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1. Corrente no indutor do conversor boost ti Tens o no interruptor do conversor boost Circuito utilizado para simula o do conversor buck no ORCAD CAPTURE LOS raca nie oito SUA DA Abd ol soa asus E cala aa hate hg Tens o nos ultracapacitores na entrada do conversor buck com ORCAD CAPTURE 10 3 raneta oeeie kann i eea aaas Tens o na chave de entrada do conversor buck com ORCAD CAPTURE JOS sine ein avin Heeb yl eee ents Rotina para obten o do ponto de maxima pot ncia Processo de carga dos ultracapacitores ti Foto do prot tipo implementado Circuito de Pot ncia Conversores Boost esquerda e Buck direita Circuito de Controle do Sistema Medida do indutor do boost errar Medida do indutor do huck Transceptor ativado e telefone com monofone no gancho An lise espectral do transceptor sem sinal da portadora com monofone no gancho seserissscsessesarverrcdssespnadsressarerssenisedersedee quvaveta seers xii 52 53 54 56 57 58 61 61 62 62 65 66 69 69 70 71 72 77 77 11 78 78 79 82 83 83 87 88 89 90 90 91 91 92 Figura 4 8 Figura 4 9 Figura 4 10 Figura 4 11 Figura 4 12 Figura 4 13 Figura 4 14 AP NDICE A AP NDICE B AP NDICE C Transceptor ativado com chamada telef nica em andamento e monofone fora do Gancho
2. 51 Compara o entre os m todos MPPT 60 Caracter sticas el tricas do m dulo M55 da Siemens 65 Especifica es para o dimensionamento do conversor boost 73 Caracter sticas do n cleo NEE 42 21 20 74 Caracter sticas f sicas do indutor DOOSt sce eeceeeeceecnsccesceesceeeneeeseeeseeenee 15 Especifica es para o dimensionamento do conversor buck 19 Caracter sticas do n cleo NEE 40 17 12 84 Caracter sticas f sicas do indutor DUCK c ccccccccssssssesescecccccesssssseccecceseeaes 86 LISTA DE S MBOLOS Xv S mbolo Significado Unidade n Rendimento Alpy Ondula o de corrente de entrada do boost A AIL puck Ondula o de corrente na entrada do indutor do A buck AVcarga Varia o de tens o na sa da do boost V AV buck Varia o de tens o na entrada do buck V AV buck Ondula o de tens o de sa da do buck V AVpy Varia o de tens o na entrada do boost V Ae rea efetiva da perna central do n cleo cm Ae Aw Produto das reas em fiobuck rea total do condutor do buck cm Afio rea total do condutor do indutor do conversor cm boost Ahd Capacidade m dia de gera o fornecida pelo Ah m dulo fotovoltaico em um dia AhL Consumo di rio da carga Ah Aw rea da janela do carretel em Bmax Densidade de fluxo magn tico T C Capacit ncia F Cc
3. cscccessecessceesteceeeeceeeeccsneeeeeeceeeeensaes An lise espectral da onda portadora do transceptor ativado na frequ ncia de 259 066 MHLZ e Diagrama de blocos do sistema montado no projeto Tens o na chave e corrente no indutor do Boost Canal 1 5 V div e Canal 2 1 A DIV ccccccceesscceessseeeessneeeees Tens o e corrente na carga do conversor Boost Canal 1 5 V div e Canal 2 250 mA DiV eee Tens o na chave e corrente no indutor do Buck Canal 1 5 V div Canal 2 250 mA div eciis ii Tens o e corrente na carga do conversor buck Canal 1 5 V div e Canal 2 250 mA Div cese si Esquem tico do Circuito de Controle desenhado com o software AU one ohne ODE RD URIA Ra TR DU aa a Esquem tico do circuito de pot ncia e da fonte auxiliar Esquem tico do banco de ultracapacitores xiii Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 Tabela 5 Tabela 6 Tabela 7 Tabela 8 Tabela 9 Tabela 10 Tabela 11 Tabela 12 Tabela 13 xiv LISTA DE TABELAS Custos de Instala o e de Gera o de Energia de Fontes Renov veis 11 Compara o de pre os de ultracapacitores 2 7 V 350 F por fabricante 37 Compara es entre Ultracapacitores x Baterias 39 Compara o bateria x ultracapacitor ees eeeecesceseeeesceesseeeseeeseeeeeeeeess 39 Resumo do Algoritmo Perturba o e Observa o
4. 71 No SI Sistema Internacional 1 Farad F corresponde a 1 Coulomb C por Volt Coulomb Joule V Farad a Watt corresponde a 1 Joule por segundo Watt segundo Convertendo o resultado obtido para Watt tem se para a energia armazenada no banco de ultracapacitores o valor de 115 977 W O sistema foi dimensionado para tr s dias de autonomia e uma profundidade m xima de descarga de 60 utilizando se o resultado da Equa o 18 tem se a Equa o 28 And 3 967 3 Cutra E 06 19 83 Ah 28 Onde Cuttra Capacidade total dos ultracapacitores Ah d Dias de autonomia 3 dias Dc M xima profundidade de descarga 60 Dessa forma o banco de ultracapacitores composto por 11 unidades de 2 7 V 350 F em s rie totalizando 29 7 V mas por quest es de seguran a e prote o do sistema limitou se o controle da tens o em 21 V e capacit ncia equivalente total de 31 818 F A Figura 3 6 mostra genericamente o gr fico da curva de descarga no ultracapacitor Figura 3 6 Perfil da curva de descarga no ultracapacitor 43 Curva de Descarga do Ultracapacitor Va RENA ko Capacitiva Vmn sedes l A Os onze ultracapacitores escolhidos para uso no projeto foram da VINA Technology fabricado na Cor ia do Sul modelo VEC2R7357 tem como caracter sticas tens o de 2 7 V peso 54 1 g volume 57 7 ml densidade de energia 6 1 Wh L e possui 4 pino
5. baterias Realizou se um breve estudo sobre o aparelho telef nico usado como acess rio para o funcionamento do transceptor que o elemento de carga Foi feita uma revis o bibliogr fica dos conversores CC CC e realizado o estudo da topologia proposta para o carregador dos ultracapacitores Foram apresentados seu princ pio de funcionamento etapas de opera o dimensionamento projeto e resultados de simula o Atrav s dos resultados de simula o foi poss vel comprovar que o conversor realmente pode ser dimensionado considerando a equival ncia com um conversor elevador boost e com o conversor abaixador buck Foram analisadas seis t cnicas de MPPT que s o estudadas atualmente para aplica o no sistema apresentado Optou se por usar a t cnica perturba e observa pela facilidade de implementa o no projeto De acordo com as necessidades do projeto e as regulamenta es da ANEEL e ANATEL o sistema foi dimensionado passando a ser composto por apenas um painel fotovoltaico MM55 55 Wp da Siemens um conversor elevador um banco de ultracapacitores como elemento armazenador composto por onze unidades cada uma com 2 7 V e 350 F um conversor abaixador um equipamento transceptor para comunica o telef nica um aparelho telef nico e uma antena Yagi para recep o e transmiss o do sinal de telefonia Durante os testes de laborat rio com o intuito de se evitar a propaga o da radia o eletromagn tica utilizou se um
6. tanto pela temperatura mostrado na Figura 3 2 como pela intensidade de radia o luminosa 66 Figura 3 2 Curva de Pot ncia e corrente em fun o da tens o no painel fotovoltaico 5 Corrente f V Corrente A MPP Ponto de m xima pot ncia Tens o V Para um transceptor de 10 W nominal a pot ncia total consumida incluindo os cabos e conectores de no m ximo 25 W 10 W do transceptor e mais 15 W de perdas nos cabos conectores e sistema irradiante Definindo o rendimento do conversor elevador em 90 a radia o m dia de 5 500 Wh m dia a tens o do barramento dos ultracapacitores de 21 7 V e o tempo de funcionamento de 3 horas a pot ncia m dia fornecida pelo banco de capacitores determinada usando a Equa o 17 Pycmed a 2 27 778 W 17 09 Onde Pucmed Pot ncia m dia fornecida pelo banco de ultracapacitores n gt Rendimento do sistema estimado em 90 Pout Pot ncia consumida pela carga O consumo do sistema em um dia Ah dia dado pela Equa o 18 Pyucmed tfunc _ 27 77 3 An eee tne lt 3 067 Ah dia 18 Onde An Consumo di rio da carga tfunc Tempo de funcionamento da carga por dia h dia Vcc Tens o do barramento 21 V A capacidade m dia de gera o do m dulo em um dia 5 dada pela Equa o 19 Apg Pe med 305 5500 16 775 Ah dia 19 Rs 1000 67 Onde Ana Capacidade m dia fornecida pelo m dulo
7. 26 dBm eo Att 0 dB SUT 100 ms 36 2 is i Center 259 06667 MHz SCREEN gt Tx STR 000 EXIT activate ON HTER 93 A Figura 4 8 detalha os instrumentos e equipamentos utilizados nas medi es dos sinais do transceptor de r dio monocanal Figura 4 8 Transceptor ativado com chamada telef nica em andamento e monofone fora do gancho ANALISADOR DE ESPECTRO SENSOR DE POT NCIA TELEFONE TRANSCEPTOR ATIVADO A Figura 4 9 mostra o gr fico da an lise espectral da frequ ncia da portadora gerada pelo transceptor em 259 066 MHz O telefone foi retirado do gancho pelo usu rio e foi estabelecida uma chamada telef nica pelo assinante comprovando seu funcionamento Figura 4 9 An lise espectral da onda portadora do transceptor ativado na frequ ncia de 259 066 MHz fi 259 0666667 MHz 65 r 1 dBm REW 300 kHz Ref 55 dEm UBU 3 kHz Center 259 06667 MHz Span 12 MHz SCREEM gt TX ST5 000 EXIT ACTIVATE BRInTER 94 A Figura 4 10 mostra o diagrama de blocos do sistema montado no projeto Figura 4 10 Diagrama de blocos do sistema montado no projeto Painel Conversor CC CC 1 Conversor CC CC 2 Transceptor Banco de Ultracapacitores As Figuras 4 11 e 4 12 mostram respectivamente os gr ficos dos resultados experimentais da tens o na chave e a corrente no indutor e tens o e
8. 69 Di metro do fio do indutor cm Profundidade de penetra o da corrente no condutor cm do conversor boost VPV_MIN Tens o minima de entrada no boost V VPV NOM Tens o nominal na entrada do boost V Introdu o Geral As novas tecnologias na rea das fontes renov veis de energia t m se caracterizado nos ltimos anos como fatores importantes no desenvolvimento do setor Os sistemas fotovoltaicos desde 1980 e licos e de biomassa t m aumentado a efici ncia e consequentemente tornado se economicamente mais vi veis Estes sistemas t m funcionado de diversas formas e pot ncias em v rias partes do mundo com bastante sucesso As tecnologias para uso de energias renov veis n o podem mais ser consideradas como solu es alternativas dentro do contexto global econ mico e de uso racional da energia 1 As vantagens apresentadas com o uso da energia solar fotovoltaica s o muitas dentre as quais se podem destacar extrema simplicidade aus ncia de pe as mec nicas m veis caracter stica modular reduzidos prazos para instala o alto grau de confiabilidade dos sistemas instalados e baixa manuten o Desta forma o sistema solar fotovoltaico caracteriza se como importante fonte de energia que n o polui o meio ambiente e que uma fonte renov vel de energia bastante adequada ao meio urbano reduzindo quase que completamente as perdas por transmiss o da energia devido proximidade entre gera o e consumo
9. Esquem tico do circuito de pot ncia e da fonte auxiliar 107 A APENDICE C Esquem tico do banco de ultracapacitores AZ Z JOSE As z Jose AZ Z JOSE As z JOSE AL Z JOSE MZ 40GE AL Z JOSE As z Jose AL Z JOSE RADAR AL Z dose AZ Z JOSE
10. M1 4400uF IRFP250 TEL R24 10k R29 100k ol olf R23 22 A tens o no banco de ultracapacitores mostrada na Figura 3 15 Observa se a falta de ondula o da tens o o que garante estabilidade de energia na entrada do conversor buck Figura 3 15 Tens o nos ultracapacitores na entrada do conversor buck com ORCAD CAPTURE 10 3 83 30V opuzma 25U i TENSAO NO BANCO DE ULTRACAPACITORES Vuc 21 V 20V 15U 16U 196ns 191ms 192ns 193ns 194ms 195ns 196ns 197ns 198ns 199ms o U R1 2 TEMPO Figura 3 16 Tens o na chave de entrada do conversor buck com ORCAD CAPTURE 10 3 fae T TENSAO NA CHAVE DO BUCK 15 V E 45y N s A o N 0 M 10u o s F E i D o 5U B U C K ou 193 5676ms 193 6000ms 193 6400ms 193 6800ms 193 7200ms 193 7666ms 193 8666ns 193 8466ms 193 8800ms o U R23 1 TEMPO 3 4 1 Dimensionamento do indutor buck Com o uso do conceito do Interruptor PWM apresentado por Vorp rian 63 64 torna se extremamente simples e r pida a simula o de conversores est ticos CC CC utilizando modula o por largura de pulso O presente trabalho mostra o uso dessa t cnica atrav s de simula es de um conversor tipo buck usando o programa Orcad Capture 13 0 Como a corrente m dia que circula na fonte de entrada V mm a mesma que circula pelo indutor Lbuck a corre
11. N o existe um mercado espec fico para baterias destinadas a sistemas PV As baterias mais comuns s o as baterias de autom veis caminh es pesados que est o dimensionadas para fornecer elevadas correntes em curtos intervalos de tempo Estas baterias embora baratas n o s o as mais aconselh veis para sistemas PV pois o seu tempo de vida muito curto quando aplicadas em sistemas com elevadas profundidades de descarga As baterias seladas s o baterias de cido desenvolvidas propositadamente para sistemas PV Estas baterias s o mais caras e n o suportam temperaturas extremas como as baterias convencionais mas tem a vantagem de n o ser necess rio restabelecer os n veis de eletr lito As baterias NiCd s o baterias robustas leves resistentes a temperaturas extremas tem baixas taxas de autodescarga e aguentam perfeitamente profundidades de descarga que podem chegar abaixo dos 10 Uma desvantagem o fato de diminuir a sua capacidade com o aumento do n mero de ciclos de descarga Outra desvantagem o seu elevado pre o 39 A Tabela 3 tra a um quadro comparativo entre as vantagens x desvantagens entre as baterias e os ultracapacitores Tabela 3 Compara es entre Ultracapacitores x Baterias Ultracapacitores Baterias e Armazena carga f sica e Armazena carga qu mica e Maior densidade de pot ncia em at 10 vezes e Baixa densidade de pot ncia e Baixa dens
12. UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA EL TRICA PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA JOS MASCENA DANTAS SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA COMUNIDADES ISOLADAS UTILIZANDO ULTRACAPACITORES PARA ARMAZENAMENTO DE ENERGIA FORTALEZA 2012 JOS MASCENA DANTAS SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA COMUNIDADES ISOLADAS UTILIZANDO ULTRACAPACITORES PARA ARMAZENAMENTO DE ENERGIA Disserta o de Mestrado apresentada ao Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Cear como requisito parcial para obten o do t tulo de Mestre em Engenharia El trica rea de concentra o Eletr nica de Pot ncia e Acionamentos El tricos Orientador Prof Dr C cero Marcos Tavares Cruz FORTALEZA 2012 Dados Internacionais de Cataloga o na Publica o Universidade Federal do Cear Biblioteca de P s Gradua o em Engenharia BPGE D213s Dantas Jos Mascena Sistema fotovoltaico para comunidades isoladas utilizando ultracapacitores para armazenamento de energia Jos Mascena Dantas 2012 107 f il color enc 30 cm Disserta o mestrado Universidade Federal do Cear Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia El trica Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica Fortaleza 2012 rea de Concentra o Eletr nica de Pot ncia e Acionamentos El tricos Orienta o Prof Dr C cero Marco
13. Visto apenas pela tica financeira na qual as externalidades positivas n o s o valoradas e incorporadas aos custos n o h d vida que o abastecimento de energia s comunidades isoladas longe de ser um investimento com retorno econ mico significa um aumento nos encargos das empresas concession rias motivo pelo qual elas n o t m demonstrado interesse em atender essa classe de consumidores No entanto o acesso dos exclu dos energia el trica cerca de 15 milh es de brasileiros n o pode ser visto apenas pela tica do investimento financeiro Deve ser encarado todavia como um investimento 12 social capaz de influenciar forte e positivamente na melhoria das condi es de vida dessas pessoas Segundo o estado da arte das fontes alternativas de energia tanto no que diz respeito maturidade tecnol gica tecnologia dominada disponibilidade de pe as de reposi o rede de assist ncia t cnica etc quanto com rela o escala de produ o de energia compat vel com a maioria das comunidades da regi o somente a fotovoltaica e a hidrocin tica poder o ser consideradas atualmente como dispon veis ao atendimento energ tico de comunidades isoladas da regi o amaz nica como tamb m nas regi es Centro Oeste e Nordeste A Ag ncia Nacional de Energia El trica ANEEL atrav s da Resolu o N 493 2012 de 05 06 2012 estabelece os procedimentos e as condi es de fornecimento por meio de Microssist
14. gua flutuante Sem consumo de diesel Biodiesel de baba u FONTE http www portal fucapi br tec imagens revistas ed0O6 completo pdf p 30 35 Nessa tabela al m dos custos normais de gera o apresentam se os custos de gera o levando em considera o a sub roga o da Conta de Consumo de Combust vel CCC destinada a subsidiar a instala o de fontes renov veis O emprego maci o dessas fontes faz parte das prioridades do programa Luz para Todos do governo federal que objetiva o acesso e uso da energia el trica por todos os brasileiros No entanto conforme se pode perceber o uso de fontes renov veis em escala significativa nas condi es amaz nicas passar obrigatoriamente pela minimiza o das fontes com vistas ao atendimento de pequenas demandas de energia consolida o t cnica de determinadas tecnologias especialmente de biomassa e diminui o dos custos de investimento que s dever ocorrer quando se aumentar a escala de produ o das fontes A supera o dessas barreiras s poder ser esperada logicamente no longo prazo e depender de vontade pol tica por parte dos tomadores de decis o Caso contr rio perpetua se o ciclo vicioso que se depara atualmente Desse modo necess rio que se garanta demanda para que os fabricantes possam ter a garantia de retorno de investimento em pequenas fontes renov veis o que depender certamente de decis es pol ticas sustent veis em longo prazo
15. o da raz o c clica 2 Ganho Est tico em Fun o de D 08 Vc Vg 04 As principais formas de onda do conversor buck s o mostradas na Figura 2 37 Figura 2 37 Principais formas de onda do conversor buck 34 Luck Vg Ve DTs Ts t a Tens io no indutor buck DTs Ts b Corrente no indutor buck i Chuck c Corrente no capacitor buck 63 O conversor buck pode funcionar em tr s modos de opera o 1 Condu o Continua a corrente em Lbuck n o se anula durante um per odo de comuta o 2 Condu o Descont nua a corrente em Lbuck se anula a cada per odo de comuta o 3 Condu o Cr tica a corrente em Lbuck est no limiar de se anular a cada per odo de comuta o As principais caracter sticas do conversor buck s o v Pode apenas diminuir a tens o na sa da v A corrente de saida tem boa qualidade v A corrente na entrada descontinua 2 7 1 Topologia do Conversor Abaixador Na Figura 2 34 tem se o circuito b sico de um conversor CC CC tipo Buck abaixador de tens o O interruptor Spuck mostrado funciona como um transistor bipolar pode ser implementado com diversas tecnologias de dispositivos semicondutores tais como MOSFETs ou IGBTs A fonte de tens o Vg representa a tens o CC de entrada sendo a resist ncia R a carga do conversor De acordo com o modelamento proposto por Vorp rian 63 64 considera se que em um convers
16. o r pida O circuito utilizado para simula o em malha aberta no ORCAD CAPTURE 10 3 mostrado na Figura 3 8 Como o conversor boost possui caracter stica de fonte de tens o na sa da e duas fontes de tens o n o podem ser conectadas em paralelo foram adicionados RL e Rc2 representando respectivamente a resist ncia da carga a resist ncia do cabo acrescida da resist ncia interna do ultracapacitor 77 Figura 3 8 Circuito utilizado para simula o do conversor boost no ORCAD CAPTURE 10 3 PAINEL FOTOVOLTAICO M55 53 W SIEMENS R2 L1 D2 Lannan 2 T mi 7 1015 1u 7 Di ij i MBR1045 D1 Vdp 0 3 V R1 RR o M c2 Q 4 72 33 C1 pe IRFZ44 RL 3 35Adc 10 31 18 1200 1884u c V1 0 v2 Vi V2 15 21 4Vde TD 100n Rc2 TR 100n 33m TF 100n PW 13 28u l l PER 47 6u l J 0 A tens o no painel mostrada na simula o da Figura 3 9 Pode ser observado que a tens o no painel a do ponto de sua m xima pot ncia Figura 3 9 Tens o no m dulo fotovoltaico 30V 20V 10V Ov 29 9570125s 29 9571702s a V V1 Time A corrente no painel fotovoltaico na simula o mostrada na Figura 3 10 Figura 3 10 Corrente no m dulo fotovoltaico 5 0A Cc e a e A Dr RR RNA ato RR RR R R 4 08 E CORRENTE DO MODULO FOT VOLTAICO 3 35 jA N Da ee o e ee BEE ee a a a eT T E 3 0A
17. 34 VLboost Vi Vo Vi Como a tens o m dia sobre o indutor deve ser nula ent o a Equa o 5 45 1 pDTs _ 1 1 DTs nd Ut ch Vo Vi dt 5 A raz o c clica dada pela Equa o 6 s 1 MD 6 As principais formas de onda do conversor boost no modo de condu o cont nua s o mostradas na Figura 2 21 Figura 2 21 Principais formas de onda do conversor boost 34 VLboost iDboost y i Imax Fechada Aberta I min V Vy j o DT Ts J a Tensdo no indutor boost c Corrente no diodo boost ILboost iCboost Tmax Air I min y DT Ts t a Ry b Corrente no indutor boost d Corrente no capacitor boost As principais caracter sticas do conversor boost s o v Corrente n o pulsada na entrada Pode apenas aumentar a tens o na sa da A corrente de sa da descont nua A corrente na entrada tem boa qualidade Baixo custo peso e volume Alto rendimento DN NN NNN Reduzido nimero de componentes 46 2 5 3 Topologia do Conversor Elevador Para diminuir a corrente de entrada do conversor que eleva a tens o dos ultracapacitores para alimentar a carga e consequentemente minimizar as perdas por condu o dos interruptores optou se por uma tens o m xima do banco de ultracapacitores em 29 7 V Contudo esta especifica o limitou ao uso de um conversor CC CC do tipo elevador de tens o sendo que o conversor escolhido foi o boost Para evitar sobretens o nos elementos ar
18. 46 Para o c lculo do capacitor de filtragem utiliza se a Equa o 47 a qual determina que a corrente nominal de sa da do conversor expressa por P 2 _1818A 47 L 2 o Vo 13 75 Com isso calcula se o valor m nimo necess rio do capacitor de filtragem de modo a garantir o valor de ripple da tens o especificada usando se a Equa o 48 2 AI y L buck 10 1 818 ___ 4 0524 nF 48 Con ee mun 2 1 fsbuckAV buck 2 3 1415 21 103 0 2 17 No projeto foi dimensionado um capacitor de 10 nF 35 V Para fins de montagem e seguran a do circuito de prote o na entrada do conversor buck foi colocado um fus vel de 2 5 A e foram utilizados tr s capacitores de 470 uF 35 V em paralelo Esta medida possibilitou diminuir a resist ncia s rie equivalente e dividiu a corrente que circulava por estes capacitores O valor do ciclo de carga m nimo para o conversor buck dado pela Equa o 49 Di Vearga 13 75 0 46 49 Vg 29 7 Onde V tens o m xima na entrada do barramento do conversor buck Vearga tens o na sa da do conversor buck que alimenta a carga O valor do ciclo de carga m ximo para o conversor buck dado pela Equa o 50 2 Domine 8 1878 0 79 50 Ve min 17 4 Onde Ve min tens o minima na entrada do conversor buck Varga tens o na sa da do conversor buck que alimenta a carga A corrente m xima da carga Larga fornecida pelo fabricante
19. CH1 5004 CH2 250m4 M100us CH1 Z 14 04 30 Nov 12 18 45 152 687kHz 30 Nov 12 18 46 79 9575kHz Atrav s de simula es realizadas com o ORCAD CAPTURE CIS 10 3 que foram mostradas no capitulo 3 os resultados foram comparados com os calculados o que validou o modelo matem tico utilizado para o circuito O sistema opera durante todo o per odo em que estiver ativado Como o painel depende da temperatura e da incid ncia solar haver dias em que n o aparecer sol forte e a energia do painel a ser transferida para o sistema ficar reduzida Dessa forma para alimentar o transceptor ser necess rio fornecer energia a ser retirada dos ultracapacitores O transceptor precisa ser alimentado em no m nimo 12 V mas a programa o do sistema da placa de controle vai operar na faixa de 12 a 21 V O banco de ultracapacitores ser limitado tens o m xima de 21 V mesmo sendo capaz de suportar at 29 7 V neste projeto optou se em limitar seu uso como prote o do sistema de energia a qual ser transferida do painel para os ultracapacitores atrav s do conversor boost Devido descarga dos ultracapacitores o sistema poder ficar inoperante por um pequeno per odo de tempo visto que incomum em nossa regi o o sol n o aparecer E logo ser restabelecida a energia para recarga dos componentes armazenadores Para este projeto o usu rio do servi o poder utilizar o r dio transceptor no per odo noturno por at 3 horas ou mais dependendo
20. o e energia necess rias H muitos outros itens a considerar para o dimensionamento adequado da aplica o Isto inclui a resist ncia interna do ultracapacitor a queda de tens o instant nea associada a uma corrente aplicada a temperatura ambiente de funcionamento que afeta a resist ncia interna do ultracapacitor e a sua durabilidade Em 43 existem ferramentas adicionais notas de aplica o e outros trabalhos que est o dispon veis para ajudar no processo de dimensionamento Ultracapacitores t m uma constante de tempo t pica de cerca de um segundo Uma constante de tempo reflete o tempo necess rio para carregar um capacitor de 63 2 de carga ou descarga completa para 36 8 da carga total Esta rela o ilustrada na Figura 3 3 A constante de tempo de um ultracapacitor muito mais elevada do que a de um capacitor eletrol tico Portanto n o poss vel expor ultracapacitores para uma ondula o de corrente cont nua pois pode resultar em sobreaquecimento O ultracapacitor pode responder a exig ncias de energia de curto pulso mas devido efici ncia da constante de tempo a energia dispon vel reduzida 69 Figura 3 3 Rela o da constante de tempo RC 43 ES CARGA as DESCARGA 38 99 esse ees RC 2RC MC ARC SRC TEMPO a A Figura 3 4 ilustra o desempenho dos ultracapacitores em frequ ncias diferentes A queda na capacit ncia est associada com o tempo de resposta necess rio par
