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versão electrónica - Nova Impressora HP2430_2 Nova impressora

1. ccccccceeeeeseeeeeeeeeeeeeeeeees 63 3 3 2 4 Estado de Carga saia ieee eae 65 3 39 25 Process d Calda siena sratosiiunsenasosdasiiinaescaand niaasis 66 3 3 3 Modelos de Baterias assassinas SN Sand 67 3 4 Conversor O GOO sa si Ge a e O a O MO 70 3 4 1 Topologias de Conversores CC CC 71 3 4 2 Escolha da Topologia een 72 3 4 3 Conversor CC CC Step Down rea 73 3 4 3 1 Controlo do Step Down com PWM 76 3 4 3 2 Dimensionamento do Conversor Step Down 78 EKS Ooa VEe eE EE EE Se le eta et Vaal eee vee 82 x Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico indice CAPITULO 4 Simula es Computacionais scseseseseeseseseeeeerrererees 85 A A nii o 6 6 6 516 PER Rae RAR RED A RE Re Ra E 85 4 2 Modelo de Simula o do Sistema 86 Mis COMCIUSOCS A RO ROUANET ANE PN ANE RARE SRS PANE ET PAPA 97 CAP TULO 5 Implementa o e Resultados Experimentais 99 ERA BI id o 0 65216 AO REN SEA RIR RE UR RNA ERR O RR RD 99 5 2 Descri o Geral do Sistema Implementado ccceeeeeeeeteeeeeeeees 99 5 3 Unidade de Comando saias assinada sai nad a aden aR 101 5 3 1 MICFOCONTOlAGOR gRPODENESR RIR RDRNRE RR EEN RR 102 5 3 2 Interface PIC18F4431 com LCD Nokia 3310 104 5 3 3 Circuito Acoplador ptico aaa asenssisceao eee tao
2. 400m B00Wim 600Wim 1000Wim Corrente do M dulo A D 5 10 15 20 25 Tens o do M dulo v Figura 2 19 Curvas caracter sticas l V para v rias intensidades de radia o solar incidente e temperatura do m dulo igual a 25 C M dulo Fotovoltaico BP SX 30U a 200Wim 400 Wim 25 600i 2 20 4 800wim 1000W m 215 amp o 10 EL Tens o do M dulo N Figura 2 20 Curvas P V para v rias intensidades de radia o solar incidente e temperatura do m dulo a 25 C 2 5 2 2 Efeito Produzido pela Temperatura das C lulas A corrente gerada pelo m dulo fotovoltaico apresenta poucas varia es com a altera o da temperatura da c lula fotovoltaica ao contr rio do que acontece com o efeito produzido pela intensidade da radia o solar incidente Contudo a tens o de circuito aberto do m dulo fotovoltaico manifesta uma Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 37 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos diminui o do seu valor com o aumento da temperatura Al m de ocorrer um deslocamento do ponto de m xima pot ncia para valores mais baixos esse ponto tamb m significativamente deslocado para a esquerda A Figura 2 21 mostra um exemplo de curvas caracter sticas l V para v rias temperaturas do painel fotovoltaico a uma intensidade de radia o solar incidente constante de 1
3. Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico XV Lista de Figuras Figura 4 1 Vis o geral do sistema simulado no Simulink 86 Figura 4 2 Painel solar fotovoltaico BP SX30U implementado no Simulink 87 Figura 4 3 Curvas caracter sticas do painel fotovoltaico BP SX30U 1000 W m e 25 C a curva caracter stica l V b curva caracter stica P V 87 Figura 4 4 Corrente gerada pelo painel fotovoltaico com varia es da radia o SOIA titia lim feia add era dat RE sea ra teeth Saia o tied 88 Figura 4 5 Conversor step down implementado para a simula o no SIMU Aerea aaa an Eaa n ARE Aa NAN PRENDA PRONOME NO RNA PEA 88 Figura 4 6 Formas de onda da tens o de entrada e sa da do conversor step down com uma carga resistiva de 100Q ce eeeeeeeeesssseesssseeseeessseeeeees 89 Figura 4 7 Formas de onda da tens o e corrente no MOSFET drain source e corrente na bobina iL 50x2 222552255025000000 00250sa GsUGraas fara nea LE Ge assa ing s 89 Figura 4 8 Circuito MPPT composto por dois subistemas implementado para a simula o no Simule cca tala sao sas sai tana pi ESET 90 Figura 4 9 Subsistema MPPT SP RO puma otas noi pastar opel asa dadas inda 91 Figura 4 10 Tens o de sa da do painel fotovoltaico controlada pelo CIRCUIIG MPR T surra asia si aa E EE Ea a a a 91 Figura 4 11 Excerto da tens o de controlo MP
4. Vaki Vaik Valk AVa gt 0 Va k 1 AVa lt 0 Tens o do M dulo v Tens o do M dulo v c d i MPP j MPP Pa k Pa k 1 2722 22222 eo een Ano APa gt 0 APa lt 0 Pa k 1 me Pa k 4 r Va k Va k 1 Va k 1 Va k AVa lt 0 AVa gt 0 Figura 3 7 Evolu o da pot ncia do m dulo fotovoltaico e respectivo sentido da perturba o a AP P k P k 1 gt 0 e AV V k V k 1 gt 0 Neste caso o incremento da pot ncia de sa da APa definido como a pot ncia actual menos a pot ncia da amostra anterior positivo Igualmente positivo o incremento da tens o de sa da do m dulo fotovoltaico AVa A ac o de controlo a realizar neste caso diminuir o ciclo de trabalho de maneira a que a tens o de sa da do m dulo fotovoltaico aumente at alcan ar o MPP Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 53 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga b AP P k P k 1 lt 0 e AV Va k V k 1 lt 0 Neste caso o incremento da pot ncia AP e da tens o de sa da AV negativo A ac o de controlo a realizar igual do caso a ou seja diminuir o ciclo de trabalho para que aumenta a tens o de sa da do m dulo fotovoltaico at alcan ar o ponto de m xima pot ncia c AP P k P k 1 gt 0 e AV Va k V k 1 lt O Nes
5. Introdu o nos ltimos anos passam por investigar novas t cnicas produtivas para aumentar o brilho e diminuir a decad ncia dos LEDs sendo que estas inova es j permitem aos pain is luminosos manterem se em funcionamento durante v rios anos sem necessidade de substituir os LEDs Desta forma v rias aplica es que incorporavam l mpadas incandescentes s o agora de dom nio dos LEDs como s o exemplo disso os sinais de tr nsito pain is luminosos de cores plenas entre outros Os pontos fortes da tecnologia LED s o a alta visibilidade tanto de dia como de noite alta efici ncia pois maior percentagem de energia el ctrica convertida em luz reduzindo o consumo de energia a longa vida de opera o baixo peso e espessura grande gama de pot ncia e grande variedade do espectro de cores A Figura 1 6 ilustra a composi o do LED branco de alto brilho onde o emissor de luz se encontra colocado estrategicamente num reflector c bico composto por part culas de f sforo amarelo Luz F sforo acs Condutor Condutor Estrutura f Chumbo Chip Emissor Reflector nodo C todo Figura 1 6 Composi o do LED branco 10 Em muitos pa ses a baixa efici ncia energ tica decorrente do uso de l mpadas incandescentes na sinaliza o rodovi ria tem vindo a ser melhorada pela solu o que a tecnologia LED permite Esta tecnologia como alternativa s l mpadas incandescentes indi
6. Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 63 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga para a sua profundidade de descarga pode tornar o processo qu mico irrevers vel o que impossibilita o recarregamento da bateria Assim para evitar descargas demasiado profundas acima dos valores permitidos em sistemas fotovoltaicos que utilizem baterias de cido chumbo os controladores de carga devem conter uma protec o que desliga a bateria das cargas por baixa tens o LVD Load Voltage Disconnection 48 Esta caracter stica dos reguladores de carga accionada quando a tens o da bateria alcan a um valor Vipv que corresponde ao valor da tens o aceit vel de descarga pr determinado previamente O valor de tens o no qual a bateria volta a ser conectada carga LRV Load Reconnection Voltage designado de Virv e tamb m pr determinado antecipadamente Este valor corresponde a um estado de carga seguro para a bateria voltar a fornecer energia Os sistemas fotovoltaicos devem ser projectados para que os reguladores de carga raramente accionem o controlo LVD ou seja apenas ligar em casos extremos de longos per odos de radia o solar reduzida Perante estes factos carregar adequadamente as baterias de cido chumbo conforme as recomenda es dos fabricantes aumenta a durabilidade das mesmas O gr fico da Figura 3 14 adaptado do manual t cnico das ba
7. 51 52 53 Faculdade de Engenharia 2004 A Jossen J Garche and D U Sauer Operation conditions of batteries in PV applications Solar Energy vol 76 2004 pp 759 769 J Controls VARTA START STOP PLUS COM TECNOLOGIA AGM http www varta automotive com index php id 351 amp L 16 visitado em Maio 2010 N W Sun Deep Cycle Battery FAQ The Ultimate Fact amp FAQ File for Deep Cycle Batteries http www windsun com Batteries Battery_FAQ htm visitado em Maio 2010 R L Andersen Sistema de interliga o entre m dulos geradores de energia a partir de c lulas a combust vel do tipo pem e um banco de baterias Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Santa Catarina 2006 G G GTES and CEPEL CRESESB Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos PRC PRODEEM 2004 D T Unicoba Bateria Chumbo cida Selada Regulada por V lvula Manual T cnico UNIPOWER 2008 E L Garrido Concep o e certifica o de nova gera o de candeeiros de ilumina o p blica Disserta o de Mestrado Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2010 J Dunlop W Bower and S Hanington PERFORMANCE OF BATTERY CHARGE CONTROLLERS FIRST YEAR TEST REPORT System 1991 pp 640 645 T Hund Capacity Loss in PV Batteries and Recovery Procedures Contract pp 1 12 N A Reis O autom vel h brido como elemento fornecedor consumidor de electricidade Modela o de baterias Di
8. O software utilizado para o desenvolvimento dos programas a enviar para o PIC18F4431 atrav s do programador ICD2 foi o MPLAB IDE v8 33 A linguagem de programa o usada foi o C utilizando se o CCS C Compiler para compilar os programas 5 3 2 Interface PIC18F4431 com LCD Nokia 3310 De forma a elaborar uma monitoriza o do sistema principalmente para verificar a tens o e corrente provenientes do painel solar e a tens o e corrente na bateria utilizou se um LCD O modelo utilizado foi o LCD do telem vel Nokia 3310 Este um pequeno LCD com um ecr monocrom tico e uma interface gr fica agrad vel O visor de 38 35 mm com uma superf cie de exibi o de 30 22 mm e uma resolu o de 84 48 pix is O interface entre LCD e o PIC18F4431 feito via SPI Serial Peripheral Interface e necessita apenas de utilizar 5 portos 1 0 do microcontrolador O PCD8544 da Philips o controlador do LCD do Nokia 3310 ou seja o PIC18F4431 envia instru es para o controlador e este traduz e apresenta o resultado no LCD A Figura 5 8 ilustra a parte frontal e traseira do LCD e os 8 pinos constituintes do mesmo 104 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Figura 5 8 Parte frontal traseira e pinos do LCD Nokia 3310 A Tabela 5 1 apresenta as especifica es el ctricas de cada um dos pinos constituintes do LCD e
9. baseado no m todo dos 3 est gios ou seja a t cnica dos 3 ciclos de carga corrente constante tens o constante e tens o flutuante No Cap tulo 3 elaborou se tamb m um estudo comparativo das topologias de conversores CC CC que melhor se enquadram nesta disserta o Para isso foram consideradas as especificidades do painel fotovoltaico BP SX30U em 140 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 6 Conclus es e Trabalho Futuro conjunto com a faixa de opera o da tens o de uma bateria de 12V e optou se pela implementa o de um conversor CC CC step down Assim elaborou se uma apresenta o te rica desta topologia de conversores CC CC e de como controlar o valor do duty cycle a aplicar ao semicondutor do conversor de maneira a obter na sa da um valor pretendido O m todo de controlo PWM foi o utilizado para tal fim Foram ainda dimensionados os componentes que constituem o conversor step down para posterior simula o computacional e implementa o pr tica Este dimensionamento foi efectuado com base na condi o mais cr tica sofrida pelo conjunto painel solar bateria que acontece quando existe m xima radia o solar sobre o painel e a bateria est completamente descarregada Com base em tudo que foi exposto nos cap tulos anteriores no Cap tulo 4 foi elaborada a simula o computacional do sistema fotovoltaico utilizando o Simulink do MATLAB que ap
10. o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais A Figura 4 6 apresenta as formas de onda da tens o de entrada com a tens o de m xima pot ncia do painel fotovoltaico 16 8V e a tens o de sa da do conversor step down com uma carga resistiva de 1000 Tens o Entrada SF EEPE PINS RD DP CARD ONA PR RD JA RDI RD SD AR E INNER RNA PR o mo o amp OD SN A EENES AN NA A DO ER AIEA SRS PAN EA E A T EAEN S VEA SR A EA E AA E AAA ne ke Tens o Sa da Tens o Vv 0 01 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 3 1 Tempo s io Figura 4 6 Formas de onda da tens o de entrada e sa da do conversor step down com uma carga resistiva de 1000 A Figura 4 7 exibe as formas de onda da corrente e tens o no MOSFET drain source e a corrente na bobina iL que n o atinge zero o que significa que o conversor est a operar no modo de condu o cont nua Corrente MOSFET drain source 2 Tens o MOSFET drain source Tens o Vv ee i a re ae Sa Corrente A Tempo s x 10 Figura 4 7 Formas de onda da tensao e corrente no MOSFET drain source e corrente na bobina i1 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 89 Cap tulo 4 Simula es Computacionais Com a finalidade de simular o circuito de controlo MPPT foi desenvolvido o esquema da Figura 4
11. Como esta resist ncia n o considerada no modelo equivalente para a simula o n o s o mostrados resultados para o efeito criado pela mesma na curva caracter stica l V M dulo Fotovoltaico BP Sx 30U Curva caracter stica V Rs Im Rs 5mf2 Rs 10mf2 lt 1 5 Rs 20mQ f 2 d T O E 4 fe w 8 0 5 0 5 10 15 20 25 Tens o do M dulo Vv Figura 2 24 Efeito produzido pela resist ncia s rie Rs da c lula fotovoltaica nas curvas caracter sticas l V 2 6 Conclus es Neste cap tulo analisaram se as configura es t picas de sistemas fotovoltaicos podendo estes funcionar ligados ou independentes da rede el ctrica Estes sistemas foram denominados na literatura por sistemas fotovoltaicos ligados rede el ctrica h bridos e aut nomos Foram identificados os aspectos e os m dulos mais importantes e habitualmente mais utilizados relacionados com estes sistemas Ainda neste cap tulo apresentaram se os princ pios de funcionamento de uma c lula fotovoltaica e identificaram se os principais tipos de c lulas fotovoltaicas fabricadas essencialmente atrav s de cristais de sil cio O circuito 40 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 2 Pain is Fotovoltaicos el ctrico equivalente da c lula fotovoltaica e o seu modelo matem tico tamb m foram analisados tanto na vers o de modelo simplificado como na vers o de m
12. Rodovi ria com LEDs de Alto za o Sinali Pedro Migud Carvalho da Concei o UMinho 2011 Universidade do Minho Escola de Engenharia Pedro Miguel Carvalho da Concei o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de Alto Brilho Alimentada por Sistema Fotovoltaico Setembro de 2011 Ds A eis l Universidade do Minho Escola de Engenharia Pedro Miguel Carvalho da Concei o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de Alto Brilho Alimentada por Sistema Fotovoltaico Disserta o de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electr nica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orienta o do Professor Doutor Manuel J o o Sep lveda Mesquita de Freitas Setembro de 2011 Aos meus Pais Agradecimentos Para a concretiza o de um projecto em que colocamos tanto de n s imposs vel que n o precisemos de colocar um pouco dos outros Este o espa o em que fa o uma simples homenagem e agrade o a todos aqueles que me ajudaram nesta longa maratona Deixo o meu agradecimento ao professor Doutor Manuel Jo o Sep lveda Mesquita de Freitas meu orientador pela oportunidade que me concedeu para o desenvolvimento deste trabalho mas principalmente pela orienta o e pelos v rios conselhos e sugest es preciosas dadas durante a disserta o Um agradecimento especial ao professor Doutor Jos Manuel T V Cabral pela ced ncia tempor ria do laborat
13. o ponto de funcionamento ptimo ent o importante que o sistema fotovoltaico se mantenha nesta zona de funcionamento 2 5 Modelo do M dulo Fotovoltaico BP SX30U no MATLAB O m dulo fotovoltaico BP SX30U ilustrado na Figura 2 15 foi o painel fotovoltaico escolhido para o modelo de simula o Os modelos foram matematicamente modelados e implementados no MATLAB para o estudo das caracter sticas l V do m dulo fotovoltaico para as condi es ambientais que influenciam o funcionamento do mesmo concretamente a temperatura e a radia o solar incidente O m dulo composto por 36 c lulas de sil cio policristalino ligadas em s rie e fornece 30W de pot ncia m xima nominal 26 A Tabela 2 1 mostra as especifica es el ctricas do m dulo fotovoltaico BP SX 30U ilustrado na Figura 2 15 Figura 2 15 M dulo fotovoltaico BP SX30U Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 29 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Tabela 2 1 Caracter sticas el ctricas do m dulo fotovoltaico BP SX 30U 26 Caracter sticas el ctricas do m dulo fotovoltaico BP SX 30U Pot ncia maxima Pmax Tens o no ponto de maxima pot ncia Vmp Corrente no ponto de m xima pot ncia Imp Corrente de curto circuito Isc Tens o de circuito aberto Voc Coeficiente de temperatura de Isc Coeficiente de temperatura de Voc Coeficiente de temperatura da pot ncia NOCT A estrat gia pa
14. Figura 5 52 Tens o aos terminais da bateria 14 4V no 2 est gio do processo de Cara eeceeeeeeeeenneeeeeeeeeeeeeeeeeaaeeeeeeeeeeeeeeeeeaaeeeeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeees 134 Figura 5 53 Tens o proporcional corrente na bateria no 2 est gio do processo d Cala asia Rb L da hater Veh 134 Figura 5 54 Sequ ncia de mensagens amostradas no LCD durante o est gio de tens o constante para o carregamento da bateria 134 Figura 5 55 Circuito el ctrico da matriz de LEDS 135 Figura 5 56 Sinal rodovi rio sentido proibido equipado com a tecnologia LED implementado numa veroboard com os LEDs apagados 136 Figura 5 57 Sinal rodovi rio sentido proibido equipado com a tecnologia LED implementado numa veroboard com os LEDs acesos 136 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xix Lista de Tabelas Tabela 2 1 Caracter sticas el ctricas do m dulo fotovoltaico BP SX 30U Tabela 3 3 Reac es qu micas da bateria de cido chumbo durante o processo de descalda su pads ap ia Duas ia liaas 60 Tabela 3 4 Valores dos componentes dimensionados para o conversor STO DON Reet ee Ne ere ad RR a E pa area 82 Tabela 5 1 Especifica es el ctricas dos pinos do LCD Nokia 3310 105 Tabela 5 2 Valor dos componentes do Step Down utilizados nas simula es e implementa
15. Neste cap tulo abordaram se os componentes essenciais para efectuar o interface entre o painel fotovoltaico e o barramento CC composto por um conversor CC CC step down capaz de efectuar o rastreamento do MPP do painel solar fotovoltaico e de efectuar o controlo de carga e descarga de uma bateria de cido chumbo Inicialmente foi apresentada uma an lise detalhada das t cnicas usualmente mais utilizadas de controlo a aplicar a sistemas fotovoltaicos de maneira a extrair a m xima pot ncia proveniente dos m dulos fotovoltaicos Devido s caracter sticas de funcionamento dos m dulos fotovoltaicos o ponto onde a pot ncia m xima gerada n o constante variando com a temperatura e radia o solar incidentes no painel Assim para aumentar a efici ncia do sistema e aproveitar ao m ximo a energia gerada o ponto de funcionamento deve ser constantemente analisado Em 31 efectuou se um estudo e concluiu se que a inclus o de um sistema MPPT num sistema fotovoltaico aumenta a produ o de energia el ctrica entre 20 a 40 quando comparado com um sistema sem rastreamento do ponto de m xima pot ncia As t cnicas apresentadas neste cap tulo para rastrear o MPP foram Tens o Constante CV Corrente de Curto Circuito SC Condut ncia Incremental IncCond e Perturba o amp Observa o P amp O Foi feita a descri o de todos os m todos referidos apresentando se os algoritmos para explicar o seu princ pio de funcionamento d
16. Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 101 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais por diferentes circuitos respons vel pela aquisi o das tens es aos terminais do painel solar e da bateria assim como pela obten o das correntes na bateria e provenientes do painel fotovoltaico Por fim o circuito acoplador ptico o elo de liga o com o conversor step down e encarregue essencialmente pelo isolamento entre os dois circuitos O diagrama de blocos da Figura 5 4 mostra a constitui o da unidade de comando Unidade de Comando Circuito de Medida Circuito de Comando Sensor de Sensor de Corrente Bateria Tens o Bateria Conversor Step Down Circuito Microcontrolador Acoplador Optico H Sensor de Sensor de a Tens o Corrente MPPT MPPT Figura 5 4 Diagrama de blocos da unidade de comando 5 3 1 Microcontrolador O microcontrolador o componente principal de todo o sistema pois o elemento encarregue por toda a comunica o e controlo entre todos os perif ricos de entrada e sa da assim como o de armazenamento de dados O microcontrolador utilizado foi o PIC18F4431 cujo aspecto est representado na Figura 5 5 A escolha por este microcontrolador baseou se sobretudo nas necessidades intr nsecas do projecto Figura 5 5 Microcontrolador PIC18F4431 da Microchip 102 Sina
17. aumentar ou diminuir a tens o de sa da do painel fotovoltaico 90 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais 16 95 Perturba o TempMod Tens o Controlada Figura 4 9 Subsistema MPPT P amp O De forma a demonstrar o funcionamento do algoritmo Perturba o e Observa o considerou se como entrada para o painel solar fotovoltaico as condi es padr o de teste STC ou seja 1000W m de radia o solar incidente a uma temperatura de 25 C Utilizou se estas condi es porque conhece se atrav s do datasheet do fabricante do painel solar o valor da tens o no ponto de m xima pot ncia 16 8V A Figura 4 10 apresenta a tens o controlada para um tamanho de perturba o no valor de 0 1V Tens o Controlada Tens o 4 2 D co 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 Tempo s 4 x10 Figura 4 10 Tens o de sa da do painel fotovoltaico controlada pelo circuito MPPT Como esperado assim que o ponto de m xima pot ncia encontrado a tens o controlada estabiliza embora com oscila es em torno de 16 9V que Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 91 Cap tulo 4 Simula es Computacionais aproximadamente o valor de tens o de m xima pot ncia para as condi es STC Vmp 16 8V A tens o de m xima pot ncia nunca atingida p
18. dulo Fotovoltaico BP SX30U no MATLAB 29 2 5 1 Curva Caracter stica l V e Ponto de Maxima Pot ncia 34 2 5 2 Efeitos Meteorol gicos nas Caracter sticas El ctricas dos M dulos FOIOVONAICOS es sia sir artis eee ls atts cane a dn uau n ue dantas 36 2 5 2 1 Efeito Produzido pela Radia o Solar 36 2 5 2 2 Efeito Produzido pela Temperatura das C lulas 37 2 5 2 3 Efeito Produzido pelo Factor de Idealidade do Diodo 39 2 5 2 4 Efeito Produzido pelas Resist ncias Intr nsecas dos MOGUIOS FOLOVOAICOS caia a ia e C a dal 39 2O CONCUISGES casais chute ain a a LA 40 CAP TULO 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga 43 Sds INHOQU O sitio e a RR EC feat eta 43 3 2 Maximum Power Point Tracking seara 44 3 2 1 T cnicas de Rastreamento do MPP 46 3 2 1 1 Tens o Constante CV uniao oras Gas raas las 46 3 2 1 2 Corrente de Curto Circuito SC 48 3 2 1 3 Condut ncia Incremental IncCond 49 3 2 1 4 Perturba o e Observa o P amp O 52 Oyo DOCS uai E ea ae a ae een eat 55 Dedo pos de Baterias Araceae ah eben 57 3 3 2 Baterias de Acido Chumbo asusamasanA masa ini AMA aii da 58 3 3 2 1 Princ pios Electroqu micos e Reac es 59 3 3 2 2 GAP ACI A Cassis os adia add DS a a 61 3 3 2 3 Profundidade de DeScarga
19. is fotovoltaicos como se pode verificar perante o gr fico da Figura 3 9 b 39 Assim este acr scimo na percentagem dos custos deste componente do sistema fotovoltaico deve se ao facto das baterias terem uma vida til muito inferior aos demais componentes do mesmo E Regulador H Outros l Baterias El Pain is Fotovoltaicos E Regulador E Outros i Baterias El Pain is Fotovoltaicos a b Figura 3 9 Participa o percentual de cada componente de um sistema fotovoltaico aut nomo considerando a o investimento inicial b os custos anuais de cada componente de sistema 56 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Os sistemas fotovoltaicos aut nomos geralmente est o instalados em localidades isoladas ou de dif cil acesso por isso as baterias destinadas a esses sistemas devem apresentar um rendimento energ tico elevado e necessidades m nimas de manuten o 3 3 1 Tipos de Baterias De um modo geral as baterias dividem se em dois grandes grupos as baterias prim rias e as baterias secund rias As baterias prim rias s o dispositivos electroqu micos que uma vez esgotados os reagentes que produzem a energia el ctrica s o descartadas pois n o podem ser carregadas Estas produzem energia a partir de uma reac o electroqu mica normalmente irrevers vel o que as inutiliza De outra forma as bater
20. lculos para a situa o descrita 32 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos V IR I Isc Io e ne 1 2 15 dV Rs o ES 2 16 di 0 104 AET Reescrevendo a equa o 2 16 em ordem a Rs obt m se a equa o 2 17 nkT dl Fi 2 17 Rs 0 OTRS Io aal nkT Seguidamente analisar a equa o 2 17 na situa o de circuito aberto ou seja V Voc e l 0 Assim encontra se a equa o 2 18 nkT dV q 2 18 Rs q voc avos Io aar dv Z 7 ie Pe Onde a lvoc a inclina o da curva caracter stica l V no ponto Voc Voc a tens o de circuito aberto da c lula obtida atrav s da divis o do valor de Voc fornecido no datasheet do fabricante pelo n mero de c lulas que comp e o painel Finalmente poss vel determinar a equa o que caracteriza a curva I V do m dulo fotovoltaico Contudo pela inclus o da resist ncia s rie Rs no modelo torna se bastante complexa pois a solu o recursiva ou seja uma fun o que se pode invocar a si pr pria A solu o pode ser encontrada por itera es simples no entanto o m todo de Newton considerado por muitos autores um processo de converg ncia frequentemente r pido Em nota o matem tica o m todo de Newton descrito pela equa o 2 19 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada
21. ncia do sinal PWM gerado pelo microcontrolador ou seja 20kHz mostrada na Figura 5 30 Para efectuar a medi o do valor de tens o proporcional corrente foi utilizada uma resist ncia de pot ncia de valor 10 em s rie com a bobina Assim pela lei de Ohm U RI o valor de tens o amostrado numericamente igual ao valor real da corrente 1 l CH1 100m Freg 14 92kHz Figura 5 30 Tens o proporcional corrente na bobina l1 A Figura 5 31 apresenta tens o drain source Vos do MOSFET enquanto a Figura 5 32 mostra a tens o aos terminais do diodo Vp evidente a altern ncia de condu o dos dois dispositivos IAE fies 3 sa L 1 CH1 Pk Pk 13 4 Mean 3 327 Period 50 20 us Freg 13 32kHz Figura 5 31 Tens o drain source do MOSFET Vps 120 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais J 5 J m J gl E Ee Eis CH1 Pk Fk 18 0 Mean 15 0 Period 50 1905 Freg 19 92kHz Figura 5 32 Tens o no diodo Vp 5 5 Circuito MPPT A curva caracter stica l V dos pain is solares fotovoltaicos representada na Figura 5 33 apresenta um ponto onde o produto da tens o pela corrente m ximo A t cnica de controlo MPPT Perturba o amp Observa o aplicada ao conversor step down procura constantemente este ponto MPP Isc MPP Vmp Imp Corrente do M dulo
22. o pr tica 118 Tabela 5 3 Par metros para uma bateria de 12V e 7 2 Ah 126 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xxi Sigla ADC AM CA CC CV DDP DOD IncCond HBLED LCD LED LRV LVD MOSFET MPP MPPT NOCT P amp O PI PIC PID PWM SC SOC STC SPI Lista de Abreviaturas Descri o Analog to Digital Converter Air mass Corrente Alternada Corrente Cont nua T cnica MPPT Constant Voltage Diferen a de Potencial Depth of Discharge T cnica MPPT Incremental Conductance High Brightness Light Emitting Diode Liquid Crystal Display Light Emitting Diode Load Reconnection Voltage Load Voltage Disconnection Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Maximum Power Point Maximum Power Point Tracking Normal Operating Cell Temperature T cnica MPPT Perturbation and Observation Proporcional Integral Programmable Integrated Circuit Proporcional Integral Derivativo Pulse Width Modulation T cnica MPPT Corrente de curto circuito State of Charge Standard Test Conditions Serial Peripheral Interface Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xxiii Simbolo Isn Lista de Simbolos Descri o Coeficiente de temperatura de Isc Carga de um electr o Constante de Boltzmann Duty cycle Ganho proporcional Ganho integral Ganho derivativo Radia o solar
23. stica V M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva caracter stica l Corrente do M dulo A 0 5 10 15 20 25 Tens o do M dulo Vv Figura 2 23 Efeito produzido pelo factor de idealidade do d dodo nas curvas caracter sticas l V 2 5 2 4 Efeito Produzido pelas Resist ncias Intrinsecas dos M dulos Fotovoltaicos A resist ncia s rie Rs dos m dulos fotovoltaicos tem influ ncia na curva caracter stica l V nomeadamente depois do ponto de m xima pot ncia ou seja quando o m dulo se passa a comportar como fonte de tens o Assim esta resist ncia tem uma interven o na inclina o da curva l V perto da tens o de circuito aberto Voc O valor da resist ncia Rs prov m da derivada da equa o 2 10 em fun o da corrente gerada que resulta na equa o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 39 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos 2 18 O c lculo da resist ncia s rie do m dulo fotovoltaico BP SX30U na simula o em MATLAB resultou num valor de 3 9mQ por c lula O aumento de Rs provoca o deslocamento do ponto de m xima pot ncia para valores inferiores como se pode verificar na Figura 2 24 Esta figura mostra o efeito produzido pela resist ncia s rie da c lula fotovoltaica na curva caracter stica l V A resist ncia em paralelo Rp ajusta a inclina o da curva antes do ponto de m xima pot ncia quando o painel se comporta como fonte de corrente
24. 17 22 P J Bonifacio Seguidor Fotovoltaico uma varia o do P amp O Simula o e prototipagem Disserta o de Mestrado Universidade Nova de Lisboa 2010 C Liu B Wu and R Cheung ADVANCED ALGORITHM FOR MPPT CONTROL OF PHOTOVOLTAIC SYSTEMS Buildings C M Department Of Electrical amp Computer Engineering Ryerson University Toronto Ontario Montreal August 20 24 2004 J Imhoff DESENVOLVIMENTO DE CONVERSORES EST TICOS PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTONOMOS Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Santa Catarina 2007 J l Seguel Projeto de um sistema fotovoltaico aut nomo de suprimento de energia usando t cnica MPPT e controle digital Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia 2009 B Mammano Portable Power A Designer s Guide to Battery Management Energy 2001 L H Vera and A Krenzinger Comportamento de baterias automotivas seladas sob diferentes condi es de opera o Avances en Energias Renovables y Medio Ambiente vol 11 2007 pp 33 40 R H Rosemback Conversor CC CC Bidirecional Buck Boost Atuando como Controlador de Carga de Baterias em um Sistema Fotovoltaico Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Juiz de Fora Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 147 Refer ncias 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
