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ANÁLISE DE ALGORITMOS PARA O RASTREAMENTO DA MÁXIMA POTÊNCIA DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

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Academic year: 2020

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(1)ANÁLISE DE ALGORITMOS PARA O RASTREAMENTO DA MÁXIMA POTÊNCIA DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS. Rodolfo Pilar Londero 1 Gian Dias de Mello 2 Marcelo Hahn Durgante 3. Resumo: Com o crescimento da demanda energética, a utilização de painéis fotovoltaicos vem se tornando cada vez mais comum, visto que a energia solar é limpa e infinita quando comparada às formas usuais de energia utilizada. Este trabalho apresenta um modelo matemático equivalente de painéis fotovoltaicos, com o intuito de facilitar as simulações em diferentes condições de ambiente. Além disso, é realizada uma análise comparativa entre três algoritmos de rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT), de modo a verificar seu desempenho quando submetidos a variações rápidas e lentas de insolação. Com os testes realizados, pode-se constatar que para rápidas variações de insolação, o algoritmo Perturba & Observa modificado apresenta vantagem por propiciar uma potência de saída maior que os demais antes de atingir o MPP. Já para variações lentas, os três algoritmos apresentaram comportamentos semelhantes.. Palavras-chave: Rastreamento, Máxima Potência, Painéis Fotovoltaicos, Algoritmos MPPT. Modalidade de Participação: Iniciação Científica. ANÁLISE DE ALGORITMOS PARA O RASTREAMENTO DA MÁXIMA POTÊNCIA DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS 1 Aluno de graduação. rodolfopl@gmail.com. Autor principal 2 Aluno de graduação. Gian.ctism@gmail.com. Co-autor 3 Docente. marcelodurgante@unipampa.edu.br. Orientador. Anais do 9º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa | Santana do Livramento, 21 a 23 de novembro de 2017.

(2) ANÁLISE DE ALGORITMOS PARA O RASTREAMENTO DA MÁXIMA POTÊNCIA DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS 1. INTRODUÇÂO A extração da máxima potência de painéis fotovoltaicos é uma das formas de tornar a operação desses dispositivos mais eficiente. Para isso foram desenvolvidos os algoritmos de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT), os quais são capazes de promover a extração da máxima potência dos painéis. O objetivo desse trabalho consiste em apresentar um modelo de um painel fotovoltaico e analisar três algoritmos de MPPT. 2. METODOLOGIA O estudo realizado para desenvolver este trabalho baseou-se na revisão bibliográfica de artigos científicos que exploram modelos equivalentes de painéis fotovoltaicos e as aplicações de algoritmos de MPPT para maximizar a potência extraída dos painéis. Para a implementação dos modelos utilizou-se o ambiente de simulação Simulink do software matemático MATLAB. A análise dos dados gerados nessas simulações embasa as conclusões do trabalho. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1.. Modelo do Painel Fotovoltaico. Conforme CASARO e MARTINZ (2008), o circuito mais simples que representa uma célula fotovoltaica é composto por uma fonte de corrente em paralelo com diodo. Para que o modelo seja mais próximo da realidade, devem ser consideradas as perdas resistivas. Logo, conforme COLLARES (2012), deve ser adicionada uma resistência em paralelo para representar as perdas ocasionadas por correntes de fuga em cada junção e uma resistência em série que representa as perdas resistivas ao longo do painel, os contatos metálicos e à região de depleção. O circuito equivalente é apresentado na Figura 1.. Figura 1. Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica (CASARO e MARTINZ, 2008) Ao realizar-se o equacionamento do circuito acima, tem-se a equação (1). + = +ãÛ F +å ® FA. ä®. Ï>®ËÞ ®Þ®Í. F 1G F. 8 + + ® 4æ 4ã. (1). Onde, V e I são a tensão e a corrente, respectivamente, nos terminais de saída de uma célula fotovoltaica; Iph é a fotocorrente; Ir é a corrente de saturação reversa da célula; Rs e Rp são as resistências em série e paralelo, respectivamente, da célula; q.