21. o x Pot ncia para o M todo Condut ncia Incremental rsen ossos cen Oe es ee a a alas pease a Fluxograma do M todo Condut ncia Incremental Algoritmo do MPPT do M todo Hill Climbing Conversor BUCK oara eE SaR iae ATRE REN RDE Re aee vente Tens o Vppuck NO conversor bDUCk eeseeesesesesesesesesereereeererrrerererrreeers Ganho est tico em fun o da raz o c clica Principais formas de onda do conversor buck Representa o dos pontos de opera o do painel fotovoltaico MDS dA Siemensa snis ai pede a e a Curva de Pot ncia e corrente em fun o da tens o no painel TOLOVO L o 6 LEEN ER E EE NA PR RA Rela o da constante de tempo RC eee ceeeceseceeceneeeeecnneenaeeees Resposta em frequ ncia para capacit ncia e resist ncia com ultracapacitor de 350 F e esenee Curvas de corrente de descarga no ultracapacitor Perfil da curva de descarga no ultracapacitor Circuito do ORCAD CAPTURE 10 3 utilizado para simular o m dulo fotovoltaico rrenan Circuito utilizado para simula o do conversor boost no ORCAD CAPTURE TO Seis siri aa eeraa E ERE ean Tens o no m dulo fotovoltaico ee eeessecsseceeeceseeeeceeeaeeceeeceeeeee Corrente no m dulo fotOVOltaiCO ee eeceeccesceseeeceeeeeeeesteeseeeees Ondula o da corrente de carga nos ultracapacitores
22. onde situado o enrolamento Ae Aw Produto das reas desejado cm Kw 0 7 Fator de utiliza o da rea da janela enrolamento Imax 450 Alem Densidade de corrente el trica m xima Bmax 0 30 T Densidade de fluxo magn tico m ximo Baseado no c lculo do produto das reas escolheu se o n cleo de ferrite NEE 42 21 20 da Thornton para a confec o do indutor boost cujos dados est o na Tabela 9 61 Tabela 9 Caracter sticas do n cleo NEE 42 21 20 61 Caracter sticas do n cleo de ferrite Ae Aw Produto das reas Ae rea efetiva da perna central Aw Area da janela do carretel Ve Volume do n cleo 23 30 cm O n mero de espiras do indutor do boost dado pela Equa o 36 62 substituindo os valores obt m se Lpoost Lief 1 015 1073 3 05 Nesp SS ey ee Eg a Ae Bmax 2 40 10 0 30 43 espiras 36 O entreferro total do indutor do conversor do boost determinado pela Equa o 37 471077 N p2 40 1072 4 31415 10774322 40 102 Se Z 0 055 cm 37 g boost 1 015 1073 Para o caso de n cleos de ferrite com formato EE o valor do entreferro deve ser l ajustado em a A profundidade de penetra o da corrente no condutor dada em pela Equa o 38 62 e substituindo valores obt m se e EB o ERRO oe 6 Tr om 0 05175 cm 38 15 Para reduzir o efeito pelicular skin effect o di metro do condutor n o poder ser maior que duas vezes o valor de 6 A bitola
23. rea rural foi feito um estudo exaustivo de compara o de sistemas SIGFI com o da rede comum Para um per odo de 25 anos o custo dos sistemas individuais de energia solar aproximadamente 4 vezes menor do que o da rede comum considerando todos os par metros econ micos de deprecia o manuten o e opera o de ambos os sistemas Em muitas situa es n o existe outra solu o a n o ser a energia solar tais como em localidades de 22 extrema dificuldade de acesso montanhas consumidores distribu dos numa rea de grande extens o ou ilhas com relativamente poucas casas 14 Diversas aplica es v m sendo desenvolvidas de forma acelerada nos ltimos anos para o uso de energia solar Tudo que acionado por eletricidade pass vel de utilizar energia solar Se analisada em longo prazo qualquer aplica o vantajosa no entanto h aquelas com maior retorno do investimento em certas condi es Por exemplo tem se energiza o em locais afastados de linhas eletrificadas energiza o de equipamentos eletr nicos telecomunica es principalmente em locais remotos e nesse trabalho telefonia rural para atendimento a comunidades isoladas da rede p blica de telecomunica es e de energia 2 3 Ultracapacitores As diversas tecnologias est o dispon veis ao ser humano para que ele exer a suas atividades di rias de locomo o comunica o estudos pesquisas dentre tantas outras ofertas que a seus olhos
24. todo necessita apenas de um sensor de tens o Vpy Figura 2 28 Modelo do m todo da Tens o Constante Vev t Subtrator Compensador Ltt 0 10Vref O m todo da tens o constante uma das t cnicas mais simples para a busca do ponto de m xima pot ncia O princ pio de funcionamento desta t cnica baseia se no fato de a tens o de m xima pot ncia Vmp e a tens o de circuito aberto Voc terem uma rela o linear independente da radia o solar ou temperatura como mostrado na Equa o 7 Vnp k Voc 7 Nesta equa o k o fator de tens o e depende das caracter sticas do m dulo fotovoltaico utilizado O c lculo do valor de k um processo dificil por isso geralmente determinado por meios emp ricos O seu valor sempre menor que 1 e varia entre 0 73 e 0 8 sendo que k normalmente igual a 0 76 Assim medindo a tens o de circuito aberto e uma 54 vez terminado o valor do fator de tens o pode calcular se o valor de Vmp Equa o 7 para colocar o m dulo no ponto de m xima pot ncia 26 O valor de Vmp utilizado como refer ncia para ser comparado com a medi o da tens o do painel Vpv e gerar um sinal de erro que utilizado para ajustar a tens o de controle Vc como se pode ver no fluxograma da Figura 2 29 Figura 2 29 Fluxograma do m todo de Tens o Constante Ler Vev k Vmp V Erro Vev k Vmp V Ve
25. uma linha de transmiss o e um elemento irradiante Quanto linha de transmiss o permite a transfer ncia do sinal modulado no transceptor at o elemento irradiante sinal este chamado de portadora Finalmente o elemento irradiante conhecido por antena um transdutor de energia el trica para eletromagn tica no lado da esta o receptora permitindo a recupera o da informa o inicial O termo ponto a ponto est relacionado ao fato da comunica o em n vel de radioenlaces ser sempre realizada entre duas esta es ou seja um nico conjunto de receptores localizado em uma nica esta o recebe o sinal de um nico conjunto de transmissores tamb m localizado em uma nica esta o 57 Nesse trabalho para funcionar o ponto de acesso rede p blica de telecomunica es foi utilizado um r dio transceptor monocanal da STS Telecom com frequ ncia de transmiss o de 259 000 MHz pot ncia de radiofrequ ncia RF de 1 5 W a ser ativado em uma comunidade rural afastada em at 50 km ou mais dependendo da topografia do terreno da rede de atendimento b sico da concession ria do servi o de telecomunica es 42 passando a ser chamado nessa pesquisa de assinante B O terminal telef nico que fica na cidade nesse trabalho ser chamado de assinante lado central ou assinante A Onde o sistema ponto a ponto e pode ser utilizado com a finalidade de acessar a rede mundial de computadores Internet ou realizar u
26. 2 Historicamente a gera o e a distribui o da energia el trica est o associadas necessidade de luz por m a for a motriz a maior dependente da continuidade do servi o de fornecimento Em 2001 o povo brasileiro foi obrigado a economizar energia devido crise energ tica ocorrida com a falta de investimentos em infraestrutura pelo governo federal hoje a situa o n o diferente Os sistemas fotovoltaicos isolados ou aut nomos em geral atendem a locais isolados ou n o conectados rede el trica de distribui o Este caso n o gen rico pois sinais de tr nsito podem ser conectados fonte de suprimento fotovoltaico No caso espec fico deste estudo analisar se a implementa o de um sistema de telecomunica o em reas distantes da rede A necessidade de instala o e opera o do sistema com o uso de ultracapacitores como forma de armazenamento de energia constitui se uma alternativa promissora para substituir as baterias automotivas mais pesadas mais caras e com tempo de vida til menor por ultracapacitores que s o menores fisicamente mas com vida til de 10 anos para atendimento a comunidades isoladas da rede p blica de energia el trica e da rede de telecomunica es o que resolve a limita o de espa o e durabilidade Procurando contribuir neste sentido essa disserta o est dividida como segue No cap tulo I apresenta se uma r pida abordagem sobre as principais necessidades de se
27. Figura 2 18 Figura 2 19 Figura 2 20 Figura 2 21 Figura 2 22 Figura 2 23 Figura 2 24 Figura 2 25 LISTA DE ILUSTRA ES Proje o de custos FULUTOS eee esseesseestecetecseeeeceesceecaeecaeeceeecnee Jangada com orelh o celular em Macei AL Usu rio usando tecnologia GSM e energia solar no Lago Vit ria em Ugandaan a eevee mapasii de cosa geadas A E RS Usu rio em orelh o da Oi beneficiado pela capta o de energia solar regi o do semi rido PD eee Orelh o via sat lite da Embratel usando energia fotovoltaica na localidade Melancias em S o Francisco do Piau PD Sistema de telefonia p blica utilizando energia fotovoltaica em Macei6 AL csrescinreresegueso so pero DUNA Renan eo ossestease se sees REE eTA Painel solar e antena sendo instalados na comunidade rural Tucuns dos Donatos em Pedro PL N meros absolutos de exclus o el trica rural por Estado da Federa o spinae ia iE E E EEEE E ETE Diagrama de blocos do sistema proposto eeseeseeseseeerereeeesreeeeee Camada do tipo P e camada do tipo N da c lula solar Efeito fotovoltaico na jun o P N eeeeeeseessseereereeresreesesrreseerreseeee Esquem tico de uma c lula fotovoltaica de sil cio Tipos de c lulas fotovoltaicas a sil cio monocristalino b sil cio policristalino c pel cula fina Painel fotovoltaico utilizado no exp
28. Todavia tendo em vista o atual cen rio brasileiro e o plano de universaliza o dos servi os de telecomunica es a tecnologia solar fotovoltaica apresenta se bastante promissora As comunidades n o atendidas por energia da rede p blica que j possuem sistemas de telecomunica es operando com baterias podem substituir seus sistemas de armazenamento de energia por ultracapacitores desde que as altera es dos projetos t cnicos sejam realizadas por profissionais especializados Os ultracapacitores t m como objetivo armazenar a energia vinda do painel solar via conversor elevador boost Um conversor abaixador de tens o buck interliga os ultracapacitores com o transceptor O objetivo deste trabalho mostrar que poss vel substituir o sistema de baterias por ultracapacitores como forma de armazenamento de energia 1 3 O porqu de atender as comunidades isoladas sem redes de energia e de telecomunica es Atualmente os sistemas fotovoltaicos v m sendo utilizados em instala es remotas possibilitando v rios projetos sociais agropastoris de irriga o e comunica es As facilidades de um sistema fotovoltaico tais como modularidade baixos custos de manuten o e vida til longa fazem com que sejam de grande import ncia para instala es em lugares desprovidos da rede el trica 6 A energia solar se mostra uma grande alternativa para gera o de energia el trica pois nos dias atuais em que os problemas am
29. Ve Erro G Vv Retorna Um dos problemas desta t cnica o fato da tens o de circuito aberto do m dulo variar com a temperatura obrigando a efetuar medi es constantes desta j que o aumento da temperatura altera o valor da tens o de circuito aberto Outra desvantagem que est inerente s medi es a obrigatoriedade de desligar os pain is fotovoltaicos do conversor de pot ncia para que se possam efetuar as medi es de Voc o que resulta numa perda moment nea de energia e consequentemente de efici ncia Por isso faz se necess rio a utiliza o de interruptores adicionais para desligar os pain is fotovoltaicos do conversor Mas a principal desvantagem desta t cnica a presen a de erro em regime permanente uma vez que a rela o entre Voc e Vmax n o constante Desta forma o arranjo fotovoltaico nunca opera sobre o ponto de m xima pot ncia mas sim em torno deste Neste m todo existem tr s par metros a serem considerados o per odo de amostragem da tens o de circuito aberto que representa o tempo em que os pain is fotovoltaicos s o desligados do conversor de pot ncia per odo de amostragem ou seja o intervalo de tempo em que a tens o do painel amostrada em funcionamento normal e o ganho G desta t cnica Se o per odo de amostragem da tens o de circuito aberto for muito grande o ponto de m xima pot ncia n o pode ser seguido de forma muito precisa Os valores do pe
30. Vic lt 12 V Ultracapacitores muito descarregados A carga feita atrav s do diodo do boost 12 V lt Vic lt 21 V Carga no ponto de m xima pot ncia 21 V lt Vuc lt 29 7 V Carga de conserva o ultracapacitores carregados com 70 ee A Vic gt 29 7 V Ultracapacitores completamente carregados e o conversor desligado O banco de ultracapacitores pode ser considerado em um curto per odo de tempo como uma fonte de tens o constante Para obten o do ponto de m xima pot ncia necess rio apenas monitorar a corrente de carga do banco de ultracapacitores e n o a pot ncia de sa da do painel que normalmente utilizada Esta t cnica apresentada no t pico 2 6 1 foi usada neste projeto devido a sua simplicidade de implementa o A busca do ponto de m xima pot ncia MPP realizada observando a corrente de recarga do banco de ultracapacitores uma vez que a tens o em seus terminais pode ser considerada constante num per odo de chaveamento De acordo com o fabricante dos ultracapacitores a m xima tens o recomendada sobre cada componente 2 7 V a uma temperatura de 25 C Nesta aplica o o circuito de controle com MPPT polarizado usando uma fonte auxiliar alimentada pelo banco de ultracapacitores fornecendo 5 V para o microcontrolador dsPIC30F2020 e 15 V para o driver do MOSFET e outros perif ricos do sistema ver Ap ndices 89 CAP TULO 4 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS S o apresentados n
31. W e com radia o solar m dia de 5 500 W m dia Durante o dia a energia solar capturada por um painel fotovoltaico e armazenada em ultracapacitores atrav s de um conversor boost Este conversor possibilita a carga dos ultracapacitores no ponto de m xima pot ncia MPP do painel fotovoltaico O transceptor ativado quando se tira o fone do gancho e a alimenta o do sistema vem do painel via ultracapacitores Caso haja liga es durante o dia o painel fotovoltaico supre as necessidades do equipamento transceptor noite o painel utilizado n o gera energia suficiente para alimentar o sistema de telecomunica o No per odo noturno caso ocorra uma chamada telef nica para o sistema proposto o transceptor ser acionado o assinante dever retirar o monofone do gancho do aparelho telef nico para realizar o atendimento Durante essa opera o o transceptor consome aproximadamente 13 W de pot ncia que fornecida pelos ultracapacitores os quais est o interligados atrav s do conversor buck O sistema proposto controlado por um microcontrolador e um circuito de controle que procura o ponto de m xima pot ncia MPP do painel fotovoltaico monitora o n vel da tens o dos ultracapacitores e determina o tempo de funcionamento do conversor CC CC que possibilita o fornecimento de energia para o transceptor pelos ultracapacitores Palavras chave Painel fotovoltaico Comunidades isoladas Sistema de telecomunica o Ultracapac
32. da carga dos ultracapacitores e da quantidade de tempo em que o monofone ficar fora do gancho do telefone Em tr s dias de sol intenso em Fortaleza 18 a 20 de abril de 2012 foi realizada a carga completa nos ultracapacitores no Laborat rio do GPEC Em 18 04 2012 o banco de ultracapacitores come ou a ser carregado s 10h25min e alcan ou a tens o de 20 02 V ap s duas horas de carga Verificou se que a tens o em cada ultracapacitor chegou a 1 838 V A 96 carga permaneceu ligada at o anoitecer Quando foi estabelecida uma liga o telef nica noite verificou se que a tens o no transceptor estava em torno de 13 85 V e a corrente na carga era de 0 33 A O sistema de controle limita a tens o de carga em 21 V para evitar sobretens o e superaquecimento dos ultracapacitores assim foi limitada a corrente na sa da do painel em 2 5 A com a inclus o de um fus vel para proteger o conversor boost No dia 19 04 2012 o painel fotovoltaico que se encontra sobre o telhado do GPEC forneceu a tens o de 18 94 V e a corrente de 1 2 A para o prot tipo projetado Verificou se que ao entardecer por volta das 17h o painel apresentou uma leitura de 12 2 V de tens o e 0 27 A de corrente e s 17h45min verificou se a leitura de 11 93 V na tens o e 0 25 A na corrente Durante aquela noite o equipamento r dio encontrava se ligado com a alimenta o fornecida pelo banco de ultracapacitores em 12 V A alimenta o do painel foi desligada do res
33. de procura do Ponto de M xima Pot ncia do painel MPPT Maximum Power Point Tracking Utilizou se nesse projeto a t cnica Perturba e Observa P amp O para o controle do conversor boost e a t cnica de controle por Histerese para o controle do conversor buck A energia fotovoltaica sustent vel porque uma tecnologia de energia renov vel que converte a radia o solar diretamente em eletricidade A energia solar est abundantemente dispon vel a terra recebe energia solar suficiente a cada hora para atender s necessidades mundiais de energia anual 21 As vantagens do Painel fotoVoltaico PV comparados com outras formas de gera o de energia el trica s o m ltiplas Pode se citar como vantagens a recurso ilimitado de energia solar b dispon vel em todas as partes do mundo c modular que varia de miliwatts nos consumidores de produtos para gigawatt em futuras centrais el tricas d durante a opera o produz eletricidade sem a emiss o de poluentes e sem produ o de res duos atmosf ricos e silencioso durante a opera o f vida til comprovada tecnicamente em mais de 30 anos g baixo custo de manuten o h sem custos com combust veis i descentraliza o da rede el trica 9 No entanto possui desvantagem de a alto custo inicial b pot ncia instant nea do sistema pode sofrer oscila o devida as varia es da radia o solar dispon vel c necessita de armazenadores de energia d conscientiza
34. disponha do sistema via r dio e que utilize baterias e inversor Ainda em rela o a trabalhos futuros pode se sugerir a realiza o de um estudo de controle liga desliga nas c lulas do conversor elevador no momento em que a carga conectada a sua sa da possuir baixa pot ncia no intuito de obter maior rendimento 100 REFER NCIAS 1 ROSA Victor Hugo da Silva Energia el trica renov vel em pequenas comunidades no Brasil em busca de um modelo sustent vel Bras lia 2007 440 p Dispon vel em http repositorio bce unb br bitstream 10482 5478 1 2007_VictorHugodaSilvaRosa pdf 2 BARBI Ivo Eletr nica de Pot ncia Conversores CC CC B sicos N o Isolados Florian polis SC Ed do Autor 2000 3 MARKVART T Solar Electricity 2nd ed 1994 e 2000 4 MORAES Albemerc Moura de Aplica es da tecnologia solar fotovoltaica no Estado do Piau barreiras e potencialidades Disserta o de mestrado em energia Universidade Federal do ABC Santo Andr SP 2009 5 S J NIOR Edilson Mineiro de Sistema Fotovoltaico para Ilumina o P blica em Hor rio de Ponta Disserta o Mestrado em Engenharia El trica Universidade Federal do Cear UFC Fortaleza CE 2004 6 CRESESB Centro de Refer ncia para Energia Solar e E lica S rgio de Salvo Brito Energia Solar Princ pios e Aplica es 2006 Dispon vel em lt http www cresesb cepel br gt Acesso em novembro 2011 7 BAJAY
35. do condutor depende da densidade de corrente m xima Portanto o di metro do fio D escolhido deve ser menor que o valor calculado com a Equa o 39 2 6 2 0 05175 0 10350 cm 39 O di metro calculado corresponde ao fio 18 AWG que muito r gido para dobrar executar o enrolamento e ocupa uma rea muito grande da janela do n cleo por esse motivo adotado o fio 27AWG que mais flex vel e se adapta melhor rea da janela do n cleo A rea total do condutor depende da densidade de corrente m xima encontrada usando se a Equa o 40 62 e substituindo valores obt m se Afio Het 2 0 00678 cm 40 Imax 450 O fio 27 AWG possui rea de cobre sem isolamento de 0 001021 cm e incluindo o isolamento 0 001244 cm A seguir definida a quantidade de fios em paralelo usando a Equa o 41 Afio 0 00678 Afio27AWG 0 001021 Nrios paralelos 6 64 z 7 fios paralelos 41 O fator de utiliza o da janela do n cleo com o fio adotado encontrado com a Equa o 42 NespN fiosparatetosAfio isolamento _ 43 7 0 001244 Aw 1 57 Tawe27 0 238 42 O valor calculado do fator de utiliza o da janela ou fator de enrolamento menor que o valor adotado e est dentro do especificado em 62 Portanto o indutor constru do sem problemas A Tabela 10 apresenta as caracter sticas f sicas do indutor boost Tabela 10 Caracter sticas f sicas do indutor boost Caract
36. e S2 SWbck Ap ndice B o ciclo de trabalho modificado de modo a variar a pot ncia extra da a partir do painel fotovoltaico at que o produto da tens o e da corrente de sa da do conversor seja m ximo No entanto como a tens o nos terminais dos ultracapacitores pode ser considerada constante durante duas amostras consecutivas o algoritmo verifica apenas a varia o da corrente Enquanto isso o conversor buck controla a tens o do barramento CC Esse controle feito continuamente pelo sistema sobre as condi es de incid ncia solar nominal O painel fotovoltaico utilizado no projeto fornece a corrente m xima que equivale corrente de curto circuito Isc a tens o m xima que equivale tens o em circuito aberto Voc A corrente nominal equivale corrente em MPP Imp a tens o nominal que equivale tens o MPP Vmp Estes valores s o fornecidos para uma radia o de 1 000 Wim e temperatura de 25 C O processo de carga do ultracapacitor inicializa e efetua a aquisi o da tens o do banco de ultracapacitores Vuc para estimar a sua carga o que determina a raz o c clica inicial do conversor boost Dependendo da tens o nos ultracapacitores o programa executa as fun es mostradas na Figura 3 18 88 Figura 3 18 Processo de carga dos ultracapacitores Aquisi o da tens o Vuc Carga sem boost Carga em MPP As condi es para carga dos ultracapacitores na temperatura de 25 C s o 5
37. envolvendo os inteiramente e permitindo sua separa o O pol mero n o adere aos nanotubos condutores J se havia tentado esta t cnica antes mas ela trope ava na dificuldade para remover o pol mero deixando os nanotubos semicondutores limpos de novo O pol mero usado n o precisa ser removido O produto final uma tinta eletr nica que pode ser usada diretamente na fabrica o de componentes eletr nicos 25 O que sobra do processo um conjunto puro de nanotubos met licos que poder o ser usados sobretudo na cria o de eletrodos mais eficientes para baterias recarreg veis 33 Figura 2 7 O nanotubo semicondutor encapsulado pelo pol mero criando uma tinta eletr nica Imagem Francois Gygi and Giulia Galli 33 Pesquisadores da Universidade de Rice nos Estados Unidos imaginaram uma tecnologia de armazenamento de energia que permite desde a integra o das baterias no pr prio chip que ir alimentar at seu uso em larga escala formando usinas inteiras Os pesquisadores criaram um sistema de armazenamento de energia de estado s lido e recarreg vel usando ultracapacitores feitos base de nanotubos de carbono Os capacitores comuns que liberam r pidas rajadas de energia podem ser descarregados e recarregados centenas de milhares de vezes J os capacitores el tricos de dupla camada EDLC Electric Double Layer Capacitors mais conhecidos como ultracapacitores s o componentes h bridos que
38. eta a e RRE re eS Ta EE TEEDE E E 13 1 67 Conchis o ei nea ena ari A E E E ERSE 13 CAPITULO 2 inume annia a A E T E in 15 2 COMPONENTES DO SISTEMA PAINEL FOTOVOLTAICO CONVERSORES ULTRACAPACITORES E TRANSCEPTOR 15 2 1 C lula Fotovoltaica a EE a aE EEEE EE E ra 15 22 Painel Fotovoltaico acens ariii E EEES 20 2 3 Ultracapacitores asma A ieee RT EE AEN a 22 2 3 1 Compara es entre Baterias x Ultracapacitores ii 37 DA Transceptor A E EE EE ante dantesnustgagenerdue tvs 40 2 4 1 Funcionamento do transceptor erre 40 2 5 Revis o Bibliogr fica dos Conversores ii irrrreaa 42 Zed onversores CO CC sanita aa Den 42 2 93 72 CONVETSOL BOOST sone r E a NA A E ea Dna SEC TS Dado sod aE A Snoop 43 2 5 3 Topologia do Conversor Elevador rea 46 26 T cnica de MPPT vi csccsssssscesceseaviiniassceedscesectasacceesecdooneneasaccssaceenesesavbadeccetenesaade 47 2 6 1 M todo da Perturba o e Observa o P amp O oo eeeeecccerecetecenceeseeesaeeeaeecnees 49 2 6 2 M todo da Raz o C clica Fixa erre 53 2 6 3 M todo da Tens o Constante ni reeeeereereea 53 2 6 4 M todo da Corrente Constante era 55 2 6 5 M todo da Condut ncia Incremental 56 2 6 6 M todo Hill Climbing HC z es iecerei iaiaeiaeiaa e 59 ZA Conversor Buck os eeceicec alin jan
39. instalar esses sistemas em comunidades isoladas dos servi os p blicos de energia e telecomunica es feita uma indaga o em como proceder para atender as comunidades isoladas sem redes de energia e de telecomunica es e os custos para se levar energia e comunica o at uma comunidade longe dos centros urbanos e afastada da rede de distribui o de energia No cap tulo II mostrado um estudo sobre o painel fotovoltaico os ultracapacitores utilizados os conversores empregados no controle do sistema e na alimenta o da carga A partir deste estudo analisado o uso dos ultracapacitores no Brasil e por estarem sendo utilizados em grandes escalas em projetos que substituem o uso das baterias por esses componentes em pa ses tais como os Estados Unidos Jap o Alemanha Cor ia do Sul dentre outros Em seguida feito um comparativo de armazenamento de energia entre as baterias e os ultracapacitores O cap tulo III traz o dimensionamento do sistema a ser usado durante o trabalho o equacionamento para determinar os par metros do circuito as etapas de opera o e os resultados das simula es realizadas O cap tulo IV apresenta o circuito projetado e os resultados experimentais obtidos com o prot tipo desenvolvido Para finalizar o estudo as conclus es finais do projeto s o apresentadas CAP TULO 1 1 ESTADO DA ARTE DA ENERGIA SOLAR 1 1 Introdu o A necessidade do ser humano em usar a energia para suas ativid