25. 2 1 pela equa o 2 2 obt m se a equa o 2 3 que fornece a rela o corrente tens o da c lula fotovoltaica I Isc lo e4 T 1 2 3 Onde I a corrente de sa da da c lula fotovoltaica e V a tens o aos terminais da c lula A corrente de satura o inversa do d odo lo constante sob temperatura constante e calcula se definindo a condi o de circuito aberto como ilustra a Figura 2 11 b Utilizando a equa o 2 3 com l 0 determina se a equa o que permite calcular lo 0 Isc Io eIVo kT 1 2 4 Isc Io e9 kT 1 2 5 24 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 2 Pain is Fotovoltaicos Isc lo ea Voc kT _ 1 2 6 Esta uma aproxima o muito boa da corrente gerada nas condi es de circuito aberto que igual a Isc e directamente proporcional radia o solar incidente Como o valor de lse conhecido nos datasheets dos fabricantes das c lulas ou m dulos fotovoltaicos sob condi es nominais de teste normalizadas para a realiza o das medidas dos par metros caracter sticos da c lula designadas condi es de refer ncia que s o temperatura de 25 C e radia o solar incidente com valor de Go 1000W m Deste modo a corrente gerada com outra radia o dada pela equa o 2 7 G Isc g gt Isc Ico 2 7 A Figura 2 12 apresenta a rela o da corrente e tens
26. 5 46 apresenta a coloca o da corrente que carrega a bateria no valor de refer ncia 0 72A com a utiliza o de um re stato na sa da do step down enquanto a Figura 5 47 mostra a mesma coloca o da corrente lFLoar mas com a utiliza o da bateria na sa da do conversor Analisando ambas as figuras 130 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais verifica se que a corrente alcan a e estabiliza mais rapidamente quando se encontra ligado sa da do conversor a bateria existindo tamb m uma maior oscila o Figura 5 45 Mensagem de in cio do controlo PID para o 1 est gio Corrente Constante do processo de carregamento da bateria aria CH1 200m Div CH1 200m Div M 2 505 M 2 505 Figura 5 46 Coloca o da corrente Is no valor de refer ncia 0 72A com a utiliza o de um re stato na sa da do conversor step down 1 14 CH1 200m Div CH1 200m Div M 2 50s M 2 50s Figura 5 47 Tens o proporcional corrente que carrega a bateria ls 0 72A Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 131 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais A corrente depois de estabilizar no valor definido para o carregamento 0 72A mant m se constante at a tens o aos terminais da bateria Figura 5 48 atingir o valor de 1
27. A A L ai U Tens o do M dulo V Voc Figura 5 33 Curva caracter stica l V de um painel solar Contudo em virtude de utilizar uma fonte de tens o constante para emular o painel fotovoltaico a curva caracter stica l V n o exibe as caracter sticas t picas mostradas na Figura 5 33 Para solucionar este problema e verificar o funcionamento do controlo MPPT foi necess rio incluir uma resist ncia em s rie com a fonte de tens o Esta resist ncia apresenta um Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 121 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais valor da mesma ordem de grandeza da carga do conversor step down de forma a limitar a pot ncia fornecida pela fonte para que a curva l V do conjunto fonte e resist ncia se aproxime da curva I V de um painel fotovoltaico permitindo assim testar o controlo MPPT implementado no PIC18F4431 e aplicado ao conversor Assim a curva l V do conjunto fonte e resist ncia apresenta uma caracter stica semelhante da Figura 5 34 Isc MPP Vmp Imp Corrente do M dulo A L 0 Tens o do M dulo V Voc Figura 5 34 Curva V do conjunto fonte de tens o e resist ncia Para se verificar o funcionamento do circuito MPPT colocou se o controlo a actuar em malha fechada at que o valor do duty cycle do sinal PWM a aplicar ao MOSFET do conversor estabilize em regime permanente em torno do
28. Catalu a 2002 DGS Energia Fotovoltaica manual sobre tecnologias projecto e instala o 2004 SOLVOLT nao brilha sobre n s mas dentro de n s Efeito fotovoltaico da jun o P N http www solvolt com main asp cont formQualidade visitado em Abril 2010 R M Castro Energias Renov veis e Produ o Descentralizada INTRODU O A ENERGIA FOTOVOLTAICA DEEC Area Cientifica de Energia Universidade T cnica de Lisboa 2008 R M S Circuito de Interface para Liga o de Painel Fotovoltaico a Cargas Disserta o de Mestrado Universidade do Minho Departamento de Electr nica Industrial 2008 A Oi DESIGN AND SIMULATION OF PHOTOVOLTAIC WATER PUMPING SYSTEM San Luis Obispo Thesis California Polytechnic State University 2005 W D Soto Improvement and Validation ofa Model for Photovoltaic Array Performance Madison Thesis University of Wisconsin Solar Energy Laboratory 2004 K Chao S Ho and M Wang Modeling and fault diagnosis of a photovoltaic system Electric Power Systems Research vol 78 2008 pp 97 105 R J Ferreira Carro a Energia Solar Disserta o de Mestrado Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2008 M A Green Solar Cells Operating Principles Technology and System Applications University of New South Wales 1986 F Zhang J Bijleveld E Perzon K Tvingstedt S Barrau and O Ingana High photovoltage achieved in low band gap polymer
29. D e De A equa o 2 9 resulta da igualdade dessa simplifica o Ce V I Rs I Ise Io e nkT 1 Rp 2 9 Onde n o factor de idealidade do d odo e tem um valor compreendido entre 1 e 2 d odo ideal n 1 d odo real n gt 1 24 2 4 M dulos Fotovoltaicos Uma c lula fotovoltaica isoladamente tem capacidade reduzida de produ o de energia el ctrica tipicamente entre 1W e 2W correspondente a uma tens o de sa da inferior a 1V cerca de 0 6V para as c lulas de sil cio cristalino Si 25 Assim para se conseguir os n veis de tens o e corrente desejados necess rio fazer associa es de v rias c lulas atrav s de liga es s rie e paralelo formando deste modo os m dulos fotovoltaicos A maior parte dos m dulos fotovoltaicos dispon veis comercialmente s o compostos por 36 ou 72 c lulas de sil cio cristalino ligadas em s rie Um m dulo com 36 c lulas fornece uma tens o adequada para carregar uma bateria com tens o nominal de 12V e um m dulo de 72 c lulas apropriado para uma bateria de 24V As especifica es dos principais par metros dos m dulos fotovoltaicos s o fornecidas pelos fabricantes considerando para isso condi es refer ncia com as quais se devem realizar os testes dos pain is STC Standard Test Conditions que s o 1000W m de radia o solar incidente com um efeito de absor o pelo ar de 1 5 AM 1 5 e temperatura das c lulas de 25 C Estes par
30. Fotovoltaica em Portugal Bio nino ai ERR PR AE E RODIN PRO IPT PNR RR O PI RPPS PN PRP PR 5 Figura 1 5 Exemplos de sinaliza o rodovi ria alimentados por sistemas solares TOLOVO BICOS inc ii a a e e deka i edesn ened dedein nena 7 Figura 1 6 Composi o do LED branco 10 8 Figura 2 1 Liga o de c lulas fotovoltaicas a s rie b paralelo 13 Figura 2 2 Sistemas fotovoltaicos AULONOMOS ccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 14 Figura 2 3 Sistema fotovoltaico h brido rs 15 Figura 2 4 Constitui o de um sistema fotovoltaico ligado rede el ctrica 16 Figura 2 5 Constitui o de um sistema fotovoltaico h brido 17 Figura 2 6 Constitui o de um sistema fotovoltaico aut nomo 18 Figura 2 7 Efeito fotovoltaico na jun o P N Convers o da radia o solar em electricidade 17 seara 19 Figura 2 8 Constitui o interna de uma c lula fotovoltaica 20 Figura 2 9 Tipos de c lulas fotovoltaicas a C lula de sil cio monocristalino b C lula de sil cio policristalino c C lula de sil cio amorfo 22 Figura 2 10 Modelo simplificado do circuito equivalente de uma c lula fotovoltaica catkins A NR AR A A RR piperi ipii 23 Figura 2 11 Modelos ilustrando os dois principais par metros que caracterizam as c lulas fotovoltaicas a Isc corrente curto circui
31. LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Unindo ao sil cio cristalino tomos de boro e de f sforo obt m se uma jun o P N Figura 2 7 que gera um campo el ctrico isto uma ddp entre as duas zonas da c lula Na jun o P N o que ocorre que os electr es livres no semicondutor do tipo N passam para o lado do P onde se combinam com as lacunas desse semicondutor fazendo com que haja um excesso de electr es na zona tipo P tornando a negativamente carregada e uma redu o de electr es na zona tipo N levando a que fique electricamente positiva Este desequil brio de cargas que acontece na fronteira da jun o P N d origem a um campo el ctrico que dificulta a passagem de electr es da zona tipo N para a do tipo P e assim uma situa o de equil brio atingida Terminal Negativo Terminal Negativo Terminal Positivo Terminal Negativo Terminal Positivo Figura 2 7 Efeito fotovoltaico na jun o P N Convers o da radia o solar em electricidade 17 Nos materiais semicondutores temperatura de zero Kelvin todos os electr es se encontram na banda de val ncia Assim o semicondutor tem caracter sticas de isolante ou seja n o conduz electricidade Com o aumento da temperatura os electr es absorvem energia o que provoca que os mesmos passem da banda de val ncia para a banda de condu o A energia necess ria para que o elec
32. LVDIN gt 7 ps RB1 PWM1 REO AN6 O 8 RBO PWMO REV AN7 O 9 3 voo RE2 ANS lt gt Aa Vss AVDD gt RD7 PWM7 AVss O gt RD6 PWM6 OSCICLKIRAT a RD5S PWMA4tS OSC2 CLKO RA6 RD4 FLTA RCO T1OSO T1CKI gt gt RC7 RXIDT SDO RC1 T1OSI CCP2 FLIA RC6ITXICKISS RC2 CCP1 FLTB lt gt RCS INT2 SCK scL RC3TOCKIMTSCKIMINTO gt RC4 INT1 SDIMyspA RDO TOCKIT5CKI RD3 SCKISCL RD1 SDO gt RD2 SDI SDA Figura 5 6 Diagrama de pinos do microcontrolador PIC18F 4431 60 O PIC18F4431 pode ser programado numa linguagem de baixo n vel como o Assembly com recurso a compiladores assembler ou utilizando se compiladores de linguagem de alto n vel C Pascal Basic que geram um c digo em formato hexadecimal que usado para ser gravado na memoria de programa do PIC Para efectuar a programa o do microcontrolador essencial um circuito capaz de fazer o interface entre este e o computador Para tal utilizou se o programador ICD2 produzido pela Microchip Figura 5 7 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 103 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais MICROCHIP MPLAB ICD 2 Q Figura 5 7 Programador ICD2 da Microship para interface do PIC com o computador
33. MPP Devido ao valor da perturba o que traduz num aumento ou diminui o de 1 do valor do duty cycle o ponto de m xima pot ncia n o atingido oscilando o sistema em torno deste com o duty cycle a variar entre 53 e 55 como apresenta a Figura 5 35 CH1 Pk Pk 15 6 Mean rriv Period 50 20 us Freg 13 32kHz Figura 5 35 Sinal PWM de duty cycle de 53 no ponto de m xima pot ncia 122 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Nas condi es referidas ou seja com o sistema de controlo MPPT a funcionar em malha fechada com um duty cycle a variar entre 53 e 55 o conversor step down apresenta entrada um valor de 11 7V como ilustra a Figura 5 36 a e uma corrente de 113mA como mostra a Figura 5 36 b tens o proporcional Perante estes valores de tens o e corrente o step down tem na sua entrada uma pot ncia de 1 32W proveniente do conjunto fonte de tens o e resist ncia que emula o painel fotovoltaico MATH Off MATH Off Freq Freq ate a A Nanette mati a CHI CHI RMS RMS 11 7 113m a CH2 Off 9 CH2 Off RMS RMS MATH Off MATH Off None None CHI CHI None None a b Figura 5 36 Valores entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 53 a tens o b tens o proporcional corrente Seguidamente para averiguar se realmente o sistema est a rastrear o
34. P N Contacto de base lt Sil cio tipo P Figura 2 8 Constitui o interna de uma c lula fotovoltaica 2 3 1 Tipos de C lulas Fotovoltaicas Como referido anteriormente as c lulas fotovoltaicas s o fabricadas na sua grande maioria utilizando o sil cio Si Estas podem ser constitu das de cristais monocristalinos policristalinos ou de sil cio amorfo gt Sil cio Monocristalino c Si O sil cio monocristalino historicamente o material mais utilizado na composi o das c lulas fotovoltaicas sendo as mais comercializadas atingindo cerca de 60 do mercado A uniformidade da estrutura molecular resultante da utiliza o de um nico cristal ideal para potenciar o efeito fotovoltaico De todas as c lulas fotovoltaicas que utilizam o sil cio como 20 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos material base as monocristalinas sao em geral aS que apresentam as maiores efici ncias O rendimento maximo atingido por este tipo de c lulas em laborat rio ronda os 24 com uma redu o para os 15 na utiliza o pr tica 18 O fabrico da c lula de sil cio come a com a extrac o do cristal de di xido de sil cio Este material desoxidado em grandes fornos purificado e solidificado O grau de pureza da desoxida o atinge valores de 98 e 99 o que do ponto de vista energ tico razoavelmente produtivo O
35. Radia o solar nas condi es de refer ncia Tempo integral Tempo derivativo Temperatura Temperatura da c lula nas condi es refer ncia Temperatura refer ncia da c lula fotovoltaica Factor de idealidade do d odo Corrente el ctrica Corrente proveniente do m dulo fotovoltaico Corrente atrav s da bobine Corrente de curto circuito Corrente no ponto de m xima pot ncia Corrente de satura o inversa do d odo Corrente atrav s do d odo Corrente de curto circuito a uma dada radia o solar Corrente de satura o inversa a uma dada temperatura Corrente nominal no prim rio do sensor de tens o e corrente Corrente nominal no secund rio do sensor de tens o e corrente Unidade C ou K C J K W m W m C ou K C ou K C ou K A A A A A A A A A A A Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga IBaT Corrente da bateria A IrriC Corrente m nima da bateria A IBLK Corrente m xima da bateria A N N de enrolamentos no prim rio do sensor de corrente V Tens o V Va Tens o proveniente do m dulo fotovoltaico V Vi Tens o de entrada do conversor CC CC V Vc Tens o de controlo V Vo Tens o de sa da do conversor CC CC V Voc Tens o de circuito aberto do painel fotovo
36. Sistema fotovoltaico com um circuito MPPT sa da do painel 3 2 1 T cnicas de Rastreamento do MPP At agora muitas pesquisas foram realizadas e v rias t cnicas MPPT foram desenvolvidas e implementadas As t cnicas variam em complexidade velocidade de converg ncia custo sensores necess rios escala de efic cia implementa o em hardware popularidade entre outros aspectos Em 31 32 e 33 foram elaborados estudos comparativos entre as principais t cnicas e os autores coincidem em dizer que os algoritmos MPPT mais utilizados s o tens o constante CV corrente de curto circuito SC perturba o e observa o P amp O e condut ncia incremental IncCond 3 2 1 1 Tens o Constante CV O algoritmo que implementa a t cnica de Tens o Constante um dos mais simples para o controlo do MPPT Esta t cnica considera que a tens o de m xima pot ncia Vmp tem uma rela o linear com a tens o de circuito aberto Voc e despreza altera es que possam ocorrer nos valores da radia o solar e da temperatura da c lula 31 Vmp K Voc 3 1 46 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Onde K designado por factor de tens o e depende das caracter sticas dos pain is fotovoltaicos Este valor sempre inferior a 1 33 contudo dificil determina lo e geralmente calculado por meio
37. a corrente iL t que percorre a bobina admite se dois modos de opera o dos conversores CC CC modo de condu o cont nua onde a corrente iL t sempre maior que zero durante um per odo de funcionamento e o modo de condu o descont nua onde a corrente iL t zero durante alguns momentos no per odo de funcionamento Os conversores est ticos CC CC num sistema fotovoltaico fazem a liga o dos pain is solares ao barramento CC onde ser o ligadas as cargas de corrente cont nua Nos sistemas fotovoltaicos aut nomos essas cargas s o normalmente armazenadoras de energia mais concretamente bancos de baterias Estes conversores num sistema fotovoltaico podem exercer dupla fun o uma adequar o n vel de tens o gerado nos terminais do painel fotovoltaico no n vel de tens o desejado no barramento CC possibilitando dessa forma definir a tens o dos equipamentos que ser o ligados ao barramento CC A outra fun o a de seguidor do ponto de m xima pot ncia do painel designado pela sigla MPPT como visto anteriormente 3 4 2 Escolha da Topologia O sistema fotovoltaico dimensionado realiza o tr nsito da energia gerada num nico sentido do painel fotovoltaico para a bateria e com base nas caracter sticas do arranjo fotovoltaico escolhido e da faixa de opera o da tens o na bateria as topologias de conversores CC CC mais apropriadas para este sistema s o o conversor step down e o conversor buck boost que possibilita
38. baixar e aumentar a tens o de sa da relativamente entrada visto que a tens o de m xima pot ncia do arranjo fotovoltaico maior que a tens o de opera o do sistema para variadas radia es solares incidentes poss veis como mostra a Figura 3 20 Nesta figura a faixa amarela indica a regi o de funcionamento normal da bateria 72 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva caracter stica l V 200Wim MPP 400Wim de MPP 600Wim MPP B00Wim MPP 1000Wim MPP Corrente do M dulo A 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Tens o do M dulo fv Figura 3 20 Curva caracter stica l V do painel fotovoltaico a diferentes radia es solares incidentes a temperatura constante de 50 C e faixa da regi o de funcionamento normal da bateria de cido chumbo de 12V nominal Atendendo s caracter sticas do conversor step down e do buck boost e sob o ponto de vista da facilidade de implementa o o step down seria o mais aconselh vel visto que o conversor buck boost inverte a tens o de sa da e assim leva a um esquema de liga es mais complexo de analisar e de implementar 55 Desta forma a escolha por um conversor CC CC da topologia step down revela se para o caso em estudo o mais apropri
39. base na tens o m xima Vmax que se pretende medir e que a corrente nominal no prim rio do sensor lpn n o ultrapasse o valor de 10mA V R Z 5 1 Ipy 112 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Como o PIC18F4431 tem como limite nas suas entradas valores de tens o entre O e 5V o valor m ximo de tens o admitido no terminal M do secund rio do sensor 5V A resist ncia de medida Rm deve ser dimensionada com base neste fundamento ou seja com um valor m ximo de tens o aos seus terminais de 5V e uma corrente nominal que n o ultrapasse os 25mA Assim a equa o 5 2 permite calcular a resist ncia Rm y Rm ae Isy 5 2 Desta forma poss vel dimensionar ambas as resist ncias R e Rm para medir a tens o aos terminais de ambos os componentes utilizados o painel fotovoltaico e a bateria Para o painel fotovoltaico a tens o m xima que pode ser medida a tens o de circuito aberto Voc de valor 21V Assim as equa es 5 3 e 5 4 determinam os valores das resist ncias 21V R 2 1K0 5 3 10mA SV 2000 5 4 Ru 25ma 7 p O valor de Rw igual para o painel solar e para a bateria pois neste caso o que prevalece a tens o m xima que o microcontrolador admite Contudo para a resist ncia R definiu se uma tens o m xima a ser medida de 15V Logo a
40. carbono e melhorar a efici ncia energ tica em 20 at 2020 Portugal para ajudar a cumprir essa meta aumentou a electricidade produzida a partir de fontes renov veis dos 43 em 2008 para 45 em 2010 e estima se os 59 em 2020 o que significa um crescimento significativo ao longo dos v rios anos Embora ainda n o apresente grande impacto no sistema el ctrico nacional a energia solar fotovoltaica pode ter grande colabora o nesse crescimento tendo produzido 41 4GWh em 2008 159 9GWh em 2009 e 213 3GWh em 2010 5 o que representa uma evolu o bastante significativa com tend ncia para continuar nos anos seguintes como se pode verificar pelo gr fico da Figura 1 4 4 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 1 Introdu o 250 200 150 100 50 1 1 51 8 2 126 2 72 9 2 93 8 3 44 1 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 E Pot ncia total instalada MW Energia el ctrica produzida GWh Figura 1 4 Evolu o hist rica da Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Continental Em Portugal usualmente grande parte dos sistemas solares fotovoltaicos s o utilizados em sinaliza o rodovi ria em centros florestais ou em parqu metros ou seja ao n vel da produ o descentralizada Corria o ano de 2007 quando o governo portugu s simplificou o processo de microgera o por parte de particulares podendo qualquer consumidor de energia
41. circuito acoplador que actua como interface entre o circuito de comando e o circuito de pot ncia constitu do essencialmente por um acoplador ptico da Hewlett Packard com a refer ncia HCPL 3120 cujo diagrama funcional est representado na Figura 5 11 Estes acopladores pticos caracterizam se tamb m pela sua rapidez tendo em conta a frequ ncia de comuta o de 20kHz aplicada ao MOSFET Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 107 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais 1 Figura 5 11 Diagrama funcional do acoplador ptico da Hewlett Packard HCPL 3120 Para assegurar o isolamento galv nico completo entre o circuito de comando e o circuito de pot ncia necess rio o uso de fontes de alimenta o distintas nos dois circuitos para desta forma as massas de ambos tamb m serem diferentes Assim do lado do circuito de pot ncia o acoplador ptico alimentado por uma fonte CC CC NME1215SC que para al m de garantir que os circuitos tenham massas diferentes tamb m assegura os n veis de tens o adequados do sinal de controlo PWM gerado no PIC18F4431 para a comuta o perfeita do MOSFET do conversor Step Down A Figura 5 12 ilustra o esquema do circuito acoplador ptico implementado e a Figura 5 13 o esquema implementado numa breadboard i o Conversor Cueca p s Step Down PWM 20KHz Figura 5 12 Esquema do circuito acoplador implementa
42. como influenciam no interface com o PIC18F4431 Tabela 5 1 Especifica es el ctricas dos pinos do LCD Nokia 3310 mom oo oo 1 VDD Alimenta o de entrada Faixa de tens o recomendada entre VDD e GND 2 7V a 3 3V SCLK Serial Clock Entrada para o sinal de clock 0 0 a 4 0Mbits s 3 SDIN Serial Data Input Entrada do pacote de dados Data Command Para seleccionar o comando endere o ou entrada de dados Chip enable Permite gerir dados atrav s do clock interno do PIC CE 7 VOUT Tens o de sa da E Necess rio adicionar externamente um condensador electrol tico de 10uF entre VOUT e GND External Reset Este sinal permite reiniciar o dispositivo Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 105 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Como se verifica na Tabela 5 1 pela descri o dos pinos para se elaborar o interface do LCD com o PIC18F4431 s o necess rios componentes extra no caso dois condensadores electrol ticos de 10uF O esquema el ctrico de interface entre o PIC e o LCD est representado na Figura 5 9 Esta figura engloba tamb m todo o esquema el ctrico utilizado para a Unidade de Comando MCLR PGD PGC 5V LCD Nokia 3310 L E Lt 1 dm Sd ds OS ms Tens o Painel ed 2 Corrente Painel oa 3 Tens o Bateria Corrente Bateriag A 5 15pF TebbasTIId Figura 5 9 Esquema el ctrico da placa do
43. como se pode verificar pela Figura 4 17 Para al m destas caracter sticas foi definido um estado de carga SOC inicial de 50 94 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais E Block Parameters Bateria 12V Battery mask link Implements 4 generic battery that model most popular battery types User Defined Battery type allow you to modify detailed parameters to represent any particular discharge characteristics Parameters Battery type Lead Acid Nominal Voltage 4 12 Rated Capacity Ah ee Initial State Of Charge 50 18 Figura 4 17 Bloco de par metros do modelo gen rico da bateria A Figura 4 18 representa o circuito equivalente do modelo gen rico do Simulink para uma bateria de cido chumbo durante o carregamento O modelo mais simples de uma bateria baseado em componentes el ctricos visto no Cap tulo 3 Figura 3 18 a o utilizado pelo Simulink para a simula o composto por uma resist ncia que representa a resist ncia interna da bateria em s rie com uma fonte de tens o controlada Filtro Passa Baixo i t O DESCARGA Resist ncia Je i Interna it 1 CARGA Exp s _ A o Sel s 1 B i t s 1 Exp Yy y Y Voat Q _ Exp s 1 Fonte de tens o Laplace Lone jes controlada Figura 4 18 Circuito equivalente do modelo gen r
44. componente de sistema sssseeeeeeeseseeeseeseseseseseeeseeeees 56 Figura 3 10 Corte transverssal de uma bateria de cido Chumbo e xiv Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Lista de Figuras respectiva estrutura Ae ek cate recat et eet nee ett beh eh tN ek eh 58 Figura 3 11 Diagrama simplificado de uma bateria de acido chumbo a processo de descarga b processo de carga e 61 Figura 3 12 Caracter sticas das curvas de descarga para bateria de cido chumbo a diferentes valores de corrente de descarga a uma temperatura constante de 2520 bife Sida Pete ga A 62 Figura 3 13 Efeito da temperatura ambiente em rela o capacidade da bateria cido chumbo para diferentes valores de corrente de descarga 63 Figura 3 14 Capacidade das baterias de cido chumbo em fun o do n mero de ciclos de funcionamento para diferentes percentagens de profundidade de descarga srie aa iesas il E E a aait 64 Figura 3 15 Estado de carga e tens o de circuito aberto de uma bateria 65 Figura 3 16 Curvas de corrente e tens o por c lula nos 3 est gios do processo de carga de baterias de cido CHUMDO ccsssssceeeeeeeeeeeeeeeeees 67 Figura 3 17 Modelo de bateria e respectivo bloco de par metros utilizados para a simula o do sistema de armazenamento do sistema fotovoltaico 68 Figura 3 18 Circuitos el ct
45. cycle apresentado nos ensaios em malha fechada Ambos os ensaios mostraram valores de pot ncia inferiores ao ensaio com controlo em malha fechada o que valida o funcionamento do circuito MPPT De forma a evitar sobrecargas ou descargas excessivas da bateria para preservar a integridade da mesma desenvolveu se um controlador de carga baseado no m todo dos 3 ciclos de carga ciclo de corrente constante ciclo de tens o constante e ciclo de carregamento flutuante Em cada ciclo deste processo de carga existem grandezas que devem ser minuciosamente Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 137 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais controladas para que a bateria funcione em condi es apropriadas e especificadas pelos fabricantes Assim para efectuar o controlo das grandezas em cada ciclo de carga foi desenvolvido um controlador PID digital que se apresentou competente no processo de carga e descarga da bateria permitindo desta forma aumentar o tempo de vida til da bateria Em rela o ao controlo de luminosidade dos LEDs de alto brilho que comp em o sinal de tr nsito recaiu a preocupa o por aplicar um sinal PWM com um valor de duty cycle reduzido para que os LEDs acendam e apaguem rapidamente de maneira a que numa situa o real n o provoquem encandeamento aos condutores 138 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fot
46. da bateria utilizada na disserta o Figura 5 41 definem se alguns n veis de corrente que devem ser respeitados para um bom processo de carga Estes valores est o representados na Tabela 5 3 Tabela 5 3 Par metros para uma bateria de 12V e 7 2 Ah Corrente minima da bateria Irric Corrente maxima da bateria Is k 0 72 A Corrente de reten o Is k 5 144 mA Tens o maxima da bateria VrLoar 14 4V Tens o minima da bateria Vorr 10 5 V Tens o m xima de valor de sobrecarga Vocr 13 5 V A corrente m xima permitida para o carregamento da bateria Ipix habitualmente definida como 10 da capacidade nominal da mesma para protec o da bateria contra sobreaquecimento Esta corrente aplicada at a bateria atingir um valor de tens o de sobrecarga Vocr A corrente m nima Irric tamb m conhecida como corrente de flutua o assente em 1 da capacidade nominal da bateria Ss BT 12M7 2AT AD ilal FUJIAN ED LEAL SAITE D BATTERY SCIENCE amp TECHNOLOGY CO LTD DESIGNED IN TAIWAN GE Figura 5 41 Bateria BT 12M7 2AT da Baote utilizada na disserta o O fluxograma da Figura 5 42 representa a sequ ncia de ac es de controlo que s o executadas para providenciar um correcto processo de carga 126 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais da bateria de cido chumbo Antes d
47. de uma bateria de 100Ah padr o de descarga de 20 horas com uma tens o de corte de 10 5V O gr fico da Figura 3 12 mostra as curvas e os ndices de descarga das baterias de cido chumbo do fabricante Unipower a uma temperatura constante de 25 C 46 A sigla C representa a capacidade nominal da bateria medida em 20 horas de descarga com uma tens o de corte de 1 75V por c lula Tens o na bateria V 10 20 30 60 2 4 8 20 Tempo Minutos gt 4 Horas Figura 3 12 Caracteristicas das curvas de descarga para bateria de acido chumbo a diferentes valores de corrente de descarga a uma temperatura constante de 25 C A temperatura tamb m influencia directamente a capacidade nominal da bateria A medida que a temperatura ambiente diminui a capacidade nominal da bateria tamb m diminui e vice versa O grafico da Figura 3 13 mostra para 62 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga as baterias acido chumbo do fabricante Unipower 46 os efeitos da temperatura ambiente em rela o capacidade da bateria Para cada corrente de descarga h uma curva Essa corrente dada como uma percentagem da capacidade da bateria C em Ah no padr o de descarga de 20 horas Capacidade da bateria
48. e da corrente na bateria ey E 1000 5 6 In 5 OMmA 2 6 Ru Para se obter maior precis o na medi o de valores baixos de corrente foi util adicionar 50 espiras no prim rio do sensor Desta forma a rela o de proporcionalidade da corrente do prim rio lpn para o secund rio Isn depende do n mero de espiras no prim rio e dada pela equa o 5 7 lpn _ 1000 In N ne enrolamentos 5 7 A Figura 5 25 mostra o resultado da medi o da corrente proveniente do painel fotovoltaico verificando se a precis o da leitura No caso da corrente na bateria apresenta se a Figura 5 26 com uma amostra da leitura efectuada pelo sensor de corrente 116 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais RANGE FUNC MAX H DATA H MASTECH Figura 5 26 Medi o do valor da corrente que efectua o processo de carga da bateria 5 4 Conversor CC CC Step Down A pot ncia el ctrica gerada pelo m dulo fotovoltaico transferida para o barramento CC atrav s de um conversor step down Como referido no Cap tulo 3 o conversor step down apresenta uma tens o de sa da menor que a tens o de entrada No ponto 3 4 3 2 desse cap tulo foram calculados e dimensionados os componentes que comp em o conversor CC CC step down para a condi o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltai
49. equa o 5 5 calcula o valor dessa resist ncia para o circuito da bateria 15V 5 5 Ry TET 1 5KQ 5 5 Para alimentar com a tens o apropriada o sensor de tens o e o sensor de corrente que ser explicado no ponto seguinte utilizou se uma fonte de alimenta o que est representada na Figura 5 20 Esta fonte capaz de fornecer consecutivamente 15V 12V 5V OV 15V de tens o continua Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 113 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Figura 5 20 Fonte de alimenta o utilizada para alimentar o circuito de medida Como resultados do circuito de medida mais concretamente no caso dos sensores de tens o pretende se uma correcta precis o na medida dos valores da tens o aos terminais da painel solar e da bateria pois a partir destes valores que se elabora o circuito de controlo MPPT e o controlo da carga da bateria respectivamente A Figura 5 21 mostra o resultado da medi o do valor da tens o aos terminais do painel fotovoltaico A Figura 5 22 apresenta o resultado da medi o do valor da tens o aos terminais da bateria Figura 5 21 Medi o do valor da tens o aos terminais do painel fotovoltaico 114 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Figura 5 22 Medi o do
