser definidas de acordo com as equações 3.9 e 3.10, respectivamente. (3.9) (3.10)
3.1.1.2 Dimensionamento do Indutor Acoplado
Para definir a equação que corresponde ao indutor acoplado, é preciso antes calcular a corrente média na magnetizante do mesmo, a partir da equação 3.11, onde a corrente de saída menos a de entrada sobre a razão cíclica, determina a corrente média na magnetizante do indutor acoplado.
(3.11)
Com a ondulação de corrente especificada, podem ser definidos também os valores máximos e mínimos da corrente na magnetizante do indutor, sendo a corrente máxima no indutor definida pela equação 3.12 e a corrente mínima através da equação 3.13.
(3.13)
Considerando as especificações de ondulação e a frequência de comutação, a indutância de magnetização é expressa na equação 3.14.
(3.14)
As equações descritas anteriormente são utilizadas no capítulo 4, a fim de comprovar o funcionamento do conversor Boost-Flyback.
4 SIMULAÇÕES E RESULTADOS
Com o objetivo de demonstrar e verificar o funcionamento do conversor Boost-Flyback aliado ao rastreamento do ponto de máxima potência na geração fotovoltaica, foi realizado uma analise da resposta do sistema através do Software PSIM®.
A modelagem do painel e posterior simulação são facilitadas neste Software, pois o mesmo contém uma ferramenta chamada “Solar Module Physical – Model“, que faz a estimativa dos parâmetros físicos, sendo possível dentro do ambiente do Software simular diferentes situações para condições de temperatura e irradiação.
4.1 SIMULAÇÃO CONVERSOR BOOST-FLYBACK
Para realizar a definição dos parâmetros do conversor Boost-Flyback, é necessário ter conhecimento de todas as especificações de projeto. A tensão de saída foi estipulada com base em uma possível utilização aliada a um inversor. A frequência de chaveamento, máximas ondulações de corrente e tensão foram determinadas com base em valores encontrados normalmente na literatura.
Na Tabela 1, estão representadas as especificações de projeto definidas.
Tabela 1 - Especificações de Projeto
Grandeza Representação Valor
Potência Máxima Nominal Pmax (W) 315 Tensão de Operação Vpmax (V) 35 Corrente de Operação Ipmax (A) 9
Tensão na Carga Vo (V) 350
Frequência de Chaveamento fs (kHz) 50 Máxima Ondulação de Tensão ΔVc (%) 1 Máxima Ondulação de Corrente ΔIlm (%) 20
Antes de realizar a simulação do conversor CC-CC Boost-Flyback operando como MMPT, aliado a um painel fotovoltaico, uma simulação apenas do conversor, utilizando uma fonte de tensão na entrada no valor da tensão previamente especificada em projeto, conforme consta na Tabela 2, se faz necessário para comprovar o correto funcionamento do conversor.
Para realizar a simulação do conversor é imprescindível determinar alguns parâmetros do mesmo, desta forma conforme demonstrado no Capítulo 3, onde o ganho estático pode ser definido através da equação 3.1.
Considerando que a relação de espiras seja unitária, a razão cíclica do conversor pode ser determinada através da equação 3.2.
A corrente de carga pode ser definida com base na equação 3.6, considerando que não existam perdas, a potência de saída é igual à de entrada.
A resistência de carga pode ser determinada de acordo com a equação 3.7, onde:
Para determinar o capacitor Flyback é necessário verificar a parcela de tensão correspondente a ele, desta forma se faz uso da equação 3.4.
Considerando as especificações definidas na Tabela 2, o capacitor Flyback, pode ser calculado conforme a equação 3.9.
Para determinar o capacitor Boost também é necessário verificar a parcela de tensão correspondente a ele, desta forma utiliza-se a equação 3.5.
Considerando as especificações definidas na Tabela 2, o capacitor Boost, pode ser calculado conforme a equação 3.10.
Considerando que o conversor seja ideal, a corrente média de entrada é definida de acordo com a equação 3.8.
O indutor acoplado é definido com base na Tabela 2 e na corrente média da magnetizante, que pode ser determinado através da equação 3.11.
Com todos os parâmetros definidos, a simulação do conversor Boost-Flyback é realizada no Software PSIM®, como demonstra a Figura 4.1.
Figura 4.1 - Conversor Boost-Flyback
Fonte: (AUTOR, 2018).
O resultado da simulação pode ser observado na figura 4.2, onde se obteve a tensão de saída simulada com valores próximos ao calculado. É possível observar um Overshoot (sobre-sinal) no inicio da simulação, fazendo com que a tensão de pico neste momento seja de aproximadamente 820 W. No entanto em menos de 20 ms o sistema entra em regime permanente, tendo sinal constante próximo aos 315 W calculados, comprovando o correto dimensionamento dos parâmetros do conversor.
Da mesma forma, na Figura 4.3 onde estão demonstradas as formas de onda de tensão e corrente, observa-se uma oscilação inicial e em menos de 20ms o sistema entra em regime permanente.
Figura 4.2 - Potência de Saída do Conversor Boost-Flyback
Fonte: (AUTOR, 2018).
Figura 4.3 – Tensão e Corrente Saída Conversor Boost-Flyback
Fonte: (AUTOR, 2018).