40. mant m centenas de vezes mais energia do que um capacitor padr o como uma bateria mantendo a capacidade de carga e descarga r pidas Mas os ultracapacitores at agora dependiam de eletr litos l quidos ou de tipo gel que deixam de funcionar em condi es muito quentes ou muito frias A equipe de pesquisadores da Universidade de Rice coordenada pelo Dr Rauge desenvolveu um material base de xidos que substitui inteiramente o eletr lito l quido conforme se v na Figura 2 8 Eles fizeram isto em nanoescala a chave para uma elevada capacit ncia a rea dispon vel para os el trons e poucas estruturas conhecidas disponibilizam tanta rea superficial em um espa o t o pequeno quanto os nanotubos de carbono Usando uma t cnica desenvolvida pela pr pria equipe para fabricar nanotubos de 26 grandes dimens es os pesquisadores fizeram os nanotubos de carbono se aglomerarem em grupos com cerca de 15 a 20 nan metros com at 50 micr metros de altura uma rela o altura largura superior a 500 35 Figura 2 8 O nanotubo pesquisado pela equipe do Dr Rauge que vislumbra um carro el trico no qual a bateria estaria distribu da por todo o ve culo incluindo chassi portas teto piso etc SWNT _ Bundles Metal Surface SWNT Atomic Layer mio Nanocapacitors PE SP A doped metal ZnO dielectric swnr metal bundie Imagem Rice University 35 Esse carpete de nanotubos posto s
41. na maior parte dos receptores osciladores para gerar ondas de radiofrequ ncia que possam se misturar com as ondas recebidas O receptor de r dio tem como fun o fazer a decodifica o dos sinais eletromagn ticos recebidos do espa o captados pela antena transformando os em ondas sonoras sinais digitais e ou anal gicos A demodula o corresponde ao processo de se extrair a informa o do sinal recebido normalmente corrompido por ru do 56 O sistema r dio ponto a ponto conhecido tamb m como radiovisibilidade ou links terrestres constituiu se por muito tempo como o principal meio de transmiss o de alta capacidade Mas nosso estudo proposto para um sistema de transporte de baixa capacidade um radioenlace monocanal ponto a ponto que utilizado em grande escala no Brasil e no mundo Em um sistema de radiovisibilidade a informa o transportada entre duas esta es distantes entre si at 50 km ou mais dependendo das condi es topogr ficas faixa de frequ ncias e capacidade gra as ao fen meno da propaga o eletromagn tica no ar O termo radiovisibilidade do ingl s line of sight vem do fato de que deve haver visada entre as duas esta es ou para ser mais preciso entre as duas antenas ou seja uma antena deve enxergar a outra para que o sinal recebido tenha uma amplitude suficiente para obter uma boa qualidade Basicamente o sistema de cada esta o composto por um conjunto de transceptores
42. ncia extra da pelos pain is atingido quando a derivada da pot ncia de sa da do painel em rela o tens o for zero como demonstra a Equa o 9 e a Figura 2 31 25 dP _ dl w EtV 9 Igualando a derivada da pot ncia em rela o tens o a zero tem se a Equa o 10 dl I dP dl Se o ponto de opera o est direita da curva de pot ncia ent o se tem em a Equa o 11 dP dl 1 e 0 pa 11 Se o ponto de opera o est esquerda da curva de pot ncia ent o se tem a Equa o 12 dP dl _ 1 gt 0 e gt 12 dv av v Este m todo vai procurar o ponto de tens o onde a condut ncia instant nea igual condut ncia incremental ou seja a Equa o 13 57 dP dI I 0 13 dv dv V As tr s situa es anteriormente descritas podem ser vistas na Figura 2 33 Figura 2 31 Gr fico da curva Tens o x Pot ncia para o M todo Condut ncia Incremental Cuna Tens o vs Pot ncia T TU T Pot ncia no M dulo Fotovoltaico W 0 5 10 15 20 Tons o no M dulo Fotovoltaico V Na Figura 2 32 observa se o fluxograma do m todo da t cnica Condut ncia Incremental Em primeiro lugar s o lidos os valores atuais da tens o V k e corrente I k do painel fotovoltaico Em seguida s o calculados valores da diferen a de tens o dV e corrente dl relativamente s medi es anteriores A principal opera o deste algoritmo a I s di compara o dos
43. o Plano Geral de Metas para a Universaliza o do Servi o Telef nico Fixo Comutado Prestado no Regime P blico PGMU em que todas as localidades com mais de cem habitantes devem dispor de pelo menos um TUP instalado em local acess vel vinte e quatro horas por dia para que qualquer pessoa ou institui o possa fazer uso dos servi os de telecomunica es independente de sua localiza o e condi es socioecon micas Outra aplica o da energia solar fotovoltaica no setor de telecomunica es piauiense encontrada em esta es remotas via sat lite que utilizam RLU Remote Line Unit Tais esta es s o destinadas ao atendimento telef nico de pequenas localidades podendo conter at 32 canais para assinantes Nesse caso quando as comunidades a serem atendidas n o possuem rede el trica para o fornecimento de energia a op o fotovoltaica apresenta se como boa alternativa Al m disso a gera o fotovoltaica tamb m utilizada para atender demandas emergenciais de telecomunica es quando o fornecimento de energia el trica interrompido por per odos longos de tempo Atualmente as aplica es desta op o tecnol gica em centrais maiores ou em repetidoras n o s o usuais nas empresas concession rias de telecomunica es posto que necessitam de maiores demandas el tricas para os equipamentos e para a climatiza o do ambiente em que operam Esses fatores implicam em elevados custos inviabilizando esses empreendimentos
44. o e treinamento do usu rio 30 Sistemas de energia solar fotovoltaicos uma vez instalados n o requerem muito esfor o de manuten o ou durante sua opera o Por m os consumidores sentem dificuldades em se adaptar a limita o do sistema em termos de fornecimento restrito de energia el trica Mesmo com muitas instru es e manuais descritivos as fam lias precisam de certo per odo de tempo para se adequar ao sistema solar Em conjunto com outros custos e despesas tais como pessoal encargos ve culos cobran a etc levando em conta tamb m a estrutura territorial da abrang ncia de atendimento da concession ria e as dist ncias reais dos consumidores a rede el trica existente pode ser calculado a competitividade dos sistemas fotovoltaicos em compara o com a conex o a rede comum Esta compara o n o simples e n o pode ser resumido em alguma f rmula m gica Profundas an lises econ micas da estrutura da concession ria e social do usu rio s o determinantes para os sistemas fotovoltaicos serem aceitos por ambas as estruturas Um das poucas concession rias que adotaram a energia solar como fonte alternativa de energia n o somente como medida mas em situa es sem recursos foi a Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia Coelba que demonstrou claramente ser uma solu o at economicamente vi vel em compara o com a rede comum No interior da Bahia por exemplo para um n mero de 9000 liga es na
45. o sobre este Esta queda de tens o enviada ao microcontrolador que a compara com valor anterior Caso o valor da tens o seja maior que o anterior a raz o c clica decrementada A l gica deste processo apresentada no fluxograma da Figura 3 17 sendo I n a corrente de carga amostrada D a raz o c clica e D n a raz o c clica amostrada O fluxograma apresenta o algoritmo do m todo de controle MPPT proposto chamado de perturba e observa P amp O onde as informa es sobre a radia o solar n o s o necess rias Para buscar o ponto de opera o de m xima pot ncia e acompanhar este ponto a fim de reduzir o erro entre a pot ncia de opera o e a pot ncia m xima em caso de mudan a da incid ncia solar o controle do conversor boost perturba periodicamente o ponto de opera o do painel solar Ao adquirir a corrente de sa da o controle usa esta informa o para aumentar ou diminuir o ciclo de trabalho do conversor boost para alterar o ponto de opera o do m dulo fotovoltaico Ap s a perturba o h um deslocamento do ponto de opera o de k 1 para k 59 conforme Figura 1 19 87 Figura 3 17 Rotina para obten o do ponto de m xima pot ncia Inicializa com valores t picos Aquisi o da corrente de carga I n Decrementa D Incrementa D O arranjo do sistema MPPT est conectado ao conversor boost Atrav s de um algoritmo de controle sobre os interruptores S SWbst
46. poros e atuando assim como diel trico A superf cie total ocupada pelo diel trico enorme j que se espalha internamente por todos os poros Pode se ent o obter uma densidade de capacit ncia at 100 vezes maior do que a que seria poss vel com as tecnologias de fabrica o dos capacitores eletrol ticos convencionais 37 Figura 2 10 Corte transversal de um ultracapacitor Fluxo de Corrente durante a carga Alta Superf cie Porosa rea de Carbono Separador Eletrodo de Metal Alum nio Eletr lito Pesquisadores da Universidade UC Davis Estados Unidos conseguiram desenvolver um m todo para depositar os nanotubos de carbono sobre folhas de n quel mantendo os perfeitamente alinhados e muito pr ximos uns dos outros Devido ao seu diminuto tamanho Figura 2 11 os nanotubos fornecem uma gigantesca rea superficial na qual a energia pode ser armazenada e depois liberada 38 30 Figura 2 11 Nanotubo de carbono sobre folha de n quel 38 Os novos ultracapacitores podem armazenar energia numa densidade de 30 kilowatts por quilo kW kg comparado com 4 kW kg dos mais avan ados capacitores hoje dispon veis comercialmente Outros pesquisadores j haviam descrito ultracapacitores com capacidades de at 20 kW kg Se por um lado as baterias fornecem correntes pequenas durante intervalos de tempo longos e os capacitores podem ser usados para fornecer correntes intensas por curt s
47. pot ncia tem tend ncia a se deslocar necess rio um sistema que seja capaz de detectar e acompanhar o deslocamento desse ponto de forma a extrair sempre a m xima pot ncia do painel MPPT Neste cap tulo s o apresentados os principais m todos de busca do ponto de m xima pot ncia utilizados em sistemas fotovoltaicos e as suas diversas aplica es Os conversores s o circuitos eletr nicos que convertem uma tens o CC para diferentes n veis de tens o CC fornecendo sempre uma sa da regulada Os conversores utilizados s o classificados como conversores CC CC de modo chaveado tamb m chamados de fontes chaveadas ou chaveadores 34 O MPPT consiste num conversor CC CC que de acordo com as condi es impostas pelo painel fotovoltaico ajusta a tens o de sa da do m dulo de modo que o funcionamento ocorra no ponto correspondente m xima pot ncia Desta forma o MPPT atrav s do seu algoritmo de controle altera o valor do ciclo de trabalho duty cycle do conversor operando assim em conjunto com o objetivo de encontrar e manter o painel operando no ponto de m xima pot ncia A Figura 2 24 mostra o diagrama de blocos simplificado de um circuito MPPT 49 Figura 2 24 Diagrama de blocos simplificado do MPPT PAINEL CONVERSOR CARGA FOTOVOLTAICO ccicc SINAL PWM MICROCONTROLADOR C lculo da pot ncia PV e ajuste da raz o c clica usando Algoritmos MPPT Para superar este pro
48. se Tze 1 47 Afiobuck EL o 0 00327 cm 62 O fio 27 AWG possui rea de cobre sem isolamento de 0 001021 cm e incluindo o isolamento 0 001244 cm A seguir definida a quantidade de fios em paralelo usando a Equa o 63 N _ Afiobuck _ 0 00327 fios paralelos buck As 0 001021 fio 27AWG 3 199 4 fios paralelos 63 O fator de utiliza o da janela do n cleo com o fio adotado encontrado com a Equa o 64 Nesp N fios paralelos buck A fio isolamento 15 4 0 001244 eee meto 22 0 05043 64 T gt DT CEO OD AWG27 a 148 O valor calculado do fator de utiliza o da janela ou fator de enrolamento menor que o valor adotado e est dentro do especificado em 62 Portanto o indutor constru do sem problemas As caracter sticas f sicas do indutor do conversor buck s o dadas na Tabela 13 86 Tabela 13 Caracter sticas f sicas do indutor buck Caracter sticas f sicas do indutor buck N cleo de ferrite utilizado NEE 40 17 12 da Thornton Namero de expire EE 3 5 CIRCUITO DE CONTROLE E ALGORITMO 3 5 1 Algoritmo de MPPT O algoritmo de procura do ponto de m xima pot ncia semelhante ao utilizado por 60 por m utilizando a corrente de carga dos ultracapacitores A busca do ponto de m xima pot ncia MPPT feita amostrando a corrente de carga da bateria usando um sensor resistivo e adicionando um amplificador diferencial para amplificar a queda de tens
49. utiliza conversores boost ent o 47 se escolhe o boost pela necessidade de elevar a tens o Escolhido pela sua simplicidade topol gica seu alto ganho de tens o e porque a tens o sobre a chave controlada menor que a metade da tens o de sa da que possibilita a utiliza o da chave MOSFET e a chave naturalmente grampeada por um dos capacitores de sa da que evita a instala o de snubbers dissipativos 2 6 T cnicas de MPPT O uso dos pain is fotovoltaicos apresentam vantagens na gera o de energia devido a sua efici ncia na convers o mas o custo para sua implanta o ainda considerado elevado tornando se necess rio a utiliza o de t cnicas de extra o da m xima pot ncia do painel fotovoltaico Neste trabalho s o citadas v rias t cnicas de rastreamento do Ponto de M xima Pot ncia MPPT que s o usadas em sistemas fotovoltaicos dentre elas destacam se T cnica de Tens o Constante CV Constant Voltage T cnica de Corrente Constante CC Constant Current T cnica de Condut ncia Incremental IncCond Incremental Conductance T cnica de Hill Climbing HC T cnica de Perturba o e Observa o P amp O Perturbation and Observation e T cnica de Controle por Histerese Para se obter a m xima efici ncia em opera o necess rio esclarecer que ha apenas um Ponto de M xima Pot ncia MPP Maximum Power Point e este varia de acordo com as condi es clim ticas a que est s
50. valores de ae Segundo a Equa o 7 no ponto de m xima pot ncia 2 por isso n o realizada qualquer a o e os valores de V k 1 e I k 1 s o atualizados e o algoritmo retorna IA dI I x ALs Broce ds ao in cio Quando a tens o de refer ncia Vref ajustada no sentido de modificar a z l Be E ae beg dP tens o do painel fotovoltaico at tens o de m xima pot ncia de acordo com o sinal de w Se o sistema operar no MPP dV 0 as altera es clim ticas s o detectadas atrav s de dI O e a tens o de refer ncia Vref ser ajustada dependendo do sinal de dI Pode se afirmar que o m todo da condut ncia incremental apresenta vantagens desde que sua capacidade atinja exatamente o ponto de m xima pot ncia em vez de oscilar em torno deste Al m disso consegue atingir o MPP em condi es clim ticas inst veis com uma precis o e rapidez muito superior aos outros m todos No entanto tem a desvantagem de ser uma t cnica com um grau de complexidade elevado quando comparado com as outras t cnicas Por sua vez o m todo da condut ncia incremental oferece tamb m uma elevada efici ncia quando comparado com o m todo da perturba o e observa o todavia trata se de 58 uma t cnica bem mais complexa que obriga a uma dificuldade acrescida na fase da implementa o Por m estas complexidades traduzem se num algoritmo mais preciso altamente eficiente e capaz de operar exatamente no ponto de m
51. 00020 1375 485 1 106 10 157 nF O efeito da resist ncia s rie do capacitor dado pela ondula o da tens o da carga pela ondula o da corrente da carga que dado pela Equa o 54 Rese Buck AVepuck 91375 L 0 174 Q 54 Aly Buck 0 79 A resist ncia s rie maxima do capacitor da EPCOS modelo B41821 120 Hz 650 mA 35 V ESRm xBuck 0 49 Q Para efeito de montagem na sa da do conversor buck e como prote o da carga do sistema utilizou se o capacitor comercial da EPCOS no valor de C 1000 uF ESR 0 15 Q tens o de opera o 35 V 82 O circuito utilizado para simula o no ORCAD CAPTURE 10 3 mostrado na Figura 3 14 utilizou se dois capacitores de 2200 uF em paralelo totalizando 4400 uF na sa da do conversor buck Como o conversor buck controla a componente CC com uma tens o pulsada na sa da que sempre o objetivo de produzir uma sa da que puramente CC Um modo de se obter uma sa da CC do circuito inserindo um filtro passa baixas depois da chave A figura mostra um filtro LC adicionado ao conversor b sico O diodo proporciona um caminho para a corrente no indutor quando a chave aberta e polarizada reversamente quando a chave fechada 34 Figura 3 14 Circuito utilizado para simula o do conversor buck no ORCAD CAPTURE 10 3 R1 L1 4 MM 2 mn m 447 5uH im vie R25 zvd Wy E D2 R18 z 10k HFA25TB60 n 0 01 sA R26 10k co
52. 2 substituindo os valores obt m se _ Lbuck lLzef _ 447 56 107 1 47 _ Name qse 15 espiras 58 Ae Bmax 1 48 10 4 0 30 O entreferro total do indutor do conversor do buck determinado pela Equa o 59 z a l _ AMAO N osp2A2 10 f 43 1415 1077152 1 48 1072 gbuck Erick E 447 56 10 6 0 0935 cm 59 85 Para o caso de n cleos de ferrite com formato EE o valor do entreferro deve ser lg buck ajustado em as A profundidade de penetra o da corrente no condutor dada em pela Equa o 60 62 e substituindo valores obt m se 2O75 TD 5 qo 0 05175 cm 60 Para reduzir o efeito pelicular skin effect o di metro do condutor n o poder ser maior que duas vezes o valor de 6 A bitola do condutor depende da densidade de corrente m xima Portanto o di metro do fio D escolhido deve ser menor que o valor calculado com a Equa o 61 D 2 6 2 0 05175 0 10350 cm 61 De acordo com o c lculo do di metro do fio determinou se a escolha do condutor para a confec o do indutor buck O di metro calculado corresponde ao fio 18 AWG que muito r gido para dobrar executar o enrolamento e ocupa uma rea muito grande da janela do n cleo por esse motivo adotado o fio 27AWG que mais flex vel e se adapta melhor rea da janela do n cleo A rea total do condutor depende da densidade de corrente m xima encontrada usando se a Equa o 62 62 e substituindo valores obt m
53. 4 2 0A4 1 0A4 OA 140ms 142ms 144ms 146ms 148ms 150ms e I I1 78 observada uma pequena ondula o na corrente a qual fica mais vis vel na Figura 3 11 contudo esta pequena ondula o n o afeta a carga dos ultracapacitores e nem a sua vida til Figura 3 11 Ondula o da corrente de carga nos ultracapacitores O 4 A S O O I a S T E HA a 1 38A 41 800ms 41 900ms 42 000ms 42 100ms 42 200ms 42 300ms O I Cl 1 Na Figura 3 12 pode ser observada a corrente no indutor E vis vel o seu funcionamento em condu o cont nua pois a corrente nunca se anula Figura 3 12 Corrente no indutor do conversor boost 0 8A 29 973757s 29 973800s 29 973971s Oo I L1 Time Na Figura 3 13 mostrada a tens o no interruptor do boost Como o pr prio capacitor da sa da grampeia a tens o n o necess rio nenhum circuito para proteger o interruptor de sobretens es 79 Figura 3 13 Tens o no interruptor do conversor boost 25V 20V 10v POURM lt ZON MONVCNMANZH ORnZHH ov 18 7292ms 18 7500ms 18 8000ms 18 8500ms 18 9000ms 18 9500ms 19 0000ms 19 0454ms o v Mi d Time 3 4 Dimensionamento e Simula o do Conversor Buck De acordo com as especifica es adotadas na Tabela 11 s o dimensionados os componentes que constituem o conversor CC CC tipo buck Tabela 11 Especifica es para o dimensio
54. 5 Curvas de corrente de descarga no ultracapacitor 43 Current Discharge Profiles 3 0 2 5 I Amps A 2 0 10 15 25 50 T l 100 0 5 0 0 0 1 1 10 100 time dt seconds Um ultracapacitor n o armazena apenas carga mas tamb m energia Ela n o dissipada mas sim armazenada na forma de campo el trico A energia armazenada em um capacitor expressa em Joules Um Joule por segundo corresponde a um Watt A energia armazenada em um capacitor igual ao trabalho feito para carreg lo Considere um capacitor com capacit ncia C com uma carga q em uma placa e q na outra Movendo um pequeno elemento de carga dq de uma placa para a outra contra a diferen a de potencial V q C necessita de um trabalho dW conforme Equa o 25 dW dq 25 Pode se descobrir a energia armazenada em um capacitor integrando essa equa o Come ando com um capacitor descarregado q 0 e movendo carga de uma placa para a outra at que as placas tenham carga Q e Q assim um trabalho W dado pela Equa o 26 Q Wcarregando fo dq T CV Earmazenada 26 Assim sendo a energia armazenada em um ultracapacitor igual a energia fornecida a ele por uma fonte Neste projeto utilizou se a Equa o 27 para o c lculo da energia armazenada _ CucV _ 31 818 2 72 Fam 115 977 J 27
55. Implementa o encontrar o valor encontrar o valor microcontrolador complexo se ideal de k ideal de k com mais recursos condi es variarem bruscamente Resposta lenta Boa ajusta se Pode ter automaticamente e comportamentos sem oscila es n o corretos em torno do MPP Resposta n o t o Resposta n o t o r pida quanto a r pida quanto a proporcionalidade proporcionalidade entre Vmp e Voc entre Imp e Isc Rea es s mudan as atmosf ricas N o encontra o N o encontra o MPP 3 MPP quando as N o encontra Z uando as c lulas Necessita de Outras c lulas est o ciy se S exatamente o MPP Rs est o danificadas ou sensores de tens o e limita es danificadas ou oscila em torno 3 quando m dulos corrente quando m dulos es deste est o sombreados est o sombreados Tendo em considera o todas as vantagens e desvantagens acima referidas para este trabalho optou se por implementar o algoritmo da Perturba o e Observa o P amp O pelo fato de ser uma t cnica que satisfaz de forma aceit vel as exig ncias do projeto A escolha foi efetuada com base na an lise te rica de cada um dos algoritmos sem qualquer base de suporte em resultados provenientes de simula es O nico m todo simulado e implementado foi o de Perturba o e Observa o P amp O 61 2 7 Conversor Buck Na Figura 2 34 mostra se o diagrama el trico do conversor buck 2 Este circuito chamado conversor buck ou co
56. Ipy nom Corrente nominal do m dulo fotovoltaico 3 05 A Alpy Ondula o de corrente na entrada do indutor do boost 11 da corrente de entrada SSboose Frequ ncia da comuta o no boost 21 kHz AVpy Varia o de tens o na entrada do boost 0 2 da tens o de entrada No pior caso momento em que a tens o de entrada m nima e que a tens o de sa da m xima a raz o c clica do boost ser m xima Dmax 2 Este valor da raz o c clica m xima calculado na Equa o 31 VPV MIN 1 AZ 0 596 GD Dmax 1 _ Vcarga_max 29 7 3 3 1 Dimensionamento do indutor boost O valor do indutor utilizado no conversor boost fornecido pela Equa o 32 2 Lboost 1 PYminDmax 4 120596 _ 1015 mH 32 AIPV f sboost 0 11 3 05 21000 Como a corrente m dia que circula na fonte de entrada Vpy a mesma que circula pelo indutor Lyoos a corrente eficaz que circula pelo enrolamento do indutor encontrada usando a Equa o 33 2 Assim substituindo valores da Tabela 8 tem se Ines P 305A 33 Vpv Nom 17 4 A corrente de pico atrav s do indutor dada pela Equa o 34 2 substituindo os valores na equa o resulta lpico Iisey EE 3 05 295 3 22 A 34 14 O produto das reas do n cleo dado pela Equa o 35 2 Ae Aw e n Lorsa0 32280840 4 955 cmt G Onde Ae rea efetiva da perna central do n cleo Aw rea da janela do carretel
57. Pik t A L A AP gt 0 op lt 0 Pa l gt A A Pik 1 os F a a Ea 4 4 4 Vik Viel V Viet Vib V av lt 0 av gt 0 Este m todo baseia se na altera o da vari vel de refer ncia e na compara o da pot ncia disponibilizada pelo painel ou conjunto de pain is fotovoltaicos antes e depois desta altera o definindo assim o sentido da pr xima perturba o Ou seja ser introduzida uma perturba o numa determinada dire o na corrente ou na tens o do arranjo de pain is fotovoltaicos que provocar altera es no valor da pot ncia de sa da do m dulo Se a pot ncia de sa da aumentar a pr xima perturba o continua na mesma dire o mas se pelo contr rio a perturba o diminuir o sistema ser perturbado na dire o contr ria na itera o seguinte A Tabela 5 mostra um resumo do comportamento da pot ncia em fun o da perturba o 27 Tabela 5 Resumo do Algoritmo Perturba o e Observa o Perturba o Altera o de Perturba o Atual Pot ncia Seguinte Positiva Positiva Positiva Positiva Negativa Negativa Negativa Positiva Negativa Negativa Negativa Positiva 52 Este processo repetido periodicamente Na Figura 2 26 est o representados os quatro casos poss veis de como a pot ncia de um arranjo de pain is fotovoltaicos pode evoluir para uma determinada condi o clim tica 26 Pela descri o anteri
