UM SISTEMA CONTROLADOR-INVERSOR FOTOVOLTAICO DE BAIXO
CUSTO PARA ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Fábio Mendes da Silva
NEA-Núcleo de Energias Alternativas, DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP 65040-080, Brasil.
Nelson José Camelo
DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP 65040-080, Brasil. ncamelo@dee.ufma.br Osvaldo R. Saavedra
DEE-UFMA, Av. dos Portugueses, S/N, Campus do Bacanga, São Luís, MA, CEP 65040-080, Brasil. o.saavedra@ieee.org
Resumo: Neste trabalho apresentam-se o desenvolvimento, implementação e resultados de testes de um sistema de condicionamento
e aproveitamento da energia solar fotovoltaica aplicado à iluminação pública. A energia solar é convertida em eletricidade por um módulo solar fotovoltaico que carrega uma bateria. O sistema é composto por um circuito-fotocélula, um inversor e um controlador de carga e descarga da bateria. O controlador monitora o nível de tensão da bateria, conectando-a, ou não, ao módulo solar e desabilitando, ou não, o inversor. Essa ação preserva a vida útil da bateria. Durante a noite, o inversor, tipo push-pull, é habilitado pelo circuito-fotocélula acendendo uma lâmpada fluorescente compacta, desde que permitido pelo controlador. Descrevem-se a estratégia de implementação e suas características. Utilizam-se dispositivos eletrônicos de propósito geral facilmente encontráveis fora dos grandes centros comerciais. O desempenho do projeto é avaliado através de testes com um protótipo. Faz-se uma comparação com sistemas comerciais, no que se refere a sua simplicidade, facilidade de construção e baixo custo relativo.
Palavras-chaves – Iluminação pública; energia fotovoltaica; inversor; controlador. 1. Introdução
A iluminação pública nas cidades é um bem extremamente necessário que, de tão presente, passa a ser algo comum. Mas quando se trata de povoados isolados, geralmente sem acesso à eletricidade, ressalta a importância da iluminação pública, não como novidade, mas por contribuir para a melhoria da qualidade de vida dessas comunidades em sua dimensão social.
A tecnologia solar fotovoltaica desponta como uma das melhores alternativas para o fornecimento de energia às pequenas comunidades rurais isoladas, por ser abundante, previsível, renovável e não poluente.
No entanto, o principal obstáculo à disseminação dessa tecnologia é o preço dos equipamentos e acessórios. Nesse contexto, o desenvolvimento de tecnologia que vise o aproveitamento da energia solar fotovoltaica com preços reduzidos e melhoria de performance tem sido a motivação de muitas pesquisas.
Com o intuito de melhorar o desempenho das instalações fotovoltaicas para iluminação publica, diversos trabalhos têm sido publicados, entre eles: um sistema para iluminação com inversor e carregador de bateria que busca o ponto de máxima potência, baseado em microcontrolador (Simões; Franceschetti, 2000); um controlador de carga e um inversor para lâmpadas fluorescentes compactas com forma de onda senoidal simétrica baseada em MOSFET (Joshi, 1997); um inversor ressonante classe-E para lâmpadas fluorescentes, operando em alta freqüência (Duarte, et al., 1993); e a implementação de um sistema que envolve um controlador de bateria, que busca o ponto de máxima potência (Enslin; Snyman, 1991).
Neste trabalho tem-se como objetivo apresentar a implementação e os resultados de testes de um projeto composto por: controlador de carga e descarga de bateria, circuito-fotocélula e inversor para geração de onda quadrada, aplicado à iluminação pública com lâmpadas fluorescentes compactas, LFC. Descrevem-se a estratégia de implementação e suas características, face aos sistemas comerciais. Ressaltam-se o custo reduzido, a simplicidade e a facilidade de construção. O desempenho do projeto é avaliado através de testes com um protótipo.
O artigo está organizado em cinco seções: 1 - introdução; 2 - projeto proposto; 3 – estratégia de implementação; 4 - resultados experimentais; e 5 - conclusão.
