Universidade Federal de Santa Catarina
Instituto de Eletrônica de Potência
Energia Solar
Fotovoltaica
Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.
Tecnologia
Fotovoltaica
Revisão Histórica
 1839 – Placas metálicas mergulhadas em eletrólito e exposta à luz geraram eletricidade;
 1879 – Célula de Selênio com eficiência inferior a 0,5%;
 1905 – Explicação do efeito foto-elétrico, por Albert Einstein;
 1920 – Célula de Silício com eficiência de 6%;
 1960 – Utilização das células fotovoltaicas em aplicações espaciais;
 Década de 70 – Crise do petróleo, desenvolvimento de células de Silício com eficiência
de 20% em laboratório e surgimento da primeira empresa do setor fotovoltaico, Solarex.
 Décadas de 80 e 90 – Apelo ecológico: surgimento do programa “telhados
fotovoltaicos” e da primeira usina fotovoltaica de grande porte;
 2007 – Células multi-junções com eficiência da ordem de 40% em laboratório.
Produtividade Versus Custo
Produtividade Versus Custo
Conceitos
Importantes
Radiação Solar (S)
Energia emanada do Sol que chega à Terra através de ondas eletromagnéticas
que se propagam à velocidade da luz, suas componentes são:
 Radiação direta;
 Radiação
absorvida;
 Radiação difusa.
Massa de Ar (AM)
Índice relacionado à espessura da camada de ar no caminho da radiação
proveniente do sol.
Matematicamente, tem-se: AM 
1
cos( )
Célula, Módulo e Arranjo/Painel Fotovoltaico
Característica de Saída
Principais Materiais Empregados na
Fabricação de Células Fotovoltaicas
Materiais Empregados
A eficiência de Conversão de uma célula fotovoltaica está intimamente ligada ao
tipo de material empregado em sua fabricação. Dentre os principais, tem-se:
Materiais Empregados
Alguns Trabalhos Desenvolvidos no
INEP
Modelagem Fotovoltaica Contabilizando
os Efeitos Ambientais como Radiação e
Temperatura
Modelagem Matemática do Painel Fotovoltaico
Circuito elétrico equivalente de um painel fotovoltaico


S
ref
I módulo = ref 1+uI T - Tref   I Ph
- I0ref

módulo
S 
 T 
  ref 
T 
3
nS EG  1 1 

- 
Ak  T ref T 
e
 qVmódulo -RS módulo I módulo  
Vmódulo + RS módulo  I módulo
Ak T
- 1  e
RPmódulo


Equação que descreve o comportamento do painel
fotovoltaico em termos da tensão e corrente de saída
Modelagem Matemática do Módulo Fotovoltaico
Informações do Fabricante
Resultados de Simulação
Validação Experimental
Implementação de Técnicas
Usuais
De Rastreamento de Máxima
Potência
Sistema Fotovoltaico com Rastreamento
Máxima Potência
Técnica da Tensão Constante
S  987W / m 2
T  57º C
Vantagens:
 Utilização de um único sensor,
para leitura da tensão;
 Fácil implementação.
Desvantagem:
 Erro de rastreamento quanto T <
Tref ou T> Tref.
Resultados Experimentais
Vmódulo  26 ,3V
Vmp  22,5V
I módulo  4,5 A
I mp  7,45 A
Pmódulo  118,3W
Pmp  167,6W
E( P )  29,4%
Técnica Perturba e Observa – P&O
Vmódulo  25V
S  951W / m 2
T  36º C
I módulo  7,4 A
Pmódulo  185W
Vmp  24,8V
I mp  7,3A
Pmp  180W
E( P )  2,5%
Resultados Experimentais obtidos
durante a passagem de uma nuvem
Vantagem:
Desvantagens:
 Atuação nas proximidades do MPP
independentemente das condições de
radiação e temperatura em regime
permanente;
 Escolha entre velocidade ou precisão de
rastreamento;
 Uso de dois sensores (tensão e corrente);
 Implementação mais complexa;
 Erro de rastreamento sob mudanças abruptas de
radiação.
Técnica da Condutância Incremental - CondInc
S  980W / m 2
T  41º C
Vmódulo  24V
I módulo  7,2 A
Pmódulo  173W
Vmp  24,1V
I mp  7,3A
Pmp  176W
E( P )  1,9%
Atuação nas proximidades
Vantagens:
Vantagens
 Passo variável;
 Alia velocidade e precisão de
rastreamento;
 Detecção do MPP (derivada nula).
Desvantages:
 Uso de dois sensores (tensão e corrente);
 Implementação mais complexa, devido à
necessidade de cálculo das derivadas.
Técnica de Rastreamento
Empregando Sensor de
Temperatura: MPPT-temp
MPPT-temp
Nesta técnica, o sensor que lê a corrente do painel fotovoltaica é substituído por um
sensor de temperatura, que contabilizará a temperatura na superfície do módulo,
estimando com grande precisão o valor da tensão que impõe a máxima transferência
de potência.
Vmp  Vmpref
Vmpref  26,3V