58. Platform Australian University Power Engineering Conference 2006 2006 30 SILVA F S F S Sistema fotovoltaico para ilumina o e alimenta o de pequenos equipamentos em corrente cont nua Disserta o Mestrado em Engenharia El trica Universidade Federal do Cear UFC Fortaleza CE 2010 31 http www ultracapacitors org index php option com_content amp Itemid 77 amp id 106 amp task vi ew acesso em setembro 2012 32 http www inovacaotecnologica com br noticias noticia php artigo 0 10115060215 Publica o em Reda o do Site Inova o Tecnol gica 15 02 2006 acesso em novembro 2011 33 http www inovacaotecnologica com br noticias noticia php artigo separacao de nanotubos metalicos semicondutores amp id acesso em setembro 2012 34 HART DANIEL W Eletr nica de Pot ncia an lise e projetos de circuitos Porto Alegre RS AMGH 2012 35 http www inovacaotecnologica com br noticias noticia php artigo supercapacitor solido acesso em setembro 2012 36 http www inovacaotecnologica com br noticias noticia php artigo brasileiros descobrem nanotubos metalicos quadrados amp id 010165090130 acesso em setembro 2012 37 http www newtoncbraga com br index php como funciona 1 663 ultracapacitores html acesso em setembro 2012 38 http www inovacaotecnologica com br noticias noticia php artigo 020115050217 acesso em setembro 2012 39 http www dsce fee unicamp br ante
59. S V Mudan as no Planejamento dos Sistemas El tricos Isolados no Brasil Relat rio MME PNUD setembro 2003 8 http www fucapi br tec imagens revistas ed0O6 completo pdf T amp C Amaz nia Ano HI N mero 6 Janeiro de 2005 acesso em novembro 2011 9 ANEEL Resolu o ANEEL N 493 2012 de 05 06 2012 Di rio Oficial da Uni o de 06 06 2012 10 Resolu o Normativa N 83 Ag ncia Nacional de Energia El trica ANEEL Procedimentos e as condi es de fornecimento por interm dio de Sistemas Individuais de Gera o de Energia El trica com Fontes Intermitentes SIGFI 20 de Setembro de 2004 11 BORGES E KLAUS W MONTEIRO C SCHWAB T Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares Teste em Campo de um Modelo Sustent vel de Eletrifica o Rural II Congresso Brasileiro de Efici ncia energ tica Vitoria ES setembro de 2007 12 GOMES C M S Interface de um Painel Solar Rede El ctrica Disserta o Mestrado em Engenharia El ctrica Universidade do Minho Portugal 2010 13 ALENCAR A F DAHER S ANTUNES F L M XIMENES S CRUZ C S J NIOR E M SILVA F S F Off Grid PV System to Supply a Rural School on DC Network 10 International Conference on Renewable Energies and Power Quality ICREPQ 10 Granada Espanha mar o de 2010 101 14 Aplica o de sistemas fotovoltaicos no programa Luz para Todos da COELBA COELBA Grupo Neoenergia Hugo Machado Silvia Filho Works
60. W m dia W m dia Rpm Resistor paralelo ao painel fotovoltaico Q RS Radia o solar padr o 1 000 W m RsE Resist ncia s rie equivalente Q Rsm Resistor s rie com o painel fotovoltaico Q Rse Buck Resist ncia s rie do capacitor do buck Q RegESRm xsuck Resist ncia s rie equivalente m xima do conversor Q buck xviii S mbolo Significado Unidade Sbuck Chave do buck Toi Intervalo de Condu o S Ts Intervalo de comuta o S tfunc Tempo de funcionamento da carga por dia h dia V Diferen a de potencial entre placas de um capacitor V Vaberto Tens o em aberto do painel tens o m xima V Vc Tens o de sa da do buck V Ve m n Tens o m nima na entrada do barramento do V conversor buck Vmax Tens o m xima fornecida pelo banco de V ultracapacitores Vmin Tens o m nima de trabalho V Vcarga Tens o na sa da do conversor buck V Vcarga max Tens o m xima na sa da do conversor boost tens o V m xima nos ultracapacitores Vcc Tens o de sa da do barramento do buck V Vp Tens o de polariza o do diodo V V DBuck Tens o no diodo do conversor buck V Vg Tens o m xima de entrada do barramento do V conversor buck VLR t Tens o no indutor LR V V Buck Tens o m dia sobre o indutor do conversor buck V V pp Tens o nominal tens o no ponto de m xima V pot ncia Voc Tens o de circuito aberto V Vpy Tens o no painel fotovoltaico V
61. a com maior espessura de material do tipo P como se pode observar Figura 2 1 Figura 2 1 Camada do tipo P e camada do tipo N da c lula solar Sil cio tipo N NS Sil cio tipo P AU gt d 20 AA l gt Of Separadamente as camadas do tipo N e do tipo P s o eletricamente neutras no entanto ao serem ligadas atrav s da jun o P N gera se um campo el trico Na zona da jun o d se uma transfer ncia de el trons livres do lado N para o lado P que ir o preencher as lacunas Este deslocamento de el trons provoca um d ficit de el trons do lado N tornando positivamente e uma concentra o de el trons do lado P ficando carregado negativamente Surge assim um campo el trico na zona da jun o Este processo atinge um ponto de equil brio quando o campo el trico capaz de impedir a passagem dos el trons livres do lado N para o lado P A tens o total da jun o cerca de 1 V e chamada tens o de difus o 11 A luz solar ao incidir sobre a jun o P faz com que os f tons choquem com os el trons da camada de sil cio fornecendo lhes energia e transformando os em condutores Os el trons da zona de val ncia se deslocam para a banda de condu o ou seja os f tons arrancam os el trons das liga es covalentes formando pares el trons lacunas que s o acelerados por efeito do campo el trico em sentidos opostos Como resultado do deslocamento das cargas obt m se uma diferen a de potencial entr
62. a o 21 Ccelis Ymax 227 11 21 VR 2 7 Em seguida atrav s do conhecimento da corrente m dia I em amperes o tempo de execu o desejado dt em segundos e a tens o m nima de trabalho Vmin um sistema de capacit ncia aproximado pode ser calculado pela Equa o 22 dt dt dt Csys av Ja Vmax Vmin 22 68 Z A capacit ncia total do sistema composta pela capacit ncia de todos os ultracapacitores ligados em s rie para atingir Vmax Para os ultracapacitores ligados em s rie a capacit ncia das c lulas individuais determinada pela Equa o 23 BS eee p ge 23 Csys C1 C2 3 cn Onde n n mero de ultracapacitores em s rie Ceens 11 Cac valor da capacit ncia de um ultracapacitor em F Para Cl C2 Cn Cc e rearranjando a Equa o 23 a c lula de capacit ncia Csys correspondente a capacit ncia do ultracapacitor equivalente determinada pela Equa o 24 ere eae ae oF ye ne eee EP at ae See Oe GE Csys Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc Cuc _ Cuc 350 onde Cy E gt Csys 31 818 F 24 t Ti Csys Cuc Este valor de capacit ncia pode ent o ser comparado com as folhas de dados do produto para determinar o ultracapacitor adequado para a aplica o Se a capacit ncia calculada n o poss vel atingir atrav s de um nico ultracapacitor ser necess rio colocar um ou mais ultracapacitores em s rie para se obter a tens
63. a a carga nos fons dentro dos poros do eletrodo para o transporte entre positivo e negativo durante a carga e descarga A queda na resist ncia representativa para o tempo de resposta dos diferentes elementos resistivos dentro do ultracapacitor Em baixa frequ ncia todos os elementos resistivos est o presentes em alta frequ ncia apenas elementos de resposta r pidos tais como as resist ncias de contato O teste tipicamente conduzido sem tens o aplicada Por esta raz o a capacit ncia parece ser muito mais baixa do que aquilo que afirmado na tens o nominal como a capacit ncia que tem uma ligeira depend ncia da tens o Figura 3 4 Resposta em frequ ncia para capacit ncia e resist ncia com ultracapacitor ES 3 0 0020 DC capacitance 0 2 Hz o S o Ss 0 0015 Y S 19 s 0 0010 B Capacitance F Resistance ohm 8 0 0005 3 o 0 0000 0 1 1 10 100 Frequency hz Frequency hz Na Figura 3 5 est o representados os perfis das curvas de correntes de descarga em fun o do tempo para quatro ultracapacitores com tens es variando de 2 3 a 2 7 V 350 F e Resist ncia S rie Equivalente ESR 0 0032 Q para o modelo BCAP0356 da empresa americana Maxwell Technologies 43 70 Figura 3
64. a carga fantasma cedida especialmente pela ANATEL em substitui o antena para que n o fossem irradiadas as radiofrequ ncias geradas pelo transceptor Foram apresentados os resultados das simula es com o uso do software OrCAD Capture CIS 10 3 e projetados no Altium os diagramas das placas dos conversores dos ultracapacitores os esquem ticos do circuito de controle de pot ncia e da fonte auxiliar O prot tipo final composto por dois conversores os quais foram constru dos na mesma placa e por ter os indutores de pequeno porte ocupado menor espa o maior rapidez de montagem e menor dificuldade de reparo Um circuito de controle foi necess rio ser montado em uma placa separada para melhorar o manuseio em caso de manuten o e uma placa com os onze ultracapacitores foi confeccionada separada para evitar superaquecimento e como forma de seguran a no uso visto que esses componentes ainda n o s o habituais em nossos laborat rios O circuito optoacoplador est implementado na placa do conversor buck O algoritmo do MPPT foi implementado no dsPIC30F2020 instalado na placa de controle 99 Foram mostradas as curvas dos resultados experimentais utilizando o oscilosc pio digital da fabricante Tektronix modelo TPS 2014 de quatro canais 100 MHz 1 GS s Para a instala o do sistema final em campo ser realizado um estudo da estrutura a ser utilizada n o incluso nesse trabalho Optar se por uma que utilize um poste de
65. a do conversor de forma a otimizar a busca do MPP Quando o passo vari vel o m todo denominado de P amp O modificado Figura 2 25 Fluxograma do Algoritmo do M todo Perturba o amp Observa o Entradas V k I k eee P k Vk Ik AP P k P k 1 Vref Vref AV Vref Vref AV Vref Vref AV Vref Vref 50 Vk V k 1 I k I k 1 O M todo da Perturba o e Observa o normalmente conhecido como Perturba e Observa talvez a t cnica mais utilizada para encontrar o ponto de m xima pot ncia devido sua f cil implementa o 29 O funcionamento do fluxograma do algoritmo Perturba o amp Observa o pode ser explicado da seguinte forma numa primeira fase s o lidos os valores da corrente e da tens o para calcular a pot ncia gerada pelo painel fotovoltaico Ap s esse c lculo verifica se se a pot ncia aumentou ou diminuiu atrav s de AP P k P k 1 Em fun o deste resultado e dos poss veis comportamentos para a pot ncia demonstrados na Figura 2 26 altera se a tens o de refer ncia de forma a ir de encontro ao ponto de m xima pot ncia Na fase final s o guardados os valores da tens o e corrente para servirem de compara o na opera o seguinte 51 Figura 2 26 Evolu es poss veis da pot ncia num painel fotovoltaico L MPP Pik
66. a produtos com embalagens redonda ou cil ndrica os eletrodos s o enrolados em uma configura o em forma de rolo Os eletrodos t m extens es de tiras que s o ent o soldadas aos terminais para permitir um percurso de corrente do lado de fora do ultracapacitor A Tabela 2 mostra a compara o de pre os dos ultracapacitores de quatro fabricantes Os pre os pesquisados correspondem aos componentes utilizados no projeto com tens o 2 7 V e capacit ncia 350 F No in cio da pesquisa tais produtos eram mais 37 convenientes para compra tanto pelo pre o estimado quanto facilidade para aquisi o tamanho e manuseio visto que s o todos importados de outros continentes Tabela 2 Compara o de pre os de ultracapacitores 2 7 V 350 F por fabricante 43 ESR Energia Preco Fabricante Modelo i 0 DC Pot ncia USS mQ maxima lose RSC2R7357ST D 35 25 5 94 Wh L 12 91 EDLC SCREW L 62 i 13 9 kW L RSC2R7357SR D 35 6 4 Wh L I RSC2R7357S4 D 35 27 5 9 Wh L 11 50 eee EDLC SNAP IN L 62 i 12 6 kW L i Vina VEC 739796 D599 3 5 6 1 Wh L 19 50 4 pinos L 60 BCAP0350 E270 D 33 5 9 Wh kg 3 2 7 Dimens es 5 BJE E EE E E 5 pa CDLC351K2R7SR D 35 273 W Cornell Dubilier SNAP IN 2 pinos 4 1 kWikg 28 66 pa CDLC351E2R7T11 D 33 3 276 W CO RT 4 pinos radial L 61 5 ES 4 6 kW kg mee pa CDLC351K2R7S4 D 35 3 324 W Cornell Dubilier Multipinos radial 4 9 kW kg AR EDLC Electric Double Layer Capacitor ca
67. a ultracapacitores incluem pulso de energia pot ncia ponte de for a principal e backup de mem ria 43 Por os ultracapacitores terem baixa imped ncia interna eles s o capazes de transportar correntes elevadas e s o muitas vezes colocados em paralelo com as baterias para carregar os n veis das baterias prolongando a vida da bateria Esta metodologia empregada para dispositivos como c meras digitais sistemas de acionamento h bridos e frenagem regenerativa para recaptura da energia As aplica es que se beneficiariam mais s o as que exigem r pido carregamento e descarregamento de uma grande quantidade de energia Por exemplo somente ultracapacitores podem capturar e armazenar grandes quantidades de energia el trica re gerada durante a frenagem e liber lo rapidamente para reacelera o em ve culos h bridos Mesmo com pequeno uso nos atuais carros h bridos leves como micro nibus a economia de energia pode adicionar at 15 na economia de combust vel Usado em meios de transportes ainda maiores como sistemas de armazenamento de energia em trens el tricos bondes e metr s essa economia pode facilmente aumentar em at 25 da quantidade de energia utilizada O ultracapacitor goza de potencial crescimento ilimitado pois ele responde a mercados chave que tamb m atendem s necessidades sociais de nosso tempo amigo do meio ambiente ajuda a conservar energia e melhora o desempenho de poupan a de energia de outros a
68. abrica o das membranas de nanotubos de carbono em qualquer formato o que poder facilitar a fabrica o de ultracapacitores nos formatos das pilhas e baterias tradicionalmente utilizados em aparelhos eletr nicos Os avan os nesta rea veem tornando promissor a substitui o no futuro pr ximo as pilhas e baterias ser o substitu das por componentes base de ultracapacitores Os nanotubos de carbono s o teis para fabrica o de telas dobr veis aparelhos eletr nicos flex veis e peles artificiais supersens veis at elevadores espaciais A Figura 2 7 mostra o nanotubo semicondutor encapsulado pelo pol mero Mas h um desafio a ser vencido Quando os nanotubos de carbono s o fabricados tudo o que se v um p preto que n o ideal para nenhuma dessas aplica es O problema crucial que com as t cnicas atuais os nanotubos semicondutores e os nanotubos met licos s o produzidos aleatoriamente e ficam misturados uns s o ideais para algumas aplica es e inserv veis para outras e vice versa Os nanotubos met licos por exemplo s o ideais para fios e eletrodos para baterias enquanto os nanotubos semicondutores s o excelentes como material ativo para transistores eletr nicos e c lulas solares Um grupo de pesquisadores da Universidade de Stanford nos Estados Unidos descobriram uma forma simples e r pida de separar os nanotubos Trata se de um pol mero que tem uma predile o pelos nanotubos semicondutores
69. ades di rias remonta de tempos passados Atualmente a energia el trica em particular tornou se uma modalidade de energia fundamental para todos os ramos de atividade seja ela industrial comercial ou residencial Com isto o uso da energia el trica se expandiu tornando se necess rio a normatiza o e a regulamenta o do setor O mercado de energia el trica tornou se propulsor de grandes empreendimentos voltados n o somente para o grande consumidor como tamb m para o pequeno consumidor A busca pelo pequeno consumidor hoje motivado por v rias campanhas governamentais ser em um futuro pr ximo a ltima milha promissora e carente de investimento neste contexto que se insere este trabalho na busca pelo consumidor remoto que se conectar ao neg cio de energia na forma sem fio wireless Duas fontes de energia se destacam neste cen rio a energia e lica e a solar Neste t pico ser tra ado um paralelo dando nfase s vantagens das duas principais fontes alternativas de energia mais utilizadas no momento em todo o mundo quais sejam a E lica e a Solar Para a sociedade em geral a energia e lica inesgot vel n o emite gases poluentes nem gera res duos diminuindo a emiss o de gases de efeito estufa Nas comunidades onde se encontram inseridos os parques e licos s o compat veis com outros usos e utiliza es do terreno como a agricultura e a cria o de gado gerando a cria o de emprego e renda com benef cios finan
70. adia o de 1 000 W m e 65 temperatura de 25 C As especifica es t cnicas deste m dulo fotovoltaico est o descritas na Tabela 7 Tabela 7 Caracter sticas el tricas do m dulo M55 da Siemens M dulo M55 Siemens Pot ncia m xima do painel Pax M xima corrente Luto M xima tens o Vaberto Corrente nominal Impp Tens o nominal Vypp N mero de c lulas A caracter stica Corrente versus Tens o I V t pica do painel solar SIEMENS modelo M55 com 36 c lulas solares plotada com o Mathcad 14 na Figura 3 1 Figura 3 1 Representa o dos pontos de opera o do painel fotovoltaico M55 da Siemens 3 Rela o IxV Ponto de Isc 2 68 A m om o am omom o mem o am eea o oms m om M xima ida Corrente de el Curto Circuito mpp Calculada 4 2 1 To 4V 1 W e I 1 E a 1 J 8 4 Vmpp 1 0 i l 0 5 10 15 20 V 36 Voc 19 894 V Tens o de Circuito TENS O V Aberto Calculada A curva caracter stica mostrada na Figura 3 1 por exemplo comprova que existe somente uma tens o e consequentemente uma corrente para a qual a pot ncia m xima Pmax pode ser extra da Assim o ponto de pot ncia m xima representar o produto entre a tens o nominal Vmer e a corrente nominal Jupp dada pela Equa o 16 Pnax Vupp Iupp 3 05 17 4 53 W 16 E necess rio observar que o ponto de m xima pot ncia Vmpp Impp influenciado
71. al acerca de todo o estudo juntamente com sugest es para trabalhos futuros 15 CAP TULO 2 2 COMPONENTES DO SISTEMA PAINEL FOTOVOLTAICO CONVERSORES ULTRACAPACITORES E TRANSCEPTOR 2 1 C lula Fotovoltaica A c lula fotovoltaica a unidade b sica para a convers o da energia radiante do Sol em eletricidade e confeccionada com materiais semicondutores como o Sil cio Si o Germ nio e Arseneto de G lio O sil cio o mais utilizado devido ao processo de fabrica o das suas l minas ser bastante desenvolvido e pelo dom nio da tecnologia por parte da ind stria de eletr nica que produz em larga escala Na an lise sem ntica da palavra fotovoltaico perceber se que este termo surge da jun o de foto que significa luz com voltaico que se refere ao aparecimento de uma diferen a de potencial atrav s de uma rea o qu mica Esta divis o permite ter uma no o ainda que intuitiva do significado do fen meno efeito fotovoltaico O efeito fotovoltaico o fen meno respons vel pela convers o da energia solar em energia el trica Este se realiza em materiais semicondutores que tal como o pr prio nome indica possuem caracter sticas intermedi rias entre um condutor e um isolante Os semicondutores caracterizam se pela presen a de bandas de energia onde permitida a presen a de el trons zona de val ncia e de outra zona chamada banda de condu o 11 O sil cio normalmente apresenta se como ar
72. alino ilustradas na Figura 2 4 a representam a primeira gera o de c lulas solares sendo estas as mais usadas e comercializadas para pain is fotovoltaicos Estas c lulas s o cortadas a partir de um nico cristal de sil cio de grandes dimens es e de elevada pureza Apresentam rendimento de cerca de 24 em laborat rio o que na pr tica se traduz numa efici ncia entre 15 e 20 13 As t cnicas utilizadas para a sua produ o s o caras e complexas o que se reflete no pre o final para o consumidor Este custo elevado deve se ao fato do processo de fabrica o exigir uma grande quantidade de energia bem como materiais no seu estado puro e com uma estrutura cristalina perfeita As c lulas solares de sil cio policristalino mostradas na Figura 2 4 b s o constitu das por um grande n mero de pequenos cristais de sil cio e tamb m pertencem ao grupo de c lulas de primeira gera o O seu processo de fabrica o mais simples e necessita 19 de menos energia se comparado com as c lulas monocristalinas o que reduz o seu custo de produ o Contudo estas apresentam um rendimento inferior entre 12 e 15 13 devido ao fato do sil cio conter imperfei es resultantes do seu processo de fabrica o S o as c lulas que apresentam uma melhor rela o pre o rendimento sendo por isso bastante utilizadas 11 As c lulas solares de pel cula fina ou filme fino representadas na Figura 2 4 c constituem o grupo de c lul
73. an susana at NUA Sabara dao E Sa as ened hab apatia E 61 2 7 1 Topologia do Conversor Abaixador ira 63 DB CONCIUSAG PEE A E E E N cesessavanceteeoss tabeedut ENEE 63 CAPITULO 3 oihan a E AAA 64 3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA e rrre 64 Sel AMtrOMdUG AO eitra i NERD RIDE SS RE O RA 64 3 2 Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico i 64 3 3 Dimensionamento do Elemento Armazenadot ccccessseceecceccceesssescescesseeees 67 3 4 Dimensionamento e Simula o do Conversor Boost 3 3 1 Dimensionamento do indutor boost 3 3 2 Dimensionamento do capacitor CZ 3 4 Dimensionamento e Simula o do Conversor Buck cccessessceesceesteeeseeeeeeeses 3 4 1 Dimensionamento do indutor DUCK cccccceesccccesssscceessseeceesssesseessseeseeeees 3 5 CIRCUITO DE CONTROLE E ALGORITMO 3 5 1 Algoritmo de MPPT CAPITULO Ar Ra anaes Ra Ra E E 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 4 1 Prot tipo montado CONCLUS O GERAL REFER NCIAS AP NDICES AP NDICE B Esquem tico do circuito de pot ncia e da fonte auxiliar AP NDICE C Esquem tico do banco de ultracapacitores Figura 1 1 Figura 1 2 Figura 1 3 Figura 1 4 Figura 1 5 Figura 1 6 Figura 1 7 Figura 1 8 Figura 1 9 Figura 2 1 Figura 2 2 Figura 2 3 Figura 2 4 Figura 2 5 Figura 2 6 Figura 2 7 Figura 2 8 Figura 2 9 Figura 2 10 Figura 2 11 Figura 2 12 Figura 2 13 Figura 2 14 Figura 2 15 Figura 2 16 Figura 2 17
74. apoio incentivo conhecimentos t cnicos e companheirismo em todas as etapas vencidas Ao amigo e companheiro Jaislan Hon rio Monteiro pela revis o deste trabalho Ao Prof Kennedy Rolim por suas contribui es no acompanhamento deste projeto A minha esposa Mary Luce que me apoiou em todos os momentos incentivando e acreditando sempre em minha capacidade com amor e paci ncia Aos meus filhos amados Aryadne Ariele e Jos Mascena Dantas Neto e a todas as pessoas que por motivo de esquecimento n o foram citadas anteriormente vou deixando neste espa o minhas sinceras desculpas e meus agradecimentos vii RESUMO Este trabalho apresenta a concep o projeto e implementa o de um conversor CC CC elevador para interligar um painel fotovoltaico a um banco de ultracapacitores para armazenamento de energia em substitui o s baterias automotivas convencionais Na sa da dos ultracapacitores utiliza se um conversor CC CC abaixador que fornece essa energia a um sistema de telecomunica o para suprimento de um transceptor monocanal visando ao atendimento do servi o de telefonia rural Internet em comunidades isoladas da rede p blica de energia O sistema pode suprir o servi o de comunica o para uma comunidade isolada da rede de energia el trica por at tr s horas no per odo noturno quando utilizado um equipamento r dio com cabos conectores e antena para transmiss o e recep o de sinal de telefonia com pot ncia de consumo de 13
75. as de segunda gera o Esta gera o surgiu como resposta necessidade de encontrar uma alternativa s c lulas de primeira gera o muito dispendiosas no seu processo de produ o por requererem elevadas temperaturas na sua produ o e elevados graus de pureza Este tipo de c lulas constitu do por pel culas finas de sil cio permitindo assim reduzir a espessura da c lula e quantidade de sil cio usada O seu processo de fabrica o apresenta um baixo consumo de energia As grandes desvantagens s o o rendimento tipicamente entre 5 e 10 de degrada o nos primeiros meses de vida reduzindo assim a efici ncia ao longo da vida til A principal tecnologia o sil cio amorfo a Si muito usada na eletr nica profissional em rel gios e calculadoras As c lulas de sil cio amorfo s o pel culas muito finas o que permite que sejam utilizadas como material de constru o tal como em fachadas ou telhados de edif cios Isto possibilita o seu uso em grande escala atenuando o problema do baixo rendimento energ tico 12 Figura 2 4 Tipos de c lulas fotovoltaicas a sil cio monocristalino b sil cio policristalino c pel cula fina de sil cio a 1 Gera o b 2 Gera o c 3 Gera o Al m das c lulas fotovoltaicas baseadas em sil cio existem outras com materiais que est o sendo pesquisadas e testadas em laborat rios Os pesquisadores prometem custos mais reduzidos mas n o devem aparecer no mercad
76. astante superior Figura 2 33 Algoritmo do MPPT do M todo Hill Climbing Ler Vk I k Calcular Pot ncia Pik Wk Ik Complementar Sinal de Inclina o D k D k 1 a Inclina o Retornar Primeiramente o algoritmo mede a corrente e a tens o e calcula a pot ncia associada ao painel fotovoltaico Em seguida verifica se a pot ncia do painel mant m o mesmo valor da itera o anterior Caso verifique que n o houve altera o mant m o ndice de modula o e termina essa itera o Na etapa seguinte e em fun o do que aconteceu com o valor da pot ncia calculada verifica pela diferen a de tens o da itera o anterior e da mais 60 recente em que zona da curva de pot ncia se encontra Finalmente tendo esse conhecimento aumenta ou diminui o ndice de modula o de forma a fazer tender o estado do painel para o ponto de m xima pot ncia A Tabela 6 apresenta um resumo da compara o de quatro m todos analisados conforme 25 Tabela 6 Compara o entre os m todos MPPT come conse inremenar onset Constante Constante ae Efici ncia Baixa 90 Baixa 90 depende de como o depende de como o m todo otimizado m todo otimizado F cil de Muito simples mas Muito simples mas Mais complexo implementar Mas Complexidade muito dif cil muito dif cil Necessita de pode se tornar
