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Artigo Cobenge
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CONJUNTO DIDÁTICO DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA DE BAIXO
CUSTO
Jader F. B. Sousa – jaderfilipe@unifei.edu.br
Anderson O. Guerra – aortizguerra@unifei.edu.br
Eben-Ezer Prates da Silveira – eben@unifei.edu.br
Universidade Federal de Itajubá – Campus Itabira
Rua Irmã Ivone Drumond, 200 – Distrito Industrial II
CEP 35903-087 – Itabira – MG
Resumo: Este projeto consiste na construção de um conjunto didático para geração
fotovoltaica que tem a finalidade de transferir e desenvolver o conhecimento da tecnologia
em questão. O grande potencial energético disponível no Brasil faz com que seja necessário
investir em uma maior independência no diz que diz respeito à operação, manutenção e
desenvolvimento de novas tecnologias. A principal característica do conjunto didático é
possibilitar o acesso a todas as etapas que compõem a geração de energia elétrica por meio
de painéis fotovoltaicos. Este conjunto permitirá ao usuário, através da experimentação, uma
melhor compreensão do conhecimento associado à geração fotovoltaica.
Palavras-chave: Conversor CC-CA, Conversor CC-CC Boost, Eletrônica de potência,
Geração alternativa de energia e Rastreamento do Máximo Ponto de Potência.
1. INTRODUÇÃO
O crescente desenvolvimento da economia brasileira gera uma constante demanda por
energia elétrica e, por consequência, uma busca por fontes renováveis de energia que reduzam
os impactos ambientais deste processo. A energia solar no Brasil se mostra como uma das
principais alternativas devido a grande incidência de raios solares em praticamente todos os
períodos do ano.
A construção de painéis fotovoltaicos utiliza a tecnologia de cristais de silício, similar
ao utilizado em circuitos integrados e assim o custo de produção há alguns anos era elevado.
Entretanto, devido ao desenvolvimento da eletrônica e da fabricação de circuitos integrados o
preço da produção de painéis fotovoltaicos vem caindo com o passar dos anos, tornando a
tecnologia cada vez mais acessível. Este cenário torna o aproveitamento da energia solar cada
vez mais atrativo, apresentando uma significativa melhora na relação custo/benefício.
A geração de energia fotovoltaica no Brasil depende, também, da disponibilidade de
uma mão de obra especializada, a fim de permitir a execução de projetos, operação, e a
manutenção das plantas de geração. Este tipo de geração, sobretudo com relação à operação
dos conversores de energia, requer conhecimento em eletrônica de potência, sistemas de
controle, sistema elétrico de potência e outros. Para suprir a necessidade de profissionais que
darão suporte aos empreendimentos na área, deve-se investir em laboratórios e ferramentas
didáticas que permitam a transferência do conhecimento.
Com base no contexto apresentado, a proposta deste projeto foi criar uma plataforma
didática que permite ao estudante compreender de forma experimental os processos da
geração fotovoltaica, a fim de que os mesmos possam estar aptos não só a operar e manter os
equipamentos, mas também adquirir o conhecimento necessário para o projeto de soluções
nacionais para o tema.
2. GERAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DE PAINÉIS
FOTOVOLTAICOS
De acordo com (CARVALHO, 2012) a demanda de carga, os valores de corrente e
tensão medidos na saída da célula, podem ser representadas através de uma curva corrente por
tensão. Estas curvas são parametrizadas à intensidade de radiação e temperatura em que foram
obtidas. O produto da corrente pela tensão gera uma curva de potência por tensão. Existe
somente um ponto na curva onde os valores da tensão e corrente que correspondem à máxima
potencia que pode ser extraída de uma célula fotovoltaica, chamado de Ponto de Máxima
Potência (MPP – Maximum Power Point). A Figura 1 ilustra o Ponto de Máxima Potência em
uma curva característica de um painel solar.