(3) é a carga do elétron; é o fator de qualidade da junção p-n; k é a constante de Boltzmann; e T é a temperatura ambiente (K). O modelo deve ser capaz de contemplar as variações de irradiação solar e temperatura. Conforme YU, JUNG et al (2004), a corrente de saturação reversa (Ir) varia com a temperatura de acordo com a equação (2), e a fotocorrente (Iph), que depende da irradiação solar e da temperatura, é descrita na equação (3). 6 7 䮾¸®@ 5 ?5A (2) +å = +åå ® l p ® A ®Þ ÍÝ Í 6å +ãÛ = k+æÖ + Ù ® (6 F 6å )o ® 2æèá. (3). Onde, Isc é a corrente de curto-circuito por célula; . é o coeficiente de temperatura de Isc; Tr é a temperatura de referência (298 K); Psun é a intensidade de radiação solar (W/m2); Irr é a corrente de saturação reversa de referência; e EG é a energia de banda do semicondutor utilizado na célula (1,1 eV). Todos os parâmetros podem ser obtidos através de catálogos de fabricantes, exceto a corrente de saturação reversa de referência (Irr). Conforme CASARO e MARTINZ (2008), essa corrente pode ser obtida fazendo I = 0 A e V = Voc (Tensão de circuito aberto por célula), e fazendo T = Tr. Com isso, a partir da equação (1) obtém-se a equação (4).. +åå =. +æÖ F l. 8âÖ 4ã p. ä®ÏÚÎ A ®Þ®ÍÝ. (4). F1 Entretanto, não é possível obter uma solução para equação (1) de forma algébrica, visto que ela apresenta duas incógnitas, V e I. Conforme CASARO e MARTINZ (2008), para resolvê-la é necessário utilizar um método numérico, como o Método de Newton, utilizando a equação (1) como uma função da corrente, bem como a sua derivada. Desse modo, calcula-se I iterativamente, iniciando-o com o valor zero. 3.2.. Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT). Como a potência produzida pelos painéis fotovoltaicos não é constante, visto que a corrente e a tensão variam conforme os níveis de irradiação solar e temperatura, é necessário implementar técnicas para maximizar a potência elétrica instantânea entregue à carga. Essas técnicas assumem o papel de verificar periodicamente os níveis de tensão e corrente produzida pelo painel, e realizar ajustes com o intuito de manter a potência entregue pelo painel sempre em nível máximo. O MPPT é utilizado para ajustar o ciclo de trabalho (duty cycle) de um conversor cc/cc, posicionado na saída do painel. Esse ajuste tende a deslocar o ponto de trabalho do painel, buscando o ponto de máxima potência (PMP) (COLLARES, 2012). Dentre os diversos algoritmos existentes, tem-se o Perturba & Observa, Condutância Incremental e uma versão modificada do Perturba & Observa. i.. Perturba & Observa (P&O). Segundo COLLARES (2012), o método P&O baseia-se em perturbar o sistema através de um incremento do ciclo de trabalho do conversor e observar se houve um aumento ou redução da potência fornecida pelo painel. O fluxograma da Figura 2, mostra como o algoritmo funciona. Conforme CAVALCANTI et al (2007), esse método trabalha bem quando os níveis de irradiação solar não variam rapidamente com o tempo. Entretanto, esse.

(4) método provoca oscilações de potência em torno do ponto de máxima potência em regime permanente diminuindo a eficiência do mesmo. Segundo COLLARES (2012), é necessário haver um compromisso entre a velocidade do MPPT com a oscilação em regime permanente, isto é, quanto maior o incremento mais rápido será o rastreamento, mas haverá uma maior amplitude de oscilação; e se o incremento for muito pequeno, o método pode não alcançar o ponto de máxima potência.. Figura 2 - Fluxograma do Perturba & Observa (Elaborado pelo autor) ii.. Perturba & Observa modificado (P&Om). Segundo COLLARES (2012), esse algoritmo visa corrigir o problema de ondulação do P&O convencional fazendo o passo do incremento ser variável, sendo um passo grande quando o sistema estiver longe do ponto de máxima potência e menor quando estiver perto desse ponto. O algoritmo é o mesmo da Figura 2, mas o passo de incremento agora não é um valor constante, ele varia de acordo com a variação da potência em função da tensão. COLLARES (2012) apresenta um modo de realizar o ajuste do passo de incremento através da equação (5). &=)×. | 2àó× | | 8àó× |. (5). Quando o sistema estiver perto do ponto de máxima potência, a variação da potência em relação a tensão será praticamente zero e o passo de incremento será um valor pequeno, evitando amplitudes elevadas de oscilação em regime permanente. iii.. Condutância Incremental. O algoritmo Condutância Incremental (CondInc), segundo ESRAM e CHAPMAN (2007), é baseado na inclinação da curva P-V do painel fotovoltaico, ou seja, a inclinação da reta tangente à curva é zero no ponto de máxima potência (no pico da curva), positiva à esquerda e negativa à direita do ponto de máxima potência. A taxa de variação da potência em relação à tensão pode ser definida pela equação (6). 8@+ + @2 @(+8) (6) = =++ ++8 @8 8 @8 @8.