77. bientais se agravam e as mat rias primas se esgotam torna se arriscada a explora o continuada dos combust veis f sseis e nucleares para sustentar a crescente demanda a que nossa sociedade est habituada Para atender as comunidades isoladas se faz necess rio o uso de energias alternativas como e lica solar diesel cavaco para uso em termoel trica mas com a queima de madeira e a degrada o do meio ambiente a forma de utiliza o menos recomend vel Como na maioria das comunidades isoladas da rede de energia el trica no interior do Brasil e especialmente no Norte e Nordeste n o possui ventos suficientes para se gerar energia com aerogeradores e como se tem a energia do sol abundantemente durante praticamente todos os dias do ano e por ser mais barata para se produzir optou se no sistema proposto neste trabalho em utilizar a energia solar como forma de baratear os custos de montagem Para atendimento a essas comunidades isoladas a presidenta da rep blica sancionou o Decreto N 7 512 de 30 de junho de 2011 que trata sobre o Plano Geral de Metas para a Universaliza o do Servi o Telef nico Fixo Comutado Prestado no Regime P blico PGMU especificamente os art 4 9 16 19 e 20 tratam sobre o assunto 1 4 Custo para se levar energia at as comunidades isoladas A energia fator essencial ao desenvolvimento social e econ mico de uma regi o ou pa s A qualidade de vida de que dela resulta possibilita r
78. blema v rios m todos para extra o da m xima pot ncia t m sido propostos na literatura 16 23 e uma an lise comparativa cuidadosa destes m todos pode resultar em informa es importantes para o projeto destes sistemas 24 As t cnicas de rastreamento dos algoritmos de busca do ponto de m xima pot ncia apresentam suas respectivas vantagens e desvantagens Estes m todos variam essencialmente em complexidade de implementa o e an lise velocidade de converg ncia sensores requeridos custo efici ncia e implementa o em hardware 2 6 1 M todo da Perturba o e Observa o P amp O Este m todo opera periodicamente incrementando ou decrementando a tens o de sa da terminal do PV e comparando a pot ncia obtida no ciclo atual com a pot ncia do ciclo anterior Caso a tens o varie e a pot ncia aumente o sistema de controle muda o ponto de opera o naquela dire o caso contr rio muda o ponto de opera o na dire o oposta Uma vez que o sentido para a varia o da corrente conhecido a corrente variada a uma taxa constante Esta taxa um par metro que deve ser ajustado para possibilitar o balan o entre a resposta mais r pida com a menor oscila o em regime permanente O fluxograma b sico do m todo apresentado na Figura 2 25 Este m todo necessita dos sensores de corrente e de tens o Observa se que o m todo P amp O pode ser melhorado atrav s da varia o do passo de incremento da raz o c clic
79. bust veis em Rodovias Canteiros de Obras Campos Petrol feros e de Minera o onde n o exista a possibilidade de instala o direta de uma rede telef nica ou onde os custos de implanta o de linha f sica s o elevados 2 4 1 Funcionamento do Transceptor Nesse estudo uma esta o de radiocomunica o o sistema utilizado para executar contatos dist ncia entre duas esta es que composta basicamente de um transceptor TRANSmissor reCEPTOR de radiocomunica o de uma linha de transmiss o ar e de uma antena A este sistema se d o nome de sistema irradiante Um sistema de radiocomunica o normalmente formado por dois componentes b sicos Transmissor e Receptor O transmissor composto por um gerador de oscila es que converte a corrente el trica em oscila es de uma determinada frequ ncia de r dio um transdutor que converte a informa o a ser transmitida em impulsos el tricos equivalentes a cada valor um modulador que controla as varia es na intensidade de oscila o ou na frequ ncia da onda portadora sendo efetuada em n veis baixo ou alto e uma antena para emitir as ondas eletromagn ticas O receptor que tem como componentes principais a antena para captar as ondas eletromagn ticas e convert las em oscila es el tricas amplificadores que aumentam a intensidade dessas oscila es equipamentos para demodula o um alto falante para 41 converter os impulsos em ondas sonoras e
80. ce o painel montado que se encontra pr ximo ao poste de 12 m e o detalhe da antena do sistema de transmiss o recep o instalados por t cnicos da concession ria dos servi os p blicos de telecomunica es ex Telepisa hoje Telemar Oi Figura 1 7 Painel solar e antena sendo instalados na comunidade rural Tucuns dos Donatos em Pedro PI Fotos Jos M Dantas Telepisa 1998 Em pesquisa realizada em 2008 existia cerca de 30 munic pios piauienses que possu am sistemas semelhantes a esses instalados pela empresa concession ria de telecomunica es Em 4 apresentada a rela o dos sistemas fotovoltaicos de telecomunica es da empresa Oi destinados ao fornecimento el trico a Telefones de Uso P blico TUPs na zona rural de diversas comunidades piauienses Observou se que praticamente todos os territ rios piauienses apresentaram comunidades beneficiadas com servi o de telefonia gra as a essa tecnologia de gera o distribu da Em algumas comunidades ap s a eletrifica o a remo o do sistema fotovoltaico n o de imediato Visto que o sistema continua sendo mantido por meses at necessitar de reparos quando ent o removido A confiabilidade desses sistemas de gera o frente baixa qualidade do fornecimento el trico principalmente no meio rural est entre os principais motivos que justificam essa pr tica De acordo com o artigo 15 do Decreto N 7 512 de 30 de junho de 2011 que aprovou
81. ceiros diretos para os propriet rios de terras na qual s o inseridos Para o Estado reduz a elevada depend ncia energ tica do exterior nomeadamente a depend ncia em combust veis f sseis e aumento do cr dito de carbono devido poupan a menor aquisi o de direitos de CO por cumprir o Protocolo de Kyoto e as diretivas comunit rias tamb m por ser uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais A cada dia os pain is solares ficam mais potentes e seu custo de produ o vem diminuindo tornando cada vez mais a energia solar uma solu o economicamente vi vel em termos de investimento O gr fico da Figura 1 1 mostra a proje o de custos de produ o do painel solar Figura 1 1 Proje o de custos futuros 3 500 E E System pricing capability range high System pricing capability range low 2509 2 993 Q Annual decrease BE 2x 2 800 EB 2 097 2 500 ES 2 312 ii 2300 B 1 987 2 125 1 857 1 970 1 744 1 644 1 820 1 554 1 700 1 471 1 590 ess o 1 500 1 411 1 334 B 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Sources National Renewable Energy Laboratory A T Kearney EPIA 2009 www setfor2020 eu Em comunidades isoladas da rede convencional de energia a energia solar uma alternativa excelente em lugares remotos ou de dif cil acesso pois sua instala o em pequena escala n o obriga a investimentos
82. cleo e um conjunto de el trons que gravitam em redor do n cleo Os el trons ao absorverem a energia dos f tons libertam se da influ ncia do n cleo ficando livres transfer ncia de energia dos f tons para as cargas el tricas Estes el trons livres constituem a corrente el trica 12 Para que os el trons livres possam ser uma fonte de energia el trica estes t m de circular no exterior do semicondutor Isto conseguido com uma jun o P N cujo objetivo criar um campo el trico no interior do material de forma a separar as cargas negativas das cargas positivas cria o de corrente el trica 12 As c lulas solares fotovoltaicas podem ser encontradas no mercado e est o divididas em tr s categorias As c lulas de primeira gera o s o feitas a partir de sil cio cristalino que englobam as c lulas monocristalinas e policristalinas As de pel cula fina pertencem ao grupo de c lulas de segunda gera o s o de novos materiais semicondutores explorados As de terceira categoria englobam v rios conceitos novos de c lulas solares est o ainda sem sua maioria na fase de desenvolvimento como as de solu es microcristalinas nanocristalinas ou h bridas 12 As c lulas solares de sil cio cristalino tem dominado a ind stria fotovoltaica desde seu in cio sendo uma tecnologia bastante conhecida e confi vel tanto que se apresentam como l deres mundiais de mercado 12 As c lulas solares de sil cio monocrist
83. concreto onde em seu topo j se encontra instalada uma antena VHF Yagi com cabos instalados e um compartimento fechado e ventilado no intuito de receber e proteger os conversores e os ultracapacitores na forma de abrigo para o r dio transceptor Este trabalho tratou do projeto e implementa o de um sistema fotovoltaico para atendimento a uma comunidade isolada da rede p blica de energia e de telecomunica o em que foi utilizado como forma de armazenamento de energia o ultracapacitor O sistema ora projetado n o utiliza o inversor para corrente alternada reduzindo assim custos com equipamentos bem como n o utiliza baterias como forma de armazenamento diminuindo desta forma manuten es peri dicas trocas ou substitui es devido vida til das baterias Em vez das baterias foram utilizados ultracapacitores como forma de armazenamento de energia A maior efici ncia pode ser explicada atrav s do rendimento do conversor elevador CC CC que superior a de inversores tanto a plena carga como a vazio Com base nos fatores citados chegou se a conclus o que para esse tipo de atendimento os sistemas fotovoltaicos se tornam bastante atrativos Especialmente quando o mesmo possui tecnologia nacional onde os custos s o reduzidos o que n o o caso desse estudo O sistema poder ser instalado em qualquer localidade que tenha possibilidade de receber um sinal de telefonia No entanto ser o realizados testes mesmo que na comunidade ja
84. corrente na carga do conversor boost Figura 4 11 Tens o na chave e corrente no indutor do Figura 4 12 Tens o e corrente na carga do conversor Boost Canal 1 5 V div e Canal 2 1 A Div M Pos 0 000s MEDIDAS CH1 RMS 16 84 CH1 Frequ ncia 24 99kHz CH2 RMS 1 694 CH2 Nenhum Tek ane an Trig d pe CH1 Nenhum CH1 17 4 50 1786kHz CH1 5004 CH2 1 004 M 25 0 us 30 Nov 12 18 40 Boost Canal 1 5 V div e Canal 2 250 mA Div M Pos 0 0005 MEDIDAS CHI RMS 2 Tek Ate E a E po ieee eee E CH1 Frequ ncia CH2 RMS PR RO A rt prt rem TASMA a CH2 Nenhum CH1 Nenhum CH1 Z 17 4y lt 10Hz CH1 5004 CH2 250m M 25045 30 Nov 12 18 44 As Figuras 4 13 e 4 14 mostram respectivamente os gr ficos dos resultados experimentais da tens o na chave e a corrente no indutor e tens o e corrente na carga do conversor buck Figura 4 13 Tens o na chave e corrente no indutor do Buck Canal 1 5 V div Canal 2 250 mA div 95 Figura 4 14 Tens o e corrente na carga do conversor Buck Canal 1 5 V div e Canal 2 250 mA Div Tek no Trig d M Pos 0 000s MEDIDAS Tek a Trig d M Pos 0 000s MEDIDAS CHI CH1 RMS RMS 8 70 13 64 CH1 CH1 Frequ ncia Frequ ncia 2 030MHz 93 98kHz CH2 cream mr rm state shes ta CH2 RMS RMS 535mA 340m 2 2 CH2 CH2 Nenhum Nenhum CH1 CH1 Nenhum Nenhum CH1 5004 CH2 250m4 M 25 0us CH1 Z 14 0
85. de autodescarga A Tabela 4 informada por 43 mostra um comparativo entre o ultracapacitor a bateria chumbo cido e o capacitor convencional Tabela 4 Compara o bateria x ultracapacitor 43 Capacitor Convencional lt 0 1 lt 100 10 a 10 s 10 a 10 s gt 500 000 gt 0 95 Kgs Bateria A Energia espec fica Wh kg 10 a 100 lt 10 ES O Pot ncia espec fica kW kg lt l 40 2 4 Transceptor Neste t pico ser apresentado um estudo abreviado do funcionamento do transceptor Um transceptor um dispositivo que combina um transmissor e um receptor utilizando componentes de circuito comuns para ambas as fun es num s aparelho O Transceptor Monocanal um equipamento especialmente projetado para realizar uma perfeita extens o da linha telef nica sem fios e sem postes Este equipamento permite ao usu rio ter acesso a um telefone onde necessitar vinculando o de forma radioel trica a uma central telef nica p blica ou privada ou a uma extens o de linha telef nica particular O R dio monocanal composto de duas unidades compactas e robustas a unidade CENTRAL que vai conectada a uma linha telef nica e a unidade ASSINANTE a qual se conecta um telefone comum fax computador telefone sem fio entre outros aparelhos Desta maneira os servi os de telefonia poder o extender se de forma remota a todo lugar que seja necess rio Propriedades Rurais Usinas Empresas Postos de Com
86. de que um eletr lito permanece sobre superf cies nanoestruturadas at ser estimulado a fluir Esse est mulo o gatilho para que a nova bateria comece a produzir eletricidade 32 Esse comportamento inteligente poder permitir a ativa o das baterias quando necess rio aumentando enormemente sua vida til Pesquisadores do MIT utilizaram membranas criadas com nanotubos de carbono para aprimorar um outro tipo de dispositivo de armazenagem de energia chamado ultracapacitor A Figura 2 6 mostra a representa o dos nanotubos de carbono 32 Figura 2 6 Representa o dos nanotubos de carbono 24 Os nanotubos de carbono t m um desenho perfeitamente regular al m de possuir di metros de apenas alguns poucos tomos A membrana constru da com eles apresenta uma rea superficial muito maior o que se traduz em uma efici ncia no armazenamento de energia A aplica o industrial dos nanotubos alcan a as reas de energia eletr nica medicina e ind strias qu mica e petroqu mica Com estrutura cil ndrica formada por tomos de carbono o di metro dessas mol culas corresponde a bilion sima parte do metro um nan metro Essa caracter stica lhe assegura propriedades diferenciadas de resist ncia mec nica e condutividade el trica e t rmica A simples adi o de 0 5 de nanotubos em determinados materiais pode aumentar sua resist ncia em at 20 vezes Os cientistas afirmam j deter a tecnologia para a f
87. dia o continuar aumentando 27 Figura 2 27 Mudan a repentina do ponto de opera o devido s altera es clim ticas P T T T T VV AV oy 53 Como conclus o da escolha do m todo de busca do Ponto de M xima Pot ncia MPPT de acordo com 25 a inclus o de um sistema de procura do ponto de m xima pot ncia num sistema fotovoltaico aumenta a produ o de energia el trica em cerca de 20 a 40 quando comparado com um sistema sem MPPT 2 6 2 M todo da Raz o C clica Fixa A raz o c clica fixa representa o mais simples dentre os m todos por n o necessitar de nenhuma realimenta o onde a resist ncia aparente da carga ajustada uma nica vez para a pot ncia m xima do painel e n o ajustada novamente ou seja este um m todo off line 2 6 3 M todo da Tens o Constante O m todo da tens o constante CV Constant Voltage utiliza resultados emp ricos indicando que a tens o no MPP Vmpp da ordem de 70 a 80 da tens o em circuito aberto Voc do painel fotovoltaico para a condi o atmosf rica padr o Entre os diversos pontos de MPP variando se as condi es atmosf ricas a tens o nos terminais do m dulo varia muito pouco mesmo quando a intensidade da irradia o solar se altera Assim assegurando se que a tens o no m dulo permane a constante poss vel operar pr ximo do MPP Isto realizado com uma malha fechada em tens o conforme diagrama da Figura 2 28 Este m
88. do indutor do boost A Ler Corrente eficaz que circula pelo indutor buck A TLopico Corrente de pico atrav s do indutor buck A Impp Corrente nominal do painel fotovoltaico A Ipv NoM Corrente nominal do m dulo fotovoltaico A Isc Corrente de curto circuito A Jmax Densidade de corrente el trica m xima Alem Io Corrente nominal de saida do conversor buck A Iph Corrente de curto circuito do painel fotovoltaico A xvii S mbolo Significado Unidade K2 Constante de proporcionalidade Kw Fator de utiliza o da rea da janela Lboost Indutor do boost H Lbuck Indutor do buck H lg Entreferro total do indutor do boost cm IZbuck Entreferro total do indutor do buck cm Nesp N mero de espiras do enrolamento do indutor Nfios_paralelos N mero de fios paralelos para o indutor Nrios paratelos buck N mero de fios paralelos para o indutor do buck Np Quantidade de pain is solares do projeto MCC Modo de condu o cont nua MCD Modo de condu o descont nua MPP Ponto de maxima pot ncia do painel fotovoltaico Pmax Pot ncia maxima W Pucmed Pot ncia m dia fornecida pelo banco de W ultracapacitores Po Pot ncia nominal de sa da do conversor buck W Pout Pot ncia consumida pela carga W PWM Modula o por largura de pulso q Carga negativa q Carga positiva R Resist ncia de carga Q Rmed Radia o m dia di ria Fortaleza 5500
89. do transceptor 1 A O valor da ondula o de corrente do indutor fornecida carga pelo conversor buck dado 81 pela Equa o 51 2 Al puck Dm x Icarga 0 79 1 0 79 A 51 Assim o c lculo do indutor do conversor buck Lguck dado pela Equa o 52 Considerando D 50 do ciclo de trabalho calcula se o valor do indutor do conversor buck 2 1 D DVg _ 1 0 5 0 5 29 7 447 56 pH 52 f sbuck AlL_Buck 21000 0 79 Leuck Na pr tica deve se adotar um indutor com valor superior ao que foi calculado com a express o anterior Isso feito de modo a garantir o modo de condu o continuo MCC em toda a faixa de opera o do conversor Por este motivo e devido ao enrolamento ter sido feito de forma manual no Laborat rio do GPEC ap s a confec o do indutor mediu se no indut metro o valor Lpuck 472 13 uH a resist ncia do enrolamento do indutor medido foi 116 mQ Como este valor de indut ncia baixo provavelmente o indutor ter um n mero reduzido de espiras Assim pode se imaginar que a resist ncia do indutor desprez vel e utiliza se RL zero nas simula es do circuito chaveado e tamb m nas equa es do modelo de Vorp rian O valor do capacitor de sa da do conversor buck Cpuck dado pela Equa o 53 2 1 Dmax D m x V m eae a 53 8 f sbuck AVC Buck Onde AVe_Buck 1 Vearea 0 01x13 75 D AVe Buck 0 1375 V logo c _ 4 0 79 0 79 29 7 _ 4 92723 Buck 9821
90. doses de energia de uma vez s ao contr rio das baterias que t m menor densidade de energia mas liberam de forma mais comedida A nanotecnologia uma rea de pesquisa extremamente ativa com milhares de artigos publicados nos ltimos anos Em artigo publicado na revista Nature Nanotechnology uma equipe formada por pesquisadores do Instituto de F sica da Universidade Estadual de Campinas Unicamp e do Laborat rio Nacional de Luz S ncrotron do Minist rio da Ci ncia e Tecnologia LNLS MCT descreve a descoberta de uma inesperada fam lia de nanotubos met licos ocos e quadrados 36 O estudo coordenado pelos professores da Unicamp identificou como se deformam e finalmente quebram arames nanom tricos de prata No processo foi observada a forma o espont nea de estruturas com uma base quadrada composta por apenas quatro tomos a menor poss vel conforme Figura 2 9 Figura 2 9 Estrutura de um nanotubo de prata com se o quadrada Todos os nanotubos conhecidos at agora eram realmente tubos redondos Za Imagem Daniel Ugarte 36 Um dos pesquisadores associado do LNLS Daniel Ugarte afirmou que o arranjo at mico oco ou tubular completamente inesperado e se forma quando os nanofios s o submetidos a uma alta taxa de estiramento Assim os tomos mudam sua distribui o ou estrutura para uma configura o que pode ser descrito como uma nanossanfona capaz de se esticar muito sem quebrar Nenhum trabal
91. e Controle do Sistema 91 Esse m dulo de alimenta o possui como caracter sticas 4 geradores PWM com 8 sa das e cada gerador PWM tem base de tempo e ciclo de trabalho independentes A fonte de alimenta o do m dulo PWM no dispositivo dsPIC30F2020 suporta uma grande variedade de modos e formatos de sa da de PWM Este m dulo PWM ideal para aplica es de convers o de energia tais como conversores CC CC fontes de alimenta o CA CC e fontes de alimenta o ininterrupta UPS O per odo de PWM pode ser calculado usando a Equa o 65 Per odo PWM PRx 1 4 Tosc TMRx valor prescale 65 A frequ ncia PWM definida pela Equa o 66 Frequ ncia PWM 1 Per odo PWM 66 As Figuras 4 4 e 4 5 mostram as medidas reais dos indutores do boost e do buck feitas com o instrumento indut metro da fabricante FLUKE Figura 4 4 Medida do indutor do boost Figura 4 5 Medida do indutor do buck 92 As Figuras 4 6 e 4 7 mostram o transceptor ativado mas o telefone encontra se com o monofone no gancho N o h estabelecimento de uma conex o telef nica por parte do assinante Assim sendo n o existe um sinal da portadora presente no analisador de espectro Figura 4 6 Transceptor ativado e telefone com monofone no gancho ASSINANTE Figura 4 7 An lise espectral do transceptor sem sinal da portadora com o monofone no gancho fi 259 0666667 MHz 40 30 dBm REL 300 kHz UBW 3 kHz Ref
92. e as superf cies opostas da c lula efeito fotovoltaico Esta tens o chamada de tens o de circuito aberto Na Figura 2 2 pode se observar o efeito fotovoltaico numa c lula 6 17 Figura 2 2 Efeito fotovoltaico na jun o P N 6 Terminal Positivo Terminal Negativo Atrav s de um condutor externo liga se a camada negativa Sil cio tipo P camada positiva Sil cio tipo N Desta forma cria se um caminho para a corrente el trica na liga o enquanto a luz solar incidir na c lula sendo que a intensidade dessa corrente proporcional intensidade de luz incidente corrente de curto circuito A Figura 2 3 mostra a estrutura da c lula fotovoltaica 6 Figura 2 3 Esquem tico de uma c lula fotovoltaica de sil cio 6 Contato Frontal Sil cio tipo n Jun o pn 7 ilei i Hat Contato de Base Sil cio tipo p Durante o efeito fotovoltaico s o envolvidos tr s efeitos f sicos que se relacionam entre si sendo eles a absor o transfer ncia de energia e energia el trica 6 18 A luz composta por f tons que podem penetrar em determinados materiais e at atravess los Um raio luminoso ao incidir sobre um material pode ser refletido absorvido ou refratado Quando um raio solar incide sobre uma c lula fotovoltaica este absorvido e restitu do sob a forma de outra energia absor o 12 Todos os materiais s o formados por tomos que possuem um n
93. e industriais Exemplos no mbito de cada ind stria s o numerosos Automotiva redes em 42 V para suprimento de alimenta o de ve culos dire o hidr ulica controle de v lvula eletromagn tica geradores de partida abertura de porta el trica travagem regenerativa acionamento el trico h brido cintos de seguran a com restri es ativas 43 35 Transporte motor diesel de partida inclina o de trem abertura de porta de seguran a fonte de alimenta o el trica compensa o de queda de tens o travagem regenerativa acionamento el trico h brido 43 Consumidor c meras digitais computadores laptop assistente digital pessoal PDA personal digital assistant sistema de posicionamento global Global Positioning System GPS dispositivos de m o brinquedos lanternas ilumina o solar e dispositivos de pagina o para restaurantes 43 Industrial fonte de alimenta o ininterrupta Uninterruptible Power Supply UPS sistemas e licos com turbinas de passo armazenamento tempor rio de energia leitura de medidor automatizada Automatic Meter Reading AMR elevador de backup de energia de microcontrolador portas de seguran a empilhadeiras guindastes e telecomunica es 43 A Considera o para as v rias ind strias listadas e para muitas outras normalmente atribu da s necessidades espec ficas da aplica o da tecnologia que o ultracapacitor pode satisfazer Aplica es ideais par
94. e os torna mais eficientes do que as baterias tradicionais que retiram sua energia de rea es qu micas J os ultracapacitores s o c lulas de armazenamento funcionando no mesmo princ pio dos capacitores mas capazes de fornecer quantidades enormes de energia instantaneamente Eles j s o utilizados em ve culos experimentais principalmente aqueles movidos por c lulas a combust vel At agora por m os ultracapacitores necessitavam ser muito maiores do que as baterias para fornecer a mesma quantidade de energia Os cientistas resolveram o problema lidando com os campos el tricos em n vel at mico Eles utilizaram uma membrana constru da com nanotubos de carbono alinhados verticalmente A capacidade de armazenamento de um ultracapacitor depende da rea superficial de seus eletrodos Atualmente esses eletrodos s o feitos de carbono ativado um material extremamente poroso o que se traduz em uma enorme rea superficial Mas seus poros s o irregulares o que significa que essa rea n o t o grande quanto poderia ser reduzindo a efici ncia do ultracapacitor 31 Para se obter capacidades de armazenamento enormes o que se faz no ultracapacitor utilizar um eletrodo poroso base de carbono o qual imerso numa subst ncia condutora eletr lito conforme mostra a Figura 2 10 29 O eletr lito penetra nos poros do carbono e reagindo forma uma pel cula ultrafina da ordem de angstroms cobrindo internamente todos os
95. ealizar as tarefas mais simples e essenciais ao cotidiano de qualquer pessoa Por m h muitas comunidades que n o usufruem dos benef cios do acesso energia no Brasil em especial na Amaz nia e em partes do Nordeste Abrangendo quase 60 do territ rio nacional a Amaz nia abriga in meras comunidades ribeirinhas que n o disp em de recursos b sicos sobreviv ncia dentre eles a energia el trica S o popula es muito pequenas que se distribuem por reas dispersas mas que totalizam milhares de habitantes com acesso prec rio energia As dificuldades em levar a eletrifica o rural a essas comunidades e a necessidade de limitar o uso de combust veis f sseis substituindo os por alternativas energ ticas n o poluidoras e renov veis tornam urgente o investimento em pesquisa e desenvolvimento de fontes alternativas de energia Projetos para a obten o de energia el trica gerada a partir de unidades de produ o baseadas 10 em biomassa e lica solar e Pequenas Centrais Hidrel tricas PCHs come am a ser implantados em comunidades isoladas da Regi o Norte 7 8 Por m assim como as demais fontes alternativas o custo de instala o dessas tecnologias alto dificultando o seu acesso pelas pequenas comunidades isoladas tanto da Amaz nia quanto do Nordeste Para se reverter essa situa o uma das formas promover os sistemas alternativos de energia associados a programas sociais de gera o de renda Em especia