 (T  Tref )uVmp Tref  25º C

uVmp  0,14V /º C
MPPT-temp
Valores de radiação(S) e temperatura (T) durante os teste com o novo algoritmo de
rastreamento, obtidos a partir de um mini-KLA.
S=900W/m2
S=850W/m2
S=830W/m2
S=802W/m2
S=787W/m2
e
e
e
e
e
T=51ºC
T=50ºC
T=49ºC
T=41ºC
T=34ºC
S=770W/m2
S=758W/m2
S=700W/m2
S=600W/m2
S=500W/m2
Ligação dos pontos teóricos de máxima potência
para diferentes condições de radiação e
temperatura medidas durante os testes.
e
e
e
e
e
T=26ºC
T=51ºC
T=51ºC
T=51ºC
T=51ºC
S=400W/m2
S=300W/m2
S=200W/m2
S=100W/m2
S=50W/m2
e
e
e
e
e
T=51ºC
T=52ºC
T=52ºC
T=53ºC
T=53ºC
Trajetória do ponto de operação do módulo
fotovoltaicos sob as mesmas condições da
análise teórica (osciloscópio no modo X-Y)
Com emprego da técnica MPPT-temp.
MPPT-temp
Tensão (marrom), corrente (azul) e temperatura (verde) durante os ensaios empregando a
técnica MPPT-temp.
Proposta de MPPT para Painéis
Fotovoltaicos Utilizando Apenas
Sensor de Tensão e Aproveitando a
Impedância Característica do SEPIC
MPPT - SEPIC
Esta técnica aproveita a característica de impedância do conversor Sepic, tendo como
principal vantagem a eliminação do sensor de corrente.
Pin  V pv I pv 
MÓDULO FOTOVOLTAICO
OPERANDO NA REGIÃO DE FONTE DE TENSÃO
V pv2
Z in
POTÊNCIA FORNECIDA AO SEPIC
COMPORTAMENTO DA POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA
RAZÃO CICLICA
MPPT - SEPIC
Corrente e tensão no painel e carga para transitório
de carga em t=5s
Potência na saída do painel (Ppv) e entregue à carga
(Pcarga)
MPPT - SEPIC
Corrente e tensão no painel e na carga
Potência de saída do painel e entregue à carga
MPPT - SEPIC
Radiação
incidente
Temperatura
do painel
Máxima
potência
disponível
segundo a
curva P-V do
painel
Potência
entregue à
carga pelo
SEPIC
Desvio de
potência
(%)
1000 W/m2
25 0C
800 Wp
797 W
0.375
500 W/m2
25 0C
371.72 Wp
371.27 W
0.12106
1000 W/m2
50 0C
749 Wp
743.67 W
0.71162
500 W/m2
50 0C
348 Wp
345.96 W
0.58621
50 W/m2
50 0C
15.6 Wp
12.53 W
19.679
Resultados de simulações realizadas
MPPT com Behavior Matching
MPPT – Behavior Matching
Essa técnica permite que o conversor opere com razão cíclica e freqüência constantes,
sem malha de controle, e reproduza as características de saída do painel
Conversor trifásico série ressonante conectado a um arranjo fotovoltaico
MPPT – Behavior Matching
MPPT – Behavior Matching
Saída do Painel fotovoltaico
saída do conversor
Limitações dos Conversores Estáticos
no Rastreamento do Ponto de
Máxima Potência
Conversores CC-CC como MPPT
A característica I-V de um painel
fotovoltaico apresenta apenas valor
positivos de tensão e corrente e, portanto,
fica completamente definida no primeiro
quadrante do plano I versus V.
Como a curva I-V depende de
condições ambientais (radiação e
temperatura), o ponto de MPP varia
aleatoriamente no primeiro quadrante.
Conversores BUCK como MPPT
Re ( D, Rload )  Rload / D 2
 D2 
 Rei ( D, Rload )  atan 

R
 load 
 1 
0 <  Re (D, Rload ) < atan 

 Rload 
Conclusão:
Em virtude de o conversor
Buck não poder rastrear em
todo primeiro quadrante, o
mesmo não se torna uma
boa solução para
rastreamento do ponto de
máxima potência
Conversores BOOST como MPPT
Re ( D, Rload )  (1  D ) 2  Rload


1

2
D
R


(1
)
load 

 Rei ( D, Rload )  atan 
 1
atan 
 Rload

 <  Re (D, Rload ) < 90º

Conclusão:
Em virtude de o conversor
Boost não puder rastrear
em todo primeiro
quadrante, o mesmo não se
torna uma boa solução para
rastreamento do ponto de
máxima potência
Conversores BUCK-BOOST como MPPT
1 D 
Re ( D, Rload )  
  Rload
 D 
2


D2
 Rei ( D, Rload )  atan 

2
 (1  D)  Rload 
0º <  Re (D, Rload ) < 90º
Conclusão:
Devido ao fato de o conversor
Buck-Boost conseguir impor seu
ponto de operação em todo o
primeiro quadrante, torna-se a
melhor solução em aplicações de
rastreamento. Todos os conversores
com a mesma característica
estática são igualmente aplicáveis a
esta função.
Sistemas Fotovoltaicos Interligado à
Rede Elétrica Comercial
Interligação com a Rede Monofásica
Características
1) Mantém a forma da corrente na rede sempre
senoidal;
2) Atua como inversor e filtro ativo
simultaneamente, mantendo sempre o F.P.
próximo da unidade;
3) Potência processada de 1kW;
4) Transição natural entre os modos de injeção e
absorção de potência na rede elétrica.
Interligação com a Rede Trifásica
Características
1)
2)
3)
4)
Modelagem e controle empregado a Transformada de Park;
Atua como inversor e filtro
ativo simultaneamente, mantendo sempre o F.P. próximo da unidade;
Potêncioa processada de 12kW;
Interligação com a Rede Trifásica
Contato
Prof. Denizar Cruz Martins, Dr.
Msc. Roberto Francisco Coelho
Eng. Walbermark Marques dos Santos
Universidade Federal de santa Catarina
[email protected]