50. estragos nestes casos eles tornam se acumulativos ou seja quando a tens o est fora dos limites conduz deteriora o da bateria e a diminui o da sua vida til Os limites de tens o mais comuns para as c lulas de uma bateria s o de aproximadamente 1 75V ap s um descarregamento completo a aproximadamente 2 12V quando est carregada para uma temperatura de 25 C 43 Na Tabela 3 2 pode ver se para as baterias de cido chumbo a rela o existente entre a tens o aos terminais da bateria e o seu n vel de carga Tabela 3 2 Rela o entre o n vel de carga das baterias e a tens o 43 Estado de carga Bateria 12V Tens o por c lula Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 59 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Durante a descarga formado sulfato de chumbo PbSO em ambas as placas sendo removido o cido sulf rico H2SO do electr lito Durante o carregamento formado di xido de chumbo PbO no c todo e no nodo formado chumbo Pb libertando se cido sulf rico H gt SO4 no electr lito De seguida na Tabela 3 3 pode observar se as reac es qu micas durante a descarga Tabela 3 3 Reac es qu micas da bateria de cido cnumbo durante o processo de descarga Bateria de cido chumbo recarreg vel Reac es qu micas Pb SO gt PbS04 2e PbO2 SO4 4H 2e gt PbSO 2H20 Reac
51. incentivos referidos anteriormente a entidade fornecedora de energia el ctrica paga a energia gerada com tarifas atractivas e rent veis dependendo das normas dos Pa ses que j providenciaram a regulamenta o do sector Desta forma estas compensa es v o ajudando a pagar o custo da instala o inicial do sistema Normalmente aos sistemas fotovoltaicos ligados rede el ctrica aplicado um circuito de controlo que permite maximizar a pot ncia produzida pelo painel fotovoltaico Esse controlo designado por circuito MPPT Maximum Power Point Tracking e ser estudado profundamente no Cap tulo 3 desta disserta o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 15 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Contador de energia Circuito Rede ies A o A i eeeeeee Conversor Inversor Contador de energia 2 Modulos Fotovoltaicos cc CC CC CA l Equipamentos de consumo el ctico CA Figura 2 4 Constitui o de um sistema fotovoltaico ligado rede el ctrica 2 2 2 Sistemas Fotovoltaicos H bridos Os sistemas fotovoltaicos h bridos que podem ser ilustrados com base no diagrama de blocos da Figura 2 5 s o aqueles que desconectados da rede el ctrica apresentam em conjunto v rias fontes de gera o de energia renov veis combinadas com a gera o atrav s de m dulos fotovoltaicos como por exemplo turbinas e licas Com a utiliza o de
52. m dulo opera com a m xima efici ncia e produz a pot ncia m xima Esse ponto chamado de ponto de m xima pot ncia MPP e est tamb m ilustrado na Figura 2 17 O ponto de funcionamento m ximo ocorre quando os valores da tens o e da corrente s o m ximos o que nas condi es refer ncia implica que V Vmp I Imp 34 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva caracter stica l Pmax 30 02W Imp 1 774 Ymp 17 00 Corrente do M dulo A 0 5 10 15 Vinp 20 Tens o do M dulo Figura 2 17 Simula o no MATLAB da curva caracteristica l V e respectivo MPP do m dulo fotovoltaico BP SX30U 1000 W m e 25 C Outra curva interessante para analisar o comportamento dos m dulos fotovoltaicos mostrada na Figura 2 18 A curva P V ilustra a pot ncia do m dulo em fun o da tens o Tal como a curva caracter stica l V tamb m esta revela como importante um sistema fotovoltaico operar com o m dulo no ponto de funcionamento MPP em virtude de explorar a pot ncia m xima do mesmo O Cap tulo 3 ir discutir como faz lo BP SX 30M M dulo Fotovoltaico Curva P Y Pmax 30 02W Imp 1 77A Ymp 17 00V T ER E MA 25 2 o E Ad O z i 8 15 ee ey ee E NE ee amp i i i a S l O a ica tay ace al a acacia aig EE
53. m xima VrLoar O que significa que esta em sobrecarga a corrente a aplicar bateria reduzida para o valor de Irric correspondente a 1 da capacidade nominal na itera o seguinte Se a tens o na bateria for abaixo do n vel m nimo Vorr significa que a bateria est danificada e necessita ser substitu da para o sistema continuar a operar Sempre que os limites de tens o da bateria se situarem nos valores especificados pelo fabricante ou seja entre o valor m nimo Vorr e m ximo VrLoar a bateria vai estar permanentemente sob controlo rigoroso com base no m todo dos 3 est gios como referido no ponto 3 3 2 5 A opera o do processo de carga da bateria efectua o controlo s grandezas Irioar est gio 1 Vetoat est gio 2 Vocr est gio 3 dependendo do est gio em que o carregador est a funcionar Desta forma para realizar o controlo destas grandezas foi implementado um controlador PID digital Devido simplicidade e precis o este tipo de controlador provavelmente o mais utilizado em processos industriais A equa o 5 8 define a fun o de transfer ncia do controlador PID 63 Gc s Kp 1 Tas 5 8 Onde Kp o ganho proporcional T a constante de tempo integral e Ty a constante de tempo derivativo O objectivo deste tipo de controladores aproveitar a combina o das caracter sticas das ac es proporcional integral e derivativa de forma a obter uma melhoria significativa no comporta
54. metros s o gt Pot ncia m xima Pmax representa a pot ncia nominal do painel fotovoltaico Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 27 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos gt Ponto de maxima pot ncia MPP o produto da corrente com a tens o em cada ponto da curva I V representa a pot ncia gerada para uma dada condi o de opera o Num m dulo fotovoltaico s existe um ponto na curva onde a pot ncia m xima alcan ada Este ponto designado por MPP gt Tens o no ponto de m xima pot ncia Vmp corresponde tens o no ponto de m xima pot ncia gt Corrente no ponto de m xima pot ncia Imp corresponde intensidade da corrente no ponto de m xima pot ncia gt Corrente de curto circuito lsc o valor maximo de intensidade de corrente que atravessa a carga gt Tens o de circuito aberto Voc o valor maximo da tens o nos terminais do m dulo fotovoltaico quando nenhuma carga est ligada a ele gt Factor de forma FF a rela o entre a m xima pot ncia que o m dulo fotovoltaico realmente pode fornecer e o produto de lse com Voc Com esta caracter stica tem se uma ideia da qualidade do painel Quanto mais pr ximo de 1 for o valor de FF mais pot ncia o painel pode fornecer Valores t picos de FF variam entre 0 7 e 0 8 gt Temperatura normal de opera o NOCT representa a temperatura normal de opera o da c lula nor
55. microcontrolador PIC18F4431 De notar que as liga es efectuadas aos pinos MCLR PGD e PGC s o necess rias para fazer a liga o do microcontrolador com o computador para desta forma se efectuar a programa o do PIC atrav s do programador ICD2 O clock externo ligado ao PIC18F4431 entre os pinos 13 e 14 tem uma frequ ncia de 20MHz O LED ligado ao pino n mero 36 um indicador de quando o sistema est activado O Reset manual torna mais pr tico o sistema quando se pretende efectuar o rein cio do mesmo A Figura 5 10 mostra a placa da Unidade de Comando implementada em conjunto com o LCD do Nokia 3310 106 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais _ gt o Figura 5 10 Placa da Unidade de Comando 5 3 3 Circuito Acoplador Optico Os circuitos acopladores pticos s o importantes pois permitem por exemplo interligar um circuito de fraco sinal com outro de sinal mais forte Os acopladores pticos oferecem como principal vantagem a imunidade a interfer ncias electromagn ticas sendo utilizados em variadas aplica es devido necessidade de isolamento el ctrico entre o circuito de comando e o circuito de pot ncia Desta forma os sinais de controlo PWM gerados no PIC18F4431 n o podem ser aplicados directamente ao conversor CC CC Step down para controlar o duty cycle aplicado ao MOSFET O
56. ncia de sa da Pa Se existir um aumento na pot ncia produzida o controlador move o ponto de m xima pot ncia nesse sentido e a pr xima perturba o continua na mesma direc o Caso contr rio se a pot ncia produzida diminuir o sistema perturbado no sentido inverso O valor da perturba o introduzida tem um valor fixo de alguns volts dependente da tens o de sa da do m dulo e ocorre a cada ciclo de funcionamento 34 Desta forma o MPP nunca ser atingindo pois o valor das 52 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga perturba es provoca que o sistema em regime permanente oscile em torno deste ponto desperdi ando um pouco de energia dispon vel nos m dulos Esta situa o ocorre nomeadamente quando as condi es da radia o solar variam lentamente caso de um dia normal de Ver o A Figura 3 7 mostra graficamente os quatro casos poss veis de como se pode encontrar o MPP e a ac o de controlo a cada um deles para uma determinada condi o clim tica A evolu o da pot ncia de sa da do m dulo fotovoltaico est representada na figura com as setas azuis e o respectivo sentido da perturba o representada com as setas vermelhas a b MPP MPP a Pakje APa gt 0 APa lt 0 Pa k P Pot ncia do M dulo WW Pa k 1 H 7 i
57. o denominada de curva l V de uma c lula fotovoltaica ideal simulada no MATLAB utilizando o modelo mais simplificado do circuito equivalente Tamb m se pode constatar pela Figura 2 12 que a corrente na c lula proporcional radia o solar incidente sobre ela M dulo Fotovoltaico BP SX30U Curva caracter stica l 26 p e 100Wm T 500W m O RR eee eee O oreo eee ee owm E T E o i i Ww 7 1 Pee Sore Corre i parenee Src o i i i pe 1 1 i 2 O posoanononooo ERR nho O da posonononoo 5 amp l 0 0 1 0 2 0 3 0 4 ns 0 6 Tens o da C lula Fotovoltaica V Figura 2 12 Curva l V da c lula fotovoltaica sob 3 n veis diferentes de radia o solar a temperatura constante de 25 C Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 25 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos 2 3 2 2 Modelo Aperfei oado No modelo simplificado existem alguns par metros que n o s o tomados em considera o e que na pr tica afectam o desempenho de uma c lula fotovoltaica Apresenta se outro modelo Figura 2 13 denominado por modelo de dois d odos num aperfei oamento do modelo simples das c lulas fotovoltaicas As c lulas reais apresentam perdas facto que n o considerado no modelo simplificado Algumas dessas perdas s o representadas atrav s de resist ncias inseridas neste modelo el ctrico equivalente Na pr tica numa c lul
58. os tempos em que o semicondutor est ligado ou desligado A Figura 3 24 ilustra os blocos e vari veis imprescind veis para efectuar o controlo do step down com base no PWM Viet Pi ise Veontrol mpliicadors Comparador amal gt A PWM Vo Figura 3 24 Blocos e vari veis para controlo do step down com PWM Como referido anteriormente Vo representa a tens o de sa da do conversor step down e Vre caracteriza o valor da tens o que se deseja ter sa da Este tipo de controlo inicia se com a subtrac o do valor de Vo com o valor de Ve como se verifica no primeiro bloco da Figura 3 24 gerando um sinal de erro designado por Vcontro De seguida este sinal comparado com uma forma de onda vs que pode ser do tipo dente de serra sawtooth wave ou triangular triangle wave Esta forma de onda gerada a uma frequ ncia fixa fs com per odo de valor Ts Geralmente o valor m ximo desta forma de onda corresponde ao valor da tens o Vis A Figura 3 25 ilustra o processo de compara o entre Vcontrol Vst que resulta na comuta o de dois n veis de tens o que ligam e desligam o semicondutor de pot ncia Vst Sawtooth voltage Vcontrol Vcontrol gt Vst fe off Off ton toff N Vcontrol lt Vst ko Ts Figura 3 25 Compara o dos sinais Vcontrol Vst 55 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 77 Capi
59. por Sistema Fotovoltaico 33 Cap tulo 2 Pain is Fotovoltaicos _ f On 2 19 f n Xn 1 Xn Onde xn O valor da itera o seguinte x o valor da presente itera o e f xn a derivada da fun o x Reescrevendo a equa o 2 10 para em seguida se aplicar o m todo de Newton surge a equa o 2 20 f D Isc I Io e r gt 1 0 2 20 Com base no m todo de Newton que fornece equa es recursivas e reescrevendo a equa o 2 20 encontra se finalmente a equa o 2 21 que caracteriza a curva I V do m dulo fotovoltaico V In R Isc I Io e mer cs 1 TV n RS O 1 Io 15 e KT 5 2 21 Inga hn 2 5 1 Curva Caracter stica l V e Ponto de M xima Pot ncia Depois de analisado e simulado no MATLAB o modelo matem tico com base no circuito el ctrico equivalente da Figura 2 16 chega se curva da corrente em fun o da tens o curva caracter stica l V do painel fotovoltaico BP SX30U a uma dada temperatura e intensidade da radia o solar incidente como mostra a Figura 2 17 Para cada ponto da curva caracter stica l V o produto da corrente com a tens o representa a pot ncia gerada para aquela condi o de opera o Nas condi es de curto circuito e de circuito aberto n o h pot ncia gerada pelo m dulo fotovoltaico pois a corrente ou a tens o s o zero respectivamente Existe um nico ponto na curva caracter stica l V no qual o
60. pot ncia quando comparados com os valores a utilizar no sistema de ilumina o Contudo estes valores de pot ncia servem para comprovar o bom funcionamento do circuito de controlo MPPT No ensaio com o sistema de controlo MPPT a funcionar em malha fechada o conversor step down apresenta na sua entrada uma pot ncia de 1 32W com um sinal PWM de duty cycle vari vel entre 53 e 55 Em malha aberta com um sinal PWM de duty cycle fixo de 10 a pot ncia 0 56W enquanto com um duty cycle tamb m fixo de 90 a pot ncia 0 86W Assim perante estes valores demonstra se que o circuito a funcionar com o controlo MPPT em malha fechada procura o ponto de m xima pot ncia da curva I V da Figura 5 34 ficando a oscilar em torno deste devido utiliza o da t cnica Perturba o amp Observa o 5 6 Controlador de Carga Baseado no Conversor Step Down O controlador de carga desenvolvido para garantir que a bateria funciona em condi es apropriadas Este evita sobrecargas ou descargas excessivas da bateria circunst ncias que diminuem a vida til da mesma De Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 125 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais maneira a providenciar a carga e descarga apropriada da bateria o controlador regista frequentemente o estado de carga SOC que estimado com base nos valores de tens o da bateria Com base nos n veis de tens o
61. radia o solar incidente em W m a temperatura da c lula fotovoltaica em C e o vector das tens es de sa da Va O vector das tens es de sa da tem como 30 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 2 Pain is Fotovoltaicos objectivo simular uma carga fazendo dessa forma com que a curva caracter stica l V percorra todos os pontos de interesse para uma implementa o pr xima da realidade Figura 2 16 Circuito equivalente utilizado para a simula o do m dulo fotovoltaico BP SX30U Como neste modelo n o se inclui o efeito da resist ncia em paralelo Rp sendo Rp na equa o 2 9 obt m se a equa o 2 10 que descreve a rela o da corrente e tens o da c lula fotovoltaica V IR I Isc Io jer nit 1 2 10 Onde I a corrente de sa da da c lula A V a tens o aos terminais da c lula V Tens o no m dulo N c lulas em s rie do m dulo T a temperatura da c lula K Em primeiro lugar calcula se a corrente de curto circuito ls a uma determinada temperatura da c lula fotovoltaica de acordo com a equa o 2 11 27 Isclr Isc rref 1 a T Tref 2 11 Onde lsc Tret fornecida no datasheet medida com uma radia o solar incidente de 1000W m Tref a temperatura refer ncia da c lula fotovoltaica em Kelvin K habitualmente 298K 25 C Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de a
62. serra representada na Figura 4 14 a azul apresenta uma frequ ncia de 20kHz e uma amplitude 21V que o valor de tens o de circuito aberto do painel fotovoltaico BP SX30U f 14H 12 m o 10H a He Be 6 2y 0 0 2 0 0 0 5 1 3 Tempo s 410 Figura 4 14 Tens o do painel fotovoltaico controlada pelo circuito MPPT comparada com uma onda dente de serra A compara o da tens o de sa da do painel fotovoltaica controlada com a Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 93 Cap tulo 4 Simula es Computacionais onda dente de serra d origem ao sinal de controlo PWM de frequ ncia 20kHz caracterizado na Figura 4 15 Sinal de Controlo PWM i 0 01 02 03 0 4 05 06 07 08 03 1 Tempo s 3 x10 Figura 4 15 Excerto do sinal de controlo PWM a aplicar ao MOSFET do conversor step down Para simular a bateria foi utilizado o modelo gen rico para baterias recarreg veis de cido chumbo dispon vel no pacote Power Systems do Simulink representado na Figura 4 16 gm Bateria 12V Figura 4 16 Modelo gen rico para baterias recarreg veis no pacote Power Systems do Simulink O modelo BT 12M7 2AT da marca Baote foi a bateria utilizada nesta disserta o As caracteristicas principais desta bateria s o 12V de tens o nominal e uma capacidade de 7 2Ah Estas caracter sticas foram introduzidas no bloco de par metros do modelo gen rico da bateria
63. sistemas el ctricos electromec nicos e de controlo Atrav s desta poss vel simular e analisar sistemas de corrente cont nua e alternada apresentando v rios blocos de componentes frequentemente utilizados como o caso de d odos MOSFETs IGBTs cargas de v rios tipos Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 85 Cap tulo 4 Simula es Computacionais R RL RLC e fontes de alimenta o entre outros O Simulink apesar de ser uma aplica o espec fica n o trabalha independentemente do MATLAB 4 2 Modelo de Simula o do Sistema A Figura 4 1 mostra uma vis o geral de todos os circuitos e componentes do sistema implementado na simula o Neste subcap tulo ser o mostrados e explicados os blocos e os passos utilizados na simula o do sistema efectuada no Simulink eee O r QO eb Em i E ras 5 pn E Sry ES q s r L R oe E mE D a voc UI as q Ei Ea BD mo Figura 4 1 Vis o geral do sistema simulado no Simulink Com base na modela o do m dulo fotovoltaico BP SX30U efectuada no Cap tulo 2 foi simulado o pr prio utilizando um bloco program vel Embedded MATLAB Function Neste bloco empregue a fun o com a solu o num rica da corrente gerada pelo painel fotovoltaico Equa o 2 21 O circuito que simula o m dulo fotovoltaico mostrado na Figura 4 2 Este bloco para e
64. solar cells by adjusting energy levels of a polymer with the LUMOs of fullerene derivatives Journal of Materials Chemistry 2008 pp 5468 5474 BP Solar 30 Watt Photovoltaic Module BPSX30 Datasheet 2004 G R Walker Evaluating MPPT Converter Topologies Using a MATLAB 146 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Refer ncias 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 PV Model Dept of Computer Science and Electrical Engineering University of Queensland Australia 2000 Y Wang and C Klumpner Optimal Design of a DC DC Converter for Photovoltaic Applications Components 2005 pp 2529 2534 H Calleja F Chan and Uribe Reliability Oriented Assessment of a DC DC Converter for Photovoltaic Applications Control 2007 pp 1522 1527 B C sar and J Kaffer Wireless Networking in the Developing World A practical guide to planning and building low cost telecommunications infrastructure Traffic T Esram and P L Chapman Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques Energy vol 22 2007 pp 439 449 R Faranda S Leva and V Maugeri MPPT techniques for PV Systems energetic and cost comparison Production 2008 pp 1 6 B S N A R G K A S and L C J The Study and Evaluation of Maximum Power Point Tracking Systems Environment vol 2006 2006 pp
65. tica sugere se a utiliza o de um painel solar fotovoltaico pois nesta disserta o foi usada uma fonte de tens o cont nua de forma a emular o painel devido indisponibilidade de pain is solares Outra perspectiva futura passa por efectuar todos os circuitos constituintes do sistema em placas de circuito impresso e equipar um sinal de tr nsito com matrizes de LEDs de alto brilho em vez de uma matriz a simular o sinal como efectuado nesta disserta o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 143 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Refer ncias Bibliogr ficas M D Emprego DGEG Direc o Geral de Energia e Geologia http www dgge pt visitado em Junho 2011 A Vallera Energia Solar Fotovoltaica Gazeta de F sica pp 36 40 ADENE A Energia Solar http www renewable pt pt RE Paginas Sol aspx visitado em Junho 2011 J E Commission Photovoltaic Geographical Information System PVGIS Geographical Assessment of Solar Resource and Performance of Photovoltaic Technology Attp re jrc ec europa eu pvgis visitado em Julho 2011 D G Geologia Renov veis estat sticas r pidas Dezembro 2010 pp 1 22 R N Hora Ponha a sua casa a trabalhar http www renovaveisnahora pt web srm visitado em Maio 2010 P A Online Pal cio de Bel m instala 126 pain is fotovoltaicos http www ambienteonline pt n
66. v rias formas de gera o de energia el ctrica estes sistemas tornam se complexos na optimiza o do uso das energias Desta forma necess rio um controlo de todas as fontes para haver m xima efici ncia na entrega de energia s cargas Tipicamente estes sistemas al m da bateria do controlador de carga e do inversor pode ser necess rio um meio de produ o convencional tipo gerador diesel servindo de reserva e apoio auxiliar ao sistema em per odos em que o consumo de electricidade exigido superior ao produzido a partir das fontes renov veis Assim como nos sistemas fotovoltaicos tamb m os geradores e licos devem fazer uso de um circuito de controlo MPPT para extrair a m xima pot ncia 16 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Circuito Conversor ae S cc cc Modulos Fotovoltaicos inversor Circuito MPPT Equipamentos ua gt de consumo el ctrico CA Gerador E lico Conversor CA CC teta Baterias Conversor Gerador Diesel CA CC Figura 2 5 Constitui o de um sistema fotovoltaico h brido 2 2 3 Sistemas Fotovoltaicos Aut nomos Os sistemas fotovoltaicos aut nomos Figura 2 6 muitas vezes denominados tamb m por sistemas fotovoltaicos isolados n o se encontram ligados rede el ctrica convencional Actualmente estes sistemas permitem o abastecimento de energia el ctrica e
67. 000W m enquanto as curvas P V para as diversas temperaturas com 1000W m de radia o solar constante s o mostradas na Figura 2 22 M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva caracter stica l V Corrente do M dulo A D 5 10 15 20 Tens o do M dulo Vv Figura 2 21 Curvas caracter sticas I V para v rias temperaturas do m dulo e radia o solar incidente de 1000 W m M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva P Y Pot ncia do M dulo VV 15 Tens o do M dulo N Figura 2 22 Curvas P V para v rias temperaturas do m dulo fotovoltaico e radia o solar incidente de 1000 W m 38 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos 2 5 2 3 Efeito Produzido pelo Factor de Idealidade do Diodo O factor de idealidade do d odo desconhecido e deve ser estimado O valor deste est compreendido entre 1 e 2 d odo ideal n 1 d odo real n gt 1 24 e constitui um par metro de ajuste da curva caracter stica l V O valor utilizado nas simula es foi estimado ajustando a curva caracter stica e comparando a com a mesma fornecida no datasheet do fabricante e os resultados amostrados anteriormente das curvas l V com a varia o da radia o solar incidente e da temperatura t m como valor estimado do factor de idealidade do d odo de 1 8 A Figura 2 23 mostra o efeito produzido pelo factor de idealidade do d odo na curva caracter
68. 3 5V Vocr como mostra a Figura 5 49 SSeS SSS EM aaa CH1 5 00 Div CH1 5 00 Div M 2 505 M 2 505 Figura 5 48 Tens o aos terminais da bateria quando aplicada a corrente IrLoar NO 1 est gio do processo de carga da bateria le a a Momento em que o algoritmo passa do 1 para o 2 est gio Corrente Constante w Tens o Constante 1 CH1 500 Div Mi 2 505 Figura 5 49 Tens o aos terminais da bateria quando o algoritmo de controlo passa do 1 para o 2 est gio do processo de carga da bateria De maneira a ser poss vel verificar a tens o na sa da do conversor step down a Figura 5 48 e a Figura 5 49 mostram a ascens o da tens o aos terminais de um re stato j que com a bateria na sa da do conversor a subida da tens o efectuada de maneira lenta n o possibilitando a percep o do crescimento no oscilosc pio A Figura 5 50 ilustra uma sequ ncia de mensagens amostrada no LCD durante o carregamento da bateria no 1 est gio Pode verificar se o 132 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais crescimento da tens o aos terminais da bateria 10 77V 12 46V 13 17V com uma corrente constante de valor muito aproximado do valor de refer ncia IFLoaT 0 72A man Figura 5 50 Sequ ncia de mensagens amostradas no LCD durante o est gio de corrente constante para o carregamen
69. 8 Para analisar o funcionamento da t cnica Perturba o amp Observa o o circuito MPPT implementado constitu do por dois subsistemas No subsistema denominado de MPPT P amp O ilustrado na Figura 4 9 encontra se o algoritmo MPPT do m todo Perturba o amp Observa o No outro subsistema Figura 4 13 designado PWM comparado o sinal da tens o controlada proveniente do subsistema MPPT P amp O com uma onda triangular dente de serra de forma a gerar o sinal de controlo PWM a aplicar ao MOSFET do conversor step down MPPT P amp O Figura 4 8 Circuito MPPT composto por dois subistemas implementado para a simula o no Simulink O subsistema MPPT P amp O desenvolvido mostrado na Figura 4 9 nao altera directamente o duty cycle a aplicar aa MOSFET do conversor Como se verifica pelo fluxograma desta t cnica Figura 3 8 o algoritmo faz o seguimento do ponto de m xima pot ncia de maneira equivalente modificando a tens o de refer ncia de sa da do controlo MPPT ou seja alterando a tens o de sa da do m dulo fotovoltaico Para efeitos de programa o o algoritmo P amp O tem como entrada a corrente e a tens o proveniente do painel fotovoltaico e respectiva pot ncia no instante em que est a operar e no anteriormente actuado a temperatura e o valor da radia o solar incidente sobre o painel e a perturba o O valor da perturba o tem um valor fixo e serve para perturbar periodicamente ou seja
70. C18F4431 Figura 5 16 Diagrama de blocos da liga o do circuito de medida com o circuito acoplador ptico A Figura 5 17 ilustra a placa dos circuitos de medida implementados numa breadboard Estes circuitos fazem parte e s o utilizados pela Unidade de Comando me Sensor del well Corrent Er amo Sensor de Tens o mami Figura 5 17 Placa do circuito de medida 5 3 4 1 Sensor de Tens o de Efeito Hall Os sensores de tens o de efeito Hall utilizados para a medi o dos valores da tens o aos terminais do painel solar e da bateria foram os LV25 P da LEM A Figura 5 18 mostra o aspecto destes sensores Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 111 Capitulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Figura 5 18 Sensor de tensao de efeito Hall LV25 P da LEM Este sensor tem a capacidade de leitura m xima de tens es at 500V e apresenta uma corrente nominal no prim rio de 10mA A raz o de convers o do sensor de 2500 1000 sendo que a corrente nominal no secund rio apresenta um valor de 25mA 61 O sensor pode ser alimentado com 15V GND 15V ou 12V GND 12V A Figura 5 19 representa o esquema de liga es utilizado para os sensores de tens o 5V HT Vu LV 25 P 5V Figura 5 19 Esquema de liga es do sensor de tens o LV25 P A equa o 5 1 permite determinar o valor da resist ncia R com
71. Circuito SC Condut ncia Incremental IncCond e Perturba o amp Observa o Efectuou se um estudo comparativo dos v rios m todos e optou se por implementar um circuito MPPT baseado na t cnica Perturba o amp Observa o Esta escolha deveu se essencialmente maior facilidade de implementa o quando comparado com a t cnica IncCond e por este m todo permitir de forma satisfat ria responder as exig ncias desta disserta o de mestrado Os sistemas fotovoltaicos isolados caracterizam se por possuir apenas como fonte prim ria a energia gerada pelos pain is fotovoltaicos Desta forma neste modelo de sistemas torna se essencial utilizar elementos armazenadores de energia Por isso ainda no Cap tulo 3 apresentou se um estudo das caracter sticas e tecnologias primordiais associadas s baterias recarreg veis com a finalidade de serem integradas no sistema fotovoltaico proposto neste trabalho As baterias de cido chumbo s o as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos e dessa forma foram as escolhidas para efectuar o armazenamento de energia gerada pelo painel em per odos de elevada insola o para a utilizar noite ou em per odos com pouca radia o solar De forma a providenciar a carga e descarga apropriada da bateria essencial adicionar ao sistema um controlador de carga para garantir que a bateria funcione em condi es apropriadas O circuito de controlo utilizado para garantir o bom funcionamento da bateria
72. Energias Renov veis 1 1 2 Energia Solar Fotovoltaica em Portugal 3 1 3 Sistemas Fotovoltaicos Aplicados Sinaliza o Rodovi ria 6 1 4 LEDs de Alto Brilho na Sinaliza o Rodovi ria 7 AS AMIOUINECOCS 56 RO RR utes RR A 9 156 QDC IVO het ec conto nns cada cos Don iria aan teat aE 10 1 7 Organiza o da Disserta o cazasasamasanssrasa iso pensa rsa nedecrin etal teautene 10 CAP TULO 2 Pain is Fotovoltaicos ea 13 2 INTOU O PAE rrr rerr reer trrer rrr rere cade g rena den Gena den gana den ena dana 13 2 2 Sistemas FOLOVOILAICOS putas ites esi Sere ee LED ee nnn 14 2 2 1 Sistemas Fotovoltaicos Ligados a Rede El ctrica 15 2 2 2 Sistemas Fotovoltaicos H bridos 16 2 2 3 Sistemas Fotovoltaicos Aut nomos n 17 2 Ela Fotovoltai Carecer aeaa aA aAA REAR 18 2 3 1 Tipos de C lulas Fotovoltaicas 20 2 3 2 Modelo El ctrico de uma C lula Fotovoltaica 22 2 3 2 1 Modelo SIMpINCadO 40 24 2270022222 ind ara ar asaR ED RE a Das onda aan ese 22 2 3 2 2 Modelo Aperfei oadO sasuaisbaaicmasiai cepas ns soo lena des asa nina 26 2 4 M dulos Fotovoltaicos ricas Se ea ae A ee 27 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico ix indice 2 5 Modelo do M
73. Figura 3 6 aumenta ou diminui a tens o de sa da Va do m dulo fotovoltaico com base num incremento AV de maneira a acompanhar o ponto de m xima pot ncia O tamanho do incremento AV determina a velocidade com que o MPPT controlado Incrementos maiores levam a uma acelera o da busca do MPP 50 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga todavia o sistema pode n o funcionar exactamente no ponto de m xima pot ncia existindo oscila es em torno deste Para baixos n veis de radia o solar este algoritmo de controlo MPPT n o apresenta resultados satisfat rios 35 Contudo este m todo apresenta um erro em regime permanente pequeno 36 apresentando melhor aproveitamento da energia gerada pelos m dulos fotovoltaicos quando comparado com as t cnicas anteriormente abordadas dV Va k Val dl la k la k Va k Va k 1 Figura 3 6 Algoritmo MPPT da t cnica Condutancia Incremental IncCond Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 51 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Existem algumas variantes do m todo de Condut ncia Incremental Uma prop e um algoritmo que situa o ponto de funcionamento do m dulo fotovoltaico perto do MPP numa primeira fase e em seguida utiliza o controlo MPPT IncCond para situar exacta