2. Sistema Fotovoltaico para Iluminação Pública
Um sistema fotovoltaico para iluminação pública, Fig. (1), consiste dos seguintes elementos: 1 - Painel solar; 2 - Bateria; 3 - Controlador de carga e descarga da Bateria; 4 - Fotocélula; 5 - Inversor; 6 - Lâmpada; 7 - Poste (não ilustrado).
Todos os elementos mencionados existem no comércio. Entretanto alguns deles como, por exemplo, o controlador e o inversor não foram projetados com o objetivo específico de serem utilizados na iluminação pública. Assim, possuem características que vão além das necessárias para essa finalidade. Neste caso o custo se torna oneroso.
Figura 1. Sistema fotovoltaico para iluminação pública. 2.1 Projeto proposto - kit
Propõe-se o projeto de um de kit, que reúne as funções de controlador, fotocélula e inversor, num bloco só, este destacado pelas bordas em negrito na Fig. (2). A arquitetura do kit é mostrada na Fig. (3), distinguindo-se no pontilhado o sistema controlador-inversor e fotocélula, incluindo-se alimentação e referência.
Figura 2. Sistema fotovoltaico de iluminação pública proposto.
Figura 3. Blocos funcionais do kit proposto. 3. Estratégia de Implementação
Por sua aplicação em ambientes rurais, o produto deve ser robusto, isto é, suportar intempérie como situação de chuva, calor, umidade e frio, além de exigir manutenção mínima. Sua implementação, ou manutenção, poderá ser feita por qualquer técnico de eletrônica não muito especializado. Por isto os blocos funcionais do kit, vistos no pontilhado da Fig. (3), cuja implementação é o objetivo deste trabalho, são construídos comdispositivos eletrônicos de propósito geral facilmente encontráveis fora dos grandes centros comerciais. Dispensam-se a elaboração e gravação de programa, uma vez que não se usam dispositivos microprocessadores, geralmente microcontroladores. Com estes critérios são implementadas algumas funções, tais como: laços de histerese, duas ondas quadrada com defasagem de 180º entre si, lógica combinacional para comandar chaves de potência MOSFET, e finalmente a função de inversor.
3.1. Tensão para Alimentação e Referência
Tanto os circuitos de controle quanto o inversor e a carga (LFC) são alimentados pela bateria, cuja tensão varia em função de ciclos de carga e descarga. Por isto foi implementada uma fonte de tensão regulada, Fig. (4), que serve tanto
para alimentação dos demais CIs quanto para referência, Vref. Deste modo, as respostas dos circuitos de controle não sofrem influência da flutuação da tensão da bateria, Vbat.
Figura 4. Fonte de alimentação e de tensão de referência. 3.2. Controlador de carga e descarga
O controlador de carga e descarga, Fig. (5), é o responsável direto pela vida útil da bateria. Sua função é monitorar o nível de tensão da bateria e a partir daí conectá-la ou não ao módulo solar e habilitar ou não o inversor. A operação desse circuito baseia-se em comparação com laços de histerese, usando-se amplificadores operacionais.
Nas histereses da Fig. (6) resume-se o princípio de operação do controlador. Quando a bateria atinge seu valor de carga máxima, portanto Vbat=13,7 V, a saída cc cai e abre a chave MOFET, Fig. (3), desconectando o módulo solar da bateria. Somente quando Vbat volta a 12,5V, o nível de cc sobe, Fig. (6) (a), voltando a conectar a bateria ao painel solar, Fig. (3). Quando a bateria atinge o valor Vbat=11 V a saída cd cai e resseta o oscilador, Figs. (7) e (9), parando o consumo de energia pela luminária. Somente após Vbat voltar a 12 V o oscilador é reabilitado. Este princípio de operação aumenta a vida útil da bateria, evitando sua sobrecarga ou descarga completa. Os limites 12V e 12,5 V são flexíveis. O limite de 11 V é recomendado, pois com 10,5 V a bateria está plenamente descarregada podendo se danificar irreversivelmente. Como limite de carga plena aqui foi usado 13,7 V. Mas este valor depende da bateria. Para algumas o fabricante recomenda usar o controlador com corte de carga em 14,8 V.
