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.