Figura 1 – Curvas I x V e P x V que fornecem os parâmetros
de potência Máxima
Fonte: (CARVALHO, 2012)
As curvas características dos módulos fotovoltaicos são definidas para um
determinado nível de irradiação solar, normalmente em relação à radiação recebida na
superfície terrestre em um dia claro ao meio dia, em uma temperatura ambiente de 25 ºC.
Porém a posição solar varia de acordo com a hora do dia e da época do ano. Para receber
maior intensidade luminosa seria necessário que os painéis acompanhassem o movimento do
sol, entretanto os sistemas que permitem a movimentação (seguidores ou trackers) de acordo
com a posição solar possuem custo muito elevado, assim os painéis em sua maioria são
instalados de forma fixa. Dessa forma, é de suma importância determinar a melhor posição
para cada região de acordo com a latitude do local de instalação do painel.
Conforme (MOÇAMBIQUE, 2012), a irradiação solar aumenta a temperatura do
modulo fotovoltaico causando a alteração sua curva característica, reduzindo assim sua
eficiência, isto devido ao fato de que a tensão diminui drasticamente enquanto a corrente se
eleva de maneira insignificante. Assim para maior eficiência do sistema de conversão de
energia é necessário um controle que deve buscar o ponto de maior potencia na curva, de
acordo com a incidência de luz solar e temperatura do painel, este tipo de controle é chamado
de Rastreamento do Máximo Ponto de Potência (MPPT – Maximum Point Power Tracking).
Devido à tensão gerada nos painéis fotovoltaicos ser inferior à tensão da rede elétrica
foi necessário o uso de um conversor Boost, e segundo (POMÍLIO, 2009) este conversor é
capaz de elevar a tensão contínua de entrada devido ao chaveamento do semicondutor através
de um sinal modulado em largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation) a um nível
superior ao gerado pelos painéis, possibilitando assim atingir o valor de tensão da rede
trifásica.
Segundo (RASHID, 1999) e (AHMED, 2000) os inversores são conversores CC-CA
com a função de converter uma tensão de entrada em Corrente Contínua (CC) em uma tensão
de saída em Corrente Alternada (CA). A amplitude da tensão de saída com sua respectiva
frequência pode ser fixa ou variável dependendo de sua aplicação. Os inversores em sua
maioria usam sinais de controle PWM para produzir uma tensão alternada de saída.
A etapa de saída do conversor Boost alimenta a entrada do conversor CC-CA, e este
tem a função de converter a tensão contínua, em três tensões alternadas senoidais, simétricas e
defasadas de 120⁰. A tensão de saída trifásica pode ser obtida através de uma ponte composta
por um arranjo de seis transistores e seis diodos.
Caso seja necessário realizar o sincronismo com a rede elétrica a etapa de saída do
inversor não pode possuir frequência ou amplitude fixa, devendo então a saída do conversor
ser realimentada e comparada a um sinal de referencia que no caso seria o sinal da rede
elétrica. De acordo com (POMÍLIO, 2009) o IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers) estabelece alguns critérios para o sincronismo de inversores e similares com a
rede, a tensão deve estar limitada a uma sobretensão de 6% e uma subtensão de 13%, quanto
menor a duração da perturbação, maior a alteração admitida, outra definição em termos da
tensão suprida é a Distorção Harmônica Total (THD - Total Harmonic Distortion) que tem
um limite de 5%. Além disso, para a alimentação trifásica tolera-se um desbalanceamento
entre fases de 3 a 6%. No que se refere à frequência, tem-se um desvio máximo admissível de
±0.5 Hz (em torno de 60Hz). As etapas descritas encontram-se representadas na Figura 2.
Figura 2 – Sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica (Adaptada)
Fonte: (VILLALVA, 2010)
A partir dos conceitos apresentados, somando as contribuições dos trabalhos de
(VILLALVA, 2010) e (GAZOLI, 2011), foi elaborado um projeto de construção do conjunto
didático de geração trifásica a partir de painéis solares. Na construção do mesmo foram
disponibilizados pontos de fácil acesso aos circuitos que compõem o conjunto, possibilitando
ao estudante efetuar medições para um melhor entendimento da plataforma e do processo de
geração fotovoltaica.
