Seguidor do ponto de máxima potência multi-conversor para sistemas solares fotovoltaicos

Abstract

Com o decorrer dos anos o panorama energético mundial tem vindo a modificar-se, numa tentativa contínua de proporcionar o desenvolvimento económico da sociedade moderna, de forma sustentável e com o mínimo de consequências para o meio ambiente. A produção de energia já não depende exclusivamente da queima de combustíveis fósseis. Atualmente realizam-se esforços no sentido de desenvolver tecnologia que possibilite aumentar a eficiência e reduzir os custos, na obtenção de energia a partir de fontes não poluentes e renováveis. Em virtude disso e pela elevada disponibilidade da sua fonte de energia, o sol, os sistemas solares fotovoltaicos têm-se afirmado como uma das melhores apostas na área das energias renováveis. A potência instantânea extraída de um sistema solar fotovoltaico está constantemente a alterar-se, devido a variações nas condições ambientais a que está submetido, em especial a radiação. Numa instalação solar com os painéis conectados em serie, basta um ficar sujeito a sombra para que os restantes sejam afetados de modo igual (efeito sombra). A este fator estão associadas perdas de rendimento consideráveis. Esta Dissertação descreve o estudo, implementação e teste de um Seguidor do Ponto de Máxima Potência Multi-Conversor para Sistemas Solares Fotovoltaicos, capaz de otimizar a produção de energia e compensar o efeito sombra sobre um, ou mais, painéis de uma instalação solar. A solução desenvolvida é constituída por um conversor CC-CC do tipo Boost, cujo controlo é baseado no algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracker) designado Perturbação e Observação. Esta técnica permite acompanhar de forma dinâmica as flutuações de potência de um painel ao longo do dia, fazendo com que este opere sempre no seu ponto de máxima potência. Para compensar o efeito sombra recorreu-se à topologia Module Integrated Converter (MIC), que consiste na utilização de um conversor de potência dedicado para cada painel da instalação solar. Por isso, para que esta solução se torne viável, é fundamental que o protótipo implementado seja autónomo, de dimensões reduzidas, eficiente e de baixo custo. Neste documento são apresentados os resultados de simulação, o hardware de potência, de controlo e de alimentação selecionado, e por fim são relatados os resultados experimentais obtidos em ambiente laboratorial e em ambiente real que comprovam o funcionamento do sistema implementado.

Throughout the years, there is a growing interest in modifying the global energy landscape for supporting the economical growth of modern society while minimizing its environmental impact. Energy production is not exclusively dependent on fuel fossil burning. Nowadays efforts are carried out in developing technology which increases the efficiency and reduces the costs of energy production from non-pollutants and renewable sources. Such efforts and the sun's high availability have driven photovoltaic solar systems as one of the best options among of the existing renewable energies. The instantaneous power extracted from a photovoltaic solar system is constantly changing due to variations of the ambient conditions to which it is subjected, namely the solar radiation. In an installation with the solar panels connected in series, if a single one is brought with a shadow, all the others are equally affected (shadow effect), leading to considerable efficiency loss. This Dissertation describes the analysis, implementation and experimental tests of a Multi-Converter Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Solar Systems, capable of optimizing energy production and compensating the shadow effect of one or more panels in a solar installation. The developed solution is composed by a Boost DC-DC converter, whose control is based in a Maximum Power Point Tracker (MPPT) algorithm, designated Perturbation and Observation. This technique enables a dynamic following of a panel's power variations during the day, making it to work continuously at its maximum power point. In order to compensate the shadow effect, it was used the Module Integrated Converter (MIC) topology, which consists in using of a power converter dedicated for each panel in the solar installation. For this solution to be viable, it is fundamental the constructed prototype to be autonomous, of small dimensions, efficient and of low cost. In this document, the simulation results and the selected hardware, of both power and control systems, are presented. This Dissertation ends with the experimental results, performed in both laboratory and real environments validating the implemented system's correct operation.