Figura 5. Circuito do controlador de carga e descarga da bateria. cc: saída do controlador de carga. cd: saída do controlador de descarga.
Figura 6. Histereses: a) para o controlador de carga da bateria; b) para o controlador de descarga. 3.3. Circuito-Fotocélula
Na Fig. (7) mostra-se o circuito-fotocélula, implementado com um fotodiodo em substituição ao dispositivo tradicional, bem mais caro, à base de LDR. Este circuito em conjunto com o controlador de descarga, permite que a luminária seja energizada somente quando a bateria estiver carregada e apenas à noite, ou seja, entre 18 e 6 horas. Na Tab. (1) tem-se o estado da luminária de acordo com os sinais enviados pelo controlador e fotocélula.
Figura 7. Circuito-fotocélula. O sinal cd vem do controlador de descarga, Fig. (5).
Tabela 1. Situação da luminária de acordo com o controlador de descarga e circuito-fotocélula.
PERIODO BATERIA RESET LUMINÁRIA (LFC)
Dia Carregada 1 Apagada
Dia Descarregada 1 Apagada
Noite Carregada 0 Acesa
Noite Descarregada 1 Apagada
3.4. Inversor e seu principio de funcionamento
Para implementação do inversor foi escolhida a topologia push-pull com chaveamento em baixa freqüência, Fig. (8), por economia e simplicidade. Seu principio de funcionamento baseia-se na condução complementar das chaves MOSFETs S1 e S2, criando uma tensão alternada no primário do transformador. No primário por que está sendo usado um transformador comercial abaixador, de fácil aquisição no mercado, cuja função aqui foi invertida para elevador.O diagrama simplificado do inversor é mostrado na Fig. (9). As chaves S1 e S2, implementadas com transistores MOSFET, são comandadas pelas saídas complementares dos FFs-D aplicadas nos gates, Fig. (9). Com isto obtém-se facilmente o ciclo de trabalho de 50%.
Figura 8. Esquemático da topologia push-pull.
4. Resultados Experimentais
O protótipo desenvolvido foi submetido a um intenso conjunto de testes e medições em laboratório e campo, tais como:
- Teste de desempenho do controlador de carga e descarga; - Teste de desempenho do inversor e cicuito-fotocélula.
O teste do controlador de carga e descarga em laboratório foi realizado utilizando-se uma fonte de tensão variável, simulando o módulo solar, e uma bateria de chumbo-ácido de 12V e 45 Ah. Os testes de campo foram feitos com um módulo solar de 75 Wp, Vmáx=21,7V, Isc=4,8 A e a mesma bateria. Nestes testes o controlador respondeu de acordo com os pontos de transição da Fig. (6).
Na Fig. (10) é mostrado o diagrama de testes do inversor no laboratório
.
Figura 10. Diagrama de testes do inversor.
Foram feitas medições e análise da corrente e da tensão na bateria e na saída do inversor, com uma lâmpada fluorescente compacta de 15 W.
Na Fig. (11) mostra-se a forma de onda de corrente e tensão da bateria. Percebe-se a presença de spikes na corrente, que poderia causar aquecimento na bateria, reduzindo sua vida útil (Gurdjian; Maxwell, 2002). No entanto por tratar-se de um inversor de baixa potência, os spikes observados foram apenas da ordem de 3 Ap-p.
Figura 11. Forma de onda da corrente e tensão da bateria.
Na Fig. (12) mostra-se a forma de onda de saída do inversor. Observam-se formas de onda sem spikes e overshoots, totalmente simétricas, o que contribui para a vida útil da lâmpada.