74. MPP colocou se o sistema a funcionar em malha aberta com um sinal PWM fixo no qual se efectuaram ensaios com um valor de duty cycle inferior e superior ao verificado no ensaio com controlo em malha fechada Para ambos os ensaios esperada uma pot ncia inferior entrada do conversor step down Zz CH1 PE Pk 15 6 Mean 1 59 Period 50 20 us Freg 13 32kHz Figura 5 37 Sinal PWM de duty cycle de 10 abaixo do ponto de m xima pot ncia Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 123 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Com o sistema de controlo a funcionar em malha aberta com um sinal PWM fixo de duty cycle 10 Figura 5 37 ou seja de valor inferior ao verificado no sistema com controlo em malha fechada sendo que o conversor CC CC step down exp e entrada um valor de 25 9V como mostra a Figura 5 38 a e uma corrente de 21 8mA como se verifica pela Figura 5 38 b tens o proporcional Estes valores prov em da fonte de tens o em s rie com a resist ncia e apresentam uma pot ncia de 0 56W MATH Off MATH Of eee ET a eee Freq Freq CH CHI RMS RMS 25 3 e Amy i CH2 Off CH2 Off RMS 1 RMS i MATH Off MATH Of 1 e None None CHI CHI None None a b Figura 5 38 Valores entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 10 a tens o b tens o proporc
75. OVOMAICO sta sol sco tears tea NE SEA DAR AR AR ED guadet os peyaatteeubegenacuneecnanty 101 Figura 5 3 Bancada de testes do sistema implementado 101 Figura 5 4 Diagrama de blocos da unidade de comando 102 Figura 5 5 Microcontrolador PIC18F4431 da Microchip 102 Figura 5 6 Diagrama de pinos do microcontrolador PIC18F4431 60 108 Figura 5 7 Programador ICD2 da Microship para interface do PIC com o COMPUIAdOS uns pin pa Dea dae 104 Figura 5 8 Parte frontal traseira e pinos do LCD Nokia 3310 105 Figura 5 9 Esquema el ctrico da placa do microcontrolador PIC18F4431 106 Figura 5 10 Placa da Unidade de Comando 107 Figura 5 11 Diagrama funcional do acoplador ptico da Hewlett Packard RICE LES ZOO ake Mais Kai ee Gd Mah es a a 108 Figura 5 12 Esquema do circuito acoplador implementado com base no RIGELSSZO sonia anita ead diel aia dae aaa 108 Figura 5 13 Placa do circuito acoplador OpticO cccceeeeeseeeeeeeeeeeeeeeees 109 Figura 5 14 Sinal PWM a sa da do microcontrolador PIC18F 4431 109 Figura 5 15 Sinal PWM a saida do circuito acoplador ptico para aplicar ao MOSFET do conversor step down aaa 110 Figura 5 17 Placa do circuito de medida cece ccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 111 Figura 5 16 Diagrama de blocos da liga o do circui
76. PT com perturba o de valor ON ia ind ii e E ental a ote 92 Figura 4 12 Excerto da tens o de controlo MPPT com perturba o de VETOR NO ari bie rio ch EE E a hes Racker E NR a ER 92 Figura 4 13 Circuito implementado no subsistema PWM 93 Figura 4 14 Tens o do painel fotovoltaico controlada pelo circuito MPPT comparada com uma onda dente de SEIra eeeeeeeeeeeeeeeeesseeesseeeseseeesseeees 93 Figura 4 15 Excerto do sinal de controlo PWM a aplicar aa MOSFET do COMVEISOF SICD GOMA amas rrenan a NEED aa 94 Figura 4 16 Modelo gen rico para baterias recarreg veis no pacote Power Systems AOS INN arctan Cha AS son ee A RR abn ein a E 94 Figura 4 17 Bloco de par metros do modelo gen rico da bateria 95 Figura 4 18 Circuito equivalente do modelo gen rico do Simulink durante o carregamento da bateria sie ceeeeenenaaaeaaaanananananananaa 95 Figura 4 19 Curva de descarga da bateria eso 96 Figura 4 20 Corrente que carrega a bateria 96 Figura 4 21 Evolu o do SOC durante o carregamento da bateria 59 97 Figura 5 1 Diagrama de blocos do sistema implementado 100 xvi Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Lista de Figuras Figura 5 2 Fonte de alimenta o 30V 3A utilizada para emular o painel TOL
77. T 118 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Para comprovar o funcionamento do conversor step down foi realizado um ensaio experimental com uma carga resistiva na sa da do conversor de aproximadamente 1000 A tens o de entrada aplicada ao step down foi de 16 8V correspondente ao valor da tens o de m xima pot ncia do painel BP SX30U Aplicando um sinal PWM com um duty cycle de 70 a uma frequ ncia de 20kHz como mostra a Figura 5 28 verifica se sa da do conversor CC CC uma tens o de 12V que corresponde ao valor nominal da bateria IRINA E 1 CH1 Pk Pk 15 2 Mean 3 98 Period Sidi us Freq 19 92kHz Figura 5 28 Sinal de controlo PWM com duty cycle 70 a uma frequ ncia de 20kHz A Figura 5 29 apresenta o valor eficaz da tens o de entrada e de sa da do conversor step down que funciona como conversor abaixador de tens o Tek Him E Auto M Pos 0000s MEASURE CH1 RMS taty CH1 CH2 RMS Tensao Saida Tensao Entrada 16 7 Conversor Step Down Conversor Step Down E a H Mone CH1 Mone Figura 5 29 Tens o na entrada e sa da do conversor Step Down Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 119 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais A tens o proporcional corrente na bobina iL frequ
78. T do step down um sinal de aproximadamente 16V assegurando a passagem de corrente no conversor pelo estado de condu o do semicondutor E z J t CH1 Pk Pk 16 447 Mean amp 67 Period 50 20 u5 Freg 15 92kHz Figura 5 15 Sinal PWM saida do circuito acoplador ptico para aplicar ao MOSFET do conversor step down 5 3 4 Circuito de Medida O circuito de medida composto por quatro sensores utilizado no sistema para executar a medi o e fazer o processamento do valor da tens o e da corrente da bateria para que desta forma se realize um correcto m todo de carregamento da mesma Este circuito efectua tamb m a medi o e elabora o processamento do valor da tens o aos terminais do painel solar e da corrente fornecida pelo mesmo As medi es aos valores provenientes do painel solar tem como base o desenvolvimento do algoritmo de controlo do circuito MPPT A leitura dos variados valores feita atrav s de sensores de efeito Hall e esses sinais s o recebidos pelo microcontrolador atrav s do ADC que converte os sinais anal gicos em digitais de maneira a efectuar o controlo do sistema O diagrama de blocos da Figura 5 16 representa a utiliza o do PIC neste circuito 110 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Circuito ad Nt Circuito de SLI 4 Acoplador Medida mr i ptico PI
79. Temperatura C Figura 3 13 Efeito da temperatura ambiente em rela o capacidade da bateria cido chumbo para diferentes valores de corrente de descarga 3 3 2 3 Profundidade de Descarga Dependendo do tipo de aplica o para a qual a bateria de cido chumbo for especificada esta pode ser definida pelo n mero de ciclos que pode realizar 45 Um processo de descarga seguido de um processo de carga que restaure por completo a capacidade da bateria designado de ciclo 40 Desta forma a profundidade de descarga da bateria um par metro importante na escolha da mesma A profundidade de descarga frequentemente referida por DOD Depth of Discharge a quantidade de carga retirada da bateria num ciclo de funcionamento expressa em percentagem da capacidade nominal desta 47 Por exemplo se forem retirados 25 Ah de uma bateria de capacidade nominal de 100 Ah origina numa profundidade de descarga de 25 37 A profundidade de descarga influencia directamente o n mero de ciclos de funcionamento da bateria Assim quanto menor for a profundidade de descarga maior n mero de ciclos de funcionamento que a bateria realiza dessa forma maior a sua vida til As baterias de grande profundidade de descarga s o as mais apropriadas para os sistemas fotovoltaicos de gera o de energia el ctrica 45 sendo que para as baterias de cido chumbo uma descarga muito profunda que alcance n veis superiores aos pr estabelecidos
80. a o 3 3 reescrita resulta na equa o 3 4 dP d IV dI S ado E 3 4 a a a oe Dividindo cada membro da equa o 3 4 por V tem se a equa o 3 5 ldP 1 dl 3 5 VaV V av l No MPP como lt 0 a equa o 3 5 pode ser escrita em ordem a Aoo aTa dI 7 2 condut ncia incremental Da resulta a equa o 3 6 dI I aw oe 3 6 O ponto de maxima pot ncia pode assim ser controlado por meio da compara o da condut ncia instant nea I V com a condut ncia incremental dl dV Inicialmente s o obtidos os valores actuais da tens o Va k e corrente la k do m dulo fotovoltaico Depois s o calculadas as mudan as incrementais dl e dV subtraindo os valores actuais e os anteriores da tens o Va e corrente la Com base na equa o 3 6 no ponto de m xima pot ncia dI dV 1 V nenhuma ac o efectuada e os valores de Va k 1 e la k 1 s o actualizados e o algoritmo volta ao inicio Quando dI dV 1 V a tens o de sa da do m dulo fotovoltaico Va ajustada com um incremento no sentido de mover a tens o do painel fotovoltaico at tens o de m xima pot ncia Vmp Assim que o MPP alcan ado dV 0 o algoritmo for a o sistema a operar constantemente nesse ponto at que altera es clim ticas sejam detectadas Essas altera es s o detectadas atrav s de dlz0 e o ajuste da tens o de sa da Va depende do sinal de dl Este algoritmo de controlo MPPT ilustrado no fluxograma da
81. a o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 79 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Com base na equa o 3 14 que traduz a tens o na bobina di Ai Lo s 3 14 eat Coca ee At L v 3 15 Ai e considerando os dados acima e as equa es 3 16 3 17 3 18 calcula se o valor da bobina L do circuito ilustrado na Figura 3 27 Ai 0 21 3 16 v V V 3 17 1 At ton At d E 3 18 fs Substituindo as equa es 3 16 3 17 e 3 18 na equa o 3 15 obt m se a equa o 3 19 1 O condensador C4 em paralelo com o painel solar permite a este operar com uma corrente estabilizada Enquanto o MOSFET n o est a conduzir a corrente do painel carrega o condensador J quando o MOSFET est a conduzir o condensador fornece corrente que juntamente do painel igual corrente que atravessa a bobina L 58 Para calcular o valor deste condensador considera se que ele respons vel por metade da corrente que ir percorrer o MOSFET sendo neste caso 0 36A Com base na equa o 3 20 que define a corrente num condensador calcula se o valor da capacidade do condensador C4 80 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga dv Av SS dd ee ee gt 3 20 dt O At 9 20 Substituindo a equa o 3 18 na equa o 3 20
82. a fotovoltaica existem uma s rie de resist ncias no caminho da corrente atrav s do material semicondutor A resist ncia s rie Rs representa a resist ncia dos contactos met licos entre as c lulas e entre o painel e a carga 23 O efeito desta resist ncia tanto maior quanto o n mero de c lulas ligadas em s rie num m dulo fotovoltaico A resist ncia em paralelo Rp traduz a resist ncia dos cristais da jun o P N que constitui a c lula ou seja esta resist ncia descreve as perdas que surgem principalmente atrav s das perturba es el ctricas entre as diferentes partes da c lula O efeito desta resist ncia de menor evid ncia num m dulo fotovoltaico em compara o com a resist ncia em s rie Rs Contudo de elevada import ncia quando v rios m dulos s o ligados em paralelo para um sistema fotovoltaico mais amplo Figura 2 13 Modelo de dois d odos do circuito equivalente de uma c lula fotovoltaica Resumindo os efeitos dos componentes el ctricos adicionados neste modelo de circuito equivalente da c lula fotovoltaica e aplicando as leis de Kirchoff ao mesmo Figura 2 13 encontra se a equa o 2 8 26 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos V I Rs V I Rs V IRs I Isc Io es kT 1 Io je 2kT 1 era 2 8 poss vel reescrever a equa o 2 8 de forma mais simplificada combinando
83. ada e sa da do conversor Step Down 119 Figura 5 30 Tens o proporcional corrente na bobina IL 120 Figura 5 31 Tens o drain source do MOSFET Vps 120 Figura 5 32 Tens o no d odo Vp ereta 121 Figura 5 33 Curva caracter stica l V de um painel solar 121 Figura 5 34 Curva l V do conjunto fonte de tens o e resist ncia 122 Figura 5 35 Sinal PWM de duty cycle de 53 no ponto de m xima POLGNCIA EEE A EAA A 122 Figura 5 36 Valores entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 53 a tens o b tens o proporcional corrente 123 Figura 5 37 Sinal PWM de duty cycle de 10 abaixo do ponto de maxima POtENCIA aaa a a a e a aidan een eth a lees 123 Figura 5 38 Valores entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 10 a tens o b tens o proporcional corrente 124 Figura 5 39 Sinal PWM de duty cycle de 90 acima do ponto de m xima POL 64 5 otic ai te ded EAR RREO NDT uses de NBR Med MANES Coe evel we RS 124 Figura 5 40 Valores a entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 90 a tens o b tens o proporcional corrente 125 Figura 5 41 Bateria BT 12M7 2AT da Baote utilizada na disserta o 126 Figura 5 42 Conjunto de instru es para efectuar o processo d
84. ado 3 4 3 Conversor CC CC Step Down Como o pr prio nome indica o conversor CC CC step down tamb m denominado por conversor buck produz uma tens o de sa da m dia menor que a tens o de entrada Vi mantendo a mesma polaridade O circuito da Figura 3 21 representa um conversor step down para uma carga puramente resistiva Este constitu do por um semicondutor de pot ncia S um d odo D uma bobina L um condensador C e por uma resist ncia R que representa a carga Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 73 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga L Sinal de Controlo PWM Figura 3 21 Circuito el ctrico de um conversor step down para uma carga puramente resistiva Numa an lise mais detalhada o conjunto da bobina L com o condensador C apresenta um filtro passa baixo A frequ ncia de corte deste filtro deve ser muito menor do que a frequ ncia de comuta o do semicondutor de pot ncia permitindo desta forma diminuir a ondula o da sa da Este conversor assenta o seu funcionamento no armazenamento e descarga de energia na bobina L comportamento este que passa por controlar os per odos de condu o e de n o condu o do semicondutor de pot ncia S considerando o como interruptor ideal controlando assim o duty cycle do sinal PWM aplicado ao mesmo Desta forma podem identificar se dois estados distintos quanto ao funcio
85. ado com objectivo de efectuar uma simula o do mesmo para se efectuar um controlador adequado 3 2 Maximum Power Point Tracking A gera o de energia a partir de sistemas fotovoltaicos tem vindo a ganhar cada vez mais import ncia devido s suas in meras vantagens e utilizada numa grande variedade de aplica es No entanto o custo elevado da instala o e a baixa efici ncia de convers o das c lulas solares s o os 44 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga principais obst culos da gera o de energia atrav s de pain is fotovoltaicos Para melhorar a efici ncia energ tica e dessa forma reduzir os custos da energia gerada importante que os m dulos num sistema fotovoltaico operem o maior tempo poss vel no MPP Maximum Power Point e como j foi visto no Cap tulo 2 esse ponto varia ao longo do tempo dependendo das condi es de opera o relacionadas com a radia o solar e com a temperatura das c lulas fotovoltaicas Assim para garantir essa situa o necess ria utilizar um m todo que procure aquele ponto de funcionamento MPP mesmo com as altera es climat ricas A curva caracter stica l V dos m dulos fotovoltaicos representada na Figura 3 1 a azul indica que o ponto de funcionamento do m dulo fotovoltaico que o ponto de intercep o da curva l V com a linha da carga a ve
86. ados no MATLAB com base no modelo matem tico descrito na sec o 2 5 deste cap tulo para o m dulo fotovoltaico BP SX30U Existem outros factores que influenciam a curva caracter stica I V O valor da resist ncia s rie Rs influencia na inclina o da curva depois do ponto de m xima pot ncia e o efeito produzido pelo factor de idealidade do d odo tamb m considerado para dessa forma se conseguirem resultados mais aproximados da realidade 2 5 2 1 Efeito Produzido pela Radia o Solar A corrente gerada pelos pain is fotovoltaicos directamente dependente da intensidade da radia o solar Com a varia o da radia o solar incidente num painel ocorre uma varia o proporcional na corrente fornecida pelo mesmo A tens o de circuito aberto sofre poucas altera es com a varia o da radia o solar contudo nos casos em que a radia o solar baixa acontece um deslocamento do ponto de m xima pot ncia para valores mais baixos A Figura 2 19 ilustra um exemplo de curvas caracter sticas l V para v rias intensidades de radia o solar a uma temperatura constante de 25 C enquanto as curvas P V para as diversas densidades de pot ncia luminosa e 36 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos temperatura 25 C sao mostradas na Figura 2 20 M dulo Fotovoltaico BP SX 30U Curva caracter stica l 200Wim
87. ados tipos de baterias para variadas aplica es contudo nas instala es de energia solar as baterias de cido chumbo s o o tipo mais comum para o armazenamento de energia Estas baterias t m a melhor rela o pre o efeci ncia e conseguem assegurar e atestar elevadas e reduzidas correntes de carga com uma boa efici ncia 16 Devido a estas caracter sticas as baterias de cido chumbo s o as utilizadas ao longo desta disserta o e ser o estudadas de forma mais detalhada Ser o descritas caracter sticas relevantes tais como capacidade ciclos de opera o profundidade de descarga estado e processo de carga entre outras Um regulador de carga necess rio para limitar a profundidade de descarga da bateria para limitar a corrente de carregamento fornecida bateria e para evitar sobreaquecimento Este cap tulo explica tamb m o funcionamento das baterias sob o ponto de vista da modela o e ainda feita a compara o entre as diferentes tecnologias de constru o de baterias e respectivos modelos referindo as caracter sticas desej veis para as baterias em sistemas fotovoltaicos Diferentes abordagens ser o equiparadas para o estudo destes elementos fundamentais num sistema fotovoltaico aut nomo Neste cap tulo ser o ainda confrontadas topologias de conversores CC CC que melhor se enquadram no sistema fotovoltaico desenvolvido Depois da escolha da topologia que mais se adequa o conversor ser dimensionado e model
88. alho Seguidamente foi apresentado um estudo das principais caracter sticas e tecnologias associadas s baterias recarreg veis com vista a serem integradas em sistemas fotovoltaicos Depois de uma breve compara o entre os diferentes tipos de baterias conclui se que as baterias electroqu micas aproveitam melhor a energia gerada pelos pain is recaindo a escolha numa bateria de cido chumbo Estas s o habitualmente as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos de maneira a armazenar a energia gerada em per odos de insola o para a utilizar noite ou per odos com pouca radia o solar A escolha deste tipo de baterias prevalece sobre outras devido ao seu baixo custo quando comparadas com outro tipo de baterias electroqu micas Para garantir que a bateria funcione em condi es apropriadas normalmente especificadas pelo fabricante essencial incorporar no sistema um controlador de carga O tipo de controlo associado a este controlador de carga ser posteriormente implementado e explicado no Cap tulo 5 Foram tamb m apresentados os circuitos el ctricos equivalentes mais utilizados na literatura de forma a fazer uma modela o com vista sua posterior utiliza o na simula o do sistema apresentado no Cap tulo 4 Para finalizar este cap tulo apresentou se um estudo comparativo das topologias de conversores CC CC que melhor se adequam aos valores de corrente e tens o do sistema a implementar Com base nas especificida
89. am o sinal rodovi rio de sentido proibido equipado com a tecnologia LED implementado numa veroboard quando os LEDs se encontram desligados e acesos respectivamente ne AA ss obernatsssctinos nei EC het Figura 5 56 Sinal rodovi rio sentido proibido equipado com a tecnologia LED implementado numa veroboard com os LEDs apagados Figura 5 57 Sinal rodovi rio sentido proibido equipado com a tecnologia LED implementado numa veroboard com os LEDs acesos 5 8 Conclus es Neste cap tulo apresentaram se e foram caracterizados todos os passos executados durante a implementa o pr tica do sistema de ilumina o de LEDs de alto brilho alimentado por um sistema fotovoltaico Elaborou se uma 136 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais descri o geral de todo o sistema implementado destacando se duas unidades diferentes A unidade de comando composta por v rios circuitos que est o encarregues por todos os sinais de controlo gerados pelo microcontrolador PIC18F4431 dispositivo principal da unidade de comando O conversor CC CC step down que representa a unidade de pot ncia o outro circuito central do sistema que dependente do sistema de controlo que lhe aplicado atrav s do sinal PWM aplicado ao MOSFET realiza o rastreamento do ponto de m xima pot ncia atrav s do circuito MPPT efectua o proce
90. bateria foi realizado um controlo rigoroso com base no m todo dos 3 ciclos de carga corrente constante tens o constante e carregamento flutuante Durante cada ciclo deste processo existem grandezas que devem ser controladas para que a bateria opere em condi es apropriadas Desta forma para realizar o controlo destas grandezas foi implementado um controlador PID digital que apresentou uma boa din mica proporcionando desta forma o correcto funcionamento de carga e descarga da bateria Numa observa o geral do trabalho efectuado pode concluir se que os objectivos propostos inicialmente para este disserta o de mestrado foram atingidos Foi feito o levantamento do estado da arte da utiliza o de pain is fotovoltaicos como fontes de alimenta o em sistemas independentes de ilumina o com o estudo de diferentes topologias de liga es de pain is a receptores luminosos de corrente continua Elaborou se um estudo pormenorizado de circuitos MPPT com vista a posteriores simula es computacionais onde se investigaram variadas ferramentas e ao desenvolvimento pr tico destes circuitos com ambas as tarefas a apresentarem bons resultados Desenvolveu se um conversor electr nico de pot ncia da topologia step down capaz de utilizar a sa da do painel fotovoltaico para carregar uma bateria de cido chumbo de 12V e 7 2Ah de capacidade Depois desenvolveu se um circuito de interface entre a bateria e uma matriz de LEDs de alto brilho qu
91. ca em experi ncia efectuadas em campo e laborat rios grandes economias de energia maiores condi es de seguran a no tr nsito com maior visibilidade em condi es normais e adversas e menores custos de manuten o 11 Os Estados Unidos da Am rica desde 1992 que tem remodelado a sinaliza o rodovi ria substituindo as l mpadas incandescentes por LEDs e obtendo alto ndice de aprova o com a iniciativa A cidade de San Diego 8 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 1 Introdu o pioneira na instala o em larga escala da tecnologia LED na sinaliza o rodovi ria com a substitui o de mais de 32000 l mpadas incandescentes em LEDs sendo que todos os m dulos vermelhos e mais de 90 dos m dulos verdes foram alterados desde 1997 poupando mais de US 800000 anualmente em custos de energia pagando o investimento feito em 2 anos 12 Em Espanha a cidade de Santander foi das primeiras a instalar uma sinaliza o rodovi ria baseada em LEDs aproveitando um programa estatal que solicitou a substitui o de 3623 unidades o que permitiu que todos os sem foros da cidade fossem alterados 11 A C mara Municipal de Cascais impulsionada pela Ag ncia Municipal Cascais Energia apresentou no dia 20 de Janeiro de 2011 a conclus o do projecto Cascais Sem foro Eficiente no mbito do Plano de Promo o de Efici ncia Energ tica com a aprese
92. cis o ao modelo Contudo como o 68 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga funcionamento da bateria depende do ponto de funcionamento necess rio determinar Cp e Rpm em fun o da corrente de carga do SOC e da temperatura Em fun o disto necess rio efectuar v rios testes de carga e descarga em diferentes condi es de funcionamento o que torna o processo impl cito a este modelo num procedimento moroso Outro problema associado a este modelo o facto de n o garantir a validade dos valores obtidos durante todo tempo de vida til da bateria Para uma modela o mais apropriada deve analisar se o circuito equivalente de Th venin de uma bateria Este modelo exibido na Figura 3 18 c permite estudar o comportamento da tens o em baterias durante o ciclo de vida til da mesma 54 ao contr rio do que sucede com o modelo anteriormente mencionado As grandezas el ctricas que comp em este circuito s o a tens o de circuito aberto Vog a resist ncia interna da bateria Ri e a tens o em sobretens o dada pela combina o em paralelo da resist ncia Rpp e do condensador Cp O circuito equivalente de Th venin possibilita averiguar quais os principais elementos que condicionam o funcionamento das baterias contudo a utiliza o deste m todo em simula o causa resultados pouco v lidos visto que realiza uma ap
93. co 117 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais mais cr tica sofrida pelo conjunto painel solar bateria A Tabela 5 2 apresenta a diferen a entre o valor dos componentes dimensionados e utilizados na simula o efectuada no Simulink com o valor dos componentes utilizados na implementa o pr tica Tabela 5 2 Valor dos componentes do Step Down utilizados nas simula es e implementa o pr tica Valores utilizados Valores utilizados Componentes E nas simula es experimentalmente Condensador de entrada C1 7 7uF 10 uF electrol tico Condensador de sa da Cz 4 3uF 4 7uF polipropileno Bobina L 1 37mH 1 58mH Al m dos componentes calculados o conversor step down cont m ainda um semicondutor de pot ncia e um d odo O d odo utilizado foi o SB2060CT e o semicondutor de pot ncia o MOSFET STP12NM50 que apresenta como principais caracter sticas uma tens o m xima drain source de 500V uma corrente m xima pulsada na drain de 12A e uma resist ncia drain source Ras on de 0 320 A Figura 5 27 mostra a implementa o pr tica do conversor step down onde se pode verificar todos os componentes anteriormente descritos e E ave Condensador entrada ieee l aliti sss electrol tico dt trttrtTTT e i dy B s ad a Ao i Er Figura 5 27 Conversor CC CC Step Down implementado numa breadboard Diodo SB2060C
94. co 47 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga 3 2 1 2 Corrente de Curto Circuito SC Esta t cnica semelhante ao m todo Tens o Constante e o rastreamento do MPP conseguido atrav s da utiliza o da corrente de funcionamento do m dulo fotovoltaico la como fonte de controlo do conversor CC CC O fundamento deste algoritmo baseado numa rela o praticamente linear para diferentes n veis de radia o solar entre a corrente no ponto de m xima pot ncia Imp e a corrente de curto circuito Isc 34 Imp Kz Isc 3 2 Onde K gt um factor de rela o constante muito pr ximo do valor 1 mas sempre menor que 1 33 Quando a corrente de sa da do m dulo fotovoltaico aproximadamente 90 da corrente de curto circuito Isc o sistema fotovoltaico opera no MPP ou seja o valor mais comum de K2 0 9 33 Com o valor de K2 determinado a corrente no ponto de m xima pot ncia calculado com base na equa o 3 2 O fluxograma que caracteriza esta t cnica de rastreamento do MPP apresentado na Figura 3 4 In cio Figura 3 4 Algoritmo MPPT da t cnica Corrente de Curto Circuito SC Esta t cnica permite uma velocidade de seguimento do MPP suficiente r pida mas devido dificuldade de medir com precis o o valor de Is em situa es reais o rastreamento do ponto de m xima pot ncia n o muito 48 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sis
95. conversor CC CC do tipo step down capaz de fazer o interface entre o painel e a bateria de forma a elaborar um correcto processo de regula o da carga da bateria e tamb m extrair a m xima pot ncia proveniente do m dulo fotovoltaico atrav s Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 99 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais do controlo MPPT O sistema tem como consumidor final da energia gerada no m dulo fotovoltaico e armazenada na bateria de cido chumbo um sistema de ilumina o composto por uma matriz de LEDs de alto brilho que afiguram um sinal rodovi rio O sistema de controlo al m de realizar o processo de carga da bateria e de efectuar o seguimento do ponto de m xima pot ncia do painel produz o controlo do sistema de ilumina o enviando a intensidade do brilho a aplicar aos LEDs Matriz LED s Sistema Ilumina o M dulo Conversor Fotovoltaico Step Down Tens o e Corrente Sinal de Controlo Bateria PWM Unidade de Controlo Tens o e Corrente M dulo PV Sinal de Controlo Brilho LED s Controlo do Sistema MPPT Processo de Regula o da carga da Bateria Controlo Brilho dos HBLED s Figura 5 1 Diagrama de blocos do sistema implementado Em sistemas de ilumina o alimentados por m dulos fotovoltaicos a escolha dos componentes que o comp em muito importante para a racionaliza o dos cust
96. conversor CC CC step down a outra parte constituinte do sistema que dependente do sistema de controlo implementado efectua o circuito MPPT o controlador de carga da bateria e o controlo de Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 141 Cap tulo 6 Conclus es e Trabalho Futuro luminosidade dos LEDs do m dulo de ilumina o Inicialmente foi realizado um ensaio ao conversor step down com controlo em malha aberta ou seja com sinal PWM fixo de maneira a verificar o seu funcionamento como conversor abaixador de tens o Depois para cada circuito de controlo em malha fechada circuito MPPT controlador de carga da bateria e controlo de luminosidade dos LEDs foram efectuados ensaios independentes obtendo se os resultados esperados Devido utiliza o de uma fonte de tens o constante a emular o painel fotovoltaico para se verificar o funcionamento do circuito MPPT foi necess rio incluir no circuito uma resist ncia da mesma ordem de grandeza da carga do step down em s rie com a fonte para desta forma se obter uma curva caracter stica I V parecida com as curvas caracter sticas do painel fotovoltaico Assim o circuito MPPT efectuou a busca constante do ponto de m xima pot ncia dessa curva oscilando o sistema em torno deste devido utiliza o da t cnica Perturba o amp Observa o que proporciona precisamente esse facto Em rela o ao controlador de carga e descarga da
97. ctores climat ricos que influenciam directamente as caracter sticas el ctricas de um painel fotovoltaico s o a intensidade da radia o solar incidente e a temperatura das c lulas O modelo matematicamente simulado permite observar o comportamento da corrente tens o e da pot ncia sob condi es de temperatura e radia o solar diferentes das condi es padr es de teste radia o solar incidente de 1000W m e temperatura da c lula de 25 C Al m destes factores referidos existem outros Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 139 Cap tulo 6 Conclus es e Trabalho Futuro agentes que foram considerados e que influenciam as curvas caracter sticas l V e P V como o caso da resist ncia s rie Rs e o factor de idealidade do d odo D para assim se conseguirem resultados mais aproximados das curvas apresentadas no datasheet do painel solar fotovoltaico BP SX30U Devido s caracter sticas de funcionamento dos pain is fotovoltaicos estudadas no Cap tulo 2 verificou se que o ponto onde a pot ncia m xima gerada n o constante variando com a temperatura e radia o solar incidente no painel Assim no Cap tulo 3 foi apresentada uma an lise detalhada das t cnicas de controlo a aplicar a sistemas fotovoltaicos de forma a extrair a m xima pot ncia proveniente dos pain is fotovoltaicos As t cnicas analisadas foram a Tens o Constante CV Corrente de Curto