3. CONSTRUÇÃO DO CONJUNTO DIDÁTICO
A concepção do projeto teve início com a realização de simulações do conversor CC-
CC Boost e conversor CC-CA através do software Simulink/Matlab. Estas simulações foram
de grande importância, pois permitiram prever o comportamento do sistema com os
componentes que seriam utilizados.
A construção iniciou-se com a confecção das placas de circuito impresso necessárias
para a implementação do projeto, sendo as placas principais, as dos conversores mencionados
e as de condicionamento dos sinais de tensão e corrente.
O processamento do controle dos conversores é realizado pelo microcontrolador Tiva
C Series TM4C123GH6PM, pois o mesmo oferece: uma CPU ARM Cortex-M4 de 32-bit com
ponto flutuante, 256 Kbytes de armazenamento em memória flash, portas de saídas de PWM,
conversores analógico-digital de 1-MSPS, interfaces seriais (UART, SPI, I2C e USB) e até 27
contadores. Com o intuito de tornar o projeto mais acessível aos alunos, foi utilizado o kit
Tiva C Series LaunchPad da Texas Instruments, pois se trata de um kit de baixo custo
(U$12,99 na data elaboração deste projeto) e permite o uso imediato do microcontrolador,
uma vez que já inclui toda a interface necessária para a gravação do mesmo.
A programação do kit pode ser realizada por meio do aplicativo (gratuito) Energia. O
Energia apresenta um ambiente de programação similar ao do Arduino, o qual é bastante
conhecido no meio acadêmico pela facilidade de programação, inclusive para usuários que
não detém conhecimento prévio em microcontroladores.
3.1. Conversor CC-CC Boost
O projeto do conversor CC-CC Boost, que possui a função de elevar a tensão dos
painéis fotovoltaicos, partiu da especificação do indutor (L) e por meio das equações
fornecidas em (POMÍLIO, 2009) a determinação dos valores do capacitor (C), ciclo de
trabalho, ripple de tensão na carga (Δv) e ripple de corrente no indutor (Δi). Os valores
utilizados foram: frequência de chaveamento = 20kHz, L = 2mH, C = 940µF, Δv = 0,31V e
Δi = 2,25A. A amplitude da tensão contínua de saída foi ajustada para 360V, necessária para
produzir as tensões trifásicas deve ser de pelo menos 311V; desta forma, o ciclo de trabalho
do inversor está dentro de uma faixa que permite o funcionamento estável do circuito,
conforme exibido na Figura 3.
Em relação ao Rastreamento do Máximo Ponto de Potência (MPPT) foi implementado
o algoritmo denominado Perturbação & Observação descrito em (VILLALVA, 2010), o qual
através da potência calculada pela medição da tensão e corrente do painel fotovoltaico eleva
ou reduz o ciclo de trabalho com a finalidade encontrar o ponto de máxima potência. A
implementação deste algoritmo faz com que se consiga extrair a máxima potência do painel
fotovoltaico, entretanto não é mais possível determinar um valor fixo da tensão de saída pelo
conversor Boost.
Figura 3 – Tensões de entrada e saída do conversor Boost
3.2. Conversor CC-CA
A tensão na entrada do conversor foi ajustada para 360V, sendo assim o ciclo de
trabalho necessário para obter as tensões trifásicas com valores de linha em 220VRMS foi de
70%. O arranjo do circuito das chaves estáticas que compõe o conversor CC-CA encontra-se
ilustrado na Figura 4, bem como do circuito de acionamento (Gate Driver) na Figura 5.