96. eia obtendo se na sua forma pura atrav s de m todos adequados Os elementos do grupo IV da tabela peri dica como o sil cio caracterizam se por possu rem quatro el trons de val ncia que se ligam aos tomos vizinhos atrav s de liga es covalentes formando uma rede cristalina O cristal de sil cio puro n o apresenta el trons livres e portanto um mau condutor el trico Para inverter esta situa o necess rio adicionar outros elementos qu micos ao sistema Quando tomos que possuem cinco el trons de val ncia como o F sforo ou o Ars nio s o adicionados ao sistema h um el tron em excesso que fica livre para estabelecer liga es covalentes enfraquecendo a sua liga o com o tomo de origem Por outro lado quando tomos que possuem tr s el trons de val ncia como o Boro ou o ndio s o adicionados ao sistema h falta de um el tron para estabelecer as liga es covalentes com os tomos de sil cio formando uma lacuna Desta forma necess ria uma pequena quantidade de energia para que no primeiro caso o el tron livre seja libertado para a banda de condu o e no segundo caso um el tron de um local vizinho se desloque e preencha a lacuna Assim o F sforo ou o Ars nio s o doadores de 16 el trons do tipo N Sil cio tipo N e o Boro ou o ndio s o aceitadores de el trons do tipo P Sil cio do tipo P 11 Cada c lula solar constitu da por uma camada fina de material do tipo N e outr
97. ells Quantidade de c lulas de ultracapacitores que s o ligados em s rie Csys Sistema de capacit ncias F Cuc Capacit ncia equivalente dos ultracapacitores F Cultra Capacidade total dos ultracapacitores Ah Cl Capacitor de entrada do conversor boost em F paralelo com o painel CBuck Capacitor de saida do conversor buck F Cmin Capacitor de filtragem do conversor buck F d Dias de autonomia Dias D Raz o c clica S mbolo Significado Unidade D Complemento da raz o c clica Dmax Raz o c clica m xima para o conversor boost Dm x Ciclo de carga m ximo para o conversor buck Dmin Ciclo de carga m nimo para o conversor buck D n Razao ciclica amostrada Dboost Diodo do boost Dbuck Diodo do buck De Maxima profundidade de descarga dt Tempo de execu o desejado S dq Elemento de carga de uma placa dW Trabalho J Earm Energia armazenada pelos ultracapacitores J ESR Resist ncia S rie Equivalente Q ESRm x Resist ncia s rie m xima do capacitor Q Fs Frequ ncia de comuta o da rede Hz sboost Frequ ncia de comuta o no boost Hz f shuck Frequ ncia de comuta o no buck Hz Icarga Corrente nominal da carga fornecida pelo fabricante A I Corrente m dia A Icurto Corrente de curto circuito corrente m xima A Thiet Corrente eficaz que circula pelo enrolamento do A indutor boost IL pico Corrente de pico
98. em linhas de transmiss o 1 2 Comunidades isoladas sem redes de energia e de telecomunica es Os sistemas fotovoltaicos dom sticos isolados s o aqueles designados para aplica es nas quais a energia convencional n o est dispon vel para uso Eles fornecem eletricidade s resid ncias e que como o pr prio nome j diz n o est o conectados rede de distribui o de eletricidade da concession ria local Estes sistemas na maioria das vezes atendem s comunidades isoladas fornecendo energia el trica de baixa tens o em sua maior parte para ilumina o comunica o refrigera o e outras cargas de menor consumo de energia Os sistemas fotovoltaicos n o dom sticos isolados foram as primeiras aplica es comerciais Esses sistemas fornecem energia para uma ampla escala de aplica es tais como em telecomunica o refrigera o de medicamentos e vacinas em postos de sa de bombeamento de gua e outros 3 Os sistemas de telecomunica es alimentados por energia fotovoltaica s o encontrados tamb m em telefonia para locais isolados esta es m veis de telecomunica es telemetria pequenas centrais telef nicas r dio ou TV VHF UHF Nas regi es de dif cil acesso e em comunidades isoladas onde n o h energia el trica torna se praticamente imposs vel terem a seu alcance um meio de comunica o Com a aplica o da energia fotovoltaica esse fato pode ser uma realidade Existem telefones p blicos
99. ema Isolado de Gera o e Distribui o de Energia El trica MIGDI ou Sistema Individual de Gera o de Energia El trica com Fonte Intermitente SIGFI 9 Al m dos sistemas padronizados desde 2004 j foram instalados in meros sistemas residenciais e comunit rios de menor ou maior porte durante os anos 1990 at hoje procedente de coopera es t cnicas com outros paises ou programas do governo federal PRODEEM 10 Nesse t pico mostra se que existem muitas comunidades isoladas sem energia no pa s Mesmo assim o sistema proposto depende da geografia do terreno para os casos em que o atendimento se d em at 30 km da sede do munic pio O servi o dever ser disponibilizado para ser atendido via r dio que o prop sito desse projeto isso para a operadora regional que deve disponibilizar o servi o em atendimento ao par grafo primeiro do art 16 do do Decreto N 7 512 de 30 de junho de 2011 Em caso de localidades acima de 30 km a operadora de Longa Dist ncia Nacional a respons vel pelo fornecimento do servi o de telecomunica es conforme par grafo segundo do mesmo decreto O projeto ora apresentado n o necessita atender s exig ncias da ANEEL em seu Art 5 da referida resolu o visto que a carga do sistema de telecomunica es tem baixa pot ncia de consumo estando portanto fora das especifica es t cnicas exigidas 13 1 5 Sistema Proposto O diagrama de blocos do sistema desenvolvido mos
100. er odo de funcionamento do m dulo fotovoltaico uma opera o dif cil A solu o utilizar um interruptor no conversor de pot ncia para que a corrente de curto circuito possa ser medida periodicamente Isto aumenta o n mero de componentes do sistema e consequentemente o custo Atrav s deste m todo al m de haver uma redu o da pot ncia de sa da o valor da corrente para o ponto de m xima pot ncia nunca atingido tal como mostra a Equa o 8 Na Figura 2 30 est representado o fluxograma deste m todo de procura do ponto de m xima pot ncia 56 Figura 2 30 Fluxograma do M todo Corrente Constante Imp Imodulo N o Imodulo K Isc 2 6 5 M todo da Condut ncia Incremental O M todo da Condut ncia Incremental IncCond baseado no fato de que a inclina o da curva de pot ncia do painel solar nula no MPP dP dV 0 positiva esquerda e negativa direita Este m todo busca o MPP da mesma forma que o M todo Perturba o e Observa o P amp O estudado no t pico 2 6 1 e tamb m apresenta a vers o modificada A t cnica da condut ncia incremental utiliza a curva pot ncia versus tens o do painel ou do arranjo de pain is fotovoltaicos para encontrar o ponto de m xima pot ncia dos mesmos Esta t cnica baseia se nos valores da condut ncia instant nea e incremental do painel que s o obtidos atrav s das medi es da corrente e tens o do painel O ponto de m xima pot
101. er sticas f sicas do indutor boost N cleo de ferrite utilizado IP12R 42 21 20 da Thornton 76 3 3 2 Dimensionamento do capacitor CI No c lculo do dimensionamento do boost necess rio a inclus o de um capacitor C na entrada do conversor esse capacitor tem como fun o garantir que o painel sempre opere como fonte de tens o 13 O valor do capacitor CI utilizado na entrada do boost paralelo com o painel fotovoltaico dado pela Equa o 43 2 C1 PoostiPVnom 4lPv 1 015 107 3 05 0 11 3 35 _ 1 884 uF 43 AV VPV NOM 17 4 0 002 17 4 No projeto foram dimensionados dois capacitores de 2200 uF 35 V em paralelo na saida do painel Esta medida possibilitou diminuir a resist ncia s rie equivalente e dividiu a corrente que circulava por estes capacitores Para fins de montagem foram utilizados dois capacitores de 680 uF 25 V e um de 220 uF 25 V O regulador de tens o do boost foi o L7815CV da ST Microelectronics Este componente possui uma baixa resist ncia de condu o 19 mQ em 1 kHz O diodo Dboost do boost utilizado foi 1N5821 da ON Semiconductor diodo schocktty ultrarr pido que possui baix ssimo tempo de recupera o A tens o de bloqueio deste diodo de 30 V e capacidade de condu o de 3 A O MOSFET utilizado como interruptor do boost foi o IRFZ48N da International Rectifier Este componente possui uma baixa resist ncia de condu o o que possibilita a diminui o das perdas e uma comuta
102. erimento Representa o dos nanotubos de carbono O nanotubo semicondutor encapsulado pelo pol mero criando uma Tinta LEMON Cary eakat e aaa ee shaded an Ena o dane ud O nanotubo pesquisado pela equipe do Dr Rauge que vislumbra um carro el trico no qual a bateria estaria distribuida por todo o ve culo incluindo chassi portas teto piso etc Estrutura de um nanotubo de prata com se o quadrada Todos os nanotubos conhecidos at agora eram realmente tubos TECONGOS 223 525 cshacess cuse dead aa e an a ae teen EEEE dete beta sot EERE IEEE Corte transversal de um ultracapacitOL eee eeseeeceeceeereeeneeceeeeee Nanotubo de carbono sobre folha de n quel Baterias ultracapacitores e capacitores comuns Capacitor eletrol tico comum e ultracapacitor Capacitores e ultracapacitores c errei M dulo esquem tico do ultracapacitor ee eeseeeceeeneecneeeeeeeneees Mapa comparativo de caracter sticas de densidade de pot ncia e de energia de diferentes dispositivos de ac mulo Separa o de carga no ultracapacitOT cece ceeecesteceeeteeeteeeenneeees Exemplo de um circuito PWM a Conversor elevador de tens o boost cl ssico Tens o sobre o indutor do DOOST cescceeccessece
103. ermissividade do material e rea das placas sendo inversamente proporcional dist ncia entre as placas J em um ultracapacitor n o h um diel trico mas um eletr lito A principal diferen a a grande rea propiciada por materiais porosos aliada pequena dist ncia entre as cargas que da ordem de nan metros Com um eletr lito aquoso a tens o por capacitor de cerca de 1 V enquanto para um eletr lito org nico este valor cresce para 2 5 V Hermann Helmholtz em 1853 descreveu que quando uma tens o aplicada entre dois eletrodos de carbono imersos em um fluido condutor n o h circula o de corrente at que uma certa tens o limiar seja atingida Ao se iniciar a condu o h tamb m a forma o de g s devido rea o qu mica na superf cie dos eletrodos Abaixo desta tens o limiar o dispositivo se comporta como um capacitor 39 Diferentemente de uma bateria n o h ac mulo de energia qu mica Em torno de um eletrodo poroso de carbono situa se o eletr lito carregado de cargas Na realidade 33 conforme mostra a Figura 2 15 h dois eletrodos e nas adjac ncias de cada um ocorre o ac mulo de ons positivos e negativos O separador isola os eletrodos mas permite a livre passagem dos ons Por esta raz o estes dispositivos s o tamb m denominados capacitores de dupla camada Figura 2 15 M dulo esquem tico do ultracapacitor M dulo Esquem tico M dulo do C l
104. este cap tulo os resultados experimentais do prot tipo A fonte consta de dois est gios de processamento de energia sendo o primeiro est gio um controlador de carga dos ultracapacitores baseado no conversor boost cl ssico que tem a fun o de extrair a energia do m dulo fotovoltaico e enviar aos ultracapacitores e o segundo est gio composto de um conversor buck abaixador de tens o que extrai dos ultracapacitores 21 V a energia necess ria para transfer ncia de 13 75 Vcc para alimentar o transceptor 4 1 Prot tipo montado A foto do prot tipo implementado em laborat rio mostrada na Figura 4 1 Aqui s o mostrados os ultracapacitores conectados em s rie o conversor boost o conversor buck e o circuito de controle Figura 4 1 Foto do prot tipo implementado N INTERRUPTOR BUCK Conversor Buck N INDUTOR 4 ULTRACAPACITORES r INDUTOR lt o gt DIODO Pa FUS VEL DE BOOST PROTE O pa e a J a Na 3 po MTE lt Circuito de Pot ncia DA b Banco de Ultracapacitores 90 Na Figura 4 2 mostrada a foto do circuito de pot ncia com os conversores boost e buck Figura 4 2 Circuito de Pot ncia Conversores Boost esquerda e Buck direita Na Figura 4 3 mostrada a foto do circuito de controle com o microcontrolador dsPIC30F2020 da Microchip Technology de 28 pinos que funciona como controlador de sinal digital de 16 bits Figura 4 3 Circuito d
105. fotovoltaico em um dia Rmea Radia o m dia di ria em Fortaleza 5 500 W m2 dia Ips Corrente fornecida pelo m dulo fotovoltaico O n mero m nimo de pain is fotovoltaicos dado pela Equa o 20 Antec _ 3 967 21 Np Ana 12 16 775 12 0 414 20 Onde An Capacidade de consumo di rio da carga Obs Baseado em uma tens o de 12 V fornecida por painel em 47 C De acordo com o c lculo apresentado para suprir as necessidades do sistema proposto necess rio apenas um m dulo fotovoltaico MM55 3 2 Dimensionamento do Elemento Armazenador A determina o do ultracapacitor e a quantidade dependem da aplica o pretendida Para o dimensionamento correto do sistema uma s rie de fatores deve ser conhecida Esses fatores incluem a tens o de opera o m xima e m nima a corrente m dia ou pot ncia a corrente de pico ou de energia a temperatura do ambiente operacional o tempo de execu o necess rio para a aplica o e a vida til do sistema Agora uma abordagem geral descrita Cada um dos produtos tem uma tens o nominal VR Esses ultracapacitores s o dispositivos de baixa tens o esta tens o nominal geralmente menor do que a tens o de aplica o requerida Conhecendo se a tens o de aplica o m xima Vmax que ir determinar quantas c lulas de ultracapacitores necessitam de estar ligados em s rie O n mero de c lulas ligadas em s rie determinado pela Equ
106. ho anterior tinha considerado como poss vel a exist ncia dessa forma de estrutura nem mesmo do ponto de vista te rico especulativo 28 O artigo descreve com detalhes at micos todos os processos de elonga o gerados por tens o mec nica utilizando experimentos de microscopia eletr nica de transmiss o com resolu o at mica e simula es de din mica molecular As simula es computacionais sugerem que a estabilidade dessas estruturas pode ser o resultado de uma combina o de um tamanho m nimo necess rio associado a um regime de alta tens o mec nica Os resultados obtidos fornecem informa es essenciais para compreender o atrito e a ades o assim como para avaliar a poss vel utiliza o de nanope as met licas como refor o estrutural ou condutor el trico em nanodispositivos eletr nicos A inesperada descoberta abre novas possibilidades para o estudo de nanoestruturas met licas e sugere que talvez outras estruturas ex ticas possam existir Praticamente todos os dados de que se disp em hoje s o obtidos por meio de simula es computacionais sem valida o pr tica ou experimental Como consequ ncia poucos avan os concretos tem sido poss vel Nesse contexto o estudo conduzido no LNLS Unicamp destaca se por trazer contribui es validadas experimentalmente sobre propriedades at ent o pouco conhecidas dos nanotubos met licos 36 Por outro lado os capacitores armazenam energia como um campo el trico o qu
107. hop Rio 06 Rio de Janeiro novembro 2006 15 E D R B Proen a A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal Estado da Arte e Perspectivas de Desenvolvimento Disserta o de Mestrado em Engenharia e Gest o Industrial Instituto Superior T cnico Universidade T cnica de Lisboa 2007 16 PANDEY A K et al A simple Single Sensor MPPT Solution IEEE Transactions on Power Electronics New York v 22 n 6 p 698 700 2007 17 YU G J et al A Novel Two Mode MPPT Control Algorithm Based on Comparative Study of Existing Algorithms In Photovoltaic Specialists Conference 2002 p 1531 1534 18 HUSSEIN K H et al Maximum Photovoltaic Power Tracking An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions TEE Generation Transmission and Distribution United Kingdom v 142 n 1 p 59 64 1995 19 WASYNEZUK O Dynamic Behavior of a Class of Photovoltaic Power Systems IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems New York v 102 n 9 p 3031 3037 1983 20 JAINS S AGARWAL V A New Algorithm for Rapid Tracking of Approximate Maximum Power Point in Photovoltaics Systems IEEE Power Electronics Letters v 2 n 3 p 16 19 2004 21 HO B M T et al Use of System Oscillation to Locate the MPP of PV Panels IEEE Power Electronics Letters v 2 n 1 p 1 5 2004 22 CASADEI D et al C Single Phase Single Stage Photovoltaic Generation System Based on a Ripple Correlation Control Maximum Power Poin
108. idade de energia e Alta densidade de energia e Mais r pido efici ncia de ciclo alta gt 95 e Mais lenta e Milh es de ciclos de carga descar ga e Milhares de ciclos de carga descarga e N o necessita de manuten o e Exige manuten o e Ampla faixa de temperatura 30 C a 65 C e Faixa de temperatura mais limitada e Efici ncia do ciclo pode ser acima de 95 e A tens o varia com a energia armazenada e Menor resist ncia interna 1 A quantidade de energia armazenada por peso de unidade consideravelmente mais alta e N o provoca danos ambientais baixa toxicidade de materiais usados energia verde e Menor peso boa reversibilidade e N o t m efeitos de mem ria n o pode ser totalmente descarregado e Vida til longa em torno de 10 anos 2 Pequena longevidade das baterias vida til dos ultracapacitores independe da quantidade de recargas e do n vel de descarga podendo ser descarregado completamente e recarregados sucessivas vezes e Capacidade de recarga superior praticamente a 3 S rias restri es quanto ao ciclo de recarga Elas possuem um tempo relativamente longo de carga ou seja devem ser carregadas com uma pot ncia baixa para n o comprometer a sua vida til Tend ncia autodescarga superior esta caracter stica n o representa problema no caso do ve culo h brido pois o tempo para carga e descarga devido opera o do ve culo bem inferior que a constante de tempo
109. idade de energia muito menor mas com densidade de pot ncia muito mais elevada 40 34 Figura 2 16 Mapa comparativo de caracter sticas de densidade de pot ncia e de energia de diferentes dispositivos de ac mulo 40 107 408 105 104 103 Pot ncia Espec fica W kg 0 01 0 05 0 1 05 1 5 10 50 100 500 1000 Energia Espec fica Wh kg Pode se definir que a energia espec fica uma medida da quantidade de energia total armazenada por unidade de peso do acumulador A pot ncia espec fica uma medida que quantifica a pot ncia por unidade de peso poss vel de ser fornecida ou absorvida pelo acumulador para atender aos picos de demanda em acelera es e aclives no caso de ve culos automotores e m quinas pesadas Conforme citado em 40 a primeira patente deste tipo de dispositivo de 1957 41 com os primeiros componentes aparecendo no mercado em 1970 42 com o chamado SOHIO Mas apenas nos anos 90 os ultracapacitores come aram a ter um uso mais intenso Ultracapacitores s o produtos oferecidos em uma ampla gama de tamanhos Isto permite sua utiliza o por uma variedade de ind strias para muitos requisitos de necessidades de energia Estas aplica es v o desde miliamperes de energia atual ou miliwatts a v rias centenas de amperes de corrente ou v rias centenas de quilowatts de energia Ind strias empregam ultracapacitores em sua produ o que incluem eletr nica de consumo tra o automotivos
110. ight if there is a phone call to the proposed system the transceiver will be triggered and the subscriber should take the handset off the hook to answer an incoming call During this operation the transceiver consumes approximately 13 W of power which is provided by ultracapacitors that are interconnected through the buck converter The proposed system is controlled by a microcontroller and a control circuit which tracks the maximum power point MPP of the photovoltaic panel monitors the voltage level of ultracapacitors and determines the operating time of the DC DC converter which enables the provision of power to the transceiver by the ultracapacitors Keywords Photovoltaic panel Isolated communities Telecommunication systems Rural telephony Ultracapacitor Boost and buck converters Microcontroller Transceiver SUM RIO INTRODU O GERAL eee eee eee errar 1 CAPITOLO Egas adele nua Reema O 3 1 ESTADO DA ARTE DA ENERGIA SOLAR 3 LE Introdu o a ecewtestecttoedncstacettted tok ba Mae aaa eae alae ieee aloes 3 1 2 Comunidades isoladas sem rede de energia e de telecomunica es 4 1 3 O porqu de atender as comunidades isoladas sem redes de energia e de telecomunica es cuiss es raias ditos an oa aa dont ga FR dA Sd shauavan pagers dona NADO pa nadinha 8 1 4 Custo para se levar energia at as comunidades isoladas 9 1 5 Sistema Proposto ennan
111. itor Conversores elevador e abaixador Microcontrolador Transceptor viii ABSTRACT This work presents the conception design and implementation of a DC DC boost converter to connect a photovoltaic panel to a bank of ultracapacitors for energy storage to replace the conventional automotive batteries In the output of ultracapacitors a DC DC step down converter is used This converter provides power to a telecommunication system for the supply of a single channel transceiver with the purpose of providing the services of rural telephony and Internet in isolated communities from the public energy grid The system can provide the communication service to a isolated community from the power grid for up to three hours at night when used with radio equipment with cables connectors and antenna for transmitting and receiving phone signal with consumption power of 13 W and with solar radiation rate of 5 500 W m7 day During the day solar energy is captured by a photovoltaic panel and stored in ultracapacitors through a boost converter This converter enables ultracapacitors to charge at the maximum power point MPP of the photovoltaic panel The transceiver is activated when the phone is taken off the hook and the system power comes from the panel via ultracapacitors If there are calls during the day the photovoltaic panel meets the needs of the transceiver At night the panel used does not generate enough energy to power the telecommunication system At n
112. j em funcionamento que utilizam a tecnologia fotovoltaica Na Figura 1 2 tem se um telefone de uso p blico sobre uma jangada em Macei AL e na Figura 1 3 um telefone celular com tecnologia GSM em uma canoa em no Lago Vit ria Uganda para atender as comunidades de dif cil acesso ao servi o de telecomunica es s poss vel por meio de embarca es Figura 1 2 Jangada com orelh o celular Figura 1 3 Usu rio usando tecnologia GSM e energia em Macei AL solar no Lago Vit ria em Uganda A Figura 1 4 mostra um telefone p blico da concession ria de telefonia em atendimento a uma comunidade isolada da rede p blica de telecomunica es na regi o do semi rido piauiense Figura 1 4 Usu rio em orelh o da Oi beneficiado pela capta o de energia solar regi o do semi rido PI A Figura 1 5 mostra um sistema de telefonia via sat lite instalado na comunidade Melancias zona rural do munic pio de S o Francisco do Piau que integra a comunidade ao resto do mundo O sistema fotovoltaico al m de atender aos moradores com o telefone fornece energia bomba do po o alimenta a rede el trica da escola da comunidade e a TV via sat lite atrav s de uma antena parab lica que traz entretenimento e divers o aos moradores da localidade Figura 1 5 Orelh o via sat lite da Embratel usando energia fotovoltaica na localidade Melancias em S o Francisco do Piau PI A Figura 1 6 mostra o sistema c
113. l no caso da energia fotovoltaica certo que uma concession ria de energia n o ter interesse em instalar de gra a pain is para a capta o de luz solar necess rio que haja incentivos governamentais gera o de renda para essas comunidades isoladas Segundo dados do Minist rio de Minas e Energia MME o atendimento de energia el trica s popula es rurais brasileiras ainda n o atendidas representa um enorme desafio para o pa s pois se refere a um contingente de cerca de 10 milh es de brasileiros que vivem no campo distribu dos em 2 milh es de domic lios representando 80 do total nacional da exclus o el trica A Figura 1 8 mostra os n meros absolutos de exclus o el trica rural por Estado da Federa o Figura 1 8 N meros absolutos de exclus o el trica rural por Estado da Federa o Fonte Minist rio das Minas e Energia MME As principais fontes prim rias de energia dispon veis na Amaz nia com maiores chances de aproveitamento s o a fotovoltaica a hidrocin tica e a biomassa lenha res duos florestais e leos vegetais em toda a regi o e a e lica em partes dos litorais do Par e 11 Amap cujos custos aproximados de instala o e gera o est o representados na Tabela 1 8 Tabela 1 Custos de Instala o e de Gera o de Energia de Fontes Renov veis Custo de Gera o US MWh Sem CCC Com CCC 10 000 00 313 32 5 000 00 180 10 98 23 Roda d