98. da por Sistema Fotovoltaico CAPITULO 5 Implementacao e Resultados Experimentais 5 1 Introdu o Neste cap tulo ser o abordados e descritos os passos com base em tudo que foi exposto nos cap tulos anteriores com o objectivo de caracterizar os diferentes componentes e sistemas envolvidos na implementa o do sistema de ilumina o de LEDs de alto brilho alimentado por um sistema fotovoltaico Inicialmente apresenta se uma descri o de todo o sistema implementado incidindo o mesmo em duas partes distintas A primeira parte exp e a unidade de comando respons vel por efectuar todo o controlo a enviar para o semicondutor de pot ncia do conversor CC CC step down que representa a segunda parte de maneira a extrair o ponto de m xima pot ncia do m dulo fotovoltaico de efectuar o processo de carga da bateria e de controlar a intensidade luminosa dos LEDs do m dulo de ilumina o 5 2 Descri o Geral do Sistema Implementado O sistema proposto tem como objectivo gerar energia proveniente do sol atrav s de um painel fotovoltaico durante o dia e alimentar um sistema de ilumina o composto por LEDs de alto brilho incorporados num sinal rodovi rio durante a noite Desta forma necess rio agrupar ao sistema uma bateria de cido chumbo para efectuar o armazenamento da energia A Figura 5 1 representa o diagrama de blocos do sistema proposto que constitu do por um m dulo fotovoltaico composto por um painel solar um
99. dade grande de caracter sticas 9 N o compete sinaliza o do tr nsito corrigir as imperfei es da via sobretudo de concep o e constru o mas sim funcionar como um sistema de comunica o entre a estrada e o condutor A efic cia deste sistema depende da qualidade com que a sinaliza o projectada e pela qualidade de recep o por parte do condutor De maneira a minimizar a falta de efic cia destes sistemas a sinaliza o rodovi ria dever ser simples uniforme homog nea e coerente Neste sector uma sinaliza o urbana com as caracter sticas anteriormente especificadas dever proporcionar uma boa fluidez do tr nsito garantindo em simult neo 6 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 1 Introdu o uma maior seguran a rodovi ria de forma a reduzir a sinistralidade flagelo que tanto tem preocupado as entidade associadas a este tipo de causas A utiliza o de LEDs na sinaliza o rodovi ria uma tecnologia cada vez mais utilizada tendo vindo a substituir as l mpadas convencionais utilizadas nos sinais de tr nsito Esta tecnologia tem entre outras vantagens garantir uma maior e melhor visibilidade diurna e nocturna em condi es normais mas principalmente em condi es adversas Al m da observ ncia destes princ pios os dispositivos utilizados na sinaliza o rodovi ria podem ser combinados e alimentados por sistemas sola
100. dando assim resultado s curvas caracter sticas l V e P V do painel fotovoltaico Como referido anteriormente o conversor step down efectua o interface entre o painel solar e o barramento CC e foi simulado a partir do seu circuito Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 97 Cap tulo 4 Simula es Computacionais el ctrico com os valores calculados no dimensionamento efectuado no Cap tulo 3 Efectuaram se simula es com o sistema a funcionar em malha aberta com um sinal PWM fixo e com o circuito de controlo MPPT em funcionamento de forma a rastrear o ponto de m xima pot ncia da curva caracter stica P V do painel solar apresentando para ambas as simula es bons resultados Para o circuito de controlo MPPT foi desenvolvido um bloco program vel com o algoritmo da t cnica de Perturba o amp Observa o Para simular a bateria a bateria de cido chumbo de 12V foi utilizado o modelo gen rico para baterias recarreg veis dispon vel no pacote Power Systems do Simulink A escolha pela utiliza o do Simulink do MATLAB na simula o computacional do sistema teve efeitos muito positivos Al m de se tratar de uma ferramenta utilizada para modelagem simula o e an lise de sistemas din micos apresentou se um software bastante interessante oferecendo uma interface gr fica amig vel para o utilizador 98 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimenta
101. des do painel fotovoltaico BP SX30U em conjunto com a faixa de opera o da tens o numa bateria de 12V nominal decidiu se pela escolha de um conversor CC CC Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 83 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga step down em detrimento de um buck boost que tamb m se poderia enquadrar nas necessidades do projecto A prefer ncia pelo step down deveu se essencialmente maior facilidade de implementa o pr tica Depois da escolha do conversor CC CC a utilizar foi feita uma exposi o te rica do step down e de como controlar a sua tens o de sa da de forma a atingir um valor pretendido O m todo de controlo usado para alterar o valor do duty cycle a aplicar ao semicondutor do conversor foi o PWM de forma a atingir os valores pretendidos tanto para o processo de carga e descarga da bateria como para o rastreamento do ponto de m xima pot ncia do painel fotovoltaico Foram ainda dimensionados os componentes que comp em o conversor step down com base na condi o mais cr tica do conjunto painel solar bateria que acontece quando existe m xima radia o solar sobre o painel e a bateria est completamente descarregada 84 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico CAPITULO 4 Simula es Computacionais 4 1 Introdu o Com uma inova o geral da tecnologia que representa uma di
102. do mercado devido principalmente ao seu baixo custo e a sua grande disponibilidade no mercado para uma larga variedade de aplica es 36 As baterias de cido cnumbo s o denominadas por este nome pois a sua mat ria activa o chumbo e seus respectivos compostos Estas baterias s o constitu das por um conjunto de c lulas ou elementos que s o as unidades electroqu micas mais b sicas Desta forma uma bateria de cido chumbo composta por uma placa el ctrodo positiva designada de c todo de di xido de chumbo PbOz uma placa negativa de chumbo Pb chamada de nodo e o electr lito que o condutor i nico constitu do por uma solu o aquosa de cido sulf rico H gt SO4 providenciando o meio de transfer ncia de carga entre o nodo e o c todo Ambos os el ctrodos de polaridades opostas podem conter uma certa percentagem de antim nio Sb na sua composi o 36 A raz o principal para a utiliza o deste suplemento nas placas que ele aumenta significativamente a vida til da bateria A Figura 3 10 mostra a estrutura base de uma bateria de cido chumbo retirada dos cat logos das baterias Varta 42 Tampa com v lvula de seguran a da Pla m e desgasifica o centralizada Conjunto de placas positivas tampa robustas Bloco de placas Conjunto de placas negativas Placa negativa ae negativa no Placa positiva com n o tecido de microvidro Grelha positiva Figura 3 10 Corte trans
103. do com base no HCPL 3120 108 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais E E Acoplador pe eum HCPL3120 FER e os 4 had ant oe ee em od miie i mo A i Figura 5 13 Placa do circuito acoplador ptico Como referido anteriormente os resultados previstos do circuito acoplador ptico passam por transformar um sinal de PWM com valor o valor do duty cycle definido pelo PIC18F4431 num sinal com um valor de tens o superior para aplicar gate do MOSFET do conversor step down O sinal PWM gerado no microcontrolador apresenta uma tens o de O ou 5V como se verifica na Figura 5 14 e ao ser enviado para o circuito acoplador ptico apresenta sa da do mesmo n veis de tens o de 0 ou 16V Figura 5 15 a CH1 Pk Pk 4 587 Mean 2 73 Period 50 20 us Freg 19 92kHz Figura 5 14 Sinal PWM a sa da do microcontrolador PIC18F4431 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 109 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Quando sa da do PIC o sinal de PWM se encontrar com OV ser o tamb m OV a aplicar ao MOSFET do conversor mantendo o semicondutor no estado de n o condu o Por outro lado quando o microcontrolador apresentar um sinal de PWM no n vel l gico alto 5V ser o aplicados gate do MOSFE
104. dovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 55 Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga nenhuma radia o solar garantindo o fornecimento constante de energia Outra fun o que as baterias podem exercer num sistema fotovoltaico fornecer corrente mais elevada carga que a corrente m xima produzida pelos pain is fotovoltaicos Assim as c lulas solares em conjunto com o banco de baterias trabalham para fornecer energia carga de forma mais constante ou intensa do que poderia ser gerada exclusivamente pelo painel fotovoltaico O sistema de armazenamento de energia nos sistemas fotovoltaicos aut nomos tem um car cter relevante quando tamb m analisada a parcela de participa o nos custos totais do sistema Numa primeira fase o investimento inicial para a instala o do sistema est principalmente centralizado no componente de gera o de energia el ctrica ou seja nos pain is fotovoltaicos A Figura 3 9 a mostra a participa o percentual dos v rios elementos que comp em o sistema fotovoltaico no momento do investimento inicial 39 Perante outro ponto de vista se forem considerados os custos de manuten o do sistema ou seja se for feita uma an lise do investimento do custo do ciclo de vida para cada componente do sistema e considerando uma reposi o do sistema de armazenamento de energia a cada quatro anos os custos anuais em baterias aproximado aos dos pain
105. e a superf cie terrestre com uma pot ncia inferior em cerca de 30 da registada no topo da mesma com um valor a rondar os 1000W m Esta radia o que atinge o solo constitu da por tr s elementos radia o directa que toca directamente a superf cie radia o difusa que desviada em diferentes direc es pelos componentes da atmosfera e a radia o reflectida proveniente da reflex o no solo de objectos circundantes A radia o solar tem uma distribui o espectral constitu da por raios ultra violetas 7 luz vis vel 47 e raios infra vermelhos 46 1 Com base nas potencialidades proporcionadas pelo Sol a energia solar a fonte de energia limpa mais promissora e uma das melhores respostas actual depend ncia das fontes de energia tradicionais A energia solar utilizada para produzir calor ou electricidade atrav s de colectores ou pain is solares fotovoltaicos respectivamente A energia solar fotovoltaica converte a energia solar directamente em corrente el ctrica atrav s de materiais semicondutores como o sil cio Actualmente o foco mais importante da oferta energ tica do sector nas centrais fotovoltaicas Por m esta maneira de gerar energia el ctrica da mesma forma interessante na perspectiva da produ o descentralizada ao n vel da micro e da minigera o Esta produ o pode ser integrada na rede el ctrica atrav s de sistemas em edif cios e espa os urbanos mas a produ o descentral
106. e carga da patela id ie Ba re i at ta ech e nn hontai atid en Eaa 127 Figura 5 43 Diagrama de blocos do controlador PID paralelo 64 129 Figura 5 44 Fluxograma representativo do controlo PID digital aplicado ao processo de carga da bateria baseado no m todo dos 3 est gios 130 Figura 5 45 Mensagem de in cio do controlo PID para o 1 est gio Corrente Constante do processo de carregamento da bateria 131 Figura 5 46 Coloca o da corrente IgiK no valor de refer ncia 0 72A com a utiliza o de um re stato na sa da do conversor step down 131 Figura 5 47 Tens o proporcional corrente que carrega a bateria Is k Figura 5 48 Tens o aos terminais da bateria quando aplicada a corrente IFLoar No 1 est gio do processo de carga da bateria 132 Figura 5 49 Tens o aos terminais da bateria quando o algoritmo de xviii Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Lista de Figuras controlo passa do 1 para o 2 est gio do processo de carga da bateria 132 Figura 5 50 Sequ ncia de mensagens amostradas no LCD durante o est gio de corrente constante para o carregamento da bateria 133 Figura 5 51 Mensagem de in cio do controlo PID para o 2 est gio Tens o Constante do processo de carregamento da bateria 133
107. e descargas demasiado profundas assim como imprescind vel para gerir a capacidade dispon vel Quando uma bateria permanece durante um bom per odo de tempo em repouso isto sem ser descarregada nem recarregada a tens o de circuito aberto reveladora do estado de carga actual 37 Desta forma o gr fico da Figura 3 15 adaptado do manual t cnico das baterias da Unipower 46 mostra que a tens o de circuito aberto e o estado de carga exibem um comportamento linear Tens o de circuito aberto V Estado de carga Figura 3 15 Estado de carga e tensao de circuito aberto de uma bateria Como referido anteriormente o comportamento das baterias nao linear e varia tamb m pelo seu estado de carga O estado de carga complementar Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 65 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga ao valor da profundidade de descarga ou seja a capacidade dispon vel numa bateria expressa como percentagem da capacidade nominal da mesma Assim e tomando como exemplo se forem retirados 20Ah de uma bateria de capacidade nominal 100Ah o novo estado de carga de 80 3 3 2 5 Processo de Carga Devido gera o n o linear de energia pelos pain is as baterias empregues nos sistemas fotovoltaicos est o sujeitas as mais diversas condi es operacionais desta forma os processos de carga para aplica es fotovol
108. e emularam um sinal de tr nsito rodovi rio Em termos 142 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 6 Conclus es e Trabalho Futuro experimentais todos os sistemas desenvolvidos apresentaram um funcionamento dentro daquilo que era esperado proporcionando por isso resultados satisfat rios 6 2 Sugest es de Trabalho Futuro Para o desenvolvimento futuro e numa perspectiva enriquecedora do trabalho efectuado sugerem se como propostas de trabalho futuro algumas ideias Seria interessante efectuar uma an lise ainda mais detalhada das topologias de sistemas fotovoltaicos para se incorporar ao projecto desta disserta o um inversor CC CA e desta forma englobar no sistema um barramento de CA para efectuar a liga o a cargas de CA No que diz respeito a simula es computacionais seria interessante utilizar outras ferramentas de simula o como s o o caso do PSim e do PSCAD e comparar os resultados com os apresentados nesta disserta o para posteriormente se verificar perante as montagens pr ticas qual das ferramentas se aproxima mais da realidade Ainda em termos de simula es computacionais sugere se a simula o de todas as t cnicas de controlo MPPT descritas nesta disserta o formando se desta forma uma opini o mais consistente dos v rios m todos com o intuito de escolher o mais apropriado para uma posterior implementa o pr tica Na implementa o pr
109. e forma a realizar um estudo comparativo entre as v rias t cnicas para posteriormente nesta disserta o se efectuar a implementa o quer em simula es quer experimentalmente Apesar da facilidade de implementa o as t cnicas CV e SC apresentam um processo 82 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga de calculo do valor de k complexo apresentando tamb m baixa efici ncia para al m de outras desvantagens Apresentado custos relativamente aceitaveis conjugado com a facilidade de implementa o a t cnica de Perturba o e Observa o torna se um m todo bastante utilizado no rastreamento do MPP A efici ncia desta t cnica tamb m traduz uma vantagem embora se possa complicar o seu funcionamento quando as condi es atmosf ricas variam rapidamente Elevada efici ncia apresenta tamb m a t cnica de Condut ncia Incremental que manifesta um funcionamento preciso e capaz de operar exactamente no ponto de m xima pot ncia ao contr rio da t cnica P amp O Contudo quando comparado com as outras t cnicas torna se bem mais complexa o que representa maiores dificuldades na fase de implementa o Considerando todos os pr s e contras das t cnicas analisadas nesta disserta o optou se pela utiliza o do m todo P amp O pois esta t cnica possibilita de forma satisfat ria responder s exig ncias do trab
110. e se come ar este processo o PIC18F4431 iniciado com as vari veis valores e m dulos imprescind veis para desenvolver tudo o funcionamento e monitoriza o do sistema O valor da corrente lpar e da tens o Vpar da bateria s o medidas atrav s do m dulo ADC em modo de leitura simult nea para que ambas as grandezas sejam calculadas ao mesmo tempo definido o valor m nimo e m ximo do duty cycle a aplicar ao MOSFET do conversor step down com o m dulo PWM iniciado com uma frequ ncia de 20kHz e Tens o VBAT da bateria VocT 13 5V VFLOAT 14 4V 0 72A ITRIC 0 072A t ncia de sa da fotovoltaico Controlo PID r incial de IFLOAT Figura 5 42 Conjunto de instru es para efectuar o processo de carga da bateria Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 127 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Caso a corrente na bateria Ipat apresente um valor superior corrente definida para o carregamento lFLoar necess rio reduzir a pot ncia proveniente do painel fotovoltaico para reduzir a corrente de forma a evitar danificar a bateria Para isso reduzido o duty cycle do sinal PWM a aplicar os MOSFET do conversor step down O controlo do processo de carga limita as tens es a que est submetida a bateria aumentando assim o seu ciclo de vida mas se a tens o da bateria Vesar sobe acima do n vel de tens o
111. echo dos seus semicondutores de pot ncia os conversores est ticos s o capazes de elevar ou abaixar um determinado n vel de tens o ou corrente cont nua transformar uma tens o alternada em cont nua ou uma tens o cont nua em alternada com amplitude e frequ ncia desejadas Estes conversores s o utilizados em muitas aplica es como s o exemplo disso as fontes de alimenta o CC UPS s aplica es para motores CC sistemas fotovoltaicos etc Os conversores est ticos podem operar no modo tens o ou no modo corrente No modo tens o a vari vel de controlo a tens o de sa da e o conversor funciona como uma fonte de tens o No modo de corrente a vari vel de controlo a corrente de sa da e o conversor opera como uma fonte de corrente equivalente 40 Nos sistemas fotovoltaicos utilizam se tipicamente dois tipos de 70 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga conversores est ticos os conversores CC CC e os conversores CC CA Como este trabalho apenas considera a pot ncia proveniente do painel fotovoltaico para o carregamento de uma bateria ser o apresentadas unicamente considera es sobre os conversores CC CC 3 4 1 Topologias de Conversores CC CC Os conversores comutados de corrente cont nua s o circuitos electr nicos n o lineares que s o essencialmente compostos por semicondutores de pot ncia
112. el ctrica passar a ser produtor e vender o excesso Rede El ctrica Nacional Em Maio de 2010 j se encontravam certificados cerca de 7000 produtores que correspondem a uma produ o total de 24MW 6 Ao abrigo do regime da microprodu o os Jardins de S o Bartolomeu em Lisboa inauguraram a 18 de Mar o de 2009 16 unidades de microprodu o tornando se no maior microprodutor nacional com a instala o de 288 pain is fotovoltaicos correspondentes a uma pot ncia de pico de 58 8kW e uma produ o el ctrica de 80 MWh ano 6 Evidenciam se ainda entre os pequenos produtores a Escola Alem de Lisboa com 24 75kW e o Pal cio de Bel m com uma pot ncia de pico de 20kW 7 No que diz respeito a produ o de energia el ctrica centralizada Portugal possui na zona do Alentejo duas centrais fotovoltaicas No distrito de Beja a central fotovoltaica de Serpa ocupa uma rea de 60 hectares numa das zonas de Portugal onde se verificam os valores mais elevados de radia o solar Esta Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 5 Cap tulo 1 Introdu o central cont m 52000 pain is fotovoltaicos com uma pot ncia total instalada de 11MWp e a energia el ctrica produzida anualmente suficiente para alimentar cerca de oito mil habita es e quintas na regi o 8 Situada na freguesia da Amareleja concelho de Moura a central fotovoltaica de Moura considerada uma das maiores do
113. entral nos sistemas fotovoltaicos isolados e nos componentes que o comp em Os sistemas de sinaliza o rodovi ria combinados com os sistemas fotovoltaicos normalmente abdicam da liga o rede el ctrica evitando escava es e obras muito elaboradas 2 2 Sistemas Fotovoltaicos Os sistemas fotovoltaicos s o geralmente classificados de acordo com as suas exig ncias funcionais e operacionais com a configura o dos seus variados componentes e como o equipamento est ligado a outras fontes de energia e a cargas el ctricas Os sistemas fotovoltaicos podem ser projectados para fornecer corrente continua CC e ou corrente alternada CA podendo funcionar interligados com a rede el ctrica ou independente da mesma como podem ser conectados com sistemas de armazenamento de energia e com outras fontes de energia Assim os sistemas fotovoltaicos podem ser aplicados em diversas situa es todavia as duas principais classifica es s o sistemas ligados rede el ctrica e sistemas aut nomos A Figura 2 2 ilustra tr s diferentes aplica es de sistemas fotovoltaicos aut nomos Com a liga o de pain is fotovoltaicos com outras fontes de energia surge outra configura o importante a ser considerada que se designa por sistemas fotovoltaicos h bridos A Figura 2 3 mostra um sistema fotovoltaico h brido com liga o rede el ctrica Cada configura o acima citada poder ser de complexidade vari vel e fazer uso de component
114. es diversos Desta forma a op o por qualquer uma delas depender da aplica o do sistema e da disponibilidade de recursos energ ticos Figura 2 2 Sistemas fotovoltaicos aut nomos 14 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Figura 2 3 Sistema fotovoltaico hibrido 2 2 1 Sistemas Fotovoltaicos Ligados a Rede El ctrica Os sistemas fotovoltaicos ligados rede el ctrica como o ilustrado no diagrama de blocos da Figura 2 4 normalmente fazem uso de um n mero consider vel de pain is fotovoltaicos Estes sistemas habitualmente n o utilizam elementos armazenadores de energia pois toda a energia gerada injectada na rede atrav s de um inversor que serve de interface entre o painel e a rede ajustando as formas de onda das grandezas el ctricas CC do painel as formas de onda CA exigidas pela rede Este tipo de sistemas configuram se na realidade como uma pequena central de produ o de energia el ctrica e com isso tem vindo a ganhar cada vez mais relevo na sociedade actual contando actualmente com muitos utilizadores pois existe uma aposta estrat gica nas energias renov veis anunciadas pelos Governos como referido anteriormente A energia que gerada pelos sistemas fotovoltaicos que est o ligados rede el ctrica ou consumida pelo utilizador ou injectada na rede No caso da injec o directa na rede e com base nos
115. estabiliza o da tens o de sa da do conversor para evitar ainda mais instabilidades no controlo MPPT 37 A Figura 3 8 mostra o fluxograma da t cnica Perturba o e Observa o 54 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga In cio cular Pot ncia a k la k Va k 1 Pa k Pa k 1 a Va k Va k 1 k Va k 1 AV kk Va k 1 AV k Va k 1 AV k Va k 1 AV A a k 1 la k Figura 3 8 Algoritmo MPPT da t cnica Perturba o e Oberva o P amp O 3 3 Baterias Como tecnologia de armazenamento de energia el ctrica as baterias electroquimicas sao as mais antigas contudo ainda hoje as mais utilizadas Para uma defini o muito superficial as baterias podem ser classificadas em dois tipos baterias prim rias de uso nico n o recarreg veis e baterias secund rias que podem ser recarregadas 38 O armazenamento de energia um tema central no aproveitamento da energia solar nos sistemas fotovoltaicos aut nomos dado que a produ o e o consumo de energia n o coincidem quer ao longo do dia quer ao longo do ano 16 As baterias nos sistemas fotovoltaicos s o utilizadas como sistema de armazenamento de energia gerada pelos pain is fotovoltaicos durante o dia tornando a posteriormente utiliz vel noite ou em per odos de pouca ou Sinaliza o Ro
116. feitos de c lculo tem como entradas o valor da temperatura e da radia o solar incidente no painel Como sa das obt m se a corrente e a tens o provenientes do painel solar fotovoltaico BP SX30U O d odo garante que a corrente apenas circule no sentido painel solar barramento CC e n o ao contr rio O d odo de bloqueio foi simulado como tendo uma queda de tens o de 0 7V e uma resist ncia de condu o de 15mQ Com base nos c lculos efectuados para o dimensionamento do conversor step down no Cap tulo 3 o condensador de sa da do painel solar apresenta um valor de 10uF 86 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais Pot ncia Pa Tens o Va Radia o Solar Corrente la Gr fico P V Temperatura Gr fico I V M dulo Fotovoltaico Figura 4 2 Painel solar fotovoltaico BP SX30U implementado no Simulink A Figura 4 3 apresenta as curvas caracter sticas l V e P V resultantes da simula o do painel solar fotovoltaico BP SX30U com 1000 W m de radia o solar incidente a uma temperatura de 25 C Gr fico 1 V ER gt gr fico p v X Y Plot X Y Plot ty nn ty o No nn N um an n s o i o i l a Corrente A 10 15 10 15 Tens o 4 Tens o 4 a b Figura 4 3 Curvas caracteristicas do painel fotovoltaico BP SX30U 1000 W
117. funcionando como interruptores e por elementos passivos que armazenam temporariamente a energia transferida entre a fonte de entrada e a carga Tipicamente os conversores s o utilizados para fornecer tens es cont nuas reguladas a partir de uma fonte de tens o cont nua n o regulada As topologias dos conversores CC CC diferenciam se pelo modo como estes elementos est o ligados entre si Existem tr s topologias b sicas de conversores CC CC que s o conversor abaixador de tens o conhecido como Step down ou Buck conversor elevador de tens o denominado como Step up ou Boost e o conversor abaixador elevador designado como Buck boost A Figura 3 19 a ilustra a topologia de um conversor Step down a Figura 3 19 b mostra a topologia de um conversor Step up enquanto a Figura 3 19 c exibe a topologia de um conversor Buck boost a b Figura 3 19 Topologias b sicas dos conversores CC CC a Step down b Step up e c Buck boost Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 11 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Nas figuras anteriores S representa o semicondutor de pot ncia que funciona como interruptor L uma bobina para o armazenamento de energia C um condensador que actua como filtro de sa da D um diodo iL t a corrente que atravessa a bobina Vi a tens o de entrada e Vo a tens o de sa da aos terminais da carga R Conforme
118. ga a diferen a carrega o condensador C Pelo contr rio enquanto a corrente i for menor que a corrente na carga o condensador descarrega se com o intuito de manter constante a corrente na carga A Figura 3 23 mostra as formas de onda do conversor step down no modo de condu o cont nua em que a corrente que atravessa a bobina L flui continuamente e nunca se anula l t gt 0 Vi Ts gt Figura 3 23 Formas de onda da tensao e corrente na bobina do conversor step down em modo de condu o cont nua Caso a corrente na bobina atinja o valor O diz se que o conversor esta em modo de condu o descont nuo O modo de condu o cont nuo bastante importante e muito utilizado pois perante este facto existe uma rela o entre o duty cycle d e a tens o m dia de sa da Vo Quando o interruptor est ligado durante um per odo de dura o ton Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 75 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga resulta numa tens o positiva V_ V Vo atrav s da bobina L como se verifica pela Figura 3 22 a Por m quando o interruptor desligado a corrente i continua a fluir devido ao armazenamento de energia na bobina Esta corrente flui atrav s do d odo D e Vi Vo 55 56 Em regime permanente as formas de onda devem repetir se pelos per odos de tempo seguintes O integral da tens o V na bobina d
119. i i i E i 0 5 10 15 Vmp 20 Tens o do M dulo Vv Figura 2 18 Simula o no MATLAB da curva P V e respectivo MPP do m dulo fotovoltaico BP SX30U 1000 W m e 25 C Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 35 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Perante as Figura 2 17 e Figura 2 18 que representam as curvas caracter sticas l V e PV respectivamente observa se que a uma radia o solar incidente de 1000W m e temperatura constante de 25 C a pot ncia fornecida pelo painel de 30 02W conforme estabelece o fabricante As curvas l V e P V tamb m se aproximam muito das curvas fornecidas pelo fabricante 2 5 2 Efeitos Meteorol gicos nas Caracter sticas El ctricas dos M dulos Fotovoltaicos Existem dois factores climat ricos que influenciam directamente as caracter sticas el ctricas de uma c lula fotovoltaica e portanto de um painel fotovoltaico Esses factores como j referido anteriormente s o a intensidade da radia o solar incidente e a temperatura das c lulas fotovoltaicas O modelo matem tico modelado anteriormente permite observar o comportamento da corrente tens o e da pot ncia sob condi es de temperatura e radia o solar diferentes das condi es padr es de teste radia o solar incidente de 1000W m e temperatura da c lula de 25 C Os resultados apresentados das curvas caracter sticas l V em v rias condi es clim ticas foram simul
120. ias secund rias podem ser regeneradas ou seja atrav s da aplica o de uma corrente el ctrica nos seus terminais pode reverter as reac es respons veis pela gera o de energia e dessa forma recarregar a bateria 40 Nos sistemas fotovoltaicos de gera o de energia el ctrica utilizam se baterias que podem ser recarregadas ou seja baterias secund rias Os tipos de baterias divergem nas suas caracter sticas no que diz respeito a seguran a densidade energ tica pot ncia custo vida til e facilidade de integra o 23 Estas caracter sticas s o os factores principais a ter em conta na escolha do tipo a utilizar nos sistemas fotovoltaicos Entre variados tipos de baterias secund rias as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos s o as de cido chumbo n quel c dmio e as de l tio Na Tabela 3 1 adaptada de 41 apresenta se uma compara o dos diferentes tipos de baterias referidos Tabela 3 1 Compara o entre os diferentes tipos de baterias cido L tio Chumbo mao 2 1 To pemsiiatemen ica ECO O DO ESSES RU o 1 44 Muito Bom Bom 0 Satisfat rio Mau Muito Mau Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 57 Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga 3 3 2 Baterias de cido Chumbo As baterias de cido chumbo sao as mais utilizadas para o armazenamento de energia em sistemas fotovoltaicos contendo 90
121. ico do Simulink durante o carregamento da bateria Onde E representa a tens o de circuito aberto da bateria V Eo a tens o inicial da bateria V K caracteriza a tens o de polariza o da bateria V Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 95 Cap tulo 4 Simula es Computacionais Q a capacidade da bateria Ah it representa a carga moment nea da bateria Ah A descreve a tens o exponencial da bateria V B a capacidade exponencial da bateria Ah A Figura 4 19 ilustra a curva de descarga de uma bateria de cido chumbo 12V nominal com uma capacidade de 7 2Ah Curva de Descarga da Bateria i Capacidade na Capacidade 0 2 tens o nominal 6 nominal 8 Corrente Ah 100 Figura 4 19 Curva de descarga da bateria Inicialmente quando a bateria esta totalmente carregada acontece uma queda de tensao brusca que representa a tensao exponencial da bateria Depois a area que se encontra a cinzento caracteriza a carga que pode ser extra da da bateria at que a tens o atinja o seu valor nominal A terceira fase descreve a descarga total da bateria Quando descarregada a bateria recarrega se com uma corrente de 0 72A ou seja 10 da sua capacidade nominal como mostra a Figura 4 20 Corrente que carrega a bateria 0 8 _ 06 x z S 04 5 oO 0 2 i 3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tempo s Figura 4 20 Corrente
