UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA
PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
MODELAGEM MATEMTICA E IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL NO ATP DE UM SISTEMA SOLAR
FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE DE BAIXA TENSAO
ORIENTADO: GUILHERME HENRIQUE BERNARDES CUNHA ORIENTADOR: GERALDO CAIXETA GUIMARES (Ph.D.)
JULHO 2013
II
GUILHERME HENRIQUE BERNARDES CUNHA
MODELAGEM MATEMTICA E IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL NO ATP DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO A
REDE DE BAIXA TENSAO
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao
em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de
Uberlndia, para obteno do ttulo de Mestre em
Cincias.
Uberlndia, 29 de Julho de 2013
Banca Examinadora
_________________________________________________________ Prof. Geraldo Caixeta Guimares (Orientador) Ph.D. UFU
_________________________________________________________ Prof. Jos Roberto Camacho Ph.D. UFU
_________________________________________________________ Prof. Adlio Jos de Moraes Dr. UFU
_________________________________________________________ Prof. Fabrcio Augusto Matheus Moura Dr. UFTM
III
... uma perspectiva cientfica torna-se perigosa se ignora a dimenso religiosa e tica
da vida, da mesma maneira que a religio se converte em limitada se rejeita a legtima
contribuio da cincia em nossa compreenso do mundo
Papa Bento XIV, Londres, 17 de setembro de 2010
IV
AGRADECIMENTOS
Agradeo a Deus primeiramente e sempre, pelas infinitas graas e bnos derramadas
ao longo de toda minha vida.
Ao Professor Caixeta por sua orientao, conhecimento compartilhado, motivao
proporcionada e amizade.
Aos meus pais Denise e Ernani e ao meu irmo Leandro, pelo incessante encorajamento
e essencial suporte emocional.
Aos colegas Daniel Arajo Caixeta, Gislene Cristiane de Lima Ferreira, Antnio
Manoel Batista da Silva e Adriano Carvalho Silva do Ncleo de Dinmica de Sistemas
Eltricos pelo companheirismo e troca de experincias.
Aos demais colegas dos ncleos de Qualidade de Energia Eltrica, Energias
Alternativas, e, em especial ao Fernando Cardoso Melo do Ncleo de Eletrnica de Potncia.
Aos professores Gustavo Malagoli Buiatti, Marcelo Lynce Ribeiro Chaves, Ernane
Antnio Alves Coelho e Jos Roberto Camacho pelos ensinamentos tcnicos.
secretria Cinara Fagundes P. Mattos da ps-graduao pelos esclarecimentos e
prestatividade incomparvel.
Capes pelo apoio financeiro durante o perodo da pesquisa.
Aos demais amigos e funcionrios da faculdade.
V
RESUMO
Modelagem Matemtica e Implementao Computacional no ATP de um Sistema Solar Fotovoltaico
Conectado a Rede de Baixa Tenso
O aumento da demanda de energia, a possibilidade de reduo do suprimento de
combustveis convencionais e a crescente preocupao com a preservao do meio ambiente
tm levado a vrias pesquisas e desenvolvimento de fontes alternativas de energia que sejam
limpas, renovveis e com menor impacto ambiental.
Dentre as diversas fontes alternativas de energia, a solar fotovoltaica tem sido
considerada uma excelente opo j que livre, abundante, limpa e distribuda. A energia
solar incidente na superfcie da Terra estimada em cerca de dez mil vezes a energia total
consumida no mundo.
Mesmo com todas as vantagens apresentadas pela gerao de energia por meio do uso
de painis fotovoltaicos, a eficincia da converso de energia atualmente ainda baixa e com
custo inicial de implantao elevado. Assim, imprescindvel o uso de tcnicas para extrao
da mxima potncia destes painis para aumentar a eficincia de operao do sistema.
Este trabalho visa apresentar estudos de um sistema fotovoltaico completo conectado
rede eltrica de baixa tenso, compreendendo o painel solar, um conversor elevador de tenso,
seu correspondente controle de rastreamento de mxima potncia, o inversor de tenso com
seu controle, a malha de captura de fase e, por meio de um indutor de acoplamento, a conexo
de todo este sistema rede eltrica.
Para a modelagem e simulaes do sistema solar fotovoltaico foi utilizado o Alternative
Transients Program - ATP. Inicialmente so apresentados resultados de simulao de partes
constituintes do arranjo fotovoltaico e somente ao final, realizado um estudo de caso com o
sistema completo desenvolvido neste trabalho.
Palavras-Chave:
ATP, boost, eletrnica de potncia, estudo computacional, fonte alternativa de energia,
gerao distribuda, MPPT, PLL, sistema fotovoltaico.
VI
ABSTRACT
Mathematical Modeling and Computational Implementation in ATP of Photovoltaic Solar System
Connected to Low Voltage Power Grid
The increased demand for energy, the possibility of reducing the supply of conventional
fuels and growing concerns about the preservation of the environment have led to several
researches and development of alternative energy sources which are clean, renewable and
with minor environmental impact.
Among the various alternative energy sources, PV solar has been considered an
excellent option as it is free, abundant, clean and distributed through all places. Solar energy
incident on Earth's surface is estimated at about ten thousand times the total energy consumed
in the world.
Even with all the advantages offered by the generation of energy through the use of
photovoltaic panels, the initial cost of deployment is high and the efficiency of energy
conversion is currently still low. Thus, it is essential to use techniques to extract the maximum
power from these panels to increase the system operation efficiency.
This work aims to present studies of a complete photovoltaic solar system, connected to
low voltage power grid including the solar panel, a step-up voltage converter, its
corresponding Maximum Power Point Tracking (MPPT) control, the voltage inverter with its
control, the phase locked loop, and by means of an inductive coupling, the connection of the
whole system to the grid. For modeling and simulations of the solar photovoltaic system, it
was used the Alternative Transients Program - ATP.
Initially it is presented simulation results with parts that comprises the PV array, and
only at the end, it is performed a case study with the complete PV system developed in this
work.
Keywords:
Alternative source of energy, ATP, boost, computational study, distributed generation,
MPPT, photovoltaic system, PLL, power electronics.
VII
SUMRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................................... IV
RESUMO ..................................................................................................................... V
ABSTRACT ............................................................................................................... VI
SUMRIO ................................................................................................................ VII
NDICE DE FIGURAS .............................................................................................. XI
NDICE DE TABELAS ............................................................................................ XV
CAPTULO 1 INTRODUO ................................................................................. 16
1.1. Contextualizao .............................................................................................. 16
1.2. Motivaes ...................................................................................................... 17
1.3. Objetivos ......................................................................................................... 19
1.3.1. Objetivo Geral ...................................................................................... 19
1.3.2. Objetivos Especficos ........................................................................... 19
1.4. Estrutura do Trabalho ....................................................................................... 20
CAPTULO 2 A ENERGIA SOLAR E O SISTEMA FOTOVOLTAICO ................. 22
2.1 Consideraes Iniciais ...................................................................................... 22
2.2 Uma Breve Histria da Energia Solar ............................................................... 23
2.3 Heliotecnia ....................................................................................................... 28
2.3.1 Espectro da Radiao Solar ................................................................... 28
2.3.2 Massa de Ar .......................................................................................... 30
2.3.3 Componentes da Radiao Solar ........................................................... 32
2.4 Dados do Sol .................................................................................................... 34
2.4.1 Constante Solar..................................................................................... 35
2.4.2 Movimento Terra-Sol ........................................................................... 35
2.5 Coordenadas Geogrficas ................................................................................. 36
VIII
2.5.1 Declinao Solar ......................................................................
