Maxima Potência de um painel fotovoltaico utilizando lógica fuzzy

6º Seminário de Iniciação Científica

Goiânia, de 29 de agosto a 01 de setembro de 2012

6º Seminário de Iniciação Científica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás/IFG. 1

USO DE CONTROLADORES BASEADOS EM LÓGICA FUZZY PARA O RASTREAMENTO DO PONTO DE MÁXIMA POTÊNCIA DE OPERAÇÃO (MPPT) DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO DE

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Nélio Vaz Resende - [email protected] IFG / Câmpus Goiânia

Sérgio Pires Pimentel – [email protected] IFG / Câmpus Goiânia

PIBIC/CNPq

Resumo: Este trabalho apresenta os aspectos da aplicação da lógica fuzzy no controle de um conversor eletrônico de potência acoplado aos terminais de saída de um painel fotovoltaico de forma a garantir o rastreamento do ponto de operação do painel no qual sua potência fornecida seja máxima (técnica normalmente caracterizada pela sigla MPPT). A fase inicial do projeto contemplou as atividades de pesquisa bibliográfica e de aprendizado de tópicos específicos das áreas comuns ao tema. Para isso, o material necessário foi disponibilizado pelo orientador do projeto e as atividades desenvolvidas nesta etapa foram: estudo dos tipos de células fotovoltaicas e princípios de conversão de energia; simulação e análise de modelos elétricos equivalentes aos arranjos fotovoltaicos através do software MATLAB (MATHWORKS, 2012); estudo e descrição das principais topologias de conversores CC/CC isolados e não-isolados; estudo da lógica fuzzy e suas aplicações; análise e simulação dos algoritmos MPPT de perturbação e observação (P&O) aplicados a sistemas fotovoltaicos com o uso do software PSIM. A simulação teve como referencia o painel KD210GX-LP do fabricante Kyocera e foi realizada no software Psim 9.0 (POWERSIM, 2012), versão que disponibiliza a simulação de painéis fotovoltaicos. Durante o estudo dos conversores de potência foi verificado que o conversor de topologia boost possuía melhor desempenho na busca da máxima potência. O algoritmo de perturbação e observação (P&O) foi implementado em linguagem C dentro de um bloco de DLL, tendo como principio de funcionamento a análise da potência de saída do painel e a variação do ciclo de trabalho do conversor.

Palavras-chave: Fontes Alternativas de Energia Elétrica, Eletrônica de Potência, Lógica Fuzzy.

Introdução

A Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica (Projeto FEUP, 2009, p. 10). Entretanto, há basicamente dois fatores que ainda dificultam uma maior difusão sua: custo dos dispositivos e eficiência energética. A eficiência de um sistema fotovoltaico pode ser ampliada através de técnicas que direcionam a operação do sistema para uma




condição na qual o valor de potência fornecida pela(s) célula(s) fotovoltaica(s) seja máximo. O rastreamento e a permanência da operação em tal condição de máxima potência são garantidos pelo uso das técnicas MPPT (Maximum Power Point Tracking). Este trabalho envolve o estudo da técnica “perturbação e observação” (P&O) na operação de um conversor CC/CC do tipo boost alimentado por um painel fotovoltaico (modelo KD210GX-LP da KYOCERA). Também são verificados: um modelo elétrico equivalente aos arranjos fotovoltaicos e um modelo matemático de um painel fotovoltaico capaz de representar as curvas não-lineares V-I, P-I e P-V. Tais curvas são fundamentais para a MPPT porque elas indicam o ponto de operação correspondente à máxima potência sob diferentes situações de irradiação solar e/ou de temperatura, parâmetros críticos de um painel fotovoltaico. A figura 1 exibe os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas.

Figura 1 – Células fotovoltaicas: (a) silício monocristalino (mono-Si), (b) silício policristalino (poly-Si) e (c) silício amorfo (a-Si).