122. insola o sobre o painel G 1000 W m e a bateria est completamente descarregada Desta forma todos os c lculos para o dimensionamento dos componentes que comp em o conversor step down t m como base esta premissa A Figura 3 27 ilustra um sistema fotovoltaico composto por um painel fotovoltaico um conversor step down e uma bateria Sinal de Controlo PWM Conversor CC CC Step Down Figura 3 27 Esquema el ctrico do sistema fotovoltaico implementado As caracter sticas do painel solar dimensionado para este sistema de tens o de circuito aberto Voc de 21V e uma tens o de m xima pot ncia Vmp de 16 8V A bateria considerada totalmente descarregada com uma tens o a rondar aproximadamente os 10 5V Vorr Desta forma surge a equa o 3 13 que representa o menor valor do duty cycle d para o conjunto painel solar bateria ae E eens 3 13 min Vi 16 8 3 Como referido anteriormente as caracteristicas principais da bateria utilizada nesta disserta o sao de 12V de tens o nominal e 7 2Ah de capacidade Estas baterias podem ser carregadas sem controlo da temperatura desde que seja efectuada carga lenta 57 A recomenda o carregar com uma corrente de 10 da capacidade total numa hora ou seja 0 72A A caracteristicas gerais escolhidas para o sistema s o de uma frequ ncia de opera o de 20kHz e de uma varia o de corrente Al de 20 para a pot ncia nominal Sinaliz
123. ional corrente Ainda com o sistema a funcionar em malha aberta alterou se o duty cycle do sinal PWM para 90 Figura 5 39 ou seja com um valor superior ao verificado no sistema com controlo em malha fechada 1 CH1 Pk Pk 15 64 Mean 13 5 Period 50 20 us Freg 13 92kHz Figura 5 39 Sinal PWM de duty cycle de 90 acima do ponto de m xima pot ncia 124 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Nestas circunst ncias o conversor step down apresenta entrada uma tens o de 5 59V como prova a Figura 5 40 a e uma corrente de 153mA como ilustra a Figura 5 40 b o que resulta numa pot ncia de 0 86W MATH Off MATH Off A sean a A ea det a pd Freq Freq CHI CHI RMS RMS 5 59 153my CH Off CH Off Le ms RMS MATH Off MATH Off None None CH CHI None None a b Figura 5 40 Valores entrada do conversor step down com um sinal PWM de duty cycle 90 a tens o b tens o proporcional corrente Com a impossibilidade de utilizar um painel fotovoltaico utilizou se uma fonte de tens o em s rie com uma resist ncia da mesma ordem de grandeza da carga sa da do conversor como referido anteriormente Assim devido a esta situa o limitou se a corrente e consequentemente a pot ncia fornecida ao conversor CC CC step down com os ensaios realizados a apresentar valores de baixa
124. is da bateria 14 4V no 2 est gio do processo de carga 1 1 CH1 200m Div CH1 200my Div M 2 505 M 2 505 Figura 5 53 Tens o proporcional corrente na bateria no 2 est gio do processo de carga a eee ve PE Figura 5 54 Sequ ncia de mensagens amostradas no LCD durante o est gio de tens o constante para o carregamento da bateria 134 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Assim que a corrente igualar o valor de Itric ou seja 0 072 o algoritmo muda para o est gio final do carregamento da bateria designado por carregamento flutuante Nesta fase tal como no est gio de tens o constante aplicada uma tens o constante um pouco inferior a 14 4V no caso 13 5V grandeza controlada pelo PID Esta tens o aplicada durante um intervalo de tempo de maneira a que as reac es qu micas da bateria estabilizem 5 7 Sistema de Ilumina o Matriz de LEDs Com a finalidade de emular um sinal de tr nsito com a utiliza o da tecnologia LED foi implementado numa veroboard uma matriz de LEDs constitu da por 57 LEDs 29 LEDs vermelhos e 28 LEDs de alto brilho brancos que interpretam um sinal rodovi rio de sentido proibido como ilustra a Figura 5 56 e a Figura 5 57 A implementa o da matriz de LEDs na veroboard teve como princ pio o circuito el ctrico da Figura 5 55 que compos
125. istema completo realizadas no Simulink e os resultados experimentais do prot tipo desenvolvido do sistema fotovoltaico aut nomo Palavras Chave Energias Renov veis Energia Solar Sistemas Fotovoltaicos Aut nomos Baterias MPPT LEDs de alto brilho Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico vV Abstract The main purpose of the present thesis was to develop a power system based on photovoltaic solar energy to supply an autonomous road lighting module In order to store the solar energy provided by the photovoltaic panel it was used a 12V lead acid battery A PID Proportional Integral Derivative control system was used along with a PWM Pulse Width Modulation to set the duty cycle s value of the MOSFET DC DC Direct Current Direct Current step down topology responsible for controlling the battery s charging process In order to improve the entire system s energy efficiency an algorithm that maximizes the power extracted from the photovoltaic panel was used by constantly seeking the MPP Maximum Power Point of the solar panel regardless the temperature or the solar radiation available The MPPT system Maximum Power Point Tracking consists in a DC DC Step Down converter controlled by a microcontroller The tracking of the MPP was based on the P amp O Perturbation and Observation method The control unit of the project is based on a microcontroller PIC18F4431 res
126. izada mais atractiva em sistemas independentes da rede el ctrica sendo uma solu o para a electrifica o de locais remotos sistemas de bombagem alimenta o de sistemas de sinaliza o e urg ncia entre outros A Energia Solar Fotovoltaica a n vel mundial conhece desde h aproximadamente 10 anos um crescimento anual de cerca 30 Figura 1 2 estimulada por pol ticas de incentivo com destaque na Alemanha e no Jap o Contudo a viabilidade da entrada em larga escala no mercado da energia depende da evolu o das tecnologias no sentido da redu o do seu custo 2 2 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 1 Introdu o A Figura 1 2 apresenta um cen rio de uma poss vel evolu o da produ o mundial de energia at 2040 Outro factor interessante que se verifica nesta figura a previs o do crescimento brutal da energia solar fotovoltaica a partir de 2020 tornando se uma das grandes formas de produ o de energia el ctrica como referido anteriormente TWh 40000 100 35000 30000 25000 O Convencionais 20000 E Renov veis 12099 E Electricidade Solar T rmica E Geot rmico 10000 E Oceanos ondas mar s etc E Fotovoltaico E E lico EB Biomassa E Mini H drica E H drica 5000 Produ o Mundial de Electricidade 2001 2010 2020 2030 2040 Figura 1 2 Cen rio de uma poss vel evolu o da produ o mundia
127. l de energia el ctrica at 2040 2 1 2 Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Portugal um pa s muito dependente do exterior do ponto de vista energ tico pois n o possui praticamente combust veis f sseis Contudo existem abundantes recursos energ ticos renov veis que cada vez mais tendem a ser explorados Na Europa Portugal um dos pa ses com maior disponibilidade de radia o solar como mostra a Figura 1 3 A insola o n mero de horas de sol descoberto acima do horizonte em Portugal Continental um elemento clim tico extremamente marcante que varia entre as 1800 e as 3100 horas de sol por ano 3 Desta forma pode afirmar se que Portugal disp e de uma situa o privilegiada para o desenvolvimento deste tipo de energia e a sua explora o tem tend ncia a crescer ao longo dos anos Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 3 Cap tulo 1 Introdu o is nara ooo pat Rs Europese Commundos 2006 Np Ve gre ec europa ee prgie Radia o Solar Global KWh m2 lt 600 800 1000 1200 a a E E a Figura 1 3 Mapa da radia o solar m dia anual em kWh m na Europa num plano horizontal 4 A Uni o Europeia elaborou uma iniciativa designada 20 20 20 no seguimento das discuss es relacionadas com as altera es clim ticas que consiste em aumentar o peso das energias renov veis na Europa e dessa forma reduzir as emiss es de di xido de
128. la fotovoltaica para o estudo das caracter sticas l V e P V do m dulo fotovoltaico desenvolvimento de um circuito MPPT que optimize a extrac o de energia produzida atrav s de um circuito que faz com que o painel opere no ponto de m xima pot ncia desenvolvimento de um conversor CC CC para controlo do processo de carga e descarga de uma bateria desenvolvimento de um conversor CC CC para controlo da intensidade luminosa de uma matriz de LEDs de alto brilho desenvolvimento de um sistema de aquisi o dos valores da tens o e corrente provenientes do painel fotovoltaico e da bateria e implementa o de um sistema de controlo e respectivas interfaces 1 7 Organiza o da Disserta o A disserta o est dividida em seis cap tulos e encontra se organizada da seguinte forma 10 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 1 Introdu o No cap tulo introdut rio realizado um enquadramento dos temas da disserta o assim como as principais motiva es e objectivos da mesma No segundo cap tulo s o apresentados os tipos de sistemas fotovoltaicos e os fundamentos das c lulas e dos pain is fotovoltaicos apresentando se a modela o das mesmas atrav s dos circuitos el ctricos equivalentes Seguidamente no cap tulo tr s descrito e analisado o funcionamento dos principais algoritmos para o rastreamento do ponto de m xima pot ncia proveniente dos pain i
129. liza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais O PIC18F4431 faz parte de uma fam lia de microcontroladores fabricados pela Microchip Technology com extensa variedade de modelos e perif ricos internos com arquitectura Harvard e conjunto de instru es RISC com recursos de programa o por memoria Flash e EEPROM Funciona com tens o de alimenta o de 5V e possui 40 pinos Este microcontrolador tem como principais caracter sticas t cnicas possuir at 8 sa das PWM com 4 geradores de duty cycle um m dulo Conversor Anal gico Digital ADC que suporta at 9 canais que permitem a convers o de um sinal anal gico para um n mero digital de 10bits correspondente conseguindo obter 200000 amostras por segundo apenas num canal ou seja uma amostra a cada 5us Possui ainda 3 Timers de 16bits e um de 8bits 16384 bytes de memoria de programa 768 bytes de mem ria RAM e 256 bytes de EEPROM H o reconhecimento de interrup es externas como de perif ricos internos A Figura 5 6 ilustra o diagrama de pinos do PIC18F4431 60 MCLRiVpP RE3 1 gt RB7 KBI3 PGD RAO ANO 2 gt RB6 KBI2 PGC RA1 AN1 3 gt RB5 KBI1 PWM4 PGM RAJJAN2IVREF ICAP1 INDX 4 lt RB4 KBIO PWM5 RA3 AN3 VREF CAP2 QEA 1 5 lt RB3 PWM3 RA4AN4ICAP3 QEB 6 5 lt RB2 PWM2 RA5 AN5
130. lizou se o algoritmo de controlo PID discreto de velocidade equa o 5 10 Esta equa o descreve as opera es matem ticas a serem programadas no PIC18F4431 O algoritmo velocidade calcula a varia o do sinal de sa da u t do controlador em rela o ao instante imediatamente anterior u t u t 1 Kp e t e t 1 K e t 5 10 Kale t 2e t 1 e t 2 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 129 Capitulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Com base no m todo dos 3 est gios para o processo de carga da bateria o controlo PID digital efectuado em 3 situa es distintas como se verifica pelo fluxograma da Figura 5 44 F lt VBAT lt VFLOAT lo PID s o Constante SIM ia VFLOAT VFLOAT VBAT BAT lt VFLOAT ntrolo PID rregamento Flutuante r ncia VOCT VOCT VBAT Figura 5 44 Fluxograma representativo do controlo PID digital aplicado ao processo de carga da bateria baseado no m todo dos 3 est gios Quando a bateria se encontra descarregada o controlo PID iniciado no est gio de corrente constante com a indica o a surgir atrav s de uma mensagem no LCD como mostra a Figura 5 45 Neste est gio a grandeza a ser controlada a corrente que carrega a bateria lFLoat controlada a partir do sinal PWM aplicado ao MOSFET do conversor step down A Figura
131. lo e radia o solar incidente de 1000 W m rs 38 Figura 2 22 Curvas P V para v rias temperaturas do m dulo fotovoltaico e radia o solar incidente de 1000 W m2 es 38 Figura 2 23 Efeito produzido pelo factor de idealidade do d dodo nas curvas Caracteristicas l V icaiiauiiaai ubiaaaiio foco ds diocnial uai bagi Dugiiaal Debsiagi suwebeel nnmnnn 39 Figura 2 24 Efeito produzido pela resist ncia s rie Rs da c lula fotovoltaica nas curvas caracter sticas I V 40 Figura 3 1 Intercep o da curva caracter stica l V do m dulo fotovoltaico com a inha da card dear ui hese betes teehee vehi OE ie 45 Figura 3 2 Sistema fotovoltaico com um circuito MPPT sa da do painel 46 Figura 3 3 Algoritmo MPPT da t cnica Tens o Constante CV 47 Figura 3 4 Algoritmo MPPT da t cnica Corrente de Curto Circuito SC 48 Figura 3 5 Curva PV do m dulo fotovoltaico s sue casessiscsasssscaasnrastenios 49 Figura 3 6 Algoritmo MPPT da t cnica Condut ncia Incremental IncCond 51 Figura 3 7 Evolu o da pot ncia do m dulo fotovoltaico e respectivo sentido da pertba o eq isa na ht A O Bl a i Bt nnn nnent 53 Figura 3 8 Algoritmo MPPT da t cnica Perturba o e Oberva o P amp O 55 Figura 3 9 Participa o percentual de cada componente de um sistema fotovoltaico aut nomo considerando a o investimento inicial b os custos anuais de cada
132. ltaico V Vmp Tens o no ponto de m xima pot ncia do painel Vy fotovoltaico Va Tens o aos terminais do d odo V Vear Tens o na bateria V VFLOAT Tens o m xima na bateria V Vorr Tens o m nima na bateria V Voct Tensao maxima de valor de sobrecarga na bateria V Ns Numero de c lulas em s rie Np Numero de c lulas em paralelo P Pot ncia Ww Pa Pot ncia de sa da do m dulo fotovoltaico w Pmax Pot ncia m xima nominal w Po Pot ncia sa da do conversor w E Pot ncia consumida pelos elementos de comuta o W es do conversor CC CC Rs Resist ncia s rie 0 Rp Resist ncia paralela 0 Rpor Resist ncia de pot ncia 0 xxvi Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico CAPITULO 1 Introducao 1 1 Problematica das Energias Renovaveis A energia el ctrica um recurso indispens vel no desenvolvimento econ mico e social das sociedades Contudo o aumento sustentado do seu custo nas suas diversas formas e as quest es ambientais relacionadas com o seu consumo evidenciam a necessidade na adop o de novas formas de gerir este recurso A maneira como se consome a energia pode contribuir para aliviar a press o que se exerce sobre a natureza Desta forma o futuro do planeta est cada vez mais nas m os do ser humano neste contexto que surgem as Energias Renov veis que s o energias obtidas a partir de fontes naturais capazes de se restaura
133. lto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 31 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos a o coeficiente de temperatura de Isc K A corrente de curto circuito Isc proporcional a intensidade da radia o solar por isso Is a uma determinada radia o solar G dada na equa o 2 12 G 2 12 Isclg gt Isc f IG Go leo Onde Go o valor nominal da radia o solar incidente sobre uma c lula fotovoltaica normalmente 1000 W m A corrente de satura o inversa do d odo lo temperatura refer ncia Te dada pela equa o 2 6 mas como considerado o factor de idealidade do d odo n calcula se com base na equa o 2 13 Isc lo qVoc e nkT 1 2 13 A corrente de satura o inversa do d odo lo dependente da temperatura e pode calcular se em fun o da mesma atrav s da equa o 2 14 27 sw 4 Eg 1 2 14 T loty Io r 1o rref Ca oe SEA O efeito da resist ncia s rie Rs do m dulo fotovoltaico tem um grande impacto na inclina o da curva caracter stica l V perto da tens o de circuito an aV aberto Assim o valor de Rs calculado mediante a avalia o do declive an da curva l V no ponto da tens o de circuito aberto Voc A equa o para calcular Rs a derivada em fun o da corrente da equa o 2 10 e em seguida reorganizando a em ordem a Rs Deste modo as equa es 2 15 2 16 2 17 e 2 18 efectuam os c
134. m dulos fotovoltaicos necess rio aumentar a efici ncia do sistema Para reduzir os custos da energia gerada fundamental garantir que o sistema opere o maior tempo poss vel no ponto de m xima pot ncia dos pain is Dessa forma para optimizar a pot ncia produzida pelos m dulos fotovoltaicos aos sistemas fotovoltaicos isolados tamb m aplicado um circuito de controlo MPPT Circuito MPPT A i Conversor ee ae TAE CC CC M dulos Fotovoltaicos Equipamentos de consumo el ctrico CC Baterias gt Inversor CC cA Equipamentos de consumo el ctrico CA Figura 2 6 Constitui o de um sistema fotovoltaico aut nomo 2 3 C lula Fotovoltaica As c lulas fotovoltaicas tipicamente s o constitu das por materiais semicondutores como o sil cio o arsenieto de g lio telurieto de c dmio ou disselenieto de cobre e ndio A mais comum e usual a c lula de sil cio Si utilizada em 95 dos casos O sil cio apresenta uma disponibilidade quase limitada e pode ser encontrado na natureza de diversas formas frequentemente como areia mas nunca como sil cio puro 16 O sil cio cristalino n o um bom condutor de electricidade desse modo submetido a um processo de dopagem onde s o empregues impurezas que v o estimular as propriedades el ctricas do mesmo As impurezas tipicamente utilizadas neste tipo de processos s o o boro e o f sforo 18 Sinaliza o Rodovi ria com
135. m e 25 C a curva caracter stica l V b curva caracter stica P V Como referido anteriormente a corrente gerada pelo painel fotovoltaico directamente dependente da intensidade da radia o solar A Figura 4 4 mostra que com uma varia o da radia o solar incidente no painel a corrente gerada sofre uma varia o proporcional Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 87 Cap tulo 4 Simula es Computacionais Radia o Solar gt o o o CO wo Radia o Solar kW m q oo oo Corrente de Sa da do Painel Solar 0 005 0 006 0 007 0 008 0 009 0 01 Tempo s 0 0 001 0 002 0 003 0 004 Figura 4 4 Corrente gerada pelo painel fotovoltaico com varia es da radia o solar Para a simula o do conversor step down ilustrada na Figura 4 5 foram utilizados os valores dos componentes calculados no dimensionamento efectuado no Cap tulo 3 ou seja 7 7uF para o condensador de sa da do painel fotovoltaico 1 37mH para o valor da bobina e 4 3uF para o condensador de sa da do conversor CC CC step down Para o sinal de controlo PWM a actuar em malha aberta ou seja sem o circuito MPPT em funcionamento foi definido uma frequ ncia de comuta o de 20kHz povrergui voltage U gt K lt Current A lt 500 hy Battery l _Vout_ Figura 4 5 Conversor step down implementado para a simula o no Simulink 88 Sinaliza
136. m locais remotos de dif cil acesso que se encontram afastados da rede Este tipo de aproveitamento solar extremamente til e na grande maioria das vezes empregue em sistemas de baixa m dia pot ncia utilizados por exemplo para ilumina o bombeamento de gua para irriga o em zonas agr colas sistemas de vigil ncia em auto estradas sistemas de vigil ncia em matas sinaliza o rodovi ria entre outros Um sistema fotovoltaico isolado caracteriza se por possuir como fonte prim ria apenas a energia gerada pelos pain is fotovoltaicos Assim neste modelo de sistemas torna se essencial utilizar elementos armazenadores de energia normalmente baterias para garantir o fornecimento de energia durante a noite e em per odos que a radia o solar seja diminuta ou inexistente Para administrar o carregamento descarregamento das baterias utiliza se um controlador de carga e no caso de existirem cargas que operem com CA imprescind vel usar um inversor CC CA para converter a corrente cont nua em alternada Estes sistemas fotovoltaicos como s o aut nomos imp em que haja Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 17 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos uma optimiza o no aproveitamento da energia solar e no armazenamento da energia de reserva para conseguir alcan ar sustentabilidade t cnica e econ mica Devido ao custo inicial da instala o e baixa efici ncia dos
137. mal operating cell temperature medida com 800W m de radia o solar incidente temperatura ambiente de 20 C e com uma velocidade do vento de 1m s O funcionamento de um m dulo fotovoltaico pode ser compreendido analisando a curva que relaciona a tens o com a corrente sa da do mesmo Esta curva designada como caracter stica l V e apresenta o mesmo formato geral para qualquer painel fotovoltaico A Figura 2 14 ilustra uma curva I V de um painel gen rico Isc Corrente 4 0 Tens o Ymp Voc Figura 2 14 Curva caracter stica l V de um painel gen rico 28 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 2 Pain is Fotovoltaicos Como se verifica atrav s da Figura 2 14 a curva l V de um m dulo fotovoltaico apresenta uma caracter stica n o linear Se o funcionamento do painel for mantido dentro da regi o entre Is e o ponto A o painel ser considerado uma fonte de corrente constante 23 de valor igual corrente de curto circuito lsc representada na figura Por outro lado para um funcionamento na regi o entre o ponto B e Voc O painel ter um comportamento id ntico a uma fonte de tens o constante 23 de valor igual tens o de circuito aberto Voc O ponto em que o m dulo fotovoltaico funciona na pot ncia m xima encontra se entre as duas zonas referidas e est representado na Figura 2 14 como MPP com ponto de coordenadas Imp Vmp Este
138. mente o ponto de m xima pot ncia 31 Para situar o ponto de funcionamento inicial do m dulo fotovoltaico perto do MPP necess rio efectuar um controlo que regula o conversor CC CC de maneira a que o ponto inicial de opera o definido para corresponder a uma resist ncia de carga proporcional raz o da tens o de circuito aberto Voc com a corrente de curto circuito lso do m dulo fotovoltaico 31 Esta abordagem assegura que o MPP seja alcan ado n o havendo dessa forma oscila es em torno deste Outra maneira eficaz de utilizar a t cnica IncCond utilizar a condut ncia instant nea e o aumento da condut ncia incremental para gerar o sinal de erro dado pela equa o 3 7 31 I di Sse 3 7 OS tay 3 7 is A as Duo dl Da equa o 3 3 sabe se que a condut ncia incremental zy Zero no MPP logo o sinal de erro e tamb m vai a zero no mesmo ponto Um controlador proporcional integral PI pode ser utilizado para conduzir o sinal de erro a zero 3 2 1 4 Perturba o e Observa o P amp O Usualmente a t cnica MPPT mais utilizada o algoritmo Perturba o e Observa o tamb m conhecido por m todo de Hill Climbing 33 Esta t cnica utilizada em variadas aplica es devido sua f cil implementa o O seu funcionamento consiste em periodicamente perturbar aumentar ou diminuir a tens o de sa da Va ou a corrente de sa da la do m dulo fotovoltaico e observar o comportamento da pot
139. mento transit rio e em regime permanente do sistema controlado O controlo de processos por realimenta o negativa envolve duas ac es o erro que resulta da compara o do valor da vari vel medida com o valor de refer ncia e o estabelecimento da ac o de controlo propriamente dita com base em algoritmos pr definidos 128 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais Considerando e t o erro e a entrada do controlador PID a sa da u t do controlador definida na equa o 5 9 de t dt u t Kp je t ew dt Td 00 5 9 A estrutura paralela do controlador PID est caracterizada no diagrama de blocos da Figura 5 43 onde E s representa o erro e U s a sa da do controlador A ac o proporcional sempre utilizada enquanto as ac es integral e derivativa complementam juntas ou separadamente essa ac o E s mm Kp U s Figura 5 43 Diagrama de blocos do controlador PID paralelo 64 A crescente aplica o de sistemas digitais em controlo de processos juntamente com a referida precis o dos algoritmos de controlo PID levou cria o da vers o digital desses mesmos algoritmos A implementa o digital do controlador PID pode ser feita com aproxima es num ricas do integral e da derivada do erro que comp e a lei de controlo Para efectuar o processo de carga da bateria uti
140. mo a temperatura de opera o o estado de carga e aspectos relacionados com a sua constru o entre outros Desta maneira os modelos el ctricos e matem ticos que descrevam o comportamento din mico das baterias n o s o f ceis de desenvolver com precis o 37 Assim para a simula o da bateria posteriormente apresentada nesta disserta o foi utilizado o modelo gen rico para baterias recarreg veis de cido chumbo dispon vel no pacote Power Systems do Simulink A Figura 3 17 mostra o modelo utilizado para a simula o da bateria e respectivo bloco de par metros do sistema fotovoltaico implementado Os par metros delineados para a bateria foram de 12V de tens o nominal 7 2Ah de capacidade nominal e foi escolhido um estado de carga SOC inicial de 50 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 67 Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga i Block Parameters Bateria 12V Battery mask link Implements a generic battery that model most popular battery types User Defined Battery type allow you to modify detailed parameters to represent any particular discharge characteristics Parameters Battery type Lead Acid _W L a Nominal Voltage 4 12 Rated Capacity Ah 7 2 Initial State Of Charge 50 Show detailed parameters Bateria 12W C Plot Discharge Characteristics Discharge current il i2 13 amps p
141. mundo numa rea de 130 hectares com 376632 pain is solares com uma pot ncia total instalada de 62MWp Al m das duas centrais referidas anteriormente existem outras de menor dimens o ainda em fase de constru o no Baixo Alentejo nomeadamente o parque solar de Almod var e tr s no concelho de Ferreira do Alentejo No concelho de M rtola a central fotovoltaica de Olva com a pot ncia de 500kWp e a central da Corte P o e gua com 756kWp tamb m se destacam na produ o de energia solar fotovoltaica centralizada Em Set bal uma instala o de 10kWp propriedade da EDP foi a pioneira na liga o de sistemas fotovoltaicos rede el ctrica 1 3 Sistemas Fotovoltaicos Aplicados a Sinaliza o Rodovi ria As aplica es de m dia pot ncia relacionadas com sistemas fotovoltaicos ou em associa o com outras fontes de energia renov vel s o um mercado em plena ascens o estando a tornar se cada vez mais competitivos para alimenta o de certos locais remotos onde as solu es alternativas convencionais geradores diesel ou rede el ctrica ficam aqu m sob o ponto de vista econ mico e ainda apresentam alguns inconvenientes ambientais Na circula o rodovi ria interagem tr s elementos o homem com caracter sticas f sicas e estados psicol gicos o ve culo que exibe particularidades dimensionais e operacionais diferentes e a via p blica que consoante as fun es que lhe s o requeridas ostenta da mesma forma uma diversi
142. namento do conversor step down um relativo ao per odo de condu o do semicondutor de pot ncia ton e outro correspondente ao estado de n o condu o do semicondutor torr Os circuitos da Figura 3 22 a e b representam respectivamente cada um dos estados descritos De notar que o circuito do conversor step down est completo contudo cada estado de funcionamento do conversor s considera a parte do circuito que se encontra a vermelho a Figura 3 22 Conversor step down nos dois estados de funcionamento a per do de condu o do semicondutor de pot ncia b per odo de n o condu o do semicondutor de pot ncia 74 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Com o semicondutor de pot ncia em condu o Figura 3 22 a per odo ton a corrente circula pela bobina L crescendo i e pelo condensador C quando i gt V R R a resist ncia da carga na sa da Durante este per odo a bobina armazena energia e o d odo D encontra se inversamente polarizado n o influenciando o circuito Quando o semicondutor de pot ncia n o est em condu o Figura 3 22 b per odo torr o d odo D come a a conduzir dando continuidade corrente i na bobina A energia armazenada na bobina transferida para o condensador C e para a carga sa da Enquanto o valor da corrente ii for maior do que a corrente na car
143. nando este elemento marcante em termos competitivos 28 29 Neste cap tulo analisado o funcionamento dos principais algoritmos para o rastreamento do ponto de m xima pot ncia Para cada t cnica de controlo MPPT apresentada uma descri o te rica e expostos os algoritmos com o intuito de explicar o princ pio de funcionamento realizada a compara o entre as v rias t cnicas para posteriormente se optar de forma sustentada por um m todo de forma a realizar as simula es computacionais e a implementa o pr tica O armazenamento de energia um tema central no aproveitamento da energia solar nos sistemas fotovoltaicos aut nomos dado que a produ o e o consumo de energia n o coincidem quer ao longo do dia quer ao longo do Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 43 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga ano 16 A utiliza o de um sistema de armazenamento de energia necess ria para reduzir a influ ncia da oscila o da pot ncia gerada provocada pelas condi es climat ricas As baterias s o a componente dos sistemas fotovoltaicos onde acontece um tipo de reac o qu mica revers vel capaz de armazenar energia el ctrica que posteriormente pode ser utilizada A energia el ctrica transformada em energia qu mica quando a bateria carregada e o contr rio acontece quando a bateria descarregada 30 Existem diversific
144. nta o do ltimo sem foro a utilizar a tecnologia LED que j abrange todos os sem foros do concelho O objectivo principal deste projecto foi substituir 1247 l mpadas incandescentes por LEDs proporcionando uma redu o de consumo energ tico de 80 que se traduz numa poupan a de 52500 ano 13 Esta iniciativa coloca a cidade de Cascais em primeiro plano a n vel nacional Este tipo de medidas foi tamb m aplicado a Baixa Pombalina proposta pela Lisboa E Nova Ag ncia Municipal de Energia e Ambiente de Lisboa com a substitui o de 751 l mpadas em 295 sem foros passando Lisboa a contar com 353 sem foros instalados com a tecnologia LED 14 Em Portugal v rias autarquias j tomaram as mesmas iniciativas embora numa escala menor 1 5 Motiva es As motiva es associadas a esta disserta o s o variadas desde o desenvolvimento dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Electr nica Industrial e Computadores com focaliza o numa das reas de especializa o como s o os sistemas de energia e a electr nica de pot ncia congregada com a rea de controlo e automa o outra especializa o O interesse por tudo que envolve o mbito das Energias Renov veis juntamente com um sistema para armazenamento de energia normalmente baterias destacou se como motiva o principal deste trabalho A escolha pela Energia Solar Fotovoltaica em detrimento de outras fontes de Sinaliza o Rodovi ria c