Figura 4 – Diagrama do conversor CC-CA trifásico
Figura 5 – Diagrama do circuito de Gate Driver do IGBT
Os sinais do PWM trifásico gerados pelo microcontrolador foram devidamente
aplicados no conversor CC-CA alimentando a uma carga (resistiva e indutiva) conectada em
estrela (R = 140Ω e L = 371mH), tendo o resultado se comportado como o esperado. As
tensões de fase aplicadas à carga RL e as tensões medidas sobre a parcela resistiva encontram-
se ilustradas respectivamente na Figura 6 e Figura 7. A fim de se obter uma melhor
visualização, aplicou-se o filtro de valor médio do Osciloscópio para observar o defasamento
de 120 graus entre as tensões de fase, conforme observado na Figura 8. A medição da
frequência do sinal de 60Hz é apresentada na Figura 9.
Figura 6 – Tensão de fase gerada pelo
conversor CC-CA aplicada à carga RL
Figura 7 – Tensão de fase gerada pelo
conversor CC-CA medida sobre a resistência
Figura 8 – Tensão trifásica gerada pelo
conversor CC-CA (função Média do
osciloscópio)
Figura 9 – Frequência de uma das fases do
sinal gerado pelo conversor CC-CA (60Hz)
3.3. Medições de Tensão e Corrente
A construção da placa de condicionamento de tensão levou em consideração as
restrições do conversor analógico-digital do microcontrolador utilizado que mede apenas
tensões positivas e suporta um nível máximo de 3,3V. Na entrada do circuito um divisor de
tensão resistivo foi implementado visando adequar o nível de tensão a ser aplicado nas
entradas do amplificador operacional IC1A. O ganho do amplificador foi ajustado para exibir
na saída um valor de tensão máximo de 3V, quando aplicado 360V de pico nos canais
utilizados para medição de tensão alternada. A medição da tensão no barramento CC do
conversor Boost foi ajustada de forma que o circuito seja capaz de medir uma tensão máxima
de 450V. O amplificador operacional IC2A é utilizado como Buffer para isolar os quatro
canais de medição e tem a função de aplicar 1,5V de offset no amplificador operacional IC1A
fazendo com que o sinal de saída seja sempre positivo mesmo quando aplicado tensão
alternada na entrada do circuito de medição.
O circuito projetado para realizar o condicionamento de sinais para medição de tensão
encontra-se representado na Figura 10.
Figura 10 – Diagrama do circuito condicionador de sinais para medição de tensão
A medição de corrente é realizada por meio de sensores de efeito hall ACS712 com
capacidade para 20A, o qual apresenta saída em tensão condicionada para 0-5V com offset de
2,5V. Com a finalidade de adequar o sinal de saída do sensor ao microcontrolador utilizou-se
um divisor de tensão resistivo com relação de 1,5, fazendo com que a tensão de saída seja de
no máximo 3V. A Figura 11 apresenta o sensor de corrente ACS712 e a Figura 12 ilustra o
diagrama do sensor acoplado ao circuito com divisor de tensão.
Figura 11 – Sensor de corrente ACS712
Figura 12 – Diagrama do circuito de medição de
corrente
3.4. Práticas Propostas
Foram elaboradas práticas que podem ser efetuadas pelo estudante para uma melhor
compreensão do processo de geração de energia elétrica através de painéis fotovoltaicos. A
partir do momento em que o estudante tenha conhecimento teórico e prático sobre os
procedimentos de geração fotovoltaica e do conjunto didático estará o mesmo apto para
modificar alguns dos algoritmos de programação visando implementar metodologias
existentes e desenvolver novos métodos de obtenção da máxima potência extraída dos painéis
fotovoltaicos por meio do MPPT.
As práticas propostas até o momento são:
a) Variação do índice de modulação do conversor CC-CA;
b) Constatação da necessidade do tempo morto em um conversor CC-CA;
c) Variação do índice de modulação do conversor CC-CC Boost.
d) Implementação de algoritmos MPPT
3.5. Conjunto Didático de Geração Fotovoltaica
A última parte consistiu na montagem do protótipo em modelo de painel, provendo a
interligação de todas as placas de circuito impresso construídas e fontes de alimentação, além
de disponibilizar por meio de bornes os pontos de medição nas entradas e saídas dos
conversores utilizados. A figura a seguir apresenta uma fotografia da montagem final do
conjunto didático de geração fotovoltaica.