Objetivos

O objetivo é encontrar o ponto de máxima transferência de potência para um determinado sistema fotovoltaico e mais especificamente compreender as características, o princípio de funcionamento e o método de conversão de energia associadas a uma célula fotovoltaica durante a geração de energia elétrica; Analisar as características estática e dinâmica de um conversor CC/CC com característica elevadora (ou abaixadora, se necessário) e compreender as condições de uso e os recursos da lógica fuzzy (ou lógica nebulosa). A figura 2 exibe os resultados de simulação realizados no MATLAB baseadas no modelo de célula fotovoltaica descrita em (VILLALVA, 2010).

Figura 2 – Comportamento da potência fornecida pelo painel fotovoltaico em função de sua tensão de saída (curva P-V) para diferentes condições de insolação.




Metodologia

Leitura da bibliografia; Análise das topologias não-isoladas de conversores CC/CC; Simulação computacional (PSIM e MATLAB) e estudo de aplicações da lógica fuzzy

Resultados

Foram realizadas simulações a partir de parâmetros de painéis fotovoltaicos disponíveis comercialmente. Tal ação baseou-se no interesse de verificar a semelhança do modelo matemático utilizado com as curvas V-I, P-I e P-V fornecidas pelos fabricantes. Durante esse processo, foi verificada a relação entre o ponto de máxima potência fornecida pelo painel com parâmetros de operação do painel, tais como temperatura e irradiação solar. Como referência para o projeto, adotou-se o módulo KD210GX-LP do fabricante Kyocera. Após o estudo dos conversores CC/CC e das simulações das topologias buck, boost e buck-boost, foi determinada qual seria a topologia mais adequada com o objetivo do projeto. Durante a operação dos conversores CC/CC, fez-se um estudo sobre as características de análise e de implementação da estratégia de modulação por largura de pulso (PWM). O algoritmo de perturbação e observação (P&O) foi implementado em linguagem C e simulado dentro de um bloco de DLL (SOARES,2006) no software PSIM 9.0, tendo como principio de funcionamento a análise da potência de saída do painel e a variação do ciclo de trabalho do conversor utilizado. A figura 3 exibe a eficácia do método proposto.

Figura 3 – Variação e manutenção do ciclo de trabalho (acima) do conversor CC/CC durante a busca e localização do ponto de máxima potência de operação (abaixo).

Conclusões

Através de simulações de vários painéis foi possível concluir que a tensão de saída do painel diminui e a corrente de saída aumenta à medida que a temperatura do ambiente se eleva. Quando se analisa uma variação ocorrida no nível de irradiação solar nota-se que a corrente e a tensão de saída do




painel são diretamente proporcionais a essa variação. Na analise dos conversores o de topologia Buck mostrou certa dificuldade para percorrer a curva do painel precisando variar além do ciclo de trabalho o valor da resistência de carga para poder encontrar o ponto de máxima potência. Utilizando o conversor boost foi possível encontrar a máxima potencia para uma determinada carga apenas variando o ciclo de trabalho, por esta razão este tipo de conversor foi escolhido para controlar a potência gerada pelo painel fotovoltaico.

Referências

MATHWORKS, INC. MATLAB Software. URL: http://www.mathworks.com. Março, 2012. POWERSIM. PSIM Software. URL:http://www.powersimtech.com/index.php?name=psim. Março, 2012.

PROJETO FEUP. Energias renováveis e desenvolvimento sustentável: Novas tendências na produção de energia a partir de fontes renováveis. Faculdade de Engenharia Universidade do Porto, desenvolvida por Equipa 517. Disponível em: paginas.fe.up.pt/~projfeup/cd/relatórios/R517.pdf. Acesso em: 10/jun/2012.

SOARES, Giovane Gai; BATISTA, Gilson Rogério; RECH, Cassiano. Integração de ferramentas computacionais para análise de estratégias de controle aplicadas a conversores estáticos de potência.Universidade de Ijuí, Ijuí/RS, 2006;

VILLALVA, Marcelo Gradella. Conversor eletrônico de potência trifásico para sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Tese de doutorado. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas, Campinas/SP, 2010.

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