145. o Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Os processos de carga e descarga das baterias de cido cnumbo podem ser melhor compreendidos visualizando a Figura 3 11 2e Resist ncia da Carga Fonte de Tens o CC Electr lito Electr lito l o H lao H SO4 SO H2504 H2504 consumido libertado H20 H20 E libertada consumida a b Figura 3 11 Diagrama simplificado de uma bateria de cido chumbo a processo de descarga b processo de carga O processo de carga e descarga pode representar se atrav s de uma nica reac o global que j inclui as reac es individuais de cada placa como se pode verificar pela reac o qu mica representada na Tabela 3 3 A regenera o da carga n o total e a capacidade da bateria tende a diminuir por causa do processo de auto descarga da placa positiva O di xido de chumbo PbO reage com i es H libertando gua H20 e oxig nio Oz Assim a concentra o de cido no electr lito diminui proporcionando tamb m a queda na tens o da bateria A temperatura influencia a velocidade da reac o global O endurecimento do sulfato de chumbo PbSO outra das causas que deteriora a capacidade da bateria fazendo com que o mesmo n o produza di xido de chumbo PbOz no processo de carga 44 3 3 2 2 Capacidade A capacidade de armazenamento de energia de uma bateria a quantidade de carga el ctrica medida a
146. o circuito Isc Assim I Isc Como mostra a Figura 2 11 b onde n o h liga o para a c lula fotovoltaica circuito aberto a corrente gerada curto circuitada internamente pelo d odo de jun o P N que est intr nseca ao circuito Isto fornece a tens o de circuito aberto Voc que o valor maximo aos terminais da c lula O m dulo fotovoltaico ou as c lulas produzidas normalmente fornecem o valor destes par metros nos datasheets I Isc a Figura 2 11 Modelos ilustrando os dois principais par metros que caracterizam as c lulas fotovoltaicas a Isc corrente curto circuito b Voc tens o de circuito aberto Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 23 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos Aplicando as leis de Kirchoff ao circuito da Figura 2 10 obt m se a corrente de sa da a partir da c lula fotovoltaica I Isc Id 2 1 Onde lsc representa a corrente de curto circuito igual corrente gerada pelo feixe luminoso e ly a corrente que atravessa o d odo A corrente ly dada pela equa o de d odo ideal de Shockley equa o 2 2 Id Io e9Y T 1 2 2 Onde a corrente de satura o inversa do d odo A q a carga de um electr o 1 602x10 C Va a tens o aos terminais do d odo V k a constante de Boltzmann 1 381x10 J K T a temperatura da c lula K Substituindo ly da equa o
147. o e Valida o Experimental Disserta o de Mestrado Universidade Federal do Cear 2005 MathWorks MathWorks Accelerating the pace of engeneering and science http www mathworks com help toolbox physmod powersys ref battery ht ml visitada em Setembro 2010 M T Inc Datasheet PIC18F2331 2431 4331 4431 2003 LEM Datasheet Voltage Transducer LV 25 P 2008 LEM Datasheet Current Transducer LA 55 P 2008 3 Aula de Controlo Inteligente Controlo PID Discreto Instituto Polit cnico De Tomar Engenharia Electrot cnica 2007 B R Copeland The Design of PID Controllers using Ziegler Nichols Tuning Response 2008 pp 1 4 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 149
148. o global PbO2 Pb 2H2S04 2PbS04 2H20 Estas reac es qu micas s o revers veis ocorrendo no sentido inverso durante o processo de carregamento Durante o processo de descarga na placa negativa o cnumbo Pb reage com o ani o cido SO que se encontra no electr lito resultando da reac o o sulfato de chumbo PbSO e a liberta o de dois electr es que circulam pelo circuito externo Na placa positiva o di xido de chumbo PbOz reage com o ani o cido SO4 mais quatro i es H e os dois electr es provenientes da placa negativa via circuito externo gerando como resultado dessa reac o sulfato de chumbo PbSO4 e gua H20 A presen a de gua diminui a concentra o de cido no electr lito e consequentemente a tens o na bateria 44 No processo de carga na placa negativa o sulfato de chumbo PbSO reage com dois electr es vindos de uma fonte externa produzindo com essa reac o chumbo Pb e o ani o cido SO Na placa positiva o sulfato de chumbo PbSO4 reage com a gua H gt 0 produzindo de novo di xido de chumbo PbOz o ani o cido SO4 quatro i es H e dois electr es retornam a fonte presente no circuito externo Neste processo o cido sulf rico H gt SO4 libertado para o electr lito aumentando a concentra o do cido e consequentemente a tens o da bateria 44 60 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaic
149. odelo aperfei oado Dos modelos apresentados o circuito el ctrico equivalente escolhido para a simula o foi o que complementa uma fonte de corrente Isc um d odo D e uma resist ncia s rie Rs Atrav s desta simula o verificaram se os par metros que influenciam no comportamento de uma c lula e consequentemente num painel fotovoltaico e os efeitos que os mesmos criam nas curvas caracter sticas l V e P V Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 41 CAPITULO 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga 3 1 Introdu o As solu es em ilumina o externa com energia solar fotovoltaica tem sofrido altera es ao longo dos anos com inova es seguras e sustent veis O conversor CC CC um dos elementos de maior import ncia num sistema fotovoltaico 23 pois est encarregue pela transfer ncia de energia entre o painel solar e o barramento CC que neste caso em concreto composto por uma bateria de cido chumbo para efectuar o armazenamento de energia Como referido anteriormente este elemento n o realiza apenas o tr nsito da pot ncia e o sistema de controlo associado ao mesmo mas tamb m o respons vel por manter o funcionamento do sistema fotovoltaico sempre em valores pr ximos do ponto de m xima pot ncia Outro factor importante que torna este componente relevante que a maior parte das perdas de um sistema fotovoltaico focam se no conversor tor
150. ois o valor da perturba o 0 1V provoca que o sistema em regime permanente oscile em torno de 16 9V como ilustra a Figura 4 11 que representa um excerto da tens o controlada em regime permanente Tens o Controlada 16 95 Tens o Vv D w k m co ol 16 8 1 15 1 155 1 16 1 165 1 17 1 175 1 18 1 185 1 19 1 195 1 2 Tempo s 4 Figura 4 11 Excerto da tens o de controlo MPPT com perturba o de valor 0 1V Verificou se perante outras simula es que aumentando o tamanho da perturba o a tens o de sa da do m dulo fotovoltaico atinge com maior celeridade o valor de m xima pot ncia Contudo o aumento da perturba o tamb m provoca um acr scimo nas oscila es como mostra a Figura 4 12 0 que representa um desperd cio de energia proveniente do painel fotovoltaico Tens o Controlada 17 4 w M Tens o Vv D co 16 6 16 4 1 02 1 03 1 04 1 05 1 06 1 07 Tempo s 4 x10 Figura 4 12 Excerto da tens o de controlo MPPT com perturba o de valor 0 5V 92 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais Seguidamente a tens o de sa da do painel fotovoltaico controlada comparada atrav s do circuito da Figura 4 13 que comp e o subsistema PWM com uma onda dente de serra como ilustra a Figura 4 14 Figura 4 13 Circuito implementado no subsistema PWM A onda dente de
151. om LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 9 Capitulo 1 Introdu o energia renov veis deveu se essencialmente ao tipo de sistema a alimentar e ao facto de implementar um sistema aut nomo ou seja que trabalhe independentemente da rede el ctrica Os sistemas de ilumina o no caso um sistema rodovi rio com base na tecnologia LED cada vez mais utilizada e muito em voga nos dias de hoje outra parcela importante no que toca s motiva es desta disserta o Frequentemente os sistemas fotovoltaicos antes de serem implementados necessitam de um estudo pormenorizado com o intuito de dimensionar os seus componentes seguindo se uma simula o com ferramentas computacionais para estudar os resultados relativos aos mesmos Assim a amplia o do conhecimento quer em ferramentas computacionais anteriormente utilizadas quer em ferramentas que suscitem uma novidade representa tamb m numa motiva o suplementar ao desenvolvimento desta disserta o de mestrado 1 6 Objectivos O objectivo fundamental deste trabalho foi a simula o seguido do estudo e implementa o pr tica de um sistema de alimenta o para um m dulo de ilumina o rodovi rio aut nomo tendo como fonte de energia um painel solar fotovoltaico De modo a efectuar o interface entre os v rios m dulos do sistema necess rio seguir alguns passos que s o modelar matematicamente com base no circuito el ctrico equivalente uma c lu
152. os para prever a capacidade de adapta o ao meio que ser o envolvidos e acima de tudo efici ncia energ tica que o sistema proporciona Habitualmente os pain is solares s o o componente mais caro do sistema seguindo se as matrizes de LEDs de alto brilho que constituem o m dulo de ilumina o Devido indisponibilidade do painel solar fotovoltaico foi utilizada uma fonte de alimenta o CC de 30V e 3A nominais representada na Figura 5 2 de forma a emular o m dulo fotovoltaico BP SX30U modelado no Cap tulo 2 que tem como caracter sticas limites uma tens o de circuito aberto de 21V e uma corrente de curto circuito de 1 94A 100 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais CURRENT E VOLTAGE Figura 5 2 Fonte de alimenta o 30V 3A utilizada para emular o painel fotovoltaico Na Figura 5 3 apresentada a bancada de testes juntamente com o sistema implementado composto pela unidade de controlo e pelo conversor step down com controlo MPPT e como controlador de carga da bateria o ESTE Figura 5 3 Bancada de testes do sistema implementado 5 3 Unidade de Comando A unidade de comando constitu da por diversos circuitos individuais e respons vel por todos os sinais de controlo gerados pelo componente principal desta unidade o microcontrolador O circuito de medida tamb m ele composto
153. oticias detalhes php id 7081 visitado em Junho 2011 M D Inova o Energias Renov veis em Portugal 2007 C M Rodrigues C D Roque and J M Macedo Manual do Planemaneto de Acessibilidades e Transportes Sinaliza o rodovi ria Comiss o de coordena o e desenvolvimento regional do Norte 2008 I D Vieira Projeto de um conversor Flyback auto oscilante de baixo custo para LED s de pot ncia Disserta o de Mestrado Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia 2009 A L Lima A G Jedyn F A Corr a and E L Mehl USO DE LEDS EM SEMAFOROS DE TRANSITO UM ESTUDO DA VIABILIDADE TECNICO ECONOMICA Curitiba Paran Brasil 2009 T C Diego Street Division Electrical Traffic Signals http www sandiego gov street div trflight shtml visitado em Maio 2011 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 145 Refer ncias 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Energia Ag ncia Cascais Energia Revista de Imprensa Janeiro 2011 metro 2011 Expresso Energia Semaforos de Cascais e Baixa Pombalina com tecnologia LED http aeiou expresso pt energia semaforos de cascais e baixa pombalina com tecnologia led actualizada f507128 visitado em Junho 2011 L Castafier and S Silvestre Modelling Photovoltaic Systems using PSpice Barcelona Universidad Politecnica de
154. ovoltaicas contudo se ao sil cio amorfo for adicionado uma pequena quantidade de hidrog nio por um processo designado hidrogeniza o obt m se uma combina o qu mica dos diferentes tomos para dessa forma minimizar os efeitos negativos dos defeitos estruturais Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 21 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos O sil cio amorfo apresenta uma absor o da radia o solar mais produtiva que o sil cio cristalino podendo ser fabricado mediante a deposi o de variados substratos metal vidro pl sticos Este processo tem se mostrado uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo havendo a possibilidade de fabricar c lulas com grandes reas Apesar do custo reduzido na produ o o uso de sil cio amorfo apresenta algumas desvantagens em rela o s estruturas cristalinas A baixa efici ncia de convers o a mais preocupante em laborat rio poss vel obter rendimentos a rondar os 13 mas as c lulas s o afectadas por um processo de degrada o nos primeiros meses de opera o reduzindo a efici ncia ao longo da vida til pelo que os rendimentos em pr tica descem para cerca de 6 a b c Figura 2 9 Tipos de c lulas fotovoltaicas a C lula de sil cio monocristalino b C lula de sil cio policristalino c C lula de sil cio amorfo 2 3 2 Modelo El ctrico de uma C lula Fotovoltaica A u
155. ovoltaico CAPITULO 6 Conclus es e Trabalho Futuro 6 1 Conclus es Nesta disserta o foi apresentada uma solu o de sinaliza o rodovi ria com base na tecnologia LED tendo como fonte a energia solar fotovoltaica O sistema constitu do por um circuito de controlo MPPT de forma a extrair a m xima pot ncia proveniente do painel fotovoltaico por um controlador de carga que providencia a carga e descarga apropriada de uma bateria de cido chumbo e por um circuito de controlo para o m dulo de ilumina o controlando a intensidade do brilho da matriz de LEDs Inicialmente no Cap tulo 2 efectuou se um estudo das diferentes topologias de liga o de pain is fotovoltaicos a receptores luminosos podendo estas operar ligadas ou independentes da rede el ctrica Realizou se com maior nfase uma an lise a sistemas fotovoltaicos aut nomos que funcionam independentemente da rede el ctrica por se tratar do tipo de sistema implementado nesta disserta o Apresentou se o princ pio de funcionamento das c lulas fotovoltaicas atrav s do circuito el ctrico equivalente no modelo simplificado e aperfei oado Com base no circuito el ctrico equivalente que constitu do por uma fonte de corrente Isc um d odo D e uma resist ncia s rie Rs implementou se no MATLAB o modelo matem tico das c lulas fotovoltaicas para o estudo das suas caracter sticas para desta forma simular o painel solar fotovoltaico BP SX30U Os fa
156. ponsible for performing the battery s charging process running the MPPT algorithm and controlling the intensity of the high brightness LEDs used to form the road sign The solar panel was mathematically modeled and implemented in MATLAB in order to study their current voltage and power voltage characteristics Throughout the dissertation are presented the simulations results of the complete system as well as of the autonomous photovoltaic system developed prototype Keywords Renewable Energy Solar Energy Autonomous Photovoltaic Systems Batteries MPPT high brightness LEDs Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico vii Indice Agradecimento Sis arca cancela haras aaa saquei a aii cansandad iii RESUMO usasse ana na ni ni is iscas v Pato ff ed sisssissssdisisaindisbsadndisbsas danada dada sbsa dada aadadadaaadada danada da dadadada dadadada dadadada ERRAR vii Lista de FIQUIAS Li isicieisintiseciniccedsvncasetwedevedavedeindanecaveduvedsvniannauvadaveteredavedaienewes xiii Listado Tabelas isisssacstscssacatacasacasacasacetavaracatacasacatasarsiatasastinissasviaiasaseieissareins xxi Lista de ADIeViglUlaSs iicicisiciicidcsicdciicdndnndnnndnnndnnacdenacies xxiii Lista de SIMDOIOS asisssinssscascccetseaveiadsncceiet covisdad casanetconewsadsanneiaccnecedeteeinaaazeasns XXV CAP TULO 1 Introduca sssssssssssssssssssssssssessssssssssseseseresesesesesestetananaranarars 1 1 1 Problem tica das
157. puta ro peca 107 5 3 4 Circuito de Medida cceseeesssessesseseseesesessssseessssesseseseseeees 110 5 3 4 1 Sensor de Tens o de Efeito Hall 111 5 3 4 2 Sensor de Corrente de Efeito Hall 115 5 4 Conversor CC CC Step Down nn eesssseerrananaaa 117 5 5 Girc ito MPP T eee RR Oren PR O RR AR RR 121 5 6 Controlador de Carga Baseado no Conversor Step Down 125 5 7 Sistema de Ilumina o Matriz de LEDS 135 576 COMC ISOS Saia cress EEEE E eran atest at eee wernt at eee artes 136 CAP TULO 6 Conclus es e Trabalho Futuro sscscsesesesesesesrererrererens 139 DA GONCINSDES ri eua Cn E E E carancakt 139 6 2 Sugest es de Trabalho Futuro na 143 Refer ncias Bibliogr ficas ccccccsseeceeeseseeeeeeeeeseeeeeeseeneeeeeeseeneeeeeeeeees 145 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xi Lista de Figuras Figura 1 1 Diferentes formas de gerar energia atrav s de fontes DEHOVAVEIS aiii faia tack anna Dra DER Dre aun RR an aa 1 Figura 1 2 Cen rio de uma poss vel evolu o da produ o mundial de energia el ctrica at 2040 2 seara 3 Figura 1 3 Mapa da radia o solar m dia anual em KWh m na Europa num plano horizontal 4 46 nti el el le le lit Ca needs 4 Figura 1 4 Evolu o hist rica da Energia Solar
158. que carrega a bateria 96 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Cap tulo 4 Simula es Computacionais Na fase de carregamento o estado de carga da bateria SOC apresenta um comportamento mostrado na Figura 4 21 M xima Tens o V Nominal 0 20 40 60 80 100 120 Estado de carga SOC Figura 4 21 Evolu o do SOC durante o carregamento da bateria 59 4 3 Conclus es Neste cap tulo foi apresentada a simula o computacional efectuada no Simulink do MATLAB de um sistema fotovoltaico aut nomo capaz de alimentar um sistema de ilumina o de sinais de tr nsito composto por LEDs de alto brilho O sistema fotovoltaico composto por um circuito conversor CC CC step down que efectua a liga o entre o painel solar e o barramento CC e proporciona que o sistema funcione sempre em pontos muito pr ximos do MPP na curva caracter stica I V do painel solar atrav s do circuito de controlo MPPT O barramento CC composto por uma bateria de 12V que efectua o armazenamento de energia e que capaz de alimentar a carga de CC ou seja a matriz de LEDs quando a energia proveniente do painel solar n o suficiente No Cap tulo 2 foi implementado um modelo matem tico do painel solar fotovoltaico BP SX30U que serviu de base a toda a simula o com a solu o num rica da corrente gerada pelo painel Equa o 2 21 a ser aplicada num bloco program vel
159. r e dessa forma virtualmente inesgot veis Como mais habituais tem se a energia solar e lica h drica das ondas geot rmica e a biomassa ilustradas na Figura 1 1 As Energias Renov veis est o dispon veis em todos os pa ses ainda que com recursos e potenciais diferentes Figura 1 1 Diferentes formas de gerar energia atrav s de fontes renov veis No sector da energia faz parte dos objectivos dos governos de v rios pa ses a aposta na produ o e utiliza o das energias renov veis com a implementa o de um conjunto de medidas como a redu o da factura energ tica o alcan ar de rendimentos extras com a venda de energia produzida para a rede com o intuito de promover a autonomia energ tica do pa s e diminuir a depend ncia das fontes de energia tradicionais como s o o Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 1 Cap tulo 1 Introdu o petr leo o carv o e o g s natural O Sol a principal fonte de energia respons vel pela manuten o das variadas formas de vida existentes na Terra Trata se de um recurso que fornece anualmente para a atmosfera terrestre uma quantidade de energia avaliada em 1 5x10 kWh que corresponde no mesmo per odo a 10000 vezes o consumo mundial de energia 1 Todavia apesar dos n meros elevados esta fonte de energia considerada dispersa Num dia de c u limpo a radia o solar depois de cruzar a atmosfera ating
160. ra modelar um m dulo fotovoltaico n o diferente da modela o de uma c lula fotovoltaica Os circuitos equivalentes utilizados para a simula o s o os mesmos os par metros das caracter sticas el ctricas s o os fornecidos no datasheet do fabricante apenas a tens o de circuito aberto Voc diferente e o seu valor deve ser dividido pelo n mero de c lulas que comp em o m dulo O circuito el ctrico equivalente utilizado para modelar o painel fotovoltaico difere um pouco dos anteriormente analisados e foi usado em 27 Este circuito ilustrado na Figura 2 16 menos complexo e garante resultados bastante precisos Consiste numa fonte de corrente Is um d odo D e uma resist ncia s rie Rs Uma resist ncia em paralelo Rp n o considerada neste circuito como no modelo aperfei oado de uma c lula fotovoltaica porque se est a considerar apenas um painel fotovoltaico e o seu efeito nestas circunst ncias bastante reduzido Apesar de neste modelo se aplicar apenas um d odo D utilizou se tamb m um factor de idealidade do d odo n para que desta forma se consiga incluir o efeito da temperatura sobre a corrente de curto circuito ls e a corrente de satura o inversa do d odo lo Assim alcan a se maior precis o nas caracter sticas l V do painel fotovoltaico Para a simula o foi criado um ficheiro m do MATLAB que implementa a fun o bp sx30M Esta fun o recebe como par metros a intensidade da
161. ra n o provocar sobreaquecimento e desgaste prematuro da bateria No 2 est gio carregar as baterias com um valor de tens o fixa at que a corrente de carregamento atinja um certo valor Este valor de corrente reduzido e ronda o 1 da capacidade nominal da bateria 37 Finalmente numa terceira fase aplicar uma tens o constante um pouco inferior do est gio 2 Esta tens o deve aplicar se durante um intervalo de tempo at se estabilizar as reac es 66 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga qu micas das baterias Estas tr s fases s o representadas na Figura 3 16 Esta figura mostra as curvas de corrente e tens o sobre a bateria durante o processo de carga Aplicando o m todo dos 3 ciclos de carga para o carregamento das baterias leva a uma optimiza o dos seus tempos de vida til 51 Tempo horas 6 9 12 T E E g g 8 Est gio 1 Est gio 2 Est gio 3 Corrente constante Tens o constante Carregamento 10 da Capacidade Carregamento com 2 40 4 flutuante nominal da Bateria 2 25 4 Figura 3 16 Curvas de corrente e tens o por c lula nos 3 est gios do processo de carga de baterias de cido chumbo 3 3 3 Modelos de Baterias Devido s suas reac es qu micas as baterias tem um comportamento n o linear e s o influenciadas por diversos factores tais co
162. rde n o o mesmo que o MPP do painel como se verifica tamb m na mesma figura O MPPT Maximum Power Point Tracking uma t cnica utilizada para rastrear o ponto de m xima pot ncia inserida em circuitos electr nicos de pot ncia para extrair o m ximo de energia a partir de sistemas fotovoltaicos Um circuito MPPT constitu do por dois blocos distintos que s o o conversor de tens o CC CC e o seu sistema de controlo como se pode verificar no diagrama de blocos da Figura 3 2 Linha de carga po A MPP Vmp Imp Corrente do M dulo A oO i Voc Tens o do M dulo Vv Figura 3 1 Intercep o da curva caracter stica l V do m dulo fotovoltaico com a linha da carga Para rastrear o ponto de m xima pot ncia de um m dulo fotovoltaico necess rio um algoritmo de controlo MPPT Com base no algoritmo o conversor CC CC comutado com um sinal PWM correspondente aos c lculos Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 45 Cap tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga realizados no sistema de controlo do MPPT Conversor CC CC Step Down Step Up ou Buck boost Corrente l4 Tens o V4 Sinal de controlo PWM M dulo Fotovoltaico Controlador MPPT Microcontrolador C lculo da pot ncia do m dulo fotovoltaico e ajuste do duty cycle utilizando os diferentes algoritmos MPPT Figura 3 2
163. res fotovoltaicos pois al m de desempenharem as fun es necess rias apresentam baixo consumo de energia Outro factor importante para optar por esta combina o que em locais remotos economicamente mais vi vel adaptar um sistema que combine estas tecnologias dispensando assim uma liga o rede el ctrica A Figura 1 5 ilustra alguns exemplos de sinais de tr nsito um no caso com a utiliza o de LEDs alimentados por sistemas solares fotovoltaicos vw y gt e e nn on gt b gt gt gt gt gt gt gt gt gt san ee eer 1 Figura 1 5 Exemplos de sinaliza o rodovi ria alimentados por sistemas solares fotovoltaicos 1 4 LEDs de Alto Brilho na Sinaliza o Rodovi ria A tecnologia LED Light Emitting Diode tem sofrido nas ltimas d cadas uma melhoria bastante significativa e as aplica es que utilizam LEDs t m enfrentado uma grande revolu o avan ando de maneira cada vez mais c lere para conceber e inovar a ilumina o de v rios ambientes disponibilizando integra o flexibilidade e os mais variados efeitos para consumidores exigentes e criativos Esta tecnologia tamb m impulsionada devido ao surgimento de mais categorias de LEDs para al m do t pico LED indicador onde se enquadra o LED de alto brilho HBLED As principais preocupa es Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 7 Cap tulo 1
164. resenta uma interface gr fica simples e intuitiva representando o sistema por diagrama de blocos O modelo matem tico do painel solar fotovoltaico BP SX30U com a solu o num rica da corrente gerada pelo painel Equa o 2 21 apresentado no Cap tulo 2 foi a base de toda a simula o pois caracteriza a fonte de energia de todo o sistema O conversor CC CC step down que efectua a liga o entre o painel solar e a bateria foi simulado com os valores calculados no dimensionamento efectuado no Cap tulo 3 apresentando resultados satisfat rios Foram efectuadas simula es com o sistema a funcionar em malha aberta com um sinal PWM fixo e com o circuito MPPT em funcionamento de forma a rastrear o ponto de m xima pot ncia da curva caracter stica P V do painel solar Como referido anteriormente para o circuito MPPT foi utilizada a t cnica de Perturba o amp Observa o Com a inten o de simular a bateria de cido chumbo de 12V foi utilizado o modelo gen rico para baterias recarreg veis dispon vel no pacote Power Systems do Simulink Finalmente no Cap tulo 5 foi feita a descri o de todo o trabalho experimental efectuado e foram mostrados os resultados obtidos para os diversos ensaios efectuados A implementa o pr tica do sistema baseou se em duas unidades diferentes sendo que a unidade de comando respons vel por efectuar todo o controlo a enviar para o MOSFET do step down O circuito de pot ncia composto pelo
165. ricos equivalentes de uma bateria a Modelo simplificado b Modelo equivalente de primeira ordem c Modelo Th venin d Modelo de carga e descarga 37 nenene 70 Figura 3 19 Topologias b sicas dos conversores CC CC a Step down b Step up e c BUCK DOOSE cceccceceeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeeeeeeeeeeess 71 Figura 3 20 Curva caracter stica l V do painel fotovoltaico a diferentes radia es solares incidentes a temperatura constante de 50 C e faixa da regi o de funcionamento normal da bateria de cido chumbo de 12V NOMINAL ada Er eere rarer nrtrerercets wrarrn vr rten eaten entre tart mera te a RS 73 Figura 3 21 Circuito el ctrico de um conversor step down para uma carga DUPaIMGNIGNESISHVa ct yi ies Cetera er ieee bd elt ued 74 Figura 3 22 Conversor step down nos dois estados de funcionamento a perido de condu o do semicondutor de pot ncia b per odo de n o condu o do semicondutor de pot ncia 74 Figura 3 23 Formas de onda da tens o e corrente na bobina do conversor step down em modo de condu o Continua 75 Figura 3 24 Blocos e vari veis para controlo do step down com PWM 77 Figura 3 25 Compara o dos sinais Vcontrol Vst DD 77 Figura 3 26 Circuito el ctrico do conversor step down com controlo PWM 78 Figura 3 27 Esquema el ctrico do sistema fotovoltaico implementado 79
166. rio de investiga o a seu cargo numa fase inicial da disserta o e tamb m pelos bravos conselhos dados ao longo da mesma Aos colegas e amigos do laborat rio Lu s Pacheco Rui Barros Jo o Br s Leandro Cruz Vitor Costa e em especial ao Cl udio Gomes pela amizade apoio interesse e companhia prestados durante o trabalho Aos t cnicos das oficinas do Departamento de Electr nica Industrial Sra ngela Sr Carlos e Sr Joel pela sua disponibilidade servi os e ajuda A todos os meus amigos pelos momentos incr veis que passamos juntos e que fizeram com que eu reaviva se as minhas for as quando elas pareciam n o existir a todos sem excep o o meu agradecimento pelo apoio e companheirismo nunca os esquecerei Camila Lobato companheira de muitas horas agrade o pelo apoio incentivo coragem felicidade e carinho que sempre me proporcionou E acima de tudo agrade o aos meus pais pelo incans vel e incondicional apoio carinho dedica o e paci ncia que tiveram comigo Agrade o especialmente as oportunidades que me proporcionaram de estudar Sem eles esta disserta o n o existiria A todos Muito Obrigado Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico iii Resumo A presente disserta o tem como intuito principal criar um sistema de alimenta o para um m dulo de ilumina o rodovi rio aut nomo tendo como base a energia solar fotovoltaica Para efectuar o arma
167. roxima o imperfeita dos diferentes par metros pois considera os constantes quando na realidade dependem do estado de carga da capacidade de armazenamento da taxa de carga e descarga da bateria e da temperatura ambiente 37 Por fim outro modelo mostrado na Figura 3 18 d e proposto em 52 apresenta d odos que possibilitam reconhecer os componentes associados carga e descarga da bateria Outros componentes associados a este modelo como os que comp e Vc representam as sobretens es as resist ncias Rsc e Rsp a resist ncia interna e Rpp a resist ncia associada autodescarga da bateria O condensador Cy tal como em outros modelos simula a capacidade da bateria Apesar de este modelo manifestar resultados satisfat rios necess rio a realiza o de v rios testes f sicos bateria em estudo para se estimar o valor dos v rios par metros Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 69 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Figura 3 18 Circuitos el ctricos equivalentes de uma bateria a Modelo simplificado b Modelo equivalente de primeira ordem c Modelo Th venin d Modelo de carga e descarga 37 3 4 Conversor CC CC Os conversores est ticos t m como finalidade ajustar a pot ncia el ctrica dispon vel em determinados pontos do sistema para uma outra forma est vel desejada Com uma estrat gia de controlo para a abertura e f
168. s emp ricos determinando Vmp e Voc para diferentes condi es climat ricas O valor de K vari vel e encontra se vulgarmente entre 0 73 e 0 8 sendo que o valor mais comum 0 76 33 Depois de determinado o valor de Ki Vmp calculado atrav s da equa o 3 1 Para isso desliga se periodicamente o conversor CC CC do m dulo fotovoltaico e mede se a tens o de circuito aberto Voc O valor de Vinp que utilizado como refer ncia comparado com o valor da tens o proveniente do painel fotovoltaico Va o que gera uma sinal de erro que utilizado para ajustar a tens o de controlo Vc Todo este processo est caracterizado no fluxograma desta t cnica apresentado na Figura 3 3 In cio Ler Va k Ler Vmp Erro Va k Vmp G Vc erro Ganho Figura 3 3 Algoritmo MPPT da t cnica Tens o Constante CV Quando os n veis de radia o solar incidente sobre o m dulo fotovoltaico s o baixos esta t cnica particularmente efectiva 34 superando outros m todos utilizados Assim em algumas aplica es este algoritmo combinado com outros m todos Todavia o MPPT que baseia o seu controlo nesta t cnica apresenta algumas limita es O erro em regime permanente devido rela o existente entre Voc Vmp nao ser constante um dos principais obst culos a utiliza o do m todo Tens o Constante Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltai
169. s fotovoltaicos explicado o funcionamento das baterias sob o ponto de vista da modela o e feita a compara o entre as diferentes tecnologias de constru o de baterias e respectivos modelos S o estudadas as principais caracter sticas das baterias de cido chumbo Neste cap tulo s o ainda confrontadas as topologias de conversores est ticos CC CC que melhor se podem enquadrar no sistema fotovoltaico desenvolvido O conversor step down dimensionado e modelado com o objectivo de se efectuar uma simula o do mesmo para posterior montagem pr tica No cap tulo quatro s o apresentadas as diversas simula es computacionais do sistema de ilumina o de sinais de tr nsito alimentado por um painel fotovoltaico No quinto cap tulo elaborada a implementa o pr tica do sistema e s o expostos os resultados experimentais que demonstram o desempenho da unidade de controlo que foi implementada e do conversor step down a funcionar como seguidor do ponto de m xima pot ncia como controlador do processo de carga e descarga da bateria e como elemento de interface para controlar a luminosidade da matriz de LEDs de alto brilho Finalmente no cap tulo seis s o apresentadas as conclus es finais da disserta o bem como um conjunto de propostas para trabalhos a desenvolver futuramente Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 11 CAPITULO 2 Paineis Fotovoltaicos 2 1 Introd