114. ma chamada telef nica para qualquer local do mundo O transceptor modelo MC 25S utilizado nesse estudo possui um duplexador que foi projetado pelo fabricante STS para possibilitar a opera o duplex do transmissor e do receptor numa nica antena O duplexador utilizado em r dios transceptores VHF na faixa de 242 a 262 MHz e composto basicamente por dois filtros um para transmiss o e outro para recep o cuja fun o separar a faixa de transmiss o da recep o Nas especifica es fornecidas pelo Manual T cnico do fabricante do transceptor 58 a pot ncia de transmiss o do equipamento 10 W a alimenta o 13 75 Vcc as correntes de consumo em repouso lt 0 25 A e com o transmissor ligado lt 2 7 A O transceptor adquirido tem pot ncia de 1 0 W na sa da de RF Radiofrequ ncia 2 5 Revis o Bibliogr fica dos Conversores Neste t pico s o descritos os tipos de conversores com suas topologias caracter sticas vantagens e desvantagens para que possa orientar a melhor topologia para o projeto De acordo com o item 1 5 o sistema proposto composto por dois conversores CC CC conversor elevador como carregador para os ultracapacitores e conversor abaixador para a alimenta o da carga Os dimensionamentos dos conversores ser o detalhados no cap tulo seguinte 2 5 1 Conversores CC CC Conversores CC CC s o sistemas formados por semicondutores de pot ncia operando como interruptores e por elementos passi
115. mazenadores durante a programa o de controle do dsPIC limitou se a tens o em 21 V suficiente para alimentar o transceptor de 13 75 V Como o conversor boost pode operar em modo de condu o cont nua sendo que esta caracter stica possibilita a diminui o da ondula o de corrente na entrada e consequentemente melhora sintonia do ponto de m xima pot ncia Mesmo com a utiliza o de um filtro na entrada a condu o cont nua possibilita a sua redu o A caracter stica de transfer ncia do conversor boost operando em modo de condu o cont nua dada pela Equa o 6 pode ser demonstrada graficamente atrav s da Figura 2 22 Figura 2 22 Apresenta o gr fica da caracter stica de transfer ncia do conversor boost 2 10 8 0 02 04 06 08 10 D O painel fotovoltaico no ponto de m xima pot ncia pode se comportar tanto como fonte de corrente como fonte de tens o O primeiro comportamento n o interessante para o conversor boost uma vez que quando alimentado por uma fonte de corrente constante a sua tens o de sa da ser reduzida medida que a raz o c clica aumenta 5 Na topologia proposta composta pelo conversor boost cl ssico como controlador da carga dos ultracapacitores escolhido pela sua simplicidade e efici ncia pela necessidade de elevar a tens o Vi painel fotovoltaico para Vo carga dos ultracapacitores e porque o controle utilizando MPPT tem resultados satisfat rios quando
116. milh es de domic lios rurais em comunidades isoladas da rede p blica de energia e de telecomunica es ainda n o possuem fornecimento de energia el trica bem como rede de comunica o o que corresponde a cerca de 80 do total nacional de exclus o el trica Esses domic lios geralmente est o situados em locais de dif cil acesso distantes do sistema de distribui o convencional e geralmente concentrados em pequenas quantidades de consumidores Dessa forma torna se invi vel economicamente para as concession rias realizarem esse atendimento mediante extens o da rede convencional Com base nos fatores citados chegou se a conclus o que para esse tipo de atendimento os sistemas fotovoltaicos se tornam bastante atrativos Especialmente quando o mesmo possui tecnologia nacional onde os custos s o reduzidos o que n o o caso desse estudo Por fim apresentou se o sistema proposto para montagem como prot tipo Foram apresentados os componentes do sistema utilizado no projeto Iniciou se com o estudo da c lula fotovoltaica e as caracter sticas do painel fotovoltaico Foi feito um estudo exaustivo sobre o ultracapacitor e seu funcionamento para operar como elemento armazenador de energia em substitui o bateria automotiva muito utilizada no mundo devido a sua alta capacidade de armazenamento Apresentou se uma tabela comparativa entre baterias e ultracapacitores onde foram relatadas as vantagens dos ultracapacitores sobre as 98
117. n o t m fim devido disponibilidade de tecnologia oferecida ao seu bem estar di rio Aos usu rios dos diversos sistemas envolvidos pela economia mundial inicia se este t pico com o estudo dos ultracapacitores Atualmente para funcionar quase tudo requer uma bateria como computadores telefones celulares m veis lanternas carros el tricos h bridos dispositivos de entretenimento pessoal port til como tablet Smartphones etc Como a funcionalidade aumenta na era digital por isso se tem a confian a na bateria tradicional A bateria n o avan ou muito al m do projeto b sico desenvolvido por Alessandro Volta no s culo 19 A nanotecnologia uma das promessas para melhorar a qualidade de vida do ser humano no s culo 21 A expectativa que ela possa gerar produtos e processos mais eficientes e econ micos com menor gasto de energia e menos agressivos ao meio ambiente Mas para que o nano chegue s prateleiras necess rio ultrapassar a barreira da pesquisa e s ent o entrar na fase de fabrica o e poss vel comercializa o Em trabalho realizado por pesquisadores do Laborat rio do MIT Massachusetts Institute of Technology Estados Unidos para Sistemas Electromagn ticos e Eletr nica nos ltimos anos foi oferecida uma alternativa economicamente mais vi vel para as baterias convencionais em mais de 200 anos em um circuito el trico O ultracapacitor pode funcionar tanto como uma bateria como um capacitor Ultraca
118. namento do conversor buck Valor DIV Ta da tens o na sa da ITV BIV Icarga Corrente nominal da carga fornecida pelo fabricante 1A P Pot ncia nominal de sa da do conversor buck 25W AIL buck Ondula o de corrente na entrada do indutor do buck 10 da corrente de entrada fsbuck Freqii ncia da comuta o no buck 21 kHz AV buck Varia o de tens o na entrada do buck 0 2 da tens o de entrada Para simula o a carga considerada como um resistor O valor desse resistor obtido considerando se o conversor operando na pot ncia nominal de sa da A partir destes dados tem se a seguir o dimensionamento dos componentes para simula o com o programa Orcad Capture 13 O c lculo do resistor de carga dado pela Equa o 44 V arga _ 13 752 Pp 25 R 7 563 0 44 O c lculo do ponto de opera o dado de acordo com a raz o c clica de trabalho do transistor Spuck calculado dividindo se a tens o de entrada pela tens o de sa da onde Vc Vcarga resultando na Equa o 45 Vearga _ 13 75 Vg 29 7 D 0 463 45 80 Calculando se a raz o c clica de trabalho da parte passiva do interruptor PWM ou seja do diodo Dpuck E obvio que quando o interruptor acha se em condu o o diodo est bloqueado e vice versa Assim a raz o c clica do diodo Dpuck o complemento da raz o c clica do transistor Spuck que dado pela Equa o 46 2 D 1 D 1 0 463 0 537
119. no sistema proposto de acordo com as normas regulamentadoras e autorizativas da ANEEL 9 assim como o funcionamento do transceptor monocanal que funcionar como carga do sistema O terceiro cap tulo apresenta o estudo te rico do conversor boost respons vel pelo carregamento dos ultracapacitores Ser apresentado seu princ pio de funcionamento equacionamento projeto simula o e controle o qual deve garantir que o painel fotovoltaico opere no ponto de m xima pot ncia garantido assim que seja extra da a sua m xima pot ncia para qualquer nivel de radia o solar Tamb m ser dimensionado o conversor buck respons vel pela retirada da energia dos ultracapacitores para fornecimento ao transceptor tanto para funcionamento durante o dia com a presen a de luz solar quanto na sua aus ncia no per odo noturno e quando em dias nublados com pouca incid ncia de raios solares Por fim ser o apresentados o circuito de controle e o algoritmo usado pelo sistema O quarto cap tulo apresenta o resultado das simula es e os testes feitos em laborat rio como foco principal para este trabalho que um conversor capaz de alimentar um r dio transceptor monocanal com baixa pot ncia operando em corrente cont nua Ao final do cap tulo s o apresentados os resultados experimentais para o prot tipo implementado verificando e comprovando os estudos te ricos realizados nos cap tulos anteriores Ao fim do trabalho descreve se a conclus o ger
120. nor J A Pomilio Componentes Passivos Utilizados em Fontes Chaveadas arquivo Fontes Chaveadas Cap 6 Acesso em setembro 2012 40 R Kotz M Carlen Principles and Applications of Electrochemical Capacitors Electrochimica Acta vol 45 2000 pp 2483 2498 41 H E Becker U S patent 2 800 616 to General Electric 1957 42 D I Boos U S Patent 2 536 963 to Standard Oil SOHIO 1970 43 http www maxwell com products ultracapacitors downloads acesso em outubro 2012 103 44 http www epcos com web home html home e html acesso em setembro 2012 45 http www nec tokin net now english product pdf dl SuperCapacitors pdf acesso em setembro 2012 acesso em setembro 2012 46 http www elna america com dlc htm acesso em setembro 2012 47 http www avxcorp com docs techinfo bcapdim pdf acesso em setembro 2012 48 http www evanscap com MegaCap pdf acesso em setembro 2012 49 http www panasonic com industrial electronic components acesso em outubro 2012 50 http www vina co kr acesso em agosto 2011 51 http www nesscap com acesso em outubro 2012 52 http www korchip com acesso em outubro 2012 53 http www chemi con co jp e catalog dl html acesso em outubro 2012 54 http www skeletontech com acesso em outubro 2012 55 http www geocities ws saladefisica7 funciona telefone html acesso em outubro 2012 56 JESZENSKY Paul Jean Etienne Sistemas telef nicos Ba
121. nte eficaz que circula pelo enrolamento do indutor encontrada usando a Equa o 55 Assim substituindo valores da Tabela 11 tem se P lizef Ve m n 25 1 47 A 55 84 A corrente de pico atrav s do indutor dada pela Equa o 56 substituindo os valores na equa o resulta lrzpico lizef EL 1 47 ELE 1 54 A 56 O produto das reas do n cleo do indutor do buck dado pela Equa o 57 LpucklL2picol 4 _ 447 56 10 1 54 1 47 10 Ae AWpucp e L 4473610 15414710 L 0 107215 cm 57 Kw Jmax Bmax 0 7 450 0 30 Onde Ae rea efetiva da perna central do n cleo Aw rea da janela do carretel Ae AWpuck Produto das reas desejado do indutor do buck em Ky 0 7 Fator de utiliza o da rea da janela enrolamento Imax 450 A cm Densidade de corrente el trica m xima Bmax 0 30 T Densidade de fluxo magn tico m ximo Baseado no c lculo do produto das reas escolheu se o n cleo de ferrite para a confec o do indutor buck Assim foi escolhido o n cleo NEE 40 17 12 da Thornton cujos dados est o na Tabela 12 61 Tabela 12 Caracter sticas do n cleo NEE 40 17 12 76 Caracter sticas do n cleo de ferrite do buck Ae Aw Produto das reas 2 28 cm Ae Area efetiva da perna central 1 48 em Aw Area da janela do carretel 1 54 em Ve Volume do n cleo 11 30 cm O n mero de espiras do indutor do buck dado pela Equa o 58 6
122. nternas Os ultracapacitores t m resist ncias da ordem de fra o de mil simo de Ohm Assim um capacitor de 0 1 mQ com 2 5 V poss vel obter uma corrente de pico de 625 A Uma vantagem do ultracapacitor a sua taxa super r pida de carga e descarga que determinada exclusivamente por suas propriedades f sicas Uma bateria depende de uma rea o qu mica mais lenta para a energia A desvantagem de um ultracapacitor que atualmente eles armazenam uma quantidade menor de energia do que uma bateria Ultracapacitores s o muito bons em captar de forma eficiente eletricidade a partir de frenagem regenerativa e pode fornecer energia para acelera o t o rapidamente Sem partes m veis eles tamb m t m uma vida til muito longa 500 mil ciclos a mais de carga descarga Ultracapacitores s o atualmente utilizados para energia e lica energia solar e armazenamento da energia h drica Um ultracapacitor tamb m conhecido como um capacitor de dupla camada polariza uma solu o eletrol tica para armazenar energia el trica estaticamente Embora seja 32 um dispositivo eletroqu mico n o s o as rea es qu micas envolvidas no seu mecanismo de armazenamento de energia Este mecanismo altamente revers vel e permite que o ultracapacitor seja carregado e descarregado centenas de milhares de vezes Uma vez que o ultracapacitor carregado e a energia armazenada uma carga por exemplo motor do ve culo el trico pode usar e
123. nversor abaixador por que a tens o na sa da menor que a da entrada 34 E caracterizado por ter entrada em tens o e sa da em corrente Figura 2 34 Conversor buck 34 Sbuck Vo Cbuck V As etapas de funcionamento do conversor buck s o descritas a seguir 1 Etapa 0 DTs Spuck est conduzindo A corrente circula por Lyuck pela sa da Nesta etapa Vg fornece energia para a sa da e para a magnetiza o do indutor Lpuck 2 Etapa DTs 1 D Ts Spuck est bloqueado No instante de abertura de Spuck 0 diodo Dpuck entra em condu o A energia do indutor transferida para a carga isto o indutor desmagnetizado A forma de onda da tens o Vppuck mostrada na Figura 2 35 dada pela Equa o 14 1 DT Voouck o h Vy at 14 Figura 2 35 Tens o Vpbuck no conversor buck 34 V Dbuck A Vg DTs Ts 4 A Figura 2 35 mostra um filtro passa baixas LC LpuckCbuck adicionado ao conversor b sico O diodo Dpuck proporciona um caminho para a corrente no indutor quando a chave Spuck aberta e polarizada reversamente quando a chave fechada A tens o m dia sobre o indutor VLpuck zero 34 ent o Vc dado pela Equa o 15 62 1 Ts VW D T Vy D logo D L 15 c Vg 1 Ve h Y dt V 0 T 0 Na Figura 2 36 mostrada a varia o da tens o de sa da em fun o da raz o c clica para o conversor buck Figura 2 36 Ganho est tico em fun
124. o nos pr ximos anos uma vez que ainda se encontram em fase de estudo Dentre essas novas tecnologias destacam se as tecnologias 20 nanocristalinas sensibilizadas com corantes microcristalinas micromorfas e h bridas As c lulas Copper Indium Deselenid CIS e Cadmium Telluride CdTe Dye sensitized s o outros exemplos de tipos de c lulas 15 2 2 Painel Fotovoltaico O painel fotovoltaico o elemento respons vel pela convers o da energia solar em energia el trica A Figura 2 5 mostra o painel solar da fabricante SIEMENS modelo S55 com 36 c lulas de sil cio monocristalino matriz 4x9 utilizado no experimento e que se encontra instalado sobre o telhado do Laborat rio do Grupo de Processamento de Energia e Controle GPEC da Universidade Federal do Cear Suas caracter sticas el tricas encontram se detalhadas no cap tulo seguinte O painel fotovoltaico gera energia a partir de pequenas c lulas de sil cio tendo como fonte geradora o sol A energia captada sobre sua superf cie quando ocorre incid ncia de raios solares em diferentes ngulos a intensidade do feixe maior quando a incid ncia ocorre em 90 Figura 2 5 Painel fotovoltaico utilizado no experimento O painel fotovoltaico n o pode armazenar energia el trica desta forma toda a energia gerada dever ser armazenada em um banco de ultracapacitores Para maximizar a pot ncia de sa da do painel fotovoltaico devem ser utilizados algoritmos
125. obre um eletrodo de cobre com camadas em escala at mica de ouro e tit nio para ajudar a grudar tudo e manter a estabilidade el trica O conjunto foi coberto com revestimentos muito finos de xido de alum nio o diel trico e xido de zinco dopado com alum nio o contra eletrodo por meio de um processo chamado deposi o de camada at mica Um eletrodo superior de prata completa o circuito O ultracapacitor nascido em nanoescala est vel e escal vel Em tese poss vel construir usinas inteiras com eles acumulando a energia gerada pelos ventos ou pelo Sol e liberando a quando necess rio Desta forma os pesquisadores da Universidade de Rice vislumbram um carro el trico no qual a bateria estaria distribu da por todo o ve culo incluindo chassi portas teto piso etc Assim sendo a nova tecnologia de baterias armazenar energia na lataria dos carros Eles relataram que todas as solu es de estado s lido para armazenamento de energia poder o ser intimamente integradas nos aparelhos incluindo telas flex veis bio implantes muitos tipos de sensores e todos os aparelhos eletr nicos que possam se beneficiar de taxas r pidas de carga e descarga 35 Recentemente outro grupo de pesquisadores sugeriu o uso de nanocapacitores eletrost ticos com o mesmo potencial 27 Antes que qualquer dessas possibilidades ganhe uso pr tico contudo os cientistas ter o que lidar com a mania dos capacitores de liberarem suas elevadas
126. omposto por telefone p blico a cart o indutivo placa de energia solar e transceptor celular fixo em Macei AL O TCP F Telefone Celular P blico Fotovoltaico resolve a quest o da telefonia p blica em locais distantes que pode ser instalado em 24 horas em locais em que haja sinal de telefonia celular resistente s intemp ries e pode ser usado como orelh o equipamento de comunica o de seguran a e meio de comunica o de emerg ncia em rodovias entre outros Figura 1 6 Sistema de telefonia p blica utilizando energia fotovoltaica em Macei AL O sistema de telecomunica es para atendimento a comunidade isolada da rede p blica de energia e de telecomunica es na localidade Tucuns dos Donatos em Pedro II PD composto por dois m dulos fotovoltaicos um controlador eletr nico de cargas uma bateria automotiva um equipamento de r dio transceptor monocanal 12 Vcc uma antena Yagi na faixa de VHF e o equipamento telef nico orelh o O sistema de telefonia rural opera na faixa de frequ ncia de 250 MHz foi instalado em julho 1998 e se encontra em pleno funcionamento Nesse caso o m dulo est fixado sobre uma estrutura met lica a uma altura aproximada de 3 metros Todavia outras configura es tamb m s o poss veis sobre o telhado da pequena edifica o que abriga o r dio transmissor ou afixado no pr prio poste que suporta a antena instalada na altura de cerca de 10 m Na Figura 1 7 apare
127. or CC CC h uma chave PWM formada por um interruptor ativo e outro passivo Nesse caso o interruptor ativo o transistor Spuck O interruptor passivo o diodo Dpuck Como o conversor tipo buck um conversor abaixador de tens o a raz o c clica e trabalho do transistor Spuck calculada dividindo se a tens o de entrada pela tens o de sa da conforme Equa o 15 2 8 Conclus o A topologia do conversor elevador tem como vantagens a simplicidade do controle por apresentar uma nica chave e elevado rendimento e confiabilidade Como desvantagens pode se citar n o consegue evitar os crescimentos abruptos de corrente na entrada e n o efetua prote o contra curto circuito na carga 64 CAP TULO 3 3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA 3 1 Introdu o Para dar in cio ao dimensionamento deve se conhecer a pot ncia a ser consumida pelo sistema Basicamente o painel fotovoltaico otimizado pelo circuito de controle carrega os ultracapacitores durante o dia A noite os ultracapacitores fornecem energia previamente armazenada para o transceptor e a antena O consumo di rio do sistema calculado para 24h sendo necess rio dividi lo pela quantidade de horas do dia No entanto o sistema opera por pelo menos tr s horas por dia desta forma o consumo di rio referente s tr s horas di ria considerando a efici ncia estimada do conversor elevador em 90 a perda de energia devido resis
128. or e pela observa o na Figura 2 27 percebe se que atrav s desta t cnica o painel fotovoltaico nunca ir atingir o ponto de m xima pot ncia uma vez que a tens o do painel ser perturbada constantemente Isto faz com que em regime permanente a pot ncia oscile em torno do MPP desperdi ando um pouco de energia No entanto esta oscila o pode ser diminu da atrav s da redu o do tamanho da perturba o por m perturba es muito baixas tornam a t cnica lenta demorando mais tempo para encontrar o ponto de m xima pot ncia Os m todos apresentados neste cap tulo apresentam vantagens e desvantagens dependendo da aplica o a ser feita O M todo Perturba e Observa tamb m apresenta desvantagens como se revela fal vel em situa es onde podem ocorrem mudan as bruscas das condi es clim ticas A partir do ponto A se as condi es atmosf ricas permanecerem aproximadamente constantes aplicada uma perturba o AV na tens o do painel deslocando o ponto de opera o para B Como ap s a inser o da perturba o a pot ncia diminui o sentido de AV tem de ser invertido No entanto se ocorrer um aumento repentino da radia o solar desloca a pot ncia de P1 para P2 e o ponto de opera o passar de A para C Isto representa um aumento da pot ncia e a perturba o mantida no mesmo sentido Como consequ ncia o ponto de opera o ir divergir do ponto de m xima pot ncia e manter essas diverg ncias se a ra
129. os quais substituem as baterias automotivas Como vantagens sobre m dulos de baterias est o o menor peso menor volume e vida til superior com menos manuten o O tempo de vida til dos ultracapacitores situa se em torno de 10 anos contra 3 anos de vida til das baterias O sistema fornece alimenta o para o equipamento transceptor podendo ser utilizado dois ou mais canais com pot ncia de 14 consumo de 13 W O sistema ser projetado com capacidade para alimentar servi os de telecomunica es para atendimento a comunidades isoladas da rede p blica de telefonia fora da rea de atendimento b sico das concession rias dos servi os p blicos por at 3 horas noturnas podendo ser ativado como um Telefone de Uso P blico TUP conhecido popularmente como orelh o servi o de conex o internet atendimento a postos de sa de escolas rurais pequenas resid ncias fazendas s tios e ch caras com pot ncia m xima instalada de at 50 W Este trabalho est divido como segue O segundo cap tulo inicia se com o estudo gen rico sobre o painel fotovoltaico a ser utilizado bem como descreve sobre os ultracapacitores seu dimensionamento sua forma de armazenamento de energia e o comparativo de custos e vantagens sobre as tradicionais baterias usadas em sistemas fotovoltaicos e as principais configura es instaladas no Brasil Neste cap tulo tamb m ser apresentado o dimensionamento dos conversores que ser o utilizados
130. pacitor el trico de dupla camada ESR Equivalent Series Resistance resist ncia s rie equivalente CDLC Carbon Double Layer Cell c lula de carbono com dupla camada E E 5 H v rias companhias fabricantes de ultracapacitores como a Maxwell Technologies nos Estados Unidos 43 a Siemens Matsushita atrav s da EPCOS na Alemanha 44 NEC Tokin 45 ELNA 46 AVX 47 Evans 48 Panasonic Industrial no Jap o 49 Vina Technology 50 e Ness 51 ambas da Cor ia do Sul Korchip Cor ia do Sul 52 Nippon Chemi con Jap o 53 Skeleton Alemanha 54 etc 2 3 1 Compara es entre Baterias x Ultracapacitores Dois tipos de baterias s o utilizadas atualmente em pain is fotovoltaicos baterias de chumbo cidas e baterias de cadmium n quel alcalinas As baterias de cadmium n quel alcalinas s s o utilizadas em locais com condi es clim ticas adversas ou em locais em que necess rio grande confiabilidade Quando se escolhe uma bateria para um sistema PV dever o se ter em conta para al m da tens o nominal fatores como e gama de temperaturas admiss veis 15 C at 50 C e taxa de autodescarga 2 por m s a 25 C e tempo de vida 1800 ciclos com 80 de profundidade de descarga e efici ncia de carga desde 20 descarregada 38 e capacidade Ah para descargas de 10h e frequ ncia requerida para restabelecer os n veis de eletr lito e peso resist ncia sobrecarga e custo
131. pacitores poderiam permitir a laptops e telefones celulares a serem utilizados com maior rapidez em seus acionamentos Ao contr rio 23 de baterias de laptop que come am a perder sua capacidade de manter a carga depois de um ano ou dois v rias centenas de ciclos de carga descarga ultracapacitores t m centenas de milhares ciclos de carga descarga e ainda pode continuar muito forte mesmo depois que os dispositivos em que s o usados estiverem obsoletos 31 Dois grupos de pesquisadores trabalhando isoladamente anunciaram quase ao mesmo tempo a descoberta do que poder se tornar o mais importante avan o em sistemas de armazenamento de energia desde sua inven o Al m dos aparelhos port teis uma infinidade de aplica es utiliza as baterias como fonte de energia de sistemas de no breaks at ve culos h bridos Mas sua tecnologia n o sofreu nenhum avan o radical nos ltimos anos 32 Cientistas dos Laborat rios Bell e da empresa mPhase relataram a constru o de um prot tipo de bateria inteligente a partir de materiais nanosc picos capaz de fornecer energia n o de forma cont nua como as pilhas e baterias tradicionais mas apenas quando essa energia for necess ria O prot tipo ainda pequeno produzindo energia suficiente para alimentar um LED Light Emitter Diode Mas os cientistas est o entusiasmados com seu potencial A nova bateria a demonstra o pr tica de uma descoberta feita pelos mesmos pesquisadores