(5) Segundo COLLARES (2012), o passo de incremento do ciclo de trabalho é dado no sentido de deslocar o ponto de operação para o pico da curva P-V. Além disso, esse método permite alcançar de fato o ponto de máxima potência sem erro de regime permanente. 3.3.. Conversor Boost. Com o objetivo de maximizar a potência entregue à uma carga qualquer, conecta-se um conversor cc/cc elevador do tipo Boost controlado pelos algoritmos de MPPT. A equação que descreve a transformação de tensão do conversor Boost é dada pela equação (7), onde 8àó× é a tensão do painel, 8×Ö tensão de saída do conversor e & o ciclo de trabalho (COLLARES, 2012). 8àâ× (7) 8×Ö = 1F& 4. RESULTADOS e DISCUSSÃO A fim de realizar a análise comparativa entre os algoritmos de MPPT, utilizouse no modelo do painel fotovoltaico os seguintes parâmetros, definidos por CASARO e MARTINZ (2008): Rs = 0,005Ÿ; Rp = 7Ÿ; 54 células em série (Ns); Voc = 32,9/Ns; Isc = 8,21A; . = 3,18x10-3; = 1,2. Sendo que Voc, Isc e . foram retirados do catálogo do módulo policristalino KC200GT da Kyocera. Além disso, a fim de simular um arranjo de painéis, utilizou-se 10 módulos em série (Ms) e 2 em paralelo (Mp) resultando em uma potência máxima de 4 kW. O ciclo de trabalho foi iniciado em 0,5; o passo de incremento do P&O e CondInc foram definidos como 2,5x10-5; G = 1x10-5, definido empiricamente; e a frequência de comutação foi definida como 50 kHz, para obtermos uma sintetização sem ondulações da resposta esperada. Quando aplicada uma variação abrupta de irradiação pode-se observar o comportamento da potência gerada pelo painel e da potência entregue à carga, como apresentado na Figura 3a. Analisando a resposta, observa-se que a resposta que apresenta um rápido ajuste é do Perturba & Observa modificado, uma vez que ele propicia uma potência de saída maior até atingir a potência máxima, enquanto o Perturba & Observa e o Condutância Incremental apresentam um comportamento quase igual. Visando obter uma resposta equivalente a variação de irradiação ao longo do dia, aplica-se uma variação senoidal, onde o pico da senoide representa a irradiação solar ao meio dia. Desse modo, pode-se observar as potência extraídas do painel conforme a Figura 3b. Observando a resposta, nota-se que os três algoritmos apresentam praticamente a mesma resposta, ou seja, todos alcançam a máxima potência ao mesmo tempo quando submetidos a uma variação de irradiação lenta. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conforme os estudos realizados, constata-se que a utilização de um modelo equivalente de um painel fotovoltaico torna possível a realização de uma vasta quantidade de testes, de modo a verificar seu comportamento sobre as mais variadas condições. Com a implementação dos algoritmos de MPPT pode-se verificar a contribuição de cada um perante variações rápida e lentas de irradiação solar. Foi possível notar que o Perturba & Observa modificado apresentou vantagem sobre os demais, pois ele responde mais rapidamente a variações bruscas de irradiação propiciando uma potência de saída maior até atingir o MPP. Entretanto, todos os.

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Figure

Figura 2 - Fluxograma do Perturba & Observa (Elaborado pelo autor)  ii.  Perturba & Observa modificado (P&Om)

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