170. sd Units vy Figura 3 17 Modelo de bateria e respectivo bloco de par metros utilizados para a simula o do sistema de armazenamento do sistema fotovoltaico Contudo em v rios trabalhos relacionados com esta tem tica diversos modelos para a simula o de baterias s o propostos Desta forma segue se uma breve descri o dos v rios modelos de baterias baseados em componentes el ctricos Estes modelos variam conforme o grau de complexidade e das propriedades em estudo na simula o 23 O modelo mais simples proposto em 52 e constitu do apenas por uma resist ncia Rip que caracteriza a resist ncia interna da bateria em s rie com uma fonte de tens o ideal Vog que representa a tens o de circuito aberto Este modelo mostrado na Figura 3 18 a e manifesta demasiada simplicidade para a maioria das aplica es pois n o permite analisar fen menos espec ficos das baterias tais como a capacidade de carga e descarga Outro modelo mostrado na Figura 3 18 b e proposto em 53 apresenta uma aproxima o de primeira ordem da bateria Este modelo exibe uma tens o de circuito aberto ideal definida em rela o ao estado de carga SOC da bateria 23 A resist ncia Rip exprime a resist ncia interna da bateria enquanto o condensador Cp representa a capacidade de carga da mesma A inclus o da malha RC permite representar os fen menos transit rios na carga e na descarga o que confere uma maior pre
171. sil cio monocristalino para funcionar como c lula fotovoltaica necessita de outros dispositivos semicondutores e de um grau de pureza elevado devendo chegar muito perto do 100 O processo de fabrico das c lulas fotovoltaicas de sil cio monocristalino Figura 2 9 a complexo e de alto custo necess ria uma grande quantidade de energia no fabrico em raz o da exig ncia de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita gt Sil cio Policristalino p Si O sil cio policristalino constitu do por um n mero elevado de pequenos cristais disp e de uma quota de mercado de cerca de 30 18 As c lulas de sil cio policristalino Figura 2 9 b s o mais baratas que as de sil cio monocristalino pela necessidade de um processo de prepara o das c lulas embora semelhante menos rigoroso Contudo a efici ncia baixa um pouco em compara o com as c lulas de sil cio monocristalino Os rendimentos em laborat rios n o excedem os 18 e em utiliza o pr tica os 12 18 A estrutura molecular apresenta algumas descontinuidades o que dificulta o movimento dos electr es Este fen meno reduz a pot ncia de sa da gt Sil cio Amorfo a Si As c lulas de sil cio amorfo Figura 2 9 c em rela o s estruturas cristalinas s o diferentes por manifestar alto grau de desordem na estrutura dos tomos Estes defeitos estruturais em principio impediram a sua utiliza o em c lulas fot
172. sserta o de Mestrado Universidade T cnica de Lisboa 2008 M Trindade J S Martins and J L Afonso Sistema para Optimiza o da Extrac o de Energia de Pain is Solares Fotovoltaicos Confer ncia sobre Energias Renov veis e Ambiente em Portugal Figueira da Foz Portugal 5 7 de Maio 2005 pp pp 1 165 1 170 H Chan and D Sutanto A New Battery Model for use with Battery Energy Storage Systems and Electric Vehicles Power Systems Order A Journal On The Theory Of Ordered Sets And Its Applications vol 00 2000 M Urbain S Ra l B Davat and P Desprez State Estimation of a Lithium lon Battery Through Kalman Filter 2007 148 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Refer ncias 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Z M Salameh M A Casacca and W A Lynch A Mathematical Model for Lead Acid Batteries IEEE Trans on Energy Conversion Vol 7 No 1 March 1992 N Mohan T Underland and W Robbins Power Electronics Converters Applications and Design John Wiley amp Sons Inc 1995 D W Hart Introduction to Power Electronics Prentice Hall 1997 H L NASCIMENTO CONVERSOR BUCK COMO INTERFACE ENTRE PAINEIS Disserta o de Mestrado Universidade Federal do Esp rito Santo 2006 D B Riffel Unidade de Osmose Reversa Acionada por Energia Solar Fotovoltaica sem Baterias Simula o Projet
173. sso de controlo de carga e descarga da bateria atrav s do controlador de carga e executa o controlo de luminosidade dos LEDs do m dulo de ilumina o Para verificar e validar o funcionamento do step down como conversor abaixador de tens o realizou se um ensaio com controlo em malha aberta ou seja com sinal PWM fixo e pela an lise dos resultados obtidos conclui se que o conversor funciona conforme o esperado Com a utiliza o de uma fonte de tens o constante em detrimento do painel solar fotovoltaico devido indisponibilidade de pain is para os testes surgiram problemas para validar o circuito MPPT Para resolver esse inconveniente foi necess rio incluir no sistema uma resist ncia da mesma ordem de grandeza da carga do conversor step down em s rie com a fonte de tens o para desta forma se obter uma curva caracter stica l V parecida com as curvas caracter sticas do painel fotovoltaico Seguidamente realizaram se v rios ensaios com controlo em malha fechada com v rios algoritmos de seguimento MPP baseados na t cnica de Perturba o amp Observa o Verificou se que o circuito MPPT efectuou a busca constante do ponto de m xima pot ncia oscilando o sistema em torno deste com um valor de duty cycle vari vel De seguida para verificar se o sistema estava de facto a funcionar no ponto de m xima pot ncia realizaram se dois ensaios com controlo em malha aberta com valor de duty cycle fixo maior e menor que o valor de duty
174. surge a equa o 3 21 que permite calcular o valor de C4 gates 3 21 O valor mais elevado do duty cycle d ocorre quando o painel solar fornece a tens o de m xima pot ncia no valor 16 8V ao mesmo tempo que a bateria esteja completamente carregada com um valor de tens o igual a 14 4V Assim 0 857 3 22 Considerando admiss vel que existe uma varia o da tens o de 2V no condensador e substituindo os valores acima descritos na equa o 3 21 calcula se o valor de C equa o 3 23 0 36 0 857 ______ 3 23 1 20000 2 77 ese O condensador C2 sa da do conversor juntamente com a bobina L formam um filtro passa baixo Para o dimensionamento deste condensador utilizou se a equa o 3 24 57 pe 3 24 RR f AVe ee Com base em 57 considerou se AVc 0 025 Vo Desta forma obt m se o valor da capacidade do condensador C na equa o 3 25 0 2 0 72 e SS 2 2 20000 0 025 10 5 43uF 3 25 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 81 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Mediante estes variados c lculos a Tabela 3 4 apresenta resumidamente os valores dos componentes dimensionados para o esquema da Figura 3 27 Tabela 3 4 Valores dos componentes dimensionados para o conversor Step Down Bobina L 1 37 mH Condensador de entrada C1 Condensador de sa da C2 3 5 Conclus es
175. taicas s o de controlo complicado devido essencialmente varia o sistem tica da intensidade da radia o solar Portanto os principais problemas passam por cargas e descargas irregulares devido varia o da radia o solar durante o dia a descargas com corrente de baixa intensidade e cargas escassas em virtude da aus ncia de sol por v rios dias Assim o controlador de carga o equipamento respons vel pela monitoriza o do processo de carga e descarga da bateria dentro de limites pr estabelecidos pelos fabricantes Este tipo de controlo permite um melhor aproveitamento da energia gerada pelo painel fotovoltaico al m de garantir a protec o da bateria aumentando assim o seu ciclo de vida Como analisado anteriormente neste cap tulo esta disserta o projectada para um sistema fotovoltaico que optimiza a extrac o de energia produzida atrav s de um circuito que faz com que os pain is operem no ponto de m xima pot ncia O carregamento das baterias atrav s do circuito MPPT geralmente utiliza o m todo dos 3 est gios m todo dos 3 ciclos de carga 51 Numa primeira fase est gio 1 quando a bateria se encontra completamente descarregada esta atinge um valor limite de tens o Nesta condi o a bateria carregada com uma corrente constante at se obter um certo valor m ximo de tens o de sobrecarga que depende das caracter sticas das baterias Geralmente o valor da corrente de carga n o deve ser elevado pa
176. te caso o incremento da pot ncia AP positivo enquanto o incremento da tens o de sa da do painel fotovoltaico negativo A ac o de controlo a realizar nesta situa o aumentar o ciclo de trabalho para que a tens o de sa da diminua at alcan ar o MPP d APa Pa k P k 1 lt 0 e AVa Va k V k 1 gt 0 Neste caso o incremento da pot ncia AP negativo enquanto o incremento da tens o de sa da do painel fotovoltaico positivo A ac o de controlo a realizar igual a do caso c ou seja aumentar o ciclo de trabalho para a tens o de sa da diminuir at alcan ar o ponto de m xima pot ncia O tamanho da perturba o AV aplicado tens o de sa da do m dulo fotovoltaico para que dessa forma altere o ciclo de trabalho um par metro essencial nesta t cnica de controlo MPPT As oscila es referidas anteriormente relativas ao MPP podem ser minimizadas reduzindo o tamanho da perturba o Contudo perturba es muito pequenas tornam este m todo lento na busca do ponto de m xima pot ncia O per odo de amostragem Ta outro par metro que importante definir para o bom funcionamento deste m todo Este corresponde ao intervalo de tempo em que amostrada a tens o e a corrente do m dulo fotovoltaico Per odos de amostragem pequenos permitiriam chegar rapidamente ao MPP detectando tamb m rapidamente mudan as nas condi es climat ricas Contudo o Ta deve ser superior ao tempo de
177. tema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga efectivo Sempre que a corrente de curto circuito Is medida a tens o proveniente do m dulo fotovoltaico nula e nenhuma energia produzida diminuindo em muito o rendimento do sistema 3 2 1 3 Condut ncia Incremental IncCond O m todo Condut ncia Incremental baseia a sua t cnica na an lise da curva da pot ncia em fun o da tens o curva P V do m dulo fotovoltaico A curva P V analisada com base na sua inclina o sendo zero no ponto de m xima pot ncia positiva esquerda do MPP e negativa direita do MPP A Figura 3 5 mostra as tr s regi es de opera o da pot ncia de sa da do m dulo fotovoltaico BP SX30U considerando uma radia o solar incidente de 1000W m com uma temperatura constante de 25 C dP MPP gt 0 te RS aC eeaisee dV Pot ncia do M dulo VV D 5 10 15 20 Tens o do M dulo Vv Figura 3 5 Curva PV do m dulo fotovoltaico dP 0 no ponto MPP dv z gt 0 esquerda do MPP lt 0 adireita do MPP Entao a localizagao do ponto de maxima pot ncia extraida a partir de sistemas fotovoltaicos com controlo MPPT baseado na t cnica Condut ncia Incremental dada pela equa o 3 3 i 3 3 dV Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 49 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga A equ
178. terias da Unipower 46 mostra a rela o entre a profundidade de descarga e o n mero de ciclos que a bateria capaz de realizar durante a sua vida til 120 aasa Ft Profundidade de descarga Capacidade 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Vida util Ciclos Figura 3 14 Capacidade das baterias de cido chumbo em fun o do numero de ciclos de funcionamento para diferentes percentagens de profundidade de descarga A forma o de cristais de sulfato de cnumbo nas placas das c lulas das z baterias chamada de sulfata o Este fen meno outro problema 64 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga relacionado com o processo de descarga das baterias que esta relacionado com a degradacao da bateria de acido chumbo e consequentemente da sua vida util Evitar manter a bateria por longos periodos de tempo descarregada assim como acautelar carregamentos parciais prolongados e precaver uma opera o cont nua em temperatura acima de 45 C sao as principais precau es que devem ser tomadas para minimizar o problema relacionado com a sulfata o 49 3 3 2 4 Estado de Carga Na modela o das baterias um dos principais desafios o conhecimento do seu estado de carga SOC State of charge 50 pois o conhecimento deste par metro importante para prevenir sobrecargas
179. tiliza o de circuitos el ctricos equivalentes torna poss vel modelar as caracter sticas de uma c lula fotovoltaica O m todo utilizado elaborado em MATLAB para a simula o A mesma t cnica igualmente aplicada para estruturar m dulos fotovoltaicos 2 3 2 1 Modelo Simplificado Quando a luz incide sobre uma c lula solar gerando o efeito fotovoltaico o modelo mais simples de uma c lula fotovoltaica mostrado no circuito equivalente da Figura 2 10 que consiste numa fonte de corrente ideal em paralelo com um diodo ideal 20 A fonte de corrente Isc representa a corrente 22 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos el ctrica gerada pelo feixe de radia o luminosa constitu da por fot es Esta corrente unidireccional constante para uma dada radia o solar incidente 21 A corrente ly representa a troca de electr es na jun o P N que pode ser representada por um d odo pois uma corrente interna unidireccional que depende da tens o V aos terminais da c lula 22 Figura 2 10 Modelo simplificado do circuito equivalente de uma c lula fotovoltaica Frequentemente existem dois par metros principais que caracterizam as c lulas fotovoltaicas Curto circuitando os terminais da c lula fotovoltaica como se verifica na Figura 2 11 a a corrente fotoel ctrica gerada sair fora das c lulas como corrente de curt
180. to lb Voc tens o de circuito aben0 c count anion ahaha eb aie 23 Figura 2 12 Curva l V da c lula fotovoltaica sob 3 n veis diferentes de radia o solar a temperatura constante de 25 C ennenen 25 Figura 2 13 Modelo de dois d odos do circuito equivalente de uma c lula Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xiii Lista de Figuras fotovoltaica to pena waite dadas dar a patel Saou hel eee wet 26 Figura 2 14 Curva caracter stica l V de um painel gen rico 28 Figura 2 15 M dulo fotovoltaico BP SX30U eeeeeneeeeeeeeneeeeeeee 29 Figura 2 16 Circuito equivalente utilizado para a simula o do m dulo f t voltaico BP SXS0 We cant ena RS is ROGERIO 31 Figura 2 17 Simula o no MATLAB da curva caracteristica l V e respectivo MPP do m dulo fotovoltaico BP SX30U 1000 W m e 25 C 35 Figura 2 18 Simula o no MATLAB da curva P V e respectivo MPP do m dulo fotovoltaico BP SX30U 1000 W m e 258C 35 Figura 2 19 Curvas caracter sticas l V para v rias intensidades de radia o solar incidente e temperatura do m dulo igual a 25 C 37 Figura 2 20 Curvas P V para v rias intensidades de radia o solar incidente e temperatura do m dulo a 25 C 00 eeeeee ee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeesneeeeeeeeees 37 Figura 2 21 Curvas caracter sticas l V para v rias temperaturas do m du
181. to da bateria Como referido anteriormente a corrente assim que atinge o valor de refer ncia mant m se constante at a tens o aos terminais da bateria atingir o valor de 13 5V Vocr passando o algoritmo para o 2 est gio Figura 5 49 denominado de tens o constante com a indica o a surgir atrav s de uma mensagem no LCD como mostra a Figura 5 51 Figura 5 51 Mensagem de in cio do controlo PID para o 2 est gio Tens o Constante do processo de carregamento da bateria Neste est gio a grandeza a ser controlada a tens o que carrega a bateria VeLoat com valor de refer ncia de 14 4V como mostra a Figura 5 52 Tal como no 1 est gio de carregamento a grandeza a ser controlada no caso VrLoar a partir do sinal PWM aplicado ao MOSFET do step down Enquanto aplicada uma tens o constante para o carregamento a corrente na bateria ir diminuir como mostra a Figura 5 53 at ao valor de Itric A Figura 5 54 ilustra uma sequ ncia de mensagens amostrada no LCD durante o carregamento da bateria no 2 est gio Verifica se a tens o aos Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 133 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais terminais da bateria a manter se constante no valor de refer ncia VeLoat 14 4V enquanto a corrente na bateria decresce 0 71A 0 45A 0 214 1 CH1 5 00 Div M 2 505 Figura 5 52 Tens o aos termina
182. to de medida com o circuito acoplador OPlCOr ss 5455s ce iors ia Aas ote eee elas des ceie tates 111 Figura 5 18 Sensor de tensao de efeito Hall LV25 P da LEM 112 Figura 5 19 Esquema de liga es do sensor de tens o LV25 P 112 Figura 5 20 Fonte de alimenta o utilizada para alimentar o circuito de medida naia et ale AD RR PER PR PER ERRO RR ROD PROP PROERD 114 Figura 5 21 Medi o do valor da tens o aos terminais do painel TOLOVONAICOS ice ceietiarniy hal taker cheek neki needa en 114 Figura 5 22 Medi o do valor da tens o aos terminais da bateria 115 Figura 5 23 Sensor de corrente de efeito Hall LA55 P da LEM 115 Figura 5 24 Esquema de liga es do sensor de corrente LA55 P 116 Figura 5 25 Medi o do valor da corrente proveniente do painel TOLOVOITRICO gt les erp a a 117 Figura 5 26 Medi o do valor da corrente que efectua o processo de cargada Wale tte sas orio ra iiras ines na AEA a EEEE ap areias AAA ENE 117 Figura 5 27 Conversor CC CC Step Down implementado numa Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico xvii Lista de Figuras preadboard Fre viselhn aS readin ihcn Sin hen dade nels US RS ar a a e nti 118 Figura 5 28 Sinal de controlo PWM com duty cycle 70 a uma frequ ncia OZ OK IZ omni ais ls Saad RIO RSS oa ar RU 119 Figura 5 29 Tens o na entr
183. to por uma fonte de tens o bateria de cido chumbo 12V anteriormente referenciada nesta disserta o e uma resist ncia de pot ncia Report de 15W de 1000 em s rie com a liga o de LEDs em paralelo para limitar os par metros de funcionamento para valores correctos R POT u LED N Figura 5 55 Circuito el ctrico da matriz de LEDs Como se tratam de conjuntos de LEDs diferentes LEDs vermelhos e LEDs brancos de alto brilho e devido liga o em paralelo foi necess rio dividir em dois a matriz de LEDs ou seja uma matriz para os LEDs brancos e outra para os vermelhos Isto porque os LEDs brancos apresentam uma tens o de funcionamento diferente dos vermelhos e caso fossem ligados em conjunto apenas os LEDs de menor tens o acenderiam e possivelmente de seguida ficariam destru dos Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 135 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais O sinal de controlo PWM enviado pelo microcontrolador PIC18F4431 para controlar a luminosidade dos LEDs efectuado atrav s de um circuito acoplador que assegura os n veis de tens o da bateria a aplicar aos LEDs Existiu a preocupa o por aplicar um sinal PWM com um valor de duty cycle reduzido para que desta forma os LEDs se encontrem mais tempo desligados do que ligados para n o causar encandeamento numa situa o real rodovi ria A Figura 5 56 e a Figura 5 57 ilustr
184. tr o efectue essa transi o chamada de gap No caso do cristal de sil cio de 1 12eV 18 A luz constitu da por fot es no momento em que incide sobre uma jun o P N com energia superior do gap vai provocar que os electr es saltem da banda de val ncia para a banda de condu o tornando se electr es livres que v o aparecer na zona abrangida pelo campo el ctrico da jun o A zona do tipo N vai atrair electr es livres uma vez que esta zona se encontra Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 19 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos com uma baixa concentra o de cargas negativas aparecendo desta forma lacunas que depois ser o ocupadas por outros electr es dando assim origem a pares de electr o lacuna na zona do tipo P Se este fen meno acontecer na regi o onde o campo el ctrico diferente de zero as cargas s o aceleradas gerando assim uma corrente atrav s da jun o P N Este deslocamento de cargas d origem a uma ddp ao qual se cnamou Efeito Fotovoltaico Utilizando um condutor externo liga se a camada positiva camada negativa do Sil cio e forma se uma corrente el ctrica correspondente ao fluxo de electr es na liga o 19 Este o princ pio de funcionamento das c lulas fotovoltaicas A Figura 2 8 ilustra a constitui o interna de uma c lula fotovoltaica Rudinc o solar Contacto frontal Sil cio tipo N Jun o
185. trav s da multiplica o da corrente de descarga pelo tempo de autonomia expressa em Amp re hora Ah Dessa forma a capacidade nominal de uma bateria em Ah a quantidade de carga que o acumulador capaz de fornecer sob determinadas condi es isto com determinada corrente de descarga at uma determinada tens o tens o de corte a uma dada temperatura Habitualmente a capacidade nominal da Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 61 Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga bateria definida para um regime de descarga de 10 horas com corrente constante a temperatura de 25 C at a tensao final de 1 75V por c lula ou de 10 5V por bateria 12V nominal 40 Teoricamente e como exemplo uma bateria de 200Ah capaz de proporcionar uma corrente de 20A durante 10 horas ou 4A por 50 horas ou ainda 1A por 200 horas 45 A capacidade da bateria depende em muito do tempo de descarga diminuindo em rela o nominal quando o tempo muito pequeno ou seja quando a corrente de descarga elevada Por outro lado a capacidade pode aumentar quando a corrente de descarga pequena onde consequentemente o tempo de descarga maior 37 Quanto maior for a corrente de descarga menor ser a autonomia e a capacidade da bateria isto leva a um comportamento n o linear da mesma Dessa forma n o correcto definir uma bateria de 100Ah mas sim falar
186. tulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga Assim que o valor da tens o Vcontroi superior ao valor de vs O semicondutor est ligado no estado ton Por outro lado se o valor de Vcontrol for menor que o valor de vs 0 semicondutor est desligado no estado torr O valor do duty cycle calculado com base na equa o 3 11 55 ton Veontrol d 3 11 Ts Vst l Analisando a equa o 3 11 conclui se que o semicondutor deve estar mais tempo ligado quando o valor da tens o de sa da Vo se encontra mais distante do valor da tens o de refer ncia Vre Desta forma quando o valor de Vo est mais pr ximo do valor de Vref o semicondutor deve estar mais tempo desligado A Figura 3 26 apresenta o esquema do circuito step down com o controlo PWM Veoma e Amplificador ew MM L Comparador Figura 3 26 Circuito el ctrico do conversor step down com controlo PWM 3 4 3 2 Dimensionamento do Conversor Step Down Um conversor CC CC Step Down ideal em funcionamento no modo de condu o cont nua tem a rela o 3 12 entre a tens o m dia de entrada Vi e a sa da Vo em regime permanente 55 78 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga A condi o mais cr tica sofrida pelo conjunto painel solar bateria acontece quando no mesmo instante existe m xima
187. u o Os pain is ou m dulos fotovoltaicos s o constitu dos por c lulas fotovoltaicas que convertem a energia de uma fonte luminosa geralmente o sol em energia el ctrica 15 As c lulas fotovoltaicas isoladamente t m capacidade limitada de produ o de energia el ctrica e fornecem um baixo n vel de tens o Sendo necess rio uma maior produ o de energia fundamental associar v rias c lulas As c lulas fotovoltaicas s o agrupadas em s rie ou em paralelo Figura 2 1 de maneira a conferirem as caracter sticas el ctricas desejadas para o painel 15 Os pain is fotovoltaicos podem tamb m ser ligados entre si formando se os arranjos fotovoltaicos TIA STR i i i a VI iMY t Em Amo Pe ae E Figura 2 1 Liga o de c lulas fotovoltaicas a s rie b paralelo Este cap tulo aborda essencialmente os fundamentos das c lulas fotovoltaicas e a modela o de uma c lula fotovoltaica utilizando um circuito el ctrico equivalente Os modelos foram modelados matematicamente e implementados no MATLAB para o estudo das caracter sticas das c lulas e para simular um m dulo fotovoltaico real Neste cap tulo s o ainda referidas as configura es utilizadas para gerar energia atrav s de pain is solares Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 18 Capitulo 2 Pain is Fotovoltaicos fotovoltaicos recaindo a preocupa o c
188. urante um per odo de tempo Ts deve ser zero equa o 3 8 55 r ton Ts 0 0 ton Analisando a Figura 3 23 a equa o 3 8 implica que as areas A e B devem ser iguais Desta forma surge a equa o 3 9 Vi Vo ton Vo Ts ton 3 9 Ou V t 2 ON g duty cycle 3 10 E Ts Portanto no modo de condu o cont nua o conversor CC CC step down equivalente a um transformador de CC onde a rela o de espiras deste transformador equivalente pode ser controlado electronicamente atrav s do duty cycle do semicondutor de pot ncia 55 Assim como o duty cycle d assume valores entre O e 1 pode concluir se que Vi 2 Vo verificando se assim o prop sito deste conversor ou seja apresentar sa da uma tens o inferior de entrada 3 4 3 1 Controlo do Step Down com PWM O conversor step down tem como objectivo controlar a tens o de sa da Vo de modo a que essa tens o atinja um valor pretendido Ver O processo empregue para efectuar este tipo de controlo designado por PWM Pulse With Modulation conhecido tamb m como Modula o por Largura de Impulso Com este tipo de controlo o semicondutor de pot ncia S sujeito a sucessivas comuta es entre dois n veis de tens o que controlam o valor do 76 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga duty cycle controlando desta forma
189. valor da tens o aos terminais da bateria 5 3 4 2 Sensor de Corrente de Efeito Hall Os sensores de corrente de efeito Hall utilizados para a medi o dos valores da corrente provenientes do painel solar e da corrente na bateria foram os LA55 P da LEM A Figura 5 23 apresenta a apar ncia destes sensores Figura 5 23 Sensor de corrente de efeito Hall LA55 P da LEM Este sensor tem capacidade de leitura m xima de valores de corrente at 50A corrente nominal no prim rio do sensor A corrente nominal no secund rio do sensor de 50mA o que corresponde a uma raz o de convers o de 1 1000 Assim como o sensor de tens o LV55 P este sensor de corrente tamb m pode ser alimentado com 15V GND 15V ou 12V GND 12V 62 A Figura 5 24 caracteriza o esquema de liga es empregue para os sensores de corrente Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico 115 Cap tulo 5 Implementa o e Resultados Experimentais T 15 V o 11 N 50 Voltas VM Figura 5 24 Esquema de liga es do sensor de corrente LA55 P Tal como no sensor de tens o a resist ncia Ry deve ser projectada para o n vel desejado no terminal M sendo o valor m ximo da tens o 5V limite de tens o nas entradas do PIC18F4431 e tamb m que nesse terminal a corrente n o ultrapasse os 50mA Assim a equa o 5 6 permite calcular Ry tanto para o circuito de medida da corrente proveniente do painel
190. versificada montra de vantagens acontece tamb m que essa inova o poder causar alguns problemas Desta forma parte destes inconvenientes traduzem se na complexidade de equipamentos e sistemas o que implica que circuitos el ctricos ganhem actualmente graus de dificuldade superiores Com base nestes factos torna se necess ria a utiliza o de ferramentas de simula o para realizar estudos sobre o comportamento dos circuitos el ctricos que se pretendem implementar Estes estudos permitem prever resultados de determinado circuito el ctrico antes da fase de desenvolvimento precavendo o investigador de perigos associados ao mesmo Com este tipo de ferramentas poss vel ainda realizar um estudo do comportamento do sistema em condi es extremas de funcionamento ou seja para al m dos limites estabelecidos alcan ando uma percep o global do funcionamento e comportamento do sistema real permitindo ajustar e aperfei oar a efici ncia deste reduzindo assim os custos e o tempo dedicado para desenvolver um prot tipo A realiza o dos m dulos de simula o do sistema fotovoltaico desta disserta o foi realizada no Simulink do MATLAB O Simulink uma ferramenta utilizada para modelagem simula o e an lise de sistemas din micos e disponibiliza ao utilizador uma interface gr fica amig vel representando o sistema por diagrama de blocos O SimPowerSystems uma toolbox que opera no ambiente Simulink dedicada modela o de
191. verssal de uma bateria de cido Chumbo e respectiva estrutura 42 Os componentes que comp em as baterias s o interligados convenientemente no interior da bateria de maneira a definir a sua capacidade e tens o nominal A tens o nominal da c lula de uma bateria de cido chumbo 58 Sinaliza o Rodovi ria com LEDs de alto brilho alimentada por Sistema Fotovoltaico Capitulo 3 Interface entre o Painel Fotovoltaico e a Carga de 2V 16 assim para se atingir tens es mais elevadas devem ser montadas em bloco dentro de um inv lucro comum sendo internamente ligadas em s rie Habitualmente as baterias apresentam tens es de 12V produzindo se em menor escala de 6 e 24V 3 3 2 1 Princ pios Electroqu micos e Reac es O processo qu mico de gera o de energia el ctrica atrav s de reac es qu micas designado de oxida o e redu o Quando o elemento da reac o qu mica perde electr es este oxida se e chamado de agente redutor e o processo chamado de redu o De outra forma o elemento da reac o que adquire electr es chamado de agente oxidante e o processo chamado de oxida o 40 Durante o processo de carga e descarga de uma bateria de cido chumbo acontece tanto o processo de redu o como o de oxida o Assim a tens o da bateria aumenta ou diminui por vezes at determinados limites al m dos quais os componentes se modificam de forma irrevers vel Por menores que sejam os
192. zenamento de energia proveniente do painel fotovoltaico utilizou se uma bateria de cido chumbo de 12V Foi implementado um controlo PID Proporcional Integral Derivativo com Modula o por Largura de Impulso PWM Pulse Width Modulation que altera o valor do duty cycle a enviar para o MOSFET do conversor CC CC Corrente Cont nua Corrente Cont nua topologia Step Down de modo a controlar todo o processo de carga da bateria De forma a melhorar a efici ncia energ tica de todo o sistema foi utilizado um algoritmo para maximizar a pot ncia extra da pelo painel fotovoltaico que procura constantemente o MPP Maximum Power Point do painel fotovoltaico independente das condi es de temperatura e radia o solar existentes O sistema MPPT Maximum Power Point Tracking consiste num conversor CC CC do tipo Step Down controlado por um microcontrolador O algoritmo utilizado para o rastreamento do MPP foi o m todo P amp O Perturba o e Observa o A unidade de controlo tem como base um microcontrolador PIC18F4431 que capaz de efectuar o processo da carga da bateria de executar o algoritmo MPPT e de realizar o controlo de brilho dos LEDs de alto brilho que comp e o sinal rodovi rio O painel solar foi matematicamente modelado e implementado no MATLAB para o estudo das caracter sticas l V Corrente Tens o e P V Pot ncia Tens o do mesmo Ao longo da disserta o s o apresentados os resultados das simula es do s

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