Geralmente os íons positivos (moléculas de mercúrio) da lâmpada têm um momento maior do que os elétrons. Isto causa danos no terminal de potencial negativo, que se torna visível com o aparecimento de uma mancha preta em um dos terminais da lâmpada. No caso de uma forma de onda simétrica o dano devido a sobretensões é compartilhado igualmente pelos filamentos da lâmpada. No entanto, se a forma de onda for assimétrica, um dos filamentos é mais afetado do que o outro, reduzindo a vida útil da lâmpada.(Vervaat; Nievwenhout, 2000)
.
O conjunto fotocélula e inversor, após serem submetidos a testes laboratoriais, também foi exposto à prova em campo, onde funciona satisfatoriamente há mais de seis meses, com uma LFC de 11 W. Este conjunto está instalado em um farol solar mantido pelo NEA - Núcleo de Energias Alternativas, no pátio do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade Federal do Maranhão.
Figura 12. Formas de onda de corrente e tensão saída do inversor. 5. Conclusões
A implementação do projeto se tornou muito simples devido à estratégia que implicou a utilização de apenas quatro CIs de propósito geral e alguns componentes passivos, que são facilmente encontráveis fora dos grandes centros comerciais. Isto resultou num kit compacto, relativamente barato, com um custo de cerca de 85% (não inclusos placa de circuito impresso e caixa de acondicionamento físico), quando comparado a configurações comerciais similares.
Os resultados da avaliação mostram que o protótipo proposto é atraente para implementação em escala, face aos custos associados e a sua robustez. Dispensam-se a elaboração e gravação de programa, uma vez que não são usados dispositivos microprocessadores, geralmente microcontroladores. Sua implementação, ou manutenção, poderá ser feita por qualquer técnico de eletrônica não muito especializado. A ausência desses aspectos tem desestimulado a utilização de iluminação pública fotovoltaica em áreas distantes, prejudicando uma grande quantidade de povoados e comunidades carentes. 6. Referências
Duarte, J. L., Wijntjens, J. A. A., Rozenboom, J., 1993, “Designing light sources for solar-powered systems”, Power Electronics and Applications, Fifth European Conference on.
Enslin, J. H. R., Snyman, D. B., 1991, “Combined low-cost, high-efficient inverter, peak power tracker and regulator for PV applications”. Power Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 6, Issue 1.
http://www.rvtechstop.com/articles/Invte-ch2-s.pdf, 2002.
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/cap5.pdf, 2002.
Joshi, H. V., 1997, “Solar PV charge controller and an efficient SPRL MOSFET based sine symmetrical inverter for compact fluorescent lamp”, Power Electronics and Drive Systems. Proceedings, International Conference on, Volume 1.
Simões, M. Godoy, Franceschetti, N. N., 2000, “A RISC microcontroller based photovoltaic system for illumination applications”, IEEE-APEC Applied Power Electronics Conference, Vol. 3, pp. 479-485.
Vervaart, M. R., Nievwenhout, F. D. J., 2000, “Manual for design modification of solar home system components ECN- Netherlands Energy Research Fundation Petten, Vol. 2.
7. Copyright Notice
The authors are the only responsible for the printed material included in his paper.
A LOW-COST PHOTOVOLTAIC INVERTER-CONTROLLER FOR PUBLIC
LIGHTING SYSTEMS
Abstract: In this paper, the development, implementation and test results of the conditioning and utilization of photovoltaic energy
in public lighting systems is presented. Such a system is composed by a charge and discharge controller, a photocell and an inverter. Solar energy is transformed into electricity by means of a photovoltaic module that charges a battery. The charge and discharge controller verifies the battery’s voltage level, connecting it or not to the photovoltaic module and enabling or not the inverter. By this procedure, the useful life is extended. At night, the push-pull type inverter is started by the photocell energizing a compact fluorescent lamp. Implementation strategies and characteristics are described and comparisons with commercial systems, concerning its simplicity, easy implementation and low cost, are also done. A prototype has been implemented using low cost general purpose components and chips and is also described in this paper.