4.2 DETERMINAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO PAINEL SOLAR
Para o desenvolvimento deste trabalho, uma analise a respeito dos painéis fotovoltaicos existentes foi realizada, sendo escolhido o painel Canadian CS6U – 330P. As características elétricas do painel fornecidas pelo fabricante estão demonstradas na Tabela 2.
Tabela 2 - Características Painel Canadian CS6U - 330P
Grandeza Representação Valor
Número de Células - 72
Potência Máxima Nominal Pmax (W) 330 Tensão de Operação Vpmax (V) 37.2 Corrente de Operação Ipmax (A) 8.88 Tensão de Circuito Aberto Vca (V) 45.6 Corrente de Curto-Circuito Icc (A) 9.45 Coeficiente de Temperatura (Pmax) (%/°C) 0.41 Coeficiente de Temperatura (Vca) (%/°C) 0.31 Coeficiente de Temperatura (Icc) (%/°C) 0.05
Fonte: (CANADIAN, 2018).
Ainda de acordo com o Datasheet do painel, as curvas de corrente em função da tensão, considerando as variações de temperatura e de irradiação, podem ser observadas na Figura 4.4.
Figura 4.4- Curva I x V para variação de Temperatura e Irradiação
Com os dados referentes ao painel inseridos no Software, Figura 4.5, parâmetros como banda de energia, fator de idealidade e resistência Shunt são determinados pelo Software, uma vez que estes dados não constam no Datasheet fornecido pelo fabricante. Outra opção disponível é a visualização das curvas I x V e P x V através do software para fins de comparação com as demonstradas no Datasheet, sendo possível observa-las na Figura 4.6.
Figura 4.5 - Parâmetros do Painel Inseridos no Software
Fonte: (AUTOR, 2018).
Figura 4.6 - Curva I x V e P x V Geradas pelo Software
4.2.1 Definição Capacitor de Barrramento
De acordo com Coelho (2008), para que um painel fotovoltaico tenha comportamento semelhante a uma fonte de tensão, é necessário que seja utilizado um capacitor de barramento em paralelo com os terminais de saída. Para condições normais, quanto maior a capacitância em paralelo utilizada, mais próximo de uma fonte de tensão seria o comportamento do painel, no entanto, para aplicações envolvendo o MMPT, o valor deste capacitor deve respeitar a frequência de rastreamento do sistema (fMMPT), onde em cada intervalo de tempo a tensão do painel deve estar estabilizada, conforme demonstra a equação 4.1
(4.1)
Ainda de acordo com Coelho (2008), através de simulações foi determinado um capacitor de barramento (CBarramento) de 1000uF, conforme demonstrado na Figura 4.7.
Figura 4.7 - Painel Fotovoltaico com Capacitor de Barramento
4.3 BOOST-FLYBACK OPERANDO COMO MMPT
O conversor proposto para simulação está demonstrado na Figura 4.8.
Figura 4.8 - Circuito Simulado no Software PSIM
Fonte: (AUTOR, 2018).
O circuito consiste em um único painel fotovoltaico, dois sensores, um de corrente e o outro de tensão, onde os sinais provenientes dos sensores são conectados a um bloco que contem o código do método utilizado, que irá depender do método utilizado. O sinal de saída deste bloco é comparado com uma onda triangular de 50 kHz, realizando a modulação PWM, que atua realizando o chaveamento do Mosfet do conversor Boost-Flyback, de forma a aumentar ou diminuir a razão cíclica conforme a necessidade, assim que o método percebe alguma variação na potencia do painel fotovoltaico.
Será utilizado o método de rastreamento de máxima potência perturba e observa, cujo algoritmo implementado no bloco C demonstrado na Figura 4.7 se encontra no apêndice A. Este método foi escolhido devido à facilidade de
implementação, boa qualidade de resposta e um esforço computacional considerado razoável.
4.3.1 Irradiação e Temperatura Constante
Inicialmente, foi realizado o teste considerando uma entrada constante tanto para a irradiação quanto para a temperatura, sendo fixadas em 1000 W/m² e 25°C respectivamente. Na Figura 4.9, é demonstrada a comparação entre a potência referenciada ao painel fotovoltaico e a potência através do método perturba e observa.
Figura 4.9 - Potência do Painel Comparada a Potência Através do MMPT
Fonte: (AUTOR, 2018).
Conforme demonstrado na Figura 4.9, o rastreamento do ponto de máxima potência para valores fixos de irradiação e temperatura apresenta resposta satisfatória, uma vez que a potência gerada pelo painel possui um valor fixo também.
O funcionamento do método perturba e observa pode ser observado na Figura 4.10, aonde o sistema vai até um valor próximo à potência utilizada como referência, que é a do painel, sendo a potencia disponível pelo conversor acrescida ou reduzida por um fator constante, alterado a cada iteração, levando o sistema a operar próximo ao ponto de máxima potência do painel.
Figura 4.10 - Verificação Método Perturba e Observa
Fonte: (AUTOR, 2018).
Na figura 4.11 e 4.12, são representadas as formas de onda de tensão e corrente na carga, respectivamente, que formam a curva de potência representado na Figura 4.5. É possível observar que a tensão segue o sentido da razão cíclica e o principio do método utilizado, onde existe uma pequena variação devido às iterações realizadas.
Figura 4.11 - Tensão na Carga