132. parelhos quando utilizado em conjunto 36 Ultracapacitores comerciais est o dispon veis em v rias capacit ncias desde valores baixos at em torno de 3000 F como exemplo de um no valor de 2600 F 2 5 V pesando 0 5 kg e ocupando um volume de 500 cm ou em m dulos integrados de 145 F 42 V pesando16 kg e ocupando em torno de 21 dm As especificidades de constru o do ultracapacitor s o dependentes da aplica o e da utiliza o Os materiais podem diferir ligeiramente por fabricante ou devido s necessidades espec ficas da aplica o O ponto comum entre todos os ultracapacitores que eles consistem de um eletrodo positivo um eletrodo negativo um separador entre os dois eletrodos e um eletr lito de enchimento nas porosidades dos dois eletrodos e separador conforme se v na Figura 2 17 Figura 2 17 Separa o de carga no ultracapacitor 43 Eletr lito Separador Eletrodo Positivo Eletrodo Negativo A montagem dos ultracapacitores pode variar de produto para produto Isto devido em parte geometria da embalagem do ultracapacitor Para produtos com um arranjo de embalagem prism tica ou quadrada a constru o interna baseada em um arranjo de montagem de empilhamento com p s internas do coletor de extrus o a partir de cada pilha de eletrodos Estas p s coletoras de corrente s o em seguida soldadas aos terminais para permitir um percurso de corrente do lado de fora do ultracapacitor Par
133. r odo de amostragem e do ganho G est o relacionados com a velocidade de converg ncia e estabilidade da t cnica A diminui o do per odo de amostragem permite aumentar a velocidade de converg ncia embora aumente a ondula o de pot ncia em regime 55 permanente podendo levar instabilidade da t cnica para valores muito pequenos O aumento do valor do ganho G aumenta a velocidade de converg ncia e acrescenta tamb m ondula o em regime permanente da pot ncia de sa da do painel chegando a ficar inst vel para valores muito elevados 26 2 6 4 M todo da Corrente Constante O m todo da corrente constante tamb m conhecido como m todo da corrente de curto circuito tem um princ pio de funcionamento id ntico ao m todo da tens o constante A corrente de curto circuito Isc dependente da varia o das condi es atmosf ricas altera o valor da corrente de m xima pot ncia Imp uma vez que segundo este m todo Imp Isc est o linearmente relacionados como mostra a Equa o 8 27 Imp ka Isc 8 A constante de proporcionalidade k2 determinada por meios emp ricos de acordo com o painel fotovoltaico sendo o seu valor muito pr ximo de um mas sempre menor que este Desta forma medindo o valor da corrente de m xima pot ncia e uma vez determinado o valor de k pode se calcular o valor de Imp para colocar o painel para funcionar no ponto de m xima pot ncia A medi o de Isc durante o p
134. rsor Boost O conversor boost um conversor elevador de tens o caracterizado por ter entrada em corrente e sa da em tens o Na Figura 2 19 mostra se o diagrama el trico do conversor boost 44 A topologia do conversor elevador de tens o conhecida por conversor boost 2 est representada na Figura 2 21 Esta fam lia de conversores amplificadora de tens o ou seja a tens o m dia de sa da sempre superior tens o de entrada e apresenta como caracter sticas fonte de corrente na entrada devido ao indutor em s rie com a fonte de tens o e uma fonte de tens o na sa da pela presen a do capacitor filtro de sa da As principais aplica es desse conversor s o em fontes de alimenta o retificadores com alto fator de pot ncia e no acionamento de motores de corrente cont nua com frenagem regenerativa transformando seu diodo em chave controlada 60 Figura 2 19 Conversor elevador de tens o boost cl ssico 5 L boost Decost As etapas de funcionamento do conversor boost s o descritas a seguir 1 Etapa 0 DTs Moos est conduzindo O indutor Loost magnetizado A fonte Vi fornece energia ao indutor 2 Etapa DTs 1 D Ts Mooos est bloqueado O diodo Doos entra em condu o A fonte Vi e o indutor Lpoos fornecem energia sa da A tens o na carga aumenta A forma de onda da tens o sobre o indutor Lys mostrada na Figura 2 20 Figura 2 20 Tens o sobre o indutor do boost
135. rueri SP Ed Manole 2004 57 MIYOSHI Edson Mitsugo SANCHES Carlos Alberto Projetos de sistemas r dio S o Paulo Erica 2002 58 Manual T cnico da ST amp S R dio monocanal 250 MHz 360 MHz sintetizado MC 25S MC 36S Rev B Agosto 2008 59 Oliveira E F de Conversor est tico de baixo custo e alto rendimento para sistemas e licos de pequeno porte Monografia Universidade Federal do Cear UFC Fortaleza CE 2010 60 CASTELO BRANCO P T V Sistema de energia el trica port til usando painel fotovoltaico para aplica o em notebooks Disserta o de mestrado Universidade Federal do Cear UFC Fortaleza 2011 61 THORNTON Cat logo de fabricante Dispon vel em lt http www thornton com br produtos nee htm gt Acesso em Maio 2011 62 MCLYMAN C Wim T Transformer and Inductor Design Handbook Editora Marcel Dekker Inc 2004 63 Vorp rian Vatch Simplified Analysis of PWM Converters using Model of PWM Switch Part I Continuous Current Mode IEEE Transactions on Aerospace and Electronics 104 Systems vol 26 no 3 May 1990 64 Vorp rian Vatch Simplified Analysis of PWM Converters using Model of PWM Switch Part II Discontinuous Current Mode IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems vol 26 no 4 June 1990 105 AP NDICES AP NDICE A Esquem tico do Circuito de Controle desenhado com o software Altium 106 AP NDICE B
136. s Optou se por esses componentes por n o necessitar de se fazer manuten o peri dica e por trabalhar com temperaturas que variam de 40 C a 65C Tendo como 72 aplica o a rea de telecomunica es devido facilidade de importa o e por ter um representante no Brasil O atraso na entrega normalmente ocorre por ter que passar pela alf ndega para o desembara o aduaneiro na Receita Federal do Brasil bem como a libera o por parte da Pol cia Federal e consequentemente o transporte pelos Correios at o endere o do destinat rio Isso ocorre ap s o preenchimento de guias de importa o o que n o foi o caso pois os produtos foram destinados para pesquisa e liberados para uso nesse projeto Existe nos Correios o sistema importa f cil para pesquisadores cadastrados no CNPq Extraindo os valores da Tabela 8 O valor do resistor paralelo ao painel R1 no circuito simulador Rpm dado pela Equa o 29 Vaberto 21 7 Icurto IMPP 3 35 3 05 Rey 7233 Q 29 O valor do resistor s rie R2 no circuito simulador Rsm dado pela Equa o 30 Vaberto VMPP _ 21 7 17 4 Rsm IMPP 305 1410 30 Na simula o com o ORCAD CAPTURE 10 3 utilizou se o circuito com o m dulo fotovoltaico mostrado na Figura 3 7 A tens o Vaberto 21 7 V subtra da da tens o de polariza o do diodo que tem uma queda de tens o direta t pica de 0 3 V Vdp 0 3 V desta forma o modelo n o influenciado por esta
137. s Tavares Cruz 1 Engenharia El trica 2 Energia Fontes alternativas I Titulo CDD 621 3 A Jesus Cristo meu Senhor e Salvador Aos meus pais Jos F lix e Maria do Socorro Dantas que acreditaram em mim Aos meus tios pais C ndido L cio in memoriam e Josefa Trigueiro que me educaram em Campina Grande PB minha esposa e grande amor Mary Luce pela aus ncia no lar durante os estudos e pelo incentivo sem o qual eu n o teria chegado ao final com a coroa Aos meus filhos Aryadne Ariele e Jos Neto que tiveram discernimento e compreens o Que acompanham a minha trajet ria de vida AGRADECIMENTOS Ao Rei dos Reis e Senhor dos Senhores Jesus Cristo o nazareno que morreu na cruz do Calv rio para que n s todos tiv ssemos vida e vida em abund ncia Ao Reitor do Instituto Federal do Piau Prof Francisco das Chagas Santana um verdadeiro nacionalista que contribui para o desenvolvimento cient fico e tecnol gico do Estado do Piau Aos Professores do Departamento de Engenharia El trica da UFC Otac lio da Mota Almeida Luiz Henrique Colado Silva Barreto Jos Carlos Teles Campos Demercil de Sousa e Arthur Sousa Ao Prof Ren Pastor Torrico Bascop que n o mediu esfor os em colaborar nos momentos de d vidas durante a montagem do projeto Ao Prof C cero Marcos Tavares Cruz n o s por sua segura e competente orienta o dedica o pelo exemplo de profissionalismo como tamb m por sua ami
138. seceseeesceesaceeneeeeeenee Principais formas de onda do conversor boost Apresenta o gr fica da caracter stica de transfer ncia do CONVErsOr DOOSI sce a teee ete da Ghat rn UE pat da a ata ed Representa o dos pontos de opera o de um painel fotovoltaico Diagrama de blocos simplificado do MPPT Fluxograma do Algoritmo do M todo Perturba o amp Observa o 10 13 16 17 17 19 20 23 25 26 27 29 30 30 31 31 33 34 36 43 44 44 45 46 48 49 50 xi Figura 2 26 Figura 2 27 Figura 2 28 Figura 2 29 Figura 2 30 Figura 2 31 Figura 2 32 Figura 2 33 Figura 2 34 Figura 2 35 Figura 2 36 Figura 2 37 Figura 3 1 Figura 3 2 Figura 3 3 Figura 3 4 Figura 3 5 Figura 3 6 Figura 3 7 Figura 3 8 Figura 3 9 Figura 3 10 Figura 3 11 Figura 3 12 Figura 3 13 Figura 3 14 Figura 3 15 Figura 3 16 Figura 3 17 Figura 3 18 Figura 4 1 Figura 4 2 Figura 4 3 Figura 4 4 Figura 4 5 Figura 4 6 Figura 4 7 Evolu es poss veis da pot ncia num painel fotovoltaico Mudan a repentina do ponto de opera o devido s altera es clim ticas snas i s r soon eden a iaa e Saa EE E eaaa Modelo do m todo da Tens o Constante cee ceeceeeceeeeeeeeeeeee Fluxograma do m todo de Tens o Constante Fluxograma do M todo Corrente Constante Gr fico da curva Tens
139. simos intervalos de tempo o projetista poder em breve contar com uma solu o intermedi ria o ultracapacitor Usando tecnologias apropriadas poss vel multiplicar a densidade de armazenamento de energia e com isso fabricar capacitores de valores t o elevados que permitem o armazenamento de quantidades de energia que sejam comparadas a que uma pilha ou bateria comum pode armazenar Isso nos permite colocar o ultracapacitor como fonte de energia num ponto intermedi rio entre o capacitor comum e a bateria conforme mostra a Figura 2 12 37 Figura 2 12 Baterias ultracapacitores e capacitores comuns Al T Baterias Ultracapacitores Capacitores comuns Menor corrente Maior corrente maior durabilidade menor durabilidade Verifica se visualmente que dois capacitores do mesmo tamanho e mesma tens o de trabalho sendo um eletrol tico comum e o outro um ultracapacitor o ultracapacitor tem uma capacit ncia 100 vezes maior conforme mostra a Figura 2 13 31 Figura 2 13 Capacitor eletrol tico comum e ultracapacitor lt gt CLE 10 000 uF 1F Capacitor eletrolitico comum Ultracapacitor Uma caracter stica importante que obtida nos ultracapacitores sua baix ssima resist ncia em s rie conforme se pode ver pelo circuito equivalente da Figura 2 14 e que limita a corrente de pico de descarga Figura 2 14 Capacitores e ultracapacitores Resist ncia Interna muito baixa j 7 C lulas i
140. ssa energia A quantidade de energia armazenada muito grande comparada a um capacitor padr o por causa da enorme superf cie criada pelos eletrodos de carbonos porosos e a pequena separa o do diel trico Como um dispositivo de armazenamento o ultracapacitor baseia se na separa o de cargas microsc picas em uma interface eletroqu mica para armazenar energia Uma vez que a capacit ncia destes dispositivos proporcional rea do eletrodo ativo aumentando a rea de superf cie do eletrodo ir aumentar a capacit ncia aumentando assim a quantidade de energia que pode ser armazenada Esta conquista de elevada rea superficial utiliza materiais como carv o ativado ou p s met licos sinterizados No entanto em ambas as situa es h um limite intr nseco porosidade destes materiais ou seja existe um limite superior para a quantidade de rea de superf cie que pode ser alcan ado simplesmente fazendo part culas cada vez menores Um m todo alternativo deve ser desenvolvido para aumentar a superf cie ativa do eletrodo sem aumentar o tamanho do dispositivo Um eletrodo muito mais eficiente para dispositivos de armazenamento de energia el trica poderia ser idealizado se a rea da superf cie puder ser significativamente aumentada Um capacitor tradicional acumula energia no campo el trico criado pela separa o das cargas el tricas Este campo existe no diel trico que se torna polarizado A capacit ncia proporcional p
141. t ncia no cabo coaxial que alimenta o sistema irradiante as perdas nos conectores que acoplam os sinais de radiofrequ ncia e as perdas de energia dos componentes eletr nicos s o apresentadas neste t pico 3 1 Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico O fabricante do equipamento transceptor informa no Manual T cnico a pot ncia de consumo 58 devido a isto optou se por utilizar pain is fotovoltaicos que j se encontram instalados sobre o telhado do GPEC cujas especifica es atendem aos requisitos necess rios para o bom funcionamento do sistema Como o painel fotovoltaico utilizado foi o MMS55 da Siemens seu dimensionamento foi realizado de acordo com 5 Os m dulos fotovoltaicos da s rie MM s o feitos de c lulas solares de sil cio monocristalino e oferecem um elevado desempenho durabilidade e confiabilidade para uma ampla gama de aplica es Em particular o tamanho compacto os torna adequados para utiliza o em sistemas fotovoltaicos isolados O alum nio resistente a camada de lamina o de EVA Etileno Vinil Acetato oferece um alto grau de estabilidade e resist ncia a intemp ries O fabricante do m dulo fotovoltaico fornece a corrente m xima que equivale a corrente de curto circuito Juro tens o m xima equivalente tens o em circuito aberto Vaberto corrente nominal equivalente a corrente em MPP Imrr e tens o nominal equivalente tens o em MPP Vupp Estes valores s o fornecidos para uma r
142. t Tracking IEEE Transactions on Energy Conversion v 21 n 2 p 562 568 2006 23 CAVALVANTI M C et al Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Systems Eletr nica de Pot ncia v 12 n 2 p 163 171 2007 24 BRITO A G de GALOTO Luizi SAMPAIO Leonardo P CANESIN Carlos A Avalia o das Principais T cnicas para Obten o de MPPT de Pain is Fotovoltaicos UNESP Ilha Solteira Laborat rio de Eletr nica de Pot ncia p 1 6 2012 25 N A R G K A S and L C J with S Balakrishna Thansoe The Study and Evaluation of Maximum Power Point Tracking Systems International Conference on Energy and Environment 2006 ICEE 2006 pp 17 22 26 SEGUEL J I L Projeto de um sistema fotovoltaico aut nomo de suprimento de energia usando t cnica MPPT e controle digital Mestrado em Engenharia El trica UFMG Escola de Engenharia 2009 27 ESRAM T CHAPMAN P L Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques IEEE Transactions on energy conversion vol 22 2007 PP 439 449 102 28 JAIN S AGARWAL V Comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single stage grid connected photovoltaic systems Electric Power Applications IET vol 1 PP 753 762 2007 29 Y jung M Tung D A P Hu and D N K Nair Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE
143. tante do sistema naquela noite No dia seguinte 20 04 2012 s 08h35min a tens o do banco de ultracapacitores encontrava se em 9 73 V desta forma o transceptor mesmo em repouso consome energia devido aos seus circuitos internos de pot ncia 97 CONCLUS O GERAL Este trabalho tratou do projeto e implementa o de um sistema fotovoltaico para atendimento a uma comunidade isolada da rede p blica de energia e de telecomunica o em que foi utilizado como forma de armazenamento de energia o ultracapacitor Foi apresentado o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico para alimentar um sistema de telefonia rural em corrente cont nua em uma comunidade isolada da rede de energia da concession ria local O sistema ora projetado n o utiliza o inversor para corrente alternada reduzindo assim custos com equipamentos bem como n o utiliza baterias como forma de armazenamento diminuindo desta forma manuten es peri dicas trocas ou substitui es devido vida til das baterias Em vez das baterias foram utilizados ultracapacitores como forma de armazenamento de energia A maior efici ncia foi devido ao conversor elevador CC CC que superior a de inversores tanto a plena carga como a vazio Inicialmente foi realizado o estudo em conceitos pr ticos sobre as fontes alternativas de energia especificamente energia e lica e energia solar A situa o atual do atendimento de energia el trica no Brasil e foi constatado que cerca de dois
144. tens o de polariza o Considerou se a radia o de 1 000 W m e temperatura de 25 C Figura 3 7 Circuito do ORCAD CAPTURE 10 3 utilizado para simular o m dulo fotovoltaico Roy 1 41 Q Vdp 0 3V Rou 72 33 Q Iph 3 35 A Ns V Vdp 21 4V Na Figura 3 7 Iph a corrente de curto circuito do painel fotovoltaico e Np a quantidade de pain is utilizados no projeto Np Ns VD Vdp nesse caso utilizou se apenas uma unidade Ns a quantidade de c lulas do painel no caso 36 Vp a tens o da c lula do diodo de sil cio quando ela come a a conduzir neste caso foi adotado aproximadamente 0 6 V 73 3 3 Dimensionamento e Simula o do Conversor Boost O painel fotovoltaico ter que fornecer no m nimo 12 V de tens o na entrada do conversor boost para que o transceptor funcione Considerando que a radia o solar seja 2 maior ou igual a 1000 W m E poss vel montar a Tabela 8 com as especifica es necess rias para o projeto do boost Tabela 8 Especifica es para o dimensionamento do conversor boost Especifica es para o Dimensionamento do Conversor Boost Par metro Valor Vpy mn Tens o m nima de entrada 12 V Vpy nom Tens o nominal do m dulo fotovoltaico 17 4 V Vcarga_max Tens o m xima na sa da do conversor boost 297V gt tens o maxima nos ultracapacitores AVcarga Varia o de tens o no capacitor de sa da do boost 0 05 da tens o na sa da
145. trado na Figura 1 9 Este pode ser subdividido em cinco subsistemas o sistema fotovoltaico PV o conversor CC CC elevador os ultracapacitores o conversor CC CC abaixador e o transceptor Todos estes subsistemas s o gerenciados por um microcontrolador que determina o tempo de funcionamento de cada subsistema bem como monitora a condi o de carga dos ultracapacitores Figura 1 9 Diagrama de blocos do sistema proposto TRANSCEPTOR ULTRACAPACITOR O prot tipo foi desenvolvido para suprir uma comunidade isolada da rede de energia el trica para atendimento ao servi o de telefonia em uma localidade desprovida dos servi os de telecomunica es O sistema proposto pode ser instalado para atendimento a comunidades isoladas da rede de energia el trica como propriedades rurais s tios ch caras fazendas repetidoras de sinais de telecomunica es canteiros de obras de construtoras em que seja dif cil a instala o de postes da rede p blica de energia bem como ser usado como telefone de uso p blico e acesso Internet Pode ainda de acordo com o perfil topogr fico do terreno atender localidades distantes do lado da central telef nica em at 100 km do munic pio sede 1 6 Conclus o Neste trabalho prop e se o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico para suprir energia a um sistema de telefonia para atendimento de uma comunidade isolada O m dulo de armazenamento de energia constitu do de ultracapacitores
146. ubmetido o painel fotovoltaico Os pain is fotovoltaicos apresentam caracter sticas tens o versus corrente n o linear que podem ser observadas as quais variam de acordo com o n vel de radia o solar e de temperatura e que tornam a extra o desta m xima pot ncia uma tarefa complexa considerando se as varia es de carga O MPP de um painel solar fotovoltaico corresponde ao ponto da curva corrente versus tens o em que se obt m a m xima pot ncia gerada pelo painel Na Figura 2 23 est representada a curva caracter stica I V onde se verifica que para a m xima pot ncia fornecida pelo painel existe apenas um valor de tens o Vmp e somente um valor de corrente Imp 48 Figura 2 23 Representa o dos pontos de opera o de um painel fotovoltaico Curva Corrente vs Tens o sesssssssssssssbessssssssssssssle 4 1 4 Corrente no M dulo Fotovoltaico A m 10 15 20 Tens o no M dulo Fotovoltaico V O painel solar fotovoltaico ideal deve funcionar sempre na sua pot ncia nominal mas isso n o acontece porque as condi es ambientais temperatura e radia o solar alteram seu ponto de funcionamento A posi o do sol a polui o atmosf rica a altera o dos n veis de radia o as varia es da temperatura e o pr prio envelhecimento do painel s o fatores que contribuem para que o painel n o funcione sempre no seu ponto de m xima pot ncia Como o ponto de m xima
147. ula Individual do Ultracapacitor Ultracapacitor AV o Corrente do RK Coletor OLA Eletr lito Po OW Sor Eletrodo 2 OW Ultracapacitor Poroso Separador Do ponto de vista de uma aplica o a principal diferen a entre um ultracapacitor e uma bateria o fato da bateria ter um melhor desempenho como fonte de energia enquanto o ultracapacitor tem um comportamento superior em termos de fonte de pot ncia Ou seja para uma dada tens o um ultracapacitor capaz de responder a uma demanda de corrente de maneira muito mais r pida do que uma bateria o que se deve a uma resist ncia interna muito menor No entanto mesmo podendo atingir capacit ncias muito elevadas da ordem de milhares de Farads a energia acumulada merc da baixa tens o muito inferior que se consegue numa bateria com volume peso equivalente A Figura 2 16 mostra um mapeamento de diferentes dispositivos de ac mulo de energia em fun o de densidade de pot ncia e de energia chamado diagrama de Ragone Nota se que os ultracapacitores na Figura 2 16 designados como capacitores eletroqu micos podem apresentar densidade de pot ncia similar a um capacitor eletrol tico o que significa que o produto tens o x corrente similar No entanto a densidade de energia de uma a duas ordens de grandeza superior o que significa que um ultracapacitor capaz de acumular muito mais energia Em rela o s baterias e c lulas a combust vel apresentam dens
148. vos normalmente indutores e capacitores que tem por fun o controlar o fluxo de pot ncia de uma fonte de entrada para uma fonte de sa da 2 A frequ ncia de comuta o ou de chaveamento switching frequency Fs corresponde ao n mero de ocorr ncias de um evento repetido por unidade de tempo Esta frequ ncia tende a ser a mais alta poss vel diminuindo assim o volume dos elementos magn ticos e capacitivos do conversor O intervalo de comuta o definido pela Equa o 1 43 1 Ts Fs 1 A raz o entre o intervalo de comuta o Ts e o intervalo de condu o do interruptor S Ton definido por raz o c clica e dada pela Equa o 2 Ton D Te 2 A tens o m dia na sa da deste conversor calculada pela Equa o 3 1 Ton Ton Vo o Jo Vidt Wi o 3 Usando Ton DTs tem se Vo Dvi A rela o entre a tens o de sa da e a tens o de entrada definida como ganho est tico do conversor e dada ent o pela Equa o 4 Ve D 7 4 Os sinais de comando do interruptor podem ser gerados com frequ ncia de comuta o fixa ou vari vel Uma forma de gerar os sinais de comando com frequ ncia fixa atrav s de modula o por largura de pulso PWM Na Figura 2 18 mostrada uma forma simples de realizar PWM Figura 2 18 Exemplo de um circuito PWM 2 Vr YN Gerador l de EAA 5 Rampa ICC 7 i Ton i Ts i Ve 4 oa fra oa l I I Ton Ts 2 5 2 Conve
149. xima pot ncia Este m todo funciona de forma muito s lida quando ocorrem mudan as r pidas nas condi es clim ticas ja que ajusta rapidamente a tens o do m dulo fotovoltaico para encontrar praticamente sem oscila es o novo MPP 25 Como desvantagem para al m do seu elevado grau de complexidade esta uma t cnica mais cara exigindo um microcontrolador com mais recursos e requer sensores de tens o e corrente Figura 2 32 Fluxograma do M todo Condut ncia Incremental Ler V k Ler I k dV V k V k l dI I k I k 1 Nao Nao Vref Vref AV Vref Vref AV Vref Vref AV Vref Vref AV V k 1 Vk I k 1 I k 59 2 6 6 M todo Hill Climbing HC O M todo Hill Climbing aplicado aos sistemas perturbando o ndice de modula o em intervalos regulares 28 medindo a corrente e tens o atuais do painel e em fun o dos resultados anteriores decide em que zona da curva de pot ncia se encontra Uma vez conhecido a pot ncia o controle altera o ndice de modula o de forma a levar o painel para o ponto de m xima pot ncia Este m todo n o necessita de conhecer os par metros do painel aos quais v o ser aplicados O algoritmo utilizado neste m todo Figura 2 33 possui os mesmos problemas que s o apresentados pela t cnica P amp O descrita no t pico 2 6 1 quando submetido a r pidas varia es de radia o solar No entanto o erro em regime permanente do HC b
150. zade seu incentivo sua paci ncia enfim pelo exerc cio de educador e formador de mentes cr ticas demonstradas durante a orienta o deste trabalho transmitido sempre de forma clara e precisa os seus conhecimentos Agrade o imensamente a confian a em mim depositada Ao Prof Fernando Antunes que n o s contribuiu para o meu desenvolvimento cient fico mas que se tornou um amigo Ao professor S rgio Daher pela amizade e colabora o nas discuss es profissionais Aos professores Otac lio da Mota Almeida e Raphael Amaral membros da banca examinadora que contribu ram em muito para o aprimoramento do trabalho em sua vers o final Aos meus companheiros de Mestrado Guilherme Medeiros Bar ante Paulo de Tarso Vilarinho Castelo Branco Francisco das Chagas Batista Santos Emanoel Augusto Paulo Soares Aur lio Agostinho Ad o Francisco Nogueira Kelson Leite N dia Mendes D nis Alfredo Costa e Silva Benedicto Reinaldo Neto e Jos Brito Filho Ao meu amigo Jaison Castro Sousa que me recebeu em seu apartamento todas s vezes que estive em Fortaleza Aos t cnicos de laborat rio do GPEC Pedro Augusto e Andr Gadelha pelas contribui es pr ticas e pela amizade Aos meus colegas do LCE e do GPEC Herm nio Miguel Samuel J de Mesquita Derivan Marques Dante Pereira Jo o Silva Eduardo Fa anha jovem cientista 2011 vi Joacillo Dantas Luiz Daniel Francisco J nior Lisonildo Castro e Ailton Le o J nior por todo

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