Figura 13 – Conjunto didático de geração fotovoltaica
Na tabela 1 encontra-se apresentado um demonstrativo de custo aproximado do
projeto.
Tabela 1 – Custo aproximado do projeto
Material Custo Aproximado
Kit de desenvolvimento TM4C123GXL R$ 40,00
Conversor CC-CC Boost e ponte conversora CC-CA R$ 200,00
Indutor de 2mH 10A R$ 80,00
5 Sensores Hall de corrente modelo ACS712 20A R$ 60,00
5 fontes de tensão de 15V 1A R$ 60,00
Placas de condicionamento de sinais R$ 40,00
Cabos para conexão das placas R$ 20,00
Cabos flat e conectores R$ 10,00
Canaletas, bornes de conexão e parafusos para montagem R$ 35,00
Base de suporte de montagem R$ 40,00
Materiais e componentes diversos R$ 20,00
Total R$ 605,00
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A construção do projeto apresentou conclusão satisfatória, tendo sido construídas
todas as partes básicas necessárias para o funcionamento de um sistema trifásico de geração
fotovoltaica. Por se tratar de um conjunto didático foi cumprido o critério de disponibilizar
pontos de medição nas entradas e saídas dos conversores, além de apresentar algumas práticas
que podem ser realizadas pelo estudante como forma de aprendizado.
A utilização do protótipo construído permite que os usuários se familiarizem com a
tecnologia de geração fotovoltaica, podendo até mesmo incentivar a especialização no uso
desta fonte energética para fortalecer o parque de geração elétrica nacional.
Agradecimentos
Gostaríamos primeiramente de agradecer aos amigos Rafael Mario da Silva e Geovane
Luciano dos Reis pelos auxílios na construção e ensaios do conjunto didático. A Fapemig
(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelo apoio financeiro prestado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. São Paulo: Prentice Hall, 2000.
CARVALHO, Edson de Paula. UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ, Departamento de
Engenharia Mecânica. Uma Nova Abordagem de Rastreamento do Máximo Ponto de
Máxima Potência em Painéis Fotovoltaicos, 2012. 133p. Dissertação (Mestrado).
GAZOLI, Jonas Rafael. UNIVERSIDADE DE CAMPINAS, Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação. Microinversor Monofásico para Sistema Solar Fotovoltaico
Conectado a Rede Elétrica, 2011. 204p. Dissertação (Mestrado).
MOÇAMBIQUE, Nilton Eufrázio Martinho. UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, Escola de
Engenharia de São Carlos. Aplicação de algoritmos de busca do ponto de máxima
potência e controladores lineares e/ou Fuzzy para a regulamentação da tensão terminal
de painéis fotovoltaicos, 2012. 134p. Dissertação (Mestrado).
POMILIO, José Antenor. Eletrônica de Potência. 1998 (Revisão 2009). São Paulo:
Unicamp, 2009.
RASHID, M. H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações. São Paulo:
Makron Books, 1999.
VILLALVA, Marcelo Gradella. UNIVERSIDADE DE CAMPINAS, Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação. Conversor Eletrônico de Potência Trifásico para
Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica, 2010. 268p. Tese (Doutorado).
LOW COST DIDACTIC KIT OF PHOTOVOLTAIC GENERATION
Abstract: This project consist in the construction of a didactic kit used for the photovoltaic
generation which has the goal to transfer and develop the knowledge about the present
technology.The great energetic potential available in the Brazil makes necessary to invest in a
highest independence in relation to the operation, maintenance and development of new
technologies. The mainly characteristic of the didactic kit is allowed the access to the all steps
that compose the generation of electrical energy from photovoltaic panels. Therefore, the
project will allow a better comprehension for the student about the knowledge of the
photovoltaic generation. The development of the project will cover the concepts related to the
fields of alternative generation of energy, power electronics and control systems.
Key-words: Alternative generation of energy, DC-AC converter, DC-DC Boost converter,
Maximum Power Point Tracking and Power